CN104297308A - 一种矿井突水水源快速判别设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿井突水水源快速判别设备，外壳面板上设有电源输入接口、开机/关机按钮、模式转换开关、功能按钮、显示屏、Micro-USB接口和离子电极连接线接口；置于外壳内部的电路板以单片机为核心连接显示屏、A/D转换模块、存储器、功能按钮、micro-USB接口和电源模块；根据建立突水水源判别流程体系的方法通过对存储器中已知水源类别样本分析，自动建立基于特征离子的矿井突水水源判别流程体系，离子电极检测水样，单片机根据能斯特方程计算得到实际的离子浓度，依据突水水源判别流程体系进行快速判别。本发明将特征离子检测突水水源判别进行集成，自动分析样本，构建判别体系，判别速度快、准确率高、携带方便。

Description

一种矿井突水水源快速判别设备

技术领域

本发明属于水质分析与水源鉴别技术领域，具体涉及基于特征离子的手持式矿井突水水源快速判别设备。

背景技术

矿井突水是煤炭资源开发中由来已久的水文地质灾害问题，极易造成重大经济损失和人员伤亡事故。矿井水害问题一直是我国煤炭生产中的重大技术课题之一，几乎所有的矿井都面临不同程度的水患困扰。矿井一旦突水，首要的工作是迅速准确地判断突水水源，以便采取相应的防治措施，减少或避免淹井等重大事故发生。地下水水化学数据是地下水最本质的特征。快速判别突水水源较有效方法之一就是找出各含水层的标型组分，也叫特征离子，然后利用各个含水层中特征离子含量的差异性来实现突水水源的快速判别。但是，目前利用特征离子判别方法进行煤矿矿井突水水源的判别，需要把现场取样的水样送到检测部门，进行检测分析后，再把检测结果返回送检部门，然后将分析结果输入到判别模型中进行判别，离子浓度的检测与水源判别是分开进行的，耗时长，不利于对煤矿水害进行早期防治。

已有一些矿井突水水源快速识别仪器方面的探索。例如中国实用新型专利201020516409.6提出的一种矿用水源快速识别仪器，采用包括采集模块、MCU模块、ARM平台的电路板和外壳组成一种矿用水源快速识别仪器，通过自动将识别指标的测量结果与水源样品库比对进行水源识别。但由于其中“采集模块连接测量槽”采用比色皿测量水源的指标，达不到水质检测的目的。首先因为比色皿很小，其尺寸一般为10×10×45毫米或10×20×45毫米的容量，不能作为向里面直接加检测水质和试剂的容器；另外，比色皿检测离子浓度的原理是直接测得反应后溶液在一定波长下的吸光度，然后由标准曲线换算成离子浓度，目前这一般都是在实验室用分光光度计才能完成的检测，但并不是所有的离子都可以与化学试剂发生显色反应而采用测量吸光值的方式来测定其含量的；再者，在测量吸光度时，仪器需要预热、稳定，作为便携式的设备无法保证其稳定性，因此，测量结果容易产生大的误差；第四，也是最主要的，由于比色皿测量每次只能测出一种离子的含量，要把水质中所有的阴、阳离子都很快测定出来，需耗时很长，不经济也不方便。该仪器的主要缺陷是建库的水质指标是靠自身一一测量、储存作为其水源样品库，而“仪器自动保存每步测量数据”，使每次实测的指标都作为水源样品库数据，其水源样品库将会不断改变，该实用新型并没有提及其设备内有无比对程序及如何比对，推断其很大的可能只是将每个新测定结果与原有数据之间进行的一个大小比较而已。

中国实用新型专利201220303693.8提出的一种便携式矿井水源快速检测识别设备，包括便携式手提箱及设于便携式手提箱内的检测识别仪，所述识别仪包括上层的显示面板和下层的光谱测量模块及电极测量模块，所述光谱测量模块及电极测量模块通过比较输出模块相连，通过两种方法同时对水源进行检测识别，经过比较输出检测识别结果，并对结果进行校验比较，达到水源识别的目的。该设备“采用光谱测量模块和电极测量模块来识别水源，通过两种方法对水源进行识别”的表述很抽象，并没有提及光谱与电极分别测量哪些水质指标、如何测量及如何校验具体的比较实施方法。因此缺乏对已知水源类型的样本做分析，不能充分利用已有样本提取规律用于突水样本的快速识别，也不能融入专家经验和已有知识对样本识别的参数进行优化。

