专利名称：一种矿用水源识别方法及识别设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及水源识别领域，特别涉及一种矿用水源识别方法及水源识别设备。
背景技术：
随着煤矿开采深度的增加和开采规模的扩大，出现了多种威胁煤矿安全生产的灾 害，其中煤矿突水已成为深度开采的一大灾害。尤其是近几年，矿井突水事故频繁发生，给 煤矿开采人员的生命带来了危害，也对煤矿经济造成重大的损失。因此，矿井突水水源的研 究对于突水预测与防治、开采方法的改进，安全度评价具有重大的理论意义。根据地下水在形成过程中，由于受到含水层的沉积期、地层岩性、建造和地化环境 等诸多因素的影响，使储存在不同含水层中的地下水主要化学成分有所不同的原理，多采 用水化学法识别突水水源种类。目前进行矿井突水水源类型的识别，主要是由矿井水害研究专家鉴定检测突水水 源类型。由矿工收集已知水源类型的水样和未知水源的水样，再送给水源分析专家，由专家 对采集的水源水样测量其化学成分的含量，记录测量数据，再检测未知水样的化学成分含 量，将测量结果与已知水源水样的测量数据做此较，从而判断未知水样的水源类型。但是， 这需要矿工远距离运送水源样品，长时间等待专家的测量和识别结果，耽误了煤矿开采进 度，也耗费矿工的时间和体力，突水严重时，难以避免突水灾害的发生，从而给煤矿工作人 员带来生命危险，给煤矿生产带来严重的经济损失。

发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种可以实时、实地、快速、准确地识别矿井 突水水源类型的识别方法和识别设备。本发明提供的一种矿用水源识别方法，包括根据已知水源的化学特征，建立水源样品库；确定识别指标，判断未知水源类型。相应地，本发明实施例还提出了一种水源识别设备，其包括样品库管理单元，用于建立水源样品库；水源识别单元，用于判断未知水源的类型。上述的水源的化学特征是指水源水样所属煤矿的地下常规水的水化学特征(包 括离子浓度和PH值)。上述的确定识别指标的方法是根据样品库各水源的测量数据，从中选出几个(4 个或4个以上)指标，以后称所选的指标为识别指标，选择的标准是它们在每种水源的含量 的变化此其他指标的含量的变化明显。进一步地，确定识别指标之后，需要判断识别指标是否有效，其方法是根据水源 样品库的数据，以识别指标为变量参数，为每种水源建立一个判别函数，并用样品库的数据 进行回代检验；回代检验证明识别指标有效后，再采用聚类分析方法做进一步验证，确保水源样品库和识别指标都是有效的。上述的回代检验的方法是把样品库中的每种水样代入判别函数，计算判别值，取 其最大值，则水样属于该类型的水，如果所有样品利用判别函数判断的归类和样品库中样 品的归类一致，则说明所选的识别指标是有效的，否则要重新建立样品库，重新选择识别指 标。再进一步地，经回代检验验证所选的识别指标有效后，需要对样品库进行聚类分 析，其实施方法是采用样品两两间的距离作为分类尺度，根据分类标准划分样品类别；样品 两两间的距离越小，说明关系越密切，将它们归为一类。如果发现同种水源的水样不能聚为 一类，则表明所选的识别指标不合理或者该矿井水的水化学特征此较接近，需要重新建立 水源样品库，重新选择识别指标；如发现水源的水样聚为一类，说明所选的识别指标和样品 库都是有效的，可以用于识别未知水源的水样类型。最后，测量未知水源水样的识别指标的含量，判断未知水源的类型。具体的识别方 法是将水样的测量结果代入判别函数，计算其判别值，根据最大判别值来判断该水样的水 源类型。与现有技术相此，本发明的优点和有益效果是可迅速、准确地测量出水源的几种 化学成分的含量，轻松地保存测量数据，采用多样品多测量的方法，建立一个精确地水源样 品库，实现了实时、实地、快速、方便、准确地识别待测水样的类型，避免矿井水害的发生，减 少煤矿工作人员的负担，避免了煤矿水害带来的人员伤亡和煤矿危险事故的发生。


图1为本发明方法的概括框图；图2为本发明实施例的一种矿用水源识别方法流程图；图3为本发明的一种矿用水源识别方法的实施例的样品水源库示意图。
