CN104122319B - 一种基于离子复合电极检测技术和光谱分析技术的矿区水源识别方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于离子电极检测及光谱分析的矿区水源在线识别方法，该方法步骤S1：在矿区地面工作站，根据矿区各含水层地下常规水的化学成分分布特征，对突水水源进行分类，并建立一个已知水源样品库；步骤S2：在发生突水时，自动将突水未知水源泵抽到矿区地面工作站；步骤S3：在设置于矿区地面工作站中的计算机检测系统中，首先采用离子电极检测技术利用水剂或粉剂对突水未知水源进行检测分析；然后采用光谱分析技术，再次对突水未知水源进行检测分析；最后综合确定未知水源的化学成分含量；步骤S4：与水源样品库比对，如果比较结果在预定阈值范围内，则确定该未知突水水源为一种已知水源；否则，重复步骤S3。本发明还提供了一种矿区水源的在线确定系统。

Description

一种基于离子复合电极检测技术和光谱分析技术的矿区水源 识别方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于离子电极检测及光谱分析的矿区水源在线识别方法及系统。

背景技术

当前，煤矿开采或者煤层气开采都经常会遇到突水或透水事件，严重威胁着煤矿开采或者煤层气开采人员的安全，为了快速确定、判断、识别突水或透水的水源，本领域的技术人员做了深入的研究，提出了多种水源确定、判断、识别的方法。

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的主要化学成分有所不同。

CN103389520公开了一种煤矿突水水源判别方法，该方法利用地下水中天然溶解性有机质（DOM）总含量和荧光特性，建立不同含水层的水化学特征，来实现突水水源的判别。由于地质-水文地质条件的差异，不同含水层中DOM类型和含量存在较大差异，而且同一含水层中DOM随地下水的迁移而不断发生变化。利用地下水中DOM建立不同含水层的水化学特征，可以解决目前煤矿突水水源难以判别的难题，促进煤矿防治水和水害治理工作的发展。

CN101923084公开了一种矿用水源识别方法及识别设备，该方法利用已知水源的化学特性建立水源样品库，然后确定识别指标，判断未知水源的类型。该方法可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，能够识别出待测水样的类型，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。

以上方法和设备的测量原理存在一定的缺陷，并不能在线、实时、快速、准确地测量出突水水源类型。

基于对水源的基本认识，提出一种基于离子电极检测及光谱分析的矿区水源在线识别方法及系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于离子电极检测及光谱分析的矿区水源在线识别方法及系统。

离子电极检测技术的原理是，首先将X离子选择电极和参比电极结合在一起形成新型复合电极，然后将X离子复合电极浸入被测溶液，X离子选择电极的敏感膜与被测溶液间产生一定的电位，此电位和被测溶液中所含的此种离子的活度之间的关系符合电化学理论中的能斯特方程。方程如下所示：

其中：

：由X离子复合电极插入被测溶液后产生的电池电动势

：X离子复合电极的截距电位（在一定条件下，可看作为一常数。）

R：气体常数(8.314J·K-1·mol-1)

F：法拉第常数(9.65×104C·mol-1)

Z：离子价数

T：溶液的绝对温度(273±t K)

:离子的活度。它与离子浓度CX的关系式为：=f·CX ，f一般称为活度系数，它是溶液的总离子强度的函数，在溶液中总离子强度不变的情况下，它是一个常数。

在酸度测量中pH＝-lg，在一般的离子活度测量中pX＝-lg，比如溶液的氯度pCl=-lg，钠度pNa＝-lg等等，代入各个恒量的值，则上述能斯特方程可写为：

对一价离子，＝±0.1983T·pX(正、负号对应阴、阳离子)

对二价离子，＝±0.09915T·pX(正、负号对应阴、阳离子)

在pX的测量中，仪器加一“定位”信号，把电极信号中的 (或)“抵消”，这时＝-＝±S·pX或＝-＝±SlgCX成了简单的线性关系，测出后，即可知道pX或1gCX的大小。