发明内容

本发明的目的是提出一种矿井突水水源快速判别设备，以克服现有检测识别设备的上述缺陷，可兼顾不同煤矿水质成分差异，实现快速检测特征离子浓度，确定特征离子并准确判断突水水源。

本发明的矿井突水水源快速判别设备，包括：置于外壳C1内部的电路板A，外壳C1上设有电源输入接口C11、开机/关机按钮C3、模式转换开关C2、显示屏A2、Micro-USB接口A7和离子电极连接线接口C12，以及功能按钮C4～C10：分别为四方向控制键盘组合C4、待识别水源类型设定功能按钮C5、根据水质样本构建突水水源判别流程体系功能按钮C6、突水水源判别流程体系调整与设置功能按钮C7、检测离子指标切换功能按钮C8、检测离子浓度功能按钮C9和突水水源判别功能按钮C10；所述电路板A上以单片机A1为核心，连接显示屏A2、A/D转换模块A4、存储器A5、扩展键盘模块A6、micro-USB接口A7和电源模块A8；其特征在于：所述功能按钮C4～C10和开机/关机按钮C3通过I/O方式与单片机A1连接，离子电极A3通过连接线D2与离子电极连接线接口C12相连，并和A/D转换模块A4之间通过I/O方式连接，A/D转换模块A4通过串口方式与单片机A1连接，显示屏A2和单片机A1之间通过并行方式连接，存储器A5通过I/O方式与单片机A1连接，Micro-USB接口A7通过I/O方式与单片机A1连接，对外则通过Micro-USB接口A7和PC机USB接口连接，模式转换开关C2与可调电位器A11通过I/O方式连结；所述功能按钮(C4～C10)采用数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片ZLG7289扩展键盘模块A6，离子电极A3根据具体测定的需要分别选择采用相应的测定氯离子、硫酸根离子、钙离子、钠离子或镁离子的离子选择性电极，存储器A5为带电可编程可擦除只读存储器(EEPROM)，电源模块A8采用WOA50W系列一体化AC/DC电源，分别以端子式与单片机A1和A/D转换模块A4连接，输出一个5V和一个12V稳压电源，其中的5V稳压电源对单片机A1和A/D转换模块A4提供工作电源，12V稳压电源对运算放大器A9和存储器A5提供工作电源；

通过调节外壳C1上与单片机A1连结的模式转换开关C2进行设定模式和运行模式的转换，在设定模式下，将矿井历来检测的、不同含水层类型水样的多个离子浓度的水样数据以表格形式(如表格1所示的)保存在单片机的txt文档中，使用前先将其从单片机A1导入所述存储器A5中，根据实测获得的各水源类型以及每个水样的多个离子浓度数据通过Micro-USB接口连接单片机A1导入，或者由功能按钮中的待识别水源类型设定功能按钮C5、根据水质样本构建突水水源判别流程体系功能按钮C6以及突水水源判别流程体系调整与设置功能按钮C7输入，采用单片机系统中常用的键盘加EEPROM的方法设置待识别水源类型，每一种水源类型的水样样本数必须不少于三个，否则不能参与识别；显示采用静态驱动方式的四位LED在线显示离子浓度；在运行模式下，单片机A1输出控制驱动电路控制电磁阀门A10，进入突水水源判别流程系统，通过单片机A1的控制信号来实现对离子浓度的控制；

所述通过单片机A1的控制信号来实现对离子浓度的控制为：

依次选择从第一个离子指标到最后一个离子指标作为当前处理指标，对当前处理指标从小到大进行排序，从最小值开始，在最小值和最大值之间，依次选择排序后的相邻两个值的平均值作为阈值，每移动一次阈值，对所有的每个水样进行判别，判别时将该指标小于阈值的水样归为某种水源类型，或将该指标大于阈值的水样归为某种水源类型，其他水样归为新的待判样本，同时将待判水源类型中剔除该种水源类型，如此循环计算，直到选择的指标和阈值作为判别某种水源类型的判别准确率最高，则选定该指标、阈值及其大于还是小于阈值作为识别该种水源类型的特征离子、阈值和判别关系；如此循环，进入下一轮识别，直到所有水源类型都被识别出来，则水源类型识别的先后顺序、每个水源类型使用的特征离子指标、对应的阈值及其判别关系都确定下来，从而生成了突水水源判别流程体系；

