摘要：準(zhǔn)確識別礦井水源是有效制訂煤礦防治水措施的前提條件，為實現(xiàn)礦井充水水源識別，減少水害事故的發(fā)生，以興隆莊煤礦上組煤充水水源識別為例，在分析礦井水文地質(zhì)條件及水化學(xué)條件的基礎(chǔ)上，利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強大的非線性分析功能，構(gòu)建了礦井水源識別人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)了礦井水源的識別，研究表明BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)礦井水源識別，精度可以滿足礦井水害防治需要。
關(guān)鍵詞：礦井水害；水源識別;人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；BP

礦井水害發(fā)生前一般均有滴、淋水等出水現(xiàn)象，據(jù)不完全統(tǒng)計，各種水害類型的突水事故中，90%以上水害發(fā)生前均出現(xiàn)出水現(xiàn)象。當(dāng)有出水現(xiàn)象發(fā)生時，根據(jù)各含水層水質(zhì)的差異特征迅速識別出水水源，就可以制訂可行的礦井水害防治措施，減少水害事故損失，甚至避免水害事故發(fā)生，對減少人員傷亡及財產(chǎn)損失具有重大意義。
本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，分析了興隆莊煤礦上組煤水文地質(zhì)條件和水化學(xué)特征，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了礦井水源BP人工神經(jīng)水源識別模型，實現(xiàn)了水源的準(zhǔn)確判別，可以為礦井防治水工作提供一定技術(shù)支撐。
一、礦井水文地質(zhì)條件
興隆莊井田位于兗州向斜的北翼，區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，大部分為高角度正斷層，傾角60°~80°，揭露斷層57條，其中落差≥10m的斷層共有27條，本區(qū)的大斷層總體在天然狀態(tài)下含、導(dǎo)水性不強。
上組煤開采主要充水含水層有第四系下組松散孔隙含水層、山西組3煤頂砂巖裂隙含水層、石炭—二疊系太原組中的三灰含水層。第四系中含水層下組厚0~79.80m，平均47.77m，分布較穩(wěn)定，其中較穩(wěn)定的含水砂、砂礫層2~4層，總厚10m~20m，含水性較強，為孔隙承壓含水層。3煤頂板砂巖為中—細(xì)砂巖至粗砂巖，厚度在22m左右，砂巖膠結(jié)程度和膠結(jié)物也很不均一，以鈣質(zhì)膠結(jié)和泥質(zhì)膠結(jié)為主。2003年補9號孔對3煤頂板砂巖進(jìn)行了注水試驗，單位注水量為0.00000195L/s?m，滲透系數(shù)0.00000339m/d。太原組三灰位于太原組的上部，厚度為1.27~6.64m，平均厚度為5.18m，層位穩(wěn)定，全區(qū)發(fā)育。三灰為灰白至深灰色石灰?guī)r，巖溶不太發(fā)育，僅在構(gòu)造部位能見小裂隙、小溶洞。本層含水層水為溶隙裂隙承壓水。以儲存量為主，易于疏干。在精查勘探時期，曾對三灰含水層做過3次抽水試驗，抽水成果：三灰含水層鉆孔水位標(biāo)高+39.86~+40.21m，單位涌水量為0.0149~0.242L/s?m，礦化度為0.387~0.694g/。三灰上距3煤40.11~52.10m，平均45.73m。間距中南部較大，西部較小。開采3煤時巷道有時要穿過三灰。因此三灰對礦井充水有影響。
二、礦井水化學(xué)特征
第四系下組含水層水總礦化度0.179～0.574g/L，平均0.403 g/L，總礦化度較低，但較上組含水層水總礦化度有一定的增加。Ca2+是下組含水層主要的陽離子，平均離子濃度分別為53.1mg/L，Na+平均濃度分別為62.9 mg/L，兩者的平均毫克當(dāng)量百分比分別為42.6%和43.5%。CL-含量為40.2 mg/L，平均毫克當(dāng)量百分比18.6%，SO42-的濃度為44.7 mg/L，平均毫克當(dāng)量百分比14.5%，下組水的水質(zhì)類型以HCO3-Ca?K+Na型為主，局部出現(xiàn)HCO3?SO4-Ca?K+Na型和HCO3?CL-Ca?K+Na型水，見圖1（a）。
3煤頂砂巖裂隙水總礦化度較第四系水明顯增大，平均為1.23，最大為3.44 g/L，屬于微咸水至咸水，3煤頂砂巖裂隙水中主要的陽離子演變成Na++K+，其離子濃度平均為350mg/L，是第四系下組水Na++K+離子濃度的5.6倍，毫克當(dāng)量百分比為48.7%~99.1%，平均為88.3%，而Ca2+和Mg2+離子相對含量顯著降低，平均毫克當(dāng)量百分比為7.0%和4.6%，陰離子中仍然以HCO3-為主，平均離子濃度為679mg/L，較第四系下組水也有明顯的增加，是第四系下組水HCO3-平均離子濃度的2.7倍，水質(zhì)類型以HCO3 - K+Na型為主，部分采樣點出現(xiàn)HCO3?SO4-Ca?K+Na型或HCO3?SO4- K+Na型水，見圖1（b）。

