淮北煤田地下水微量元素贝叶斯多类线性判别分析.pdf

科技创新淮北煤田地下水微量元素贝叶斯多类线性判别分析*宋晓梅1桂和荣1 2陈陆望1(1 安徽理工大学，安徽省淮南市，2 3 2 0 0 1；2 淮南职业技术学院，安徽省淮南市，2 3 2 0 0 1)摘要在淮北煤田主要含水层水中微量元素及常规离子测试分析的基础上，建立了微量元素B a y e s 多类线性判别模型。分析结果表明，在以A s、B a、C o、C r、C u、S e、V 等7种特征微量元素为解释变量的B a y e s 多类线性判别函数中，C o 与C u 对水源判别所起的作用较大，B a 最小。C a 2+、M 9 2 十、K+N a+、C 1 一、S O。2-、H C 0 3 一等7 种常规离子在判别函数中的系数绝对值相差不大。没有发现判别效果较强的常规离子，但经常规离子修正的微量元素B a y e s 多类线性判另9 模型具有很好的判别效果。关键词微量元素判别模型淮北煤田1概述淮北煤田钻孑L 揭露地层有：奥陶系、石炭系、二叠系、第三系和第四系，主采二叠系下石盒子组及山西组的四、六煤层。区内对煤矿开采具有直接影响的含水层有4 层，自上而下分别为新生界松散层底部第四含水层(以下简称四含)；二叠系砂岩含水层(以下简称煤系)，太原组灰岩含水层(以下简称太灰)及奥陶系灰岩含水层(以下简称奥灰)。其中太灰含水层分布广、岩溶发育，含水较丰富。随着矿井开采向深部延伸，底板突水危害性日益严重。预测突水事件较主要方法之一就是准确判断突水水源来自何种含水层，以便于采取有效的防治措施。研究表明，不同的地下水含水层的微量元素具有一定的分布规律，因此，可借助于贝叶斯(B a y e s)多类线性判别方法，通过已知点的测试数据，建立相应的模型，为矿井突水点水源的判别提供依据。2 样品的采集及分析方法样品均采自于淮北煤田的濉肖矿区、l 艋涣矿*基金项目：安徽省教厅自然科学研究项目(2 0 0 2 k j 2 6 3)4 2区、宿县矿区的朱庄、杨庄、刘桥二矿、童亭、临圈圈囤因图田回省界矿区边界煤层露头断层线城市矿井采样点图1 采样点分布示意图涣、海孜、任楼、桃园、祁南等矿井4 个含水层的中国煤炭第3 1 卷第5 期2 0 0 5 年5 月万方数据水样，总计采集水样1 5 个(四含水样2 个，煤系含水层水样3 个，太灰含水层水样7 个，奥灰含水层水样3 个)(见图1)。用纯硝酸将0 1 m l 水样定容至1 0 m l，用于做微量元素分析。水样中的F e、，C u，Z n，P b，F，S r，R b、B a，L i lT i、V，C r、M n、C o、N i、A s、Z r、M o、C d、S n、S b 等2 2 种微量元素用中国科技大学结构中心的电感耦合等离子体质谱仪(I C P M S)测定；所有样品C 1 一、S 0 42 一、H C 0 3 一、N a+、M 9 2+、C a 2+、K+等7 种常规离子的含量均在中国科学技术大学地球科学与空间系环境化学实验室测试。3B a y e s 多类线性判别模型B a y e s 准则又称为以指定具有较高后验概率的母体作为判别个体z 归属的准则。也就是说，把属于A。母体的后验概率最大的个体，归属A。母体。后验概率最大与q。R)最大是等价的，因此可以得出对任一个体z 进行判别归属的判别函数。设有G 个母体A。(g=1，2，G)服从正态分布N(口。，-1)(g 一1，2，G)，其概率密度函数为：厶(z)一(2 丌)一号l。1I 丢e x p一丢(Z -O f g)7。1(X-O t g)LJ其中X 一(z 1，z 2，z p)7，参数a。和分别为母体A。的均值向量和协方差矩阵。对空间 R 存在着各种划分方法，任何一种划分方法都可能存在着错分现象，错分就会造成损失。若把原属于母体A。的样品错分到A。母体中去，则造成的损失记为：L(h g)，并约定：h=g时，L(h g)一0；h g 时，L(h g)O。当L(h g)一L(g h)(g)，且母体后验概率q。和母体参数已知，母体协方差矩阵无显著差异(统计相等时)，可得G 个判别函数为：q g f。(z)一q。(2 丌)一号I 叫I 虿1e x p，(2)一专(z O t g)7。1(z O f g)L一J其中g 一1，2，G经推导整理可得B a y e s 准则下正态母体的多类线性判别函数为：Y g(z)一C o g+c 1 1+C 2 9 z2+C o g x p(3)淮北煤田地下水微量元素贝叶斯多类线性判别分析4特征微量元素与常规离子B a y e s 多类线性判别分析比较4 1特征微量元素B a y e s 多类线性判别分析以1、2、3 作分类变量，分别代表四含、太灰、奥灰3 个含水层，将矿区A s、B a、C o、C r、C u、S e、V 这7 种特征微量元素的含量当作解释变量，根据B a y e s 多类线性判别分析的原理，得出B a y e s 多类线性判别函数，其判别函数系数估计值见表1，函数回顾性判别结果见表2。