使用上述突水水源判别流程体系调整与设置功能按钮，调出突水水源判别流程体系，使用四方向控制键选择判别顺序编号为1的参数，所述参数为该判别顺序编号对应的水源类型、特征离子、阈值和判别关系，从待识别水源类型中选择首先判别的水源类型，从水样离子指标中选择该水源类型的特征离子指标，设定该离子指标用于判别选定水源类型的的阈值，设定判别时使用的判别关系；然后设置判别顺序为2的参数，从未设置的待识别水源类型中选择第2判别的水源类型，并从水样离子指标中选择该水源类型的特征离子指标，设定该离子指标用于判别选定水源类型的的阈值，设定判别时使用的判别关系；以此类推，对判别顺序加1进行逐个设置，直到完成倒数第二个待识别水源类型，同时将最后一个未设置的待识别水源类型设定为最后一个识别水源类型，且最后一个识别水源类型的特征离子、阈值和判别关系为空值；突水水源判别流程体系的参数以顺序编号、水源类型、特征离子、阈值、判别关系字段方式存储在存储器A5中；

使用离子电极A3测试水样，得到对应的模拟电压信号，然后再通过A/D转换模块C2变成数字信号传入单片机A1，单片机A1根据能斯特方程计算得到实际的离子浓度，并将计算结果在显示屏A2显示出来；

根据所述突水水源判别流程体系中的判别顺序，依次选用水源类型对应的特征离子所对应的离子电极，测试特征离子浓度值，单片机根据判别关系比较特征离子浓度检测数值和突水水源判别流程体系中的该特征离子的阈值，判别突水水样是否为该水源类型：如果是，则识别突水水源结束；否则按照突水水源判别流程体系中的判别顺序，进一步判别水样是否为其他水源类型，直到判别出水样的水源类型。

本发明采用以单片机计算处理为核心，根据上述提出的建立突水水源判别流程体系的方法，通过对存储在存储器A5中的已知水源类别的样本分析，自动建立基于特征离子的矿井突水水源判别流程体系，以离子电极A3为基础，检测水样获得模拟信号，利用A/D转换模块A4将模拟信号转换为数据，单片机根据能斯特方程计算得到实际的离子浓度，并依据上述建立的突水水源判别流程体系，系进行突水水源的快速、准确判别。使用本发明矿井突水水源快速判别设备，在导入水样数据时，将此快速检测判别设备通过USB插孔用数据线与计算机相连接，导入定义格式的已知水源类别的水样样本数据，在本设备中利用功能按钮C4～C10，设定待识别水源类型为所有样本所包含的水源类型的集合，使用样本分析模块对导入的水样样本进行分析，自动建立突水水源判别的判别体系；如果矿井样本过少，可以根据附近同一水文地质单元内其他矿井的水样情况手动设置判别体系，即水源类型识别的先后顺序、每个水源类型使用的特征离子指标、对应的阈值及其判别关系；使用本设备判别突水水源时，取突水水样，根据判别流程体系中的最佳判别顺序流程选用对应的本机配备的离子电极，通过连接线将其与主机离子电极接口相连，然后测试离子浓度值，本设备根据离子测试值和突水水源判别流程体系，判别突水水源，最后将水样离子浓度监测结果和判别结果在显示屏中显示。

