受《煤炭科学技术》编辑部邀约，陈绍杰教授在《煤炭科学技术》年第2期撰文“基于PCA-RA的滨海矿井水源识别技术研究”。
个人简介
陈绍杰，男，年2月出生，教授，博士生导师。山东科技大学能源与矿业工程学院院长，矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地副主任。主要从事矿山岩石力学、开采沉陷控制与采空区治理、生态矿山等方面的教学与科研工作。教育部长江学者特聘教授、全国优秀科技工作者、教育部新世纪优秀人才、山东省有突出贡献的中青年专家、山东省泰山学者青年专家，中国青年科技奖、山东省自然科学杰出青年基金、全国煤炭最美科技工作者、山东省青年科技奖、全国煤炭青年科技奖、中国岩石力学与工程学会青年科技奖获得者。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、山东省杰青、教育部新世纪优秀人才支持计划、山东省自然科学基金重大基础研究等省部级及以上课题14项。出版著作5部，授权发明专利36项；获得国家科技进步二等奖1项，省部级各类科技奖励9项；发表论文70余篇，其中SCI、EI收录54篇。研究成果在现场推广应用，取得了显著的社会、环境效益和经济价值。
论文创新点
对滨海煤矿不同类型水体进行了水化学分析，表明各水体均受到了海水入侵作用影响。基于主成分分析-残差分析(PCA-RA)对矿井水补给来源的数量和类型进行了识别，得出滨海煤矿矿井水的补给来源有5个，分别为海水、富HCO3基岩水、塌陷区积水、混合水和第四系水。
摘要
煤炭开采过程中矿井水害的发生，严重威胁着煤矿的安全生产，确定水源数量和类型对于矿井水害的防治具有重要意义。为了明确滨海煤矿矿井水补给来源的数量和类型，以龙口梁家煤矿为例，对矿区内不同水体(矿井水、第四系水和地表塌陷区积水)分别进行取样，并基于水化学和主成分分析-残差分析(PCA-RA)进行矿井水源识别。结果表明:梁家煤矿区内第四系水、地表塌陷区积水和矿井水中的主要化学组分含量差别较大，且受到了海水入侵作用的影响。就均值而言，矿井水中的阳阴离子质量浓度分别存在着ρ(Na+)ρ(Ca2+)ρ(Mg2+)ρ(K+)和ρ(HCO-)ρ(Cl-)ρ(SO2-)34ρ(Cl-)的关系。不同水体中，Cl-和Na+均为优势阴、阳离子，水化学类型以Na-Cl型为主，并且3种水体之间存在着一定的水力联系。选取的水化学数据适合进行PCA，但仅根据特征值大于1或是累计方差贡献率大于85%来确定主成分的数量，并不能很好地表征原始数据的全部信息。基于水化学和PCA-RA方法，确定了梁家煤矿矿井水共有5个补给来源，即海水、富HCO3基岩水、塌陷区积水、混合水和第四系水。PCA-RA法能有效地处理和表征原始水质数据信息，可更加合理地确定矿井水的补给来源类型和数量。研究结果可为滨海煤矿区的水害防治提供科学依据。
引言
我国煤矿水文地质条件复杂，煤炭开采过程中矿井水害时有发生，严重威胁着煤矿的安全生产，因此，开展矿井水水源识别研究意义重大。地下水在径流过程中，与周围岩土发生着复杂的水文地球化学反应，其水化学组分含量也会相应变化，形成了特有的物理化学特征，这些水化学特征承载着含水层的大量信息，可为矿井水水源判别提供重要依据。目前，水源识别的方法较多，主要包括水温水位法、水化学分析法和数理统计分析法等。通常，在水文地质条件分析的基础上，利用水化学进行水源识别简单而有效。近年来，不少学者利用水化学数据，基于新技术和新的数学方法，建立了水源识别模型，为煤矿水害的防治工作做出了很大贡献。王亚等利用激光诱导荧光技术获取水样的荧光光谱并提取特征信息后，基于极限学习机构建了水源的快速识别模型。王心义等在熵权法和模糊可变集理论的基础上，建立了矿井突水水源识别模型。杨中元等结合主成分分析(PCA)和灰色关联分析(GRA)，建立了PCA-GRA突水水源判别模型。然而，不同矿区水文地质条件复杂程度不同，不同识别方法均存在一定的优势和局限性。笔者以我国最大的滨海煤矿龙口梁家煤矿为例，利用矿井水的主要离子测试数据，基于水化学和主成分分析-残差分析(PCA-RA)识别矿井水补给来源的数量和类型，为滨海煤矿区的水害防治提供科学参考。
1研究区概况
梁家煤矿(图1)位于山东省龙口市，西至龙口渤海，北与北皂煤矿相邻，东北与桑园井田相接，东靠洼东煤矿，面积47.49Km2。矿区内地形平坦，由东南向西北逐渐降低。流经该区的地表水系主要有中村河和小恒河，均为季节性河流。