光谱分析技术的原理是，在电磁辐射和物质之间会产生相互作用光吸收典型现象。当一束光穿过某物质时，其中部分辐射将被原子、分子或晶体格吸收。如果发生完全的吸收，根据Lambert-Beer定律，光吸收部分由穿过物质的光程和物质的物理—化学特性决定。

或

其中：

：吸光度(A)

：已发射光束的强度

：吸收后光束的强度

：在波长λ下的摩尔消光系数

：物质的摩尔度

：光程

因此，当其他因子已知时，可通过吸光度计算出浓度“C”。样品和试剂之间发生特定的化学反应，产生可吸收的混合物，光谱法正是基于这一特性进行化学定量分析。

光谱分析的原理如图1所示，光学系统均采用特制的单色LED灯１和较窄的波宽干扰过滤器３，确保其性能优越、结果可靠。微处理器５控制的LED灯发出光束，穿过含有样品的比色皿２。光程由比色皿２的直径决定，然后通过波宽干扰过滤器３将光过滤成较窄的波宽，获得初始强度。微处理器５将透光强度对应的电位转换成测量值。

本发明的一种基于离子电极检测及光谱分析的矿区水源在线识别方法，包括如下步骤：

步骤S1：在矿区地面工作站，根据矿区各含水层地下常规水的化学成分分布特征，对突水水源进行分类，并建立一个已知水源样品库；

步骤S2：在发生突水时，自动将突水未知水源泵抽到矿区地面工作站；

步骤S3：在设置于矿区地面工作站中的计算机检测系统中，首先采用离子电极检测技术利用水剂或粉剂对突水未知水源进行检测分析；然后采用光谱分析技术，再次对突水未知水源进行检测分析；最后综合确定未知水源的化学成分含量；

步骤S4：与水源样品库比对，如果比较结果在预定阈值范围内，则确定该未知突水水源为一种已知水源；否则，重复步骤S3。

其中，采用的离子电极检测技术检测pH以及Cl^-、CO₂、CO₃ ^2-、HCO₃ ^-、Ca²⁺、Na⁺的浓度。

其中，采用的光谱分析技术检测钾、镁、硫酸盐、碱度、铁（高）、亚硝酸盐（高）、氟化物、氨离子（中）、硝酸盐的浓度。

其中，所述综合确定步骤包括，将上述16种离子的测量值与水源样品库中每种水源的相同16种离子的标准值进行比较，根据统计学方法，如果比较中至少10种离子类型的值相差值在+/-10%以内，则认为该未知水源类型为该水源样品库中的这种水源，如果比较中有7-9种的离子类型的值相差值在+/-10%以内，则认为该未知水源类型为混合水源；否则，认为未能检测出该未知水源的类型。

本发明还包括一种基于离子电极检测及光谱分析的矿区水源在线识别系统，包括如下结构：

矿区地面工作站，其根据矿区各含水层地下常规水的化学成分分布特征，对突水水源进行分类，并建立一个已知水源样品库；

抽水装置，在发生突水时，自动将突水未知水源泵抽到矿区地面工作站的容器中；

计算机检测系统，设置于矿区地面工作站中，首先采用离子电极检测技术利用水剂或粉剂对突水未知水源进行检测分析；然后采用光谱分析技术，再次对突水未知水源进行检测分析；接下来综合确定未知水源的化学成分含量；最后与水源样品库比对，如果比较结果在预定阈值范围内，则确定该未知突水水源为其中一种已知水源。

其中，采用的离子电极检测技术检测pH以及Cl^-、CO₂、CO₃ ^2-、HCO₃ ^-、Ca²⁺、Na⁺的浓度。

其中，采用的光谱分析技术检测钾、镁、硫酸盐、碱度、铁（高）、亚硝酸盐（高）、氟化物、氨离子（中）、硝酸盐的浓度。

其中，综合确定过程包括，将上述16种离子的测量值与水源样品库中每种水源的相同16种离子的标准值进行比较，根据统计学方法，如果比较中至少10种离子类型的值相差值在+/-10%以内，则认为该未知水源类型为该水源样品库中的这种水源，如果比较中有7-9种离子类型的值相差值在+/-10%以内，则认为该未知水源类型为混合水源；否则，认为未能检测出该未知水源的类型。