由于本发明矿井突水水源快速判别设备采取集成自动建立突水水源判别体系、离子浓度现场检测和突水水源现场判别功能，与现有的现场取样、送到化验室检验、再将检测的数据人工输入到计算机判别系统判断突水水源的技术相比，在突水现场可以实现直接快速检测离子浓度和判别突水水源类型，有效地减少了取样后送检、等待结果和将检测的数据输入到计算机进行分析判别或靠人工经验分析突水水源的时间，从而争取时间进行早期水害防治，有效地减少财产损失和人员安全威胁；自动根据样本建立的最佳的突水水源判别体系具有快速、准确等优点。本发明将检测结果的离子种类、浓度和突水水源名称显示在显示屏上，判别速度快，操作简单、快速，设备携带方便，特征离子的检测与突水水源判别迅速，对操作人员无需专业技术要求。本发明为煤矿快速寻找突水水源开辟了一条新的途径。

本发明将突水水样离子浓度快速检测、突水水源判别流程体系的构建和突水水源判别集成于一个设备，具有携带方便、简单、实用的优点，可现场检测水样离子浓度，实现突水水源的快速、准确判别。

与中国实用新型专利201020516409.6和201220303693.8相比较，本发明通过对已知水源类型的样本分析，建立突水水源判别流程体系，从中寻找用于突水水源判别的判别流程、特征离子、及其阈值和判别关系，该流程体系对已有样本的识别效果最好，因此，本发明可以充分利用已有样本提取规律，能够准确判别突水水源；本发明选择特征离子进行水源识别，无需检测样本所有指标，只需要检测突水水源判别流程体系中选用的特征离子，便可以进行突水水源判别，因此，本发明可以节约时间，更快速判别突水水源。此外，本发明通过设置或者调整突水水源判别流程体系参数方法，融入专家经验和已有知识对识别参数进行优化,提高判别突水水源的准确率，且可通过参考同一水文地质单元其他矿井的突水水源判别流程体系参数的方法，解决已知水源类型样本较少的矿井或者无样本的新矿井的突水水源判别问题。

附图说明

图1为本发明的矿井突水水源快速判别设备的结构示意图。

图2为本发明的矿井突水水源快速判别设备的模块连接框图。

图3为本发明的一种实施例手持式矿井突水水源快速判别仪的主视结构示意图。

图4为本发明的一种实施例手持式矿井突水水源快速判别仪的离子电极测试连接线及其测试探头示意图。

图5为实施例测试示例1中的判别流程图。

图6为实施例测试示例2中的判别流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图通过具体实施例对本发明设备的各部分作进一步的详细说明。

实施例1：

本实施例是根据本发明技术方案实施的一种手持式矿井突水水源快速判别设备。

图1为本发明的矿井突水水源快速判别设备的结构示意图。参照图1中所示，本实施例矿井突水水源快速判别设备，其结构包括：置于外壳C1内部的电路板A，外壳C1上设有电源输入接口C11、开机/关机按钮C3、模式转换开关C2、显示屏A2、Micro-USB接口A7和离子电极连接线接口C12，以及功能按钮C4～C10：分别为四方向控制键盘组合C4、待识别水源类型设定功能按钮C5、根据水质样本构建突水水源判别流程体系功能按钮C6、突水水源判别流程体系调整与设置功能按钮C7、检测离子指标切换功能按钮C8、检测离子浓度功能按钮C9和突水水源判别功能按钮C10；所述电路板A上以单片机A1为核心，连接显示屏A2、A/D转换模块A4、存储器A5、扩展键盘模块A6、micro-USB接口A7和电源模块A8；本实施例中，单片机A1采用ATMEL公司的ATUC256L3U；存储器A5采用ATMEL公司的AT24C1024B型号的EEPROM；A/D转换模块A4采用AD7705作为数据采集转换；离子电极传感器A3配有可更换的离子选择性电极；功能按钮采用数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片ZLG7289扩展的3×2矩阵的按键，以及四方向控制按键C4和模式转换开关C2，显示屏采用3.2寸的LCD显示屏，电源模块A8采用市售的WOA50W系列一体化AC/DC电源；各部分连结方式如下：功能按钮(C4～C10)和开机/关机按钮C3通过I/O方式与单片机A1连接，离子电极传感器A3通过连接线D2与离子电极连接线接口C12相连，并和A/D转换模块A4之间通过I/O方式连接，A/D转换模块A4通过串口方式与单片机A1连接，显示屏A2和单片机A1之间通过并行方式连接，存储器A5通过I/O方式与单片机A1连接，Micro-USB接口A7通过I/O方式与单片机A1连接，对外可通过Micro-USB接口A7和PC机USB接口连接，模式转换开关C2与可调电位器A11通过I/O方式连结，电源模块A8分别以端子式与单片机、转换模块和运算放大器连接，输出一个5V和一个12V稳压电源，其中的5V稳压电源对单片机和转换模块提供工作电源，12V稳压电源对运算放大器A9和存储器A5提供工作电源；离子电极A3根据具体测定的需要分别选择采用相应的测定氯离子、硫酸根离子、钙离子、钠离子或镁离子的离子选择性电极，存储器A5为带电可编程可擦除只读存储器(EEPROM)。