具体实施例方式下面结合附图详细阐述本发明实施例的技术方案。附图1，图示了本发明的一种矿用水源识别方法的概括框图，其方法包括S01，根据已知水源的化学特征，建立水源样品库。首先，根据水源所属煤矿的常规 地下水的化学特征来确定建库指标，然后测量每种已知水源的指标含量，将测量数据建立 成水源样品库。所述的已知水源类型比如说可以是矿井砂岩水、奥灰水、顶板水、老窖水、第 四纪松散层水、地面水；所述的测量方法此如说可以采用水剂或粉剂的方法来测量指标含 量；所述的化学特征此如说可以是多种化学离子浓度和PH值。S02，确定识别指标，判断未知水源类型。所述的确定识别指标的方法是根据样品 库各水源的测量数据，选出几个(4个或4个以上)识别指标，这些指标的特点是它们在每 种水源的含量的变化比其他指标的含量变化明显；根据识别指标的数据为每种水源建立一 个判别函数，并采用样品库数据进行回代检验识别指标的有效性；检验有效后，再采用聚类 分析方法，进一步验证识别指标的有效性，避免出现误判情况；确定识别指标有效性后，测 量未知水源的识别指标含量，判断其水源类型。下面结合附图2详细阐述一下本发明实施例的一种矿用水源识别方法的技术方案。附图2，是本发明实施例的一种矿用水源识别方法流程图，其具体的识别步骤包 括⑴确定识别指标(S12)；⑵建立判别函数，检验识别指标的有效性(S13) ； (3)聚类分 析，进一步验证识别指标的有效性(S14) ； (4)测量未知水源的识别指标的含量，判断水源 类型(S15)。S11，根据已知水源的化学特征，建立水源样品库，本实施例以山西省一煤矿为例。 本实施例选择的已知水源有4种，分别是奥灰水、砂岩裂隙水、顶板水和第四纪松散层水； 根据该煤矿地下常规水的化学特征，选择12种建库指标来建立水源样品库，分别是PH值、 钾离子含量、锰含量、钙硬度含量、镁硬度含量、亚硝酸盐浓度、铁含量、碘含量、氟化物含 量、溴含量、氨氮含量、硫酸盐含量。本发明不仅仅局限在使用这四种水源类型和这11种离 子浓度及PH值，还可以通过测量煤矿水其他的特征来建立水源样品库。每种水源，分别取3次样品。采用试剂(水剂或粉剂)与水样样品发生化学反应， 产生可吸收的混合物；根据光吸收原理，采用光学元件测量水样各个指标的含量。本实施例采用HI93710-01水剂测量水样PH值，光学元件采用玻璃此色皿，具体 测量步骤包括校零，用比色皿取一定量的一种水源水样，放入识别仪器中，仪器进行校零； 读数，校零完毕后，加入定量HI93710-01水剂，进行测量，仪器显示读数并自动保存测量数 据。重新取该水源水样，按照上述相同的测量步骤，使用与测量指标相应的试剂(水 剂或粉剂)测量建库指标的含量。最后，每种水源分别测得3组数据。所有水样测量完毕后，仪器自动建立水源样品库，本实施例的水源样品库如附图3 所示。S12，确定识别指标。根据样品库各水源的测量数据，根据本实施例附图3的测量 数据，选择锰、铁、氟化物和硫酸盐作为水源识别指标，它们在每种水源的含量的变化值比 其它指标含量变化值大。S13，建立判别函数，检验识别指标的有效性。其步骤是首先，根据建立的水源样品库中识别指标的测量数据，为每种水源建立一个判 别函数，上述四种水源分别记为A、B、C、D，对应的判别函数分别记为f (Xi |A)、f(xjB)、 f(xi|C),f(xi|D)0其次，采用回代检验判断识别指标的有效性。具体检验方法是取A水源的一个水 样的识别指标数据，分别代入到四个判别函数，得到四个判别值，找出最大的判别值，此如 说代入f (Xi IA)的判别值最大，则该水样来自水源A ；然后，利用后验概率公式计算后验概率，以确定该水样来自水源A的概率。如所有样品按照上述利用判别函数判断的归类和样品库中样品的归类一致，则说 明所选的识别指标是有效的；若利用判别函数判断的归类和样品库中样品的归类不一致， 则所选的识别指标是无效的，需要重新建立样品库，选择识别指标。 后验概率公式P(g/x)=exp[y(g/x)]/∑kexp[y(i/x)]注释该公式表示样品来自g类水源的后验概率，其中y(i/X)是样品来自i水源 的判别值，k表示水源类型个数，在用计算机计算的时候，会由于y(i/x)过大或过小而产生溢出。可以利用极差变换解决，即上式可以改写成 p{8'x)= Tv{y{g,x))
'=I其中y (k/x) = y (k/x) -max (y (i /χ))。S14，聚类分析，进一步验证识别指标的有效性。经回代检验验证识别指标有效后， 还需采用聚类分析方法进一步验证识别指标的有效性，避免因水源样品库中不包含未知水 源所属的水源类型而出现误判断。比如说利用判别函数判定未知水源属于C类，而利用聚 类分析又能把新的水样和C类的其他水样聚为一类则可以判定新水样属于C类，反之如果 利用聚类分析发现新水样和C类的其他水样不能聚为一类，则说明新的水样可能不属于C 类。采用聚类分析，可以有效地防止误判断的发生。本实施例采用的聚类分析方法，是以样品间的距离作为分类尺度。其具体方法 是首先，计算样品两两之间的距离，得出距离矩阵 D
dI 2 d13 … 1η
O d2S ■■· d2fl