附图说明

图1为本发明采用的光谱分析技术的原理图；

图2为本发明方法的流程图。

图3为本发明系统的结构框图。

图4所示本发明一个实施例的已知水源样品与未知水源的16种离子浓度的比较值。

具体实施方式

下面结合附图描述本发明实施例的技术方案。

如图2所示，本发明的一种基于离子电极检测及光谱分析的矿区水源在线识别方法，包括如下步骤：

步骤S1：在矿区地面工作站，根据矿区各含水层地下常规水的化学成分分布特征，对突水水源进行分类，并建立一个已知水源样品库；

步骤S2：在发生突水时，自动将突水未知水源泵抽到矿区地面工作站；

步骤S3：在设置于矿区地面工作站中的计算机检测系统中，首先采用离子电极检测技术利用水剂或粉剂对突水未知水源进行检测分析；然后采用光谱分析技术，再次对突水未知水源进行检测分析；最后综合确定未知水源的化学成分含量；

步骤S4：与水源样品库比对，如果比较结果在预定阈值范围内，则确定该未知突水水源为一种已知水源；否则，重复步骤S3。

其中，采用的离子电极检测技术检测pH以及Cl^-、CO₂、CO₃ ^2-、HCO₃ ^-、Ca²⁺、Na⁺的浓度。

其中，采用的光谱分析技术检测钾、镁、硫酸盐、碱度、铁（高）、亚硝酸盐（高）、氟化物、氨离子（中）、硝酸盐的浓度。

其中，所述综合确定步骤包括，将上述16种离子的测量值与水源样品库中每种水源的相同16种离子的标准值进行比较，根据统计学方法，如果比较中至少10种离子类型的值相差值在+/-10%以内，则认为该未知水源类型为该水源样品库中的这种水源，如果比较中7-9种离子类型的值相差值在+/-10%以内，则认为该未知水源类型为混合水源；否则，认为未能检测出该未知水源的类型。

在一个实施例中，已知水源样品库存储至少包括老空水、顶板灰岩水、底板砂岩水、奥灰水、本溪灰岩水和第四系水6种水源样品的16种离子的标准浓度值。

以已知水源样品为奥灰水为例，如图4所示，图表4第2行表示在水源样品库中的存储的16种离子的标准浓度值，图表4第3行表示对未知水源检测获得的16种离子的浓度值，通过统计学方法，其中pH、CO₃ ^2-、Ca²⁺、Na⁺、镁、硫酸盐、碱度、铁（高）、亚硝酸盐（高）、氟化物、氨离子（中）等11种离子的浓度值相差值在+/-10%以内，因此，认为该未知水源为奥灰水。

如图3所示，其表示本发明的一种基于离子电极检测及光谱分析的矿区水源在线识别系统的结构示意图，其中包括：

矿区地面工作站，其根据矿区各含水层地下常规水的化学成分分布特征，对突水水源进行分类，并建立一个已知水源样品库；

抽水装置，在发生突水时，自动将突水未知水源泵抽到矿区地面工作站的容器中；

计算机检测系统，设置于矿区地面工作站中，首先采用离子电极检测技术利用水剂或粉剂对突水未知水源进行检测分析；然后采用光谱分析技术，再次对突水未知水源进行检测分析；接下来综合确定未知水源的化学成分含量；最后与水源样品库比对，如果比较结果在预定阈值范围内，则确定该未知突水水源为其中一种已知水源。