图2给出了本发明的矿井突水水源快速判别设备的模块连接框图。各模块的关系如图2中所示：电源模块A8支撑以单片机A1为核心的水源判别系统，预先由PC机经Micro-USB接口C12数据传输为本设备导入样本数据B1，存储在单片机A1控制的存储器A5中，并设置水源类型B2，由单片机A1进行样本分析B3、预先设置判别体系B4；在运行时，通过离子电极A3检测水样中的离子浓度，在离子测试B6中由运算放大器A9放大得到对应的模拟电压信号，然后再通过A/D模数转换A4变成数字信号送入水源判别B5，在单片机中进入水源判别流程,判别结果由显示屏A2显示出水源类型名称和离子的种类、浓度。

图3为本实施例主机的主视结构示意图。如图3所示，主机外壳C1上设有开机/关机按钮C3、显示屏A2、四方向控制键盘组合C4、待识别水源类型设定功能按钮C5、根据水质样本构建突水水源判别流程体系功能按钮C6、突水水源判别流程体系调整与设置功能按钮C7、检测离子指标切换功能按钮C8、检测离子浓度功能按钮C9、突水水源判别功能按钮C10、模式转换开关C2、Micro-USB接口A7和离子电极连接线接口C12。各功能按钮在外壳C1内通过与外壳一体形成的筋而一体连接。使用时，与外壳一体连接的各个功能按钮分别与电路板上的开关按钮一一对应，当每个按钮按下时分别接通不同的模块，执行相应的操作。

图4为本实施例的离子电极测试连接线及其测试探头示意图。可更换的离子电极A3连有连接线D2，连接线D2另一端为插头D1，工作时插头D1与离子电极连接线接口C12连接。

在第一次使用本发明手持式矿井突水水源快速判别设备之前，应当先通过调节外壳C1上与单片机A1连结的模式转换开关C2进行设定模式和运行模式的转换，在设定模式下，设定水源类型B2，将矿井历来检测的、不同含水层类型水样的多个离子浓度的水样数据以表格形式(例如可采取如表格1所示的表格形式)保存在单片机的txt文档中，使用前先将其从单片机A1导入所述存储器A5中，根据实测获得的各水源类型以及每个水样的多个离子浓度数据通过Micro-USB接口连接单片机A1导入或者由功能按钮中的待识别水源类型设定功能按钮C5、根据水质样本构建突水水源判别流程体系功能按钮C6以及突水水源判别流程体系调整与设置功能按钮C7输入，采用单片机系统中常用的键盘加EEPROM的方法设置待识别水源类型，每一种水源类型的水样样本数必须不少于三个；显示采用静态驱动方式的，四位LED在线显示离子浓度；在运行模式下，单片机A1输出控制驱动电路控制电磁阀门A10，进入突水水源判别流程系统，通过单片机A1的控制信号来实现对离子浓度的控制，自动建立突水水源判别流程体系；该判别流程体系的分析方法为：从第一个离子指标到最后一个离子指标，依次选择作为当前处理指标，对当前处理指标从小到大进行排序，在最小值和最大值之间，从最小值开始，依次选择排序后的相邻两个值的平均值作为阈值，每移动一次阈值，对所有水样进行判别，判别时将该指标小于阈值的水样归为某种水源类型，或将该指标大于阈值的水样归为某种水源类型，其他水样归为新的待判样本，同时将待判水源类型中剔除该种水源类型，如此循环计算，直到选择的指标和阈值作为判别某种水源类型的判别准确率最高，则选定该指标、阈值及其大于还是小于阈值作为识别该种水源类型的特征离子、阈值和判别关系；如此循环，进入下一轮识别，直到所有水源类型都被识别出来，则水源类型识别的先后顺序、每个水源类型使用的特征离子指标、对应的阈值及其判别关系都确定下来，从而形成了突水水源判别流程体系；也可以利用功能按钮，人工调整或者设置判别体系B4；离子电极传感器A3检测水样离子浓度，并经变换放大得到对应的模拟电压信号，然后再通过A/D转换模块A4变成数字信号送入单片机A1，单片机A1根据能斯特方程计算得到实际的离子浓度B6，并将计算结果在显示屏A2显示出来；当矿井突水时，用盛水容器取水30-100毫升水样，用离子电极A3测试水样的离子浓度，并利用水源判别模块B5的程序判别突水水源，检测结果和判别结果在显示屏中显示。