煤田内的含水层由上而下主要有:第四系砂砾层、泥灰岩、泥岩与泥灰岩互层、煤1、煤2及底板砂岩、煤3至煤4间砂岩等。第四系砂砾石层由细、中、粗砂及砾石组成，富水性极强。泥灰岩和砂岩等含水层富水性弱或中等，水化学类型主要为HCO3-Na、HCO3·Cl-Na或Cl·HCO3-Na。区内各煤层内生节理较发育，局部因构造影响裂隙发育，使煤岩中储存着裂隙水，但裂隙率小补给量不大，富水性弱。含煤地层的底部无强富水性含水层。区域内煤系地层含水层不直接接受大气降水的补给，主要接受南、东面山区基岩裂隙水侧向补给，煤田内部断裂虽较发育，但断裂带多被泥质岩类充填，其富水性和导水性弱，而各含水层的富水性也较弱，地下水从南、东向西北径流极为缓慢，正常情况下泄入渤海。矿井排水为煤系地层直接充水含水层的主要排泄途径。
2材料与方法
2.1水样采集与测试—年于龙口梁家煤矿矿区内共采集矿井水水样60个，第四系水样9个，地表塌陷区积水水样12个，取样位置如图1b所示。选择干燥、清洁的聚乙烯塑料瓶采集水样，取样前先用待取水样清洗取样瓶2~3次;取样完成后，进行封口处理，并送至水化学实验室进行水质分析。水样分析主要测定的化学组分包括Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO-、SO2-、Cl-和NO-3等。
2.2数据分析方法
利用主成分分析-残差分析(PCA-RA)确定水源数量和类型，思路如下:先基于PCA法将水化学数据进行压缩，确定主成分数量。然后利用RA将PCA结果以重构离子浓度的形式表现出来，并与原始浓度进行相关性分析。若离子浓度残差均表现为随机分布特征，说明已提取所有的有效信息。最后，对每个主成分进行合理解释，确定矿井水的补给来源类型。
3结果与讨论
3.1水化学特征
梁家煤矿矿井水、第四系水和地表塌陷区积水的主要离子统计结果如图2所示。由图2可知，3种水体中主要阳离子均为Na+，占优势的阴离子为HCO-3或HCO-3和Cl-。就均值而言，矿井水中阳离子和阴离子分别存在着ρ(Na+)ρ(Ca2+)ρ(Mg2+)ρ(K+)和ρ(HCO-)ρ(Cl-)ρ(SO2-)34ρ(Cl-)的关系(图2)。水化学类型Durov图，如图3所示。
3.2矿井水水样主成分分析
3.2.1主成分分析适用性检验
选取60个矿井水样品中的主要离子(Ca2+、Mg2+、K+、Na+、HCO-、SO2-、Cl-和NO-)浓度数据，利用SPSS24.0软件进行主成分分析，其中KMO检验值为0.，大于0.6，Bartlett球形检验具有显著性，见表1，表明选取的水化学数据适合用于主成分分析。
3.2.2结果分析主成分特征值和方差贡献率见表2。由表2知共有3个主成分的特征值超过1，因此基于特征值大于1的准则可得到前3个主成分。该3个主成分解释了81.%的原始数据信息。
然而，将3个主成分投影到平面上(图4)，根据平面上点的空间分布特征，可以看出3个主成分并不能很好地表征原始数据的信息，应该还有另外2个主成分。由表2知，基于累计方差贡献率大于85%的准则，也仅能得到前4个主成分。
3.3矿井水水样残差分析
为进一步识别水源数量，在主成分分析的基础上，进行残差分析。选用逐渐增加主成分数量的方法对离子浓度进行重构，并计算残差。当残差呈现出明显的结构性特征时，表明所提取的主成分数量不足以表征原始数据的全部信息。
3.4水源数量与类型
4结论
1)梁家煤矿区内第四系水、地表塌陷区积水和矿井水中的主要化学组分含量差别较大，Cl-和Na+为优势阴、阳离子，水化学类型以Na-Cl型为主，且受到了海水入侵作用的影响。
2)在PCA中，仅依据特征值大于1或累计方差贡献率大于85%的准则来确定主成分的数量，并不能很好地表征原始数据的全部信息。
3)选取矿井水的主要离子浓度数据，利用水化学和PCA-RA法，确定了梁家煤矿矿井水共有5个补给来源，即海水、富HCO3基岩水、塌陷区积水、混合水和第四系水。
4)基于水化学和PCA-RA法，可有效地处理和表征原始水质数据的有效信息，可更加合理地确定矿井水的补给来源类型和数量。
引用格式
陈绍杰，刘久潭，汪锋，等.基于PCA-RA的滨海矿井水源识别技术研究[J].煤炭科学技术，，49(2):-.
CHENShaojie，LIUJiutan，WANGFeng，etal.TechnologicalresearchonwatersourceidentiftcationofcoastalcoalminesbasedonPCA-RA[J].CoalScienceandTechnology，，49(2):-.
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