— 其中，η表示样品个数。由于对称性，矩阵D的下三角中元素可以由对称性确定，此处省略不写。从距离 矩阵上三角中找出最小的元素Clij，这说明第i个样品与第j个样品距离最近(即关系最亲 密)，应当首先归入一组，然后步骤如下首先，把第i个样品与第j个样品的相应的各个变量取加权平均，形成一个新的组 合样品的数据，用它代替第i个样品，并取消第j个样品，形成新的样品数据，它此归并前样 品数据减少一个。其次，根据新的样品数据，重新计算距离矩阵，这时得到比归并前降低了一阶的方 阵。事实上，这个方阵不必全部重新计算，只要在原来的距离矩阵中去掉第i行和第j列，用 新的组合样品与剩下的其他样品之间的距离代替原矩阵第i行和第j列的对应元素便可。最后，从新的距离方阵上三角元素中找出一个最小的元素，这说明新的样品数据 中第i个样品和第j个样品距离最近，即他们关系最密切，应当归为一类，然后重复进行相 应的上述三点工作。这样的步骤，重复进行n-1次，则全部样品最后归并为一组，按归组的先后顺序及 相应的距离大小做出一张分类图，根据选定的距离界限值来划分归类。S15，测量未知水源的识别指标含量，判断水源类型。用比色皿取未知水源水样，并 采用试剂测量4个识别指标的含量。取3次样品，测得三组数据。分别将三组数据按照S13 所述的回代检验方法和S14所述的聚类分析方法判断水样的水源类型。本实施例的未知水 样的水源类型按上述方法，经仪器识别后，属于奥灰水。与本发明方法相对应的识别设备，操纵简单、测量方便；用户根据操作提示内容便 可轻松完成校准、测量操作和样品库的建立；通过选择识别指标，便可检查样品库是否准确；识别未知水源水样时，仪器自动显示水源类型；达到了实时、实地的识别煤矿突水水源 的目的，进而预防水害的发生，避免水害带来的经济损失和人生伤亡事故的发生，确保煤矿 的安全生产。 尽管通过在此的实施例描述说明了本发明，和尽管已经足够详细的描述了本实施 例，申请人不希望以任何方式将权利要求书的范围限制在这种细节上。对于本领域技术人 员来说另外的优势和改进是显而易见的。因此，在较宽范围的本发明不限于表示和描述的 特定细节、表达的仪器、方法和说明性例子。因此，可以偏离这些细节而不脱离申请人总的 发明概念的精神和范围。
权利要求
一种矿用水源识别方法，其特征在于，其识别步骤包括根据已知水源的化学特征，建立水源样品库；确定识别指标，判断未知水源类型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的水源的化学特征，是指水源水样所 属煤矿的地下常规水的水化学特征(包括离子浓度和PH值)，把水源的化学特征作为建立 水源样品库的建库指标。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的识别指标的选择方法是根据样品 库各水源的测量数据，从中选出几个(4个或4个以上)指标，以后称所选的指标为识别指 标，选择的标准是他们在每种水源的含量的变化比其他指标的含量的变化大。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，识别指标选定后，需进一步验证指标的有 效性，其方法是根据水源样品库的数据，以识别指标为变量参数，为每种水源建立一个判别函数，并用 样品库的数据进行回代检验；回代检验证明识别指标有效后，再采用聚类分析方法做进一步的检验，确保样品库和 识别指标都是有效的。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的回代检验的方法是把样品库中的 每种水样代入判别函数，计算判别值，取其最大值，则水样属于该类型的水，如果所有样品 利用判别函数判断的归类和样品库中样品的归类一致，则说明判别函数是有效的，否则要 重新建立样品库，重新检验。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的聚类分析方法采用样品两两间的 距离作为分类尺度，根据分类标准划分样品类别；样品两两间的距离越小，说明关系越密 切，将它们归为一类。
7.一种矿用水源识别设备，其特征在于，包括样品库管理单元，用于建立水源样品 库；水源识别单元，用于判断未知水源的类型。
全文摘要
本发明公开了一种矿用水源识别的方法及识别设备，其中所述方法包括根据已知水源的化学特征，建立水源样品库；确定识别指标，判断未知水源类型。相应地，本发明还公开了一种水源识别设备。本发明实现了对矿井含水层地下水的化学成分的简单、快速地测量，能实时、实地的准确判断未知类型的突水水源，进而预防煤矿水害的发生，避免突水事故带来的经济损失和人员伤亡，保障了煤矿的安全生产。
文档编号G01N33/18GK101923084SQ201010226709
公开日2010年12月22日 申请日期2010年7月15日 优先权日2010年7月15日
发明者刘德民, 张小卫, 李建军, 李永军 申请人:北京华安奥特科技有限公司;华北科技学院