其中，采用的离子电极检测技术检测pH以及Cl^-、CO₂、CO₃ ^2-、HCO₃ ^-、Ca²⁺、Na⁺的浓度。

其中，采用的光谱分析技术检测钾、镁、硫酸盐、碱度、铁（高）、亚硝酸盐（高）、氟化物、氨离子（中）、硝酸盐的浓度。

其中，综合确定过程包括，将上述16种离子的测量值与水源样品库中每种水源的相同16种离子的标准值进行比较，根据统计学方法，如果比较中有至少10种离子类型的值相差值在+/-10%以内，则认为该未知水源类型为该水源样品库中的这种水源，如果比较中有7-9种离子类型的值相差值在+/-10%以内，则认为该未知水源类型为混合水源；否则，认为未能检测出该未知水源的类型。

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。

Claims (4)

1.一种基于离子电极检测及光谱分析的矿区水源在线识别方法，该方法包括如下步骤：

步骤S1：在矿区地面工作站，根据矿区各含水层地下常规水的化学成分分布特征，对突水水源进行分类，并建立一个已知水源样品库；

步骤S2：在发生突水时，自动将未知突水水源泵抽到矿区地面工作站；

步骤S3：在设置于矿区地面工作站中的计算机检测系统中，首先采用离子电极检测技术利用水剂或粉剂对未知突水水源进行检测分析，检测pH以及Cl^-、CO₂、CO₃ ^2-、HCO₃ ^-、Ca²⁺、Na⁺的浓度；然后采用光谱分析技术，再次对未知突水水源进行检测分析，检测钾、镁、硫酸盐、碱度、铁、亚硝酸盐、氟化物、氨离子、硝酸盐的浓度；最后综合确定未知水源的化学成分含量；即将上述16种物质的测量值与已知水源样品库中每种水源的相同16种物质的标准值进行比较，根据统计学方法，如果比较中至少10种物质类型的值相差值在+/-10％以内，则认为该未知水源类型为该已知水源样品库中的这种水源，如果比较中7-9种物质类型的值相差值在+/-10％以内，则认为该未知水源类型为混合水源；否则，认为未能检测出该未知水源的类型；

步骤S4：与已知水源样品库比对，如果比较结果在预定阈值范围内，则确定该未知突水水源为一种已知水源；否则，重复步骤S3。

2.一种基于离子电极检测及光谱分析的矿区水源在线识别系统，其包括：矿区地面工作站，其根据矿区各含水层地下常规水的化学成分分布特征，对突水水源进行分类，并建立一个已知水源样品库；抽水装置，在发生突水时，自动将未知突水水源泵抽到矿区地面工作站的容器中；计算机检测系统，设置于矿区地面工作站中，首先采用离子电极检测技术利用水剂或粉剂对未知突水水源进行检测分析，检测pH以及Cl^-、CO₂、CO₃ ^2-、HCO₃ ^-、Ca²⁺、Na⁺的浓度；然后采用光谱分析技术，再次对未知突水水源进行检测分析，检测钾、镁、硫酸盐、碱度、铁、亚硝酸盐、氟化物、氨离子、硝酸盐的浓度；接下来综合确定未知水源的化学成分含量；最后与已知水源样品库比对，如果比较结果在预定阈值范围内，则确定该未知突水水源为其中一种已知水源；所述综合确定步骤包括，将上述16种物质的测量值与已知水源样品库中每种水源的相同16种物质的标准值进行比较，根据统计学方法，如果比较中至少10种物质类型的值相差值在+/-10％以内，则认为该未知水源类型为已知水源样品库中的这种水源，如果比较中7-9种物质类型的值相差值在+/-10％以内，则认为该未知水源类型为混合水源；否则，认为未能检测出该未知水源的类型。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所采用的离子电极检测技术检测pH以及Cl^-、CO₂、CO₃ ^2-、HCO₃ ^-、Ca²⁺、Na⁺的浓度。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所采用的光谱分析技术检测钾、镁、硫酸盐、碱度、铁、亚硝酸盐、氟化物、氨离子、硝酸盐的浓度。