测试示例1：

图5为本实施例测试示例1中的判别流程图。进行突水水源开始判别步骤E1时，使用盛水容器取水30-100毫升水样，首先使用本机配备的氯离子电极，进行测试比较水样氯离子浓度步骤E2，如果氯离子浓度小于914.25毫克/升，则执行判别为煤系砂岩裂隙水步骤E3，判别过程结束E7；否则需进一步判别，进行更换镁离子电极进一步测试比较水样步骤E4，如果镁离子浓度小于20.29毫克/升，则执行判为太原组灰岩岩溶裂隙水步骤E5，判别过程结束E7；否则执行判为新生界下含孔隙水步骤E6，判别过程结束E7。

(1)该矿井第一次使用本发明设备前，将示例1矿井已知水源类型的标准水质样本，在计算机中整理成如表格1所示的格式，其中的第一列为表头，对应的前两列字段分别为水样编号和水源类型，第三列起为离子指标，并使用Tab键或者逗号、空格作为分隔符，数据存储为文本格式。将本发明设备通过Micro-USB接口用数据线与计算机相连，将上述数据导入到设备中；设置待判突水水源为新生界下含孔隙水、煤系砂岩裂隙水和太原组岩溶裂隙水。

表格1

编号	水源类型	钙离子	镁离子	钠离子	氯离子	硫酸根离子
							1	新生界下含孔隙水	47.33	20.64	785.43	1027.54	228.38
2	新生界下含孔隙水	52.1	21.28	849.69	1088.74	264.18
							3	新生界下含孔隙水	57.97	25.12	782.12	1045.25	233.32
4	煤系砂岩裂隙水	45.29	21.04	554.06	768.2	5.76
							5	煤系砂岩裂隙水	2.81	1.34	1061.68	794.5	14.2
6	煤系砂岩裂隙水	2.81	1.95	863.5	817.55	11.11
							7	煤系砂岩裂隙水	3.21	4.26	1258.01	725.01	2.47