表1微量元素B a y e s 多类线性判别函数系数估计结果注：微量元素含量单位为p g l表2 微量元素B a y e s 多类线性判别函数回顾性判别结果在淮北煤田以7 种特征微量元素为解释变量的四含、太灰与奥灰3 类主要突水含水层B a y e s 多类线性判别函数中，C o 与C u 的系数绝对值较大，B a 的系数绝对值较小，其它特征微量元素系数绝对值中等。特征微量元素的系数绝对值在一定程度上决定了水样所具含水层类型(特征微量元素的含量大小对判别效果的影响作用除外)。很显然，在以A s、B a、C o、C r、C u、S e、V 等特征微量元素为解释变量的B a y e s 多类线性判别函数中，C o 与C u 在水样类型判别时所起的作用较大，B a 较小，其它特征微量元素中等。以特征微量元素为解释变量的B a y e s 多类线性判别正确率为8 1 8 2，误判率为1 8 1 8，判别效果不太显著。4 2 常规离子B a y e s 多类线性判别分析同样把1、2、3 作分类变量，分别代表四含、4 3万方数据太灰、奥灰3 个含水层，把矿区C a 2+、M 9 2 十、K+N a+、C 1 一、S O。2-、H C O。一等7 种常规离子含量作为解释变量(其中K+、N a+2 种离子含量的和为一变量，下同)，根据B a y e s 多类线性判别分析的原理，得出B a y e s 多类线性判别函数，其函数系数估计值见表3，函数回顾性判别结果见表4。在淮北煤田以常规离子的含量为解释变量的四含、太灰及奥灰3 类主要突水含水层B a y e s 多类线性笋0 另0 函数中，C a 2+、M 9 2+、K+N a+、C 1 一、S O。卜、H C O。一等常规离子在判别函数中的系数绝对值相差不大，没有判别效果较强的常规离子，这些常规离子在B a y e s 多类线性判别过程中所起的判别作用大体是均衡的。以常规离子的含量为解释变量的B a y e s 多类线性判别正确率为7 7 2 7，误判率为2 2 7 3，常规离子B a y e s 多类线性判别效果不如矿区特征微量元素B a y e s 多类线性判别效果。表3常规离子B a y e s 多类线性判别函数系数估计结果注：微量元素含量单位为t L g l表4常规离子B a y e s 多类线性判别函数回顾性判别结果4 3由常规离子修正的特征微量元素B a y e s 多类线性判别分析特征微量元素B a y e s 多类线性判别固然比常规离子B a y e s 多类线性判别有更高的判别正确率，但还是不能满足矿井防治水工作的需要。为了提高矿区特征微量元素B a y e s 多类线性判别的正确率，就必需采用常规离子进行修正。同前所述，把1、2、3 作分类变量，分别代表四含、太灰、奥灰3 个突水含水层，把矿区A s、B a、C o、C r、C u、S e、V等7 种特征微量含量和C a 2+、M 9 2+、K+N a+、4 4C 1 一、S O。卜、H C O。一等常规离子的含量一起作为解释变量，根据B a y e s 多类线性判别分析的原理，得出了B a y e s 多类线性判别函数，其函数系数估计值见表5，函数回顾性判别结果见表6。表5常规离子修正的微量元素B a y e s 多类线性判别函数系数估计结果常数项A sB aC OC rC L lS eVC a 2-rM 9 2+K+N a+C l S o。2 一H C 0 3 0 0 1 0 50 0 2 5 30 0 2 5 8注：微量元素含量单位弘g l；常规离子含量单位为m g 1表6常规离子修正的微量元素B a y e s多类线性判别函数回顾性判别结果在淮北煤田以7 种特征微量元素和常规离子为解释变量的四含、太灰与奥灰3 类主要突水含水层B a y e s 多类线性判别函数中，特征微量元素中的C o、C u 系数的绝对值较大，在判别过程中所起的作用较大，B a 系数的绝对值较小，在判别过程中所起的作用较小，其它特征微量元素系数绝对值中等，在判别过程中所起的作用中等。C a 2+、M 9 2+、K+N a+、C 1 一、S O。2 _、H C O。一等常规离子在判别函数中的系数绝对值相差不大，无判别效果较强的常规离子，C a 2+、M 9 2+、K+N a+、C 1 一、S O。2 _、H C O。一等常规离子在该B a y e s 多类线性判别过程中所起的判别作用大体是均衡的。总之，在修正的矿区特征微量元素B a y e s 多类线性判别函数中，特征微量元素和常规离子在该判别过程中所起的判别作用与在各自的B a y e s 多类线性判别函数中所起的判别作用是一致的，只是在系数的分配上具有细微差别。