圖1 興隆莊礦上組煤主要充水含水層水質(zhì)Piper三線圖
三灰水陽離子以Na++K+為主，離子濃度為227.7mg/L~546.7 mg/L，平均毫克當(dāng)量百分比為97.2%，Ca2+和Mg2+濃度較低。陰離子以HCO3-為主，平均離子濃度為837.5 mg/L，毫克當(dāng)量百分比為77.6%~89.3%，水質(zhì)類型為HCO3 - K+Na型為主，見圖1（b）。和3煤頂板裂隙水相似，不過其SO42-的含量要小于3煤頂板裂隙水。
三、礦井充水水源BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計及實現(xiàn)
BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是1986年由Rumelhart和McCelland為首的科學(xué)家小組提出，是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，是目前應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一。它的學(xué)習(xí)規(guī)則是使用最速下降法，通過反向傳播來不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，使網(wǎng)絡(luò)的誤差平方和最小。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括輸入層（input）、隱層(hidden layer)和輸出層(output layer)。BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有以下特點：1) 非線性映射能力：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實質(zhì)上實現(xiàn)了一個從輸入到輸出的映射功能，數(shù)學(xué)理論證明三層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就能夠以任意精度逼近任何非線性連續(xù)函數(shù)。這使得其特別適合于求解內(nèi)部機(jī)制復(fù)雜的問題，即BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強的非線性映射能力。2) 自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練時，能夠通過學(xué)習(xí)自動提取輸出、輸出數(shù)據(jù)間的“合理規(guī)則”，并自適應(yīng)的將學(xué)習(xí)內(nèi)容記憶于網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值中。即BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有高度自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力。3) 泛化能力：所謂泛化能力是指在設(shè)計模式分類器時，即要考慮網(wǎng)絡(luò)在保證對所需分類對象進(jìn)行正確分類，還要關(guān)心網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)過訓(xùn)練后，能否對未見過的模式或有噪聲污染的模式，進(jìn)行正確的分類。也即BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有將學(xué)習(xí)成果應(yīng)用于新知識的能力。4) 容錯能力：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在其局部的或者部分的神經(jīng)元受到破壞后對全局的訓(xùn)練結(jié)果不會造成很大的影響，也就是說即使系統(tǒng)在受到局部損傷時還是可以正常工作的。即BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有一定的容錯能力。
根據(jù)興隆莊礦水文地質(zhì)條件及水化學(xué)特征，設(shè)計3層BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，輸入層6結(jié)點分別為Na++K+、Mg2+、Ca2+、CL-、SO 、HCO3-的離子濃度，中間層9個結(jié)點，輸出層3個結(jié)點，代表水源類型，其標(biāo)準(zhǔn)形式為（1 0 0）、（0 1 0）、（0 0 1），分別代表上組煤充水水源的第四系下組水、3煤層頂板砂巖裂隙水和三灰水。