8	煤系砂岩裂隙水	15.23	11.31	719.59	706.87	12.14
							9	煤系砂岩裂隙水	15.03	11.43	749.47	712.9	9.67
10	煤系砂岩裂隙水	16.03	11.43	734.99	677.45	11.32
							11	煤系砂岩裂隙水	14.43	9.36	729.47	671.07	7.82
12	煤系砂岩裂隙水	48.7	11.07	1470.21	660.79	1949.13
							13	煤系砂岩裂隙水	15.43	10.94	657.74	661.55	33.55
14	煤系砂岩裂隙水	32.26	14.23	672.92	901.33	25.93
							15	煤系砂岩裂隙水	14.03	7.78	573.14	574.64	28.81
16	煤系砂岩裂隙水	15.63	10.94	664.41	589.58	4.32
							17	煤系砂岩裂隙水	31.66	24.56	856.61	1030.26	305
18	煤系砂岩裂隙水	4.81	1.7	619.35	271.57	3.7
							19	煤系砂岩裂隙水	13.03	10.58	679.12	748.41	89.32
20	煤系砂岩裂隙水	15.63	10.94	664.41	589.58	4.32
							21	煤系砂岩裂隙水	18.64	16.17	694.53	765.01	63.18
22	煤系砂岩裂隙水	16.03	13.38	698.21	809.68	65.24
							23	煤系砂岩裂隙水	5.41	4.5	644.64	547.35	5.97
24	煤系砂岩裂隙水	29.66	12.03	654.07	783.16	15.64
							25	煤系砂岩裂隙水	47.6	25.38	517.59	787.93	14.4
26	煤系砂岩裂隙水	100.46	51.87	478.93	719.28	208.22
							27	太原组岩溶裂隙水	56.99	14.36	896.13	1066.69	360.47
28	太原组岩溶裂隙水	50.22	18.47	850.06	1007.97	340.72
							29	太原组岩溶裂隙水	39.58	16.42	775.88	927.17	253.07
30	太原组岩溶裂隙水	54.09	15.83	887.66	1407.12	357.18
							31	太原组岩溶裂隙水	48.3	19.33	903.97	1095.05	340.19
32	太原组岩溶裂隙水	47.9	19.82	901.9	1087.25	345.95
							33	太原组岩溶裂隙水	49.7	19.94	900.75	1087.25	346.36
34	太原组岩溶裂隙水	50.9	19.94	869.94	1064.92	317.55
							35	太原组岩溶裂隙水	41.28	17.88	875.08	1064.51	288.94
36	太原组岩溶裂隙水	41.28	18.6	874.54	1057.21	292.24
							37	太原组岩溶裂隙水	39.08	18.85	910.4	1084.51	304.58
38	太原组岩溶裂隙水	33.67	18.36	820.74	978.15	243.05
							39	太原组岩溶裂隙水	32.67	18.84	822.35	979.72	232.76

40

太原组岩溶裂隙水

33.07

17.02

820.74

965.03

232.55

注：表中浓度单位为毫克/升。

(2)第一次使用本发明装置时，需要使用样本分析功能，自动建立如图5所示突水水源判别的判别体系，建立判别体系方法是：

依次根据六种离子指标对样本排序并分析判别准确率，得到当选择氯离子作为煤系砂岩裂隙水特征离子，使用阈值为914.25(为901.33和927.17的平均值)毫克/升进行判别，小于914.25毫克/升为煤系砂岩裂隙水，否则为其他类型水，作为进一步待判水样，则23个煤系砂岩裂隙水中有22个归为煤系砂岩裂隙水，而其他类型水样没有判为煤系砂岩裂隙水；进一步对待判水样区分新生界下含孔隙水和太原组岩溶裂隙水，依次根据六种离子指标对样本排序并分析判别准确率，可知当选择镁离子作为太原组岩溶裂隙水特征离子，使用阈值为20.29(为19.94和20.64的平均值)毫克/升进行判别，小于20.29毫克/升为太原组岩溶裂隙水，否则为新生界下含孔隙水，则14个太原组岩溶裂隙水全部判为太原组岩溶裂隙水，3个新生界下含孔隙水判为新生界下含孔隙水，1个煤系砂岩裂隙水判为新生界下含孔隙水。

建立的判别流程体系对现有样本识别准确率为43/44＝97.7％。

突水水源判别流程体系的参数在存储器中存储为：

1，煤系砂岩裂隙水，氯离子，914.25，小于；

2，太原组岩溶裂隙水，镁离子，20.29，小于；

3，新生界下含孔隙水。

(3)当突水事件发生时，取突水水样30-100毫升，用本机配备的离子电极检测水样中的离子浓度，首先使用氯离子电极，测试得到其浓度为1016.30毫克/升，根据判别体系判为非煤系砂岩裂隙水，需进一步判别则需要换镁离子电极来测试镁离子，测得其浓度为15.80毫克/升，根据判别体系判为太原组灰岩岩溶裂隙水。

测试示例2：

图6为本实施例测试示例2中的判别流程图。进行突水水源开始判别步骤F1时，使用盛水容器取水30-100毫升水样，首先使用本机配备的钠离子电极，执行测试比较水样钠离子浓度步骤F2，如果钠离子浓度小于267.12毫克/升，则执行判为新生界上含孔隙水步骤F3，判别过程结束F9；否则需进一步判别，进行更换硫酸根离子电极执行进一步测试比较水样步骤F4，如果硫酸根离子浓度小于197.92毫克/升，则执行判为煤系砂岩裂隙水步骤F5，判别过程结束F9；否则执行另一测试比较水样步骤F6，如果硫酸根离子浓度大于366.70毫克/升，则执行判为太原组灰岩岩溶裂隙水步骤F7，判别过程结束F9；否则执行判为新生界下含孔隙水步骤F8，判别过程结束F9。