常规离子修正的微量(下转第4 6 页)中国煤炭第3 1 卷第5 期2 0 0 5 年5 月883787O738OO2O97683288449575643261156O12O8100O3OO4OO6310O0一一O50 16 一O0 一一一一一一一一5191”弼卯罟8铝弘凹订眩加吼no 乱卫om 卫加加“一。一oo ooo 弋迸o铊，oo饥oo，戥均龃弘嫩他趴孙，“O9o95OOO吨_吼1仉撖mL珈珈仉吼吼万方数据重新进行计算和整定；第五，发现有漏电故障时，必须查清原因并尽快处理，千万不能把保护甩掉不用。2 4建立健全的规章制度，并严格贯彻落实制定完善的规章制度并认真执行，对于提高井下高压供电安全具有十分重要的作用。建立并健全各项规章制度，还需要加强对各项规章制度的贯彻落实，充分发挥领导干部和技术人员监督检查职能，提高广大职工对井下高压供电的安全意识和责任意识，调动广大职工参与安全供电管理的积极性。2 5 加强各类从业人员的培训工作加强井下各水平变电所值班人员和各类高压机电设备司机的业务培训工作，加强维护检修和安装施工人员的培训工作，加强机电技术人员的业务培训工作，加强机电管理干部的业务能力和管理水平的培训工作。使他们既要掌握业务知识、专业知识，又要掌握安全生产知识和安全管理知识。2 6 加强技术管理，努力做好技术基础工作(1)建立完整的机电设备管理技术档案。从设备和高压电缆的设计、选型、验收、安装、使用、改造、维修、事故处理及报废全过程进行登记、记录和分析。(2)对井下高压供电系统的负荷情况、调整情况、保护情况进行分析和总结，要求图纸、资料齐全、完整；做好井下高压供电系统的事故记录和分析报告。2 7 做好井下高压供电系统事故预防工作(1)加强井下供电系统，特别是高压供电系统的机电设备的维护、保养和检修工作，对重点部位的重点设备要进行定期检修。(2)加强井下高低压供电系统电力电缆和联接器的预防性检查、维护检修工作。近年来笔者所在单位利用红外线温度探测仪对高压电缆和联接器进行温度测试，根据测定部位的温度变化判断该点是否有故障，该方法简便、实用、安全、准确，使用效果非常好。(3)定期对各种保护装置进行校验和调整，确保各种保护整定准确，动作灵敏、可靠，并坚决杜绝甩掉保护装置的现象发生；定期对用电设备的绝缘阻值进行测试，发现问题及时处理。(4)加强各项规章制度的贯彻落实，提高井下各硐室值班员和司机的责任心和安全意识，严格按操作规程作业，杜绝“三违”现象的发生。(5)制定紧急预案。紧急预案的制定要根据不同的供电区域、供电线路和工作场所有针对性地科学制定，事前对有关人员进行紧急预案的贯彻，并要进行预案演习，保证预案在紧急情况下能够落实到位、发挥作用。(责任编辑王雅琴)(上接第4 4 页)元素B a y e s 多类线性判别正确率为9 5 4 5，误判率为4 5 5，判别正确率明显高于特征微量元素和常规离子的B a y e s 多类线性判别正确率，从而达到了修正的目的。5结论(1)建立了微量元素B a y e s 多类线性判别模型、常规离子B a y e s 多类线性判别模型、由常规离子修正的微量元素B a y e s 多类线性判别模型。(2)在以A s、B a、C o、C r、C u、S e、V 等7种特征微量元素为解释变量的B a y e s 多类线性判别函数中，C o 与C u 在水样类型判别时所起的作用较大，B a 较小，其它特征微量元素中等。C a 2+、M 9 2+、K+N a+、C 1 一、S 0 4 2 _、H C 0 3 一等常规离子在判别函数中的系数绝对值相差不大，没有判别效果较强的常规离子。(3)通过比较各线性判别函数回顾性判别正确率，可看出由常规离子修正的微量元素B a y e s 多类4 6线性判别模型具有很好的判别效果。参考文献1 胡宝林，宋晓梅，车遥等安徽刘桥煤矿区多期构造复合断层导水性分析 J 煤炭科学技术，2 0 0 2(8)：5 0 5 32 赵全福等煤矿水害事故典型案例汇编北京：煤炭科技情报研究所，1 9 9 2，2 5 1 2 5 23 桂和荣等“深部开采底板突水控制论”研究意义及核心内容E J 淮南工业学院学报，1 9 9 9，1 9(3)：1 44 高卫东，何元东，李新社水化学法在矿井突水水源判别中的应用I-j 矿业安全与环保，2 0 0 1，2 8(5)：4 4 4 55 宋晓梅，桂和荣，陈陆望皖北矿区主要含水层微量元素的地球化学特征研究 J 中国煤炭，2 0 0 3 3 0(5)：3 6 3 86 王成名，秦永松多元线性回归模型中的回归系数线性经验B a y e s 估计I-J-1 应用概率统计，1 9 9 4，1 0(4)：3 7 1 3 7 87T a oB O nl i n e re m p i r i c a lB a y e se s t i m a t i o n J S y sS c i sa n dM a t hS c i s，1 9 8 6，6(3)：1 9 5 2 0 3(责任编辑张艳华)中国煤炭第3 1 卷第5 期2 0 0 5 年5 月万方数据