选取示例2矿井已知水源类型的标准水质样本，在计算机中同样整理成表格2所示的格式，数据存储为文本格式，第一列为表头，对应的前两列字段分别为编号和水源类型，第三列起为离子指标，并使用Tab键或者逗号、空格作为分隔符。

表格2

编号	水源类型	钙离子	镁离子	钠离子	氯离子	硫酸根离子
							1	新生界上含孔隙水	16.63	4.99	20.92	8.51	1.44
2	新生界上含孔隙水	4.41	0.49	36.32	46.79	3.09
							3	新生界上含孔隙水	22.44	7.17	40.92	23.75	4.94
4	新生界上含孔隙水	107.82	29.67	63.68	56.02	22.84
							5	新生界上含孔隙水	22.24	19.70	70.12	10.28	3.70
6	新生界上含孔隙水	62.52	21.64	79.78	26.23	10.50
							7	新生界上含孔隙水	64.53	23.23	88.97	34.39	16.46
8	新生界上含孔隙水	64.93	27.81	104.60	44.31	19.96
							9	新生界下含孔隙水	64.73	35.63	755.45	978.50	257.87
10	新生界下含孔隙水	64.37	51.85	762.31	1026.10	318.92
							11	新生界下含孔隙水	66.31	49.00	769.35	1015.40	315.62
12	新生界下含孔隙水	59.34	39.70	794.31	1016.40	317.27
							13	新生界下含孔隙水	38.28	20.43	795.45	973.89	225.15
14	新生界下含孔隙水	55.51	22.37	798.67	1040.90	211.97
							15	新生界下含孔隙水	40.08	13.25	809.60	1073.16	164.64
16	新生界下含孔隙水	52.50	27.36	817.52	1026.63	278.63
							17	新生界下含孔隙水	52.91	17.14	821.79	1141.94	122.04
18	新生界下含孔隙水	44.01	28.25	826.30	1020.20	305.33
							19	新生界下含孔隙水	48.85	25.46	828.69	1018.30	300.40
20	新生界下含孔隙水	45.03	21.85	837.43	1026.30	279.93
							21	新生界下含孔隙水	43.87	22.73	843.50	1027.20	299.16
22	新生界下含孔隙水	42.44	23.07	846.00	1025.40	296.69
							23	新生界下含孔隙水	51.10	18.84	861.44	1088.76	257.25
24	新生界下含孔隙水	39.52	14.88	864.64	1115.17	204.24
							25	新生界下含孔隙水	39.28	8.51	880.06	1081.36	214.44
26	煤系砂岩裂隙水	2.80	1.94	429.64	20.56	14.82
							27	煤系砂岩裂隙水	43.09	12.10	703.72	995.17	10.70
28	煤系砂岩裂隙水	36.27	12.76	713.38	1020.34	58.45
							29	煤系砂岩裂隙水	29.86	10.09	714.07	1028.49	24.90
30	煤系砂岩裂隙水	43.49	28.05	737.98	1025.66	7.41
							31	煤系砂岩裂隙水	25.85	5.72	759.59	1001.96	76.15
32	煤系砂岩裂隙水	28.66	8.51	774.99	1013.96	93.84
							33	煤系砂岩裂隙水	46.69	19.94	780.51	1047.19	34.57

34	煤系砂岩裂隙水	35.27	18.48	785.11	979.57	4.04
							35	煤系砂岩裂隙水	25.65	7.42	790.17	1026.01	92.82
36	煤系砂岩裂隙水	25.25	4.74	808.33	881.01	191.60
							37	煤系砂岩裂隙水	5.21	2.92	814.08	1005.80	31.49
38	煤系砂岩裂隙水	3.81	1.09	820.51	1004.74	37.04
							39	煤系砂岩裂隙水	4.41	2.80	824.65	998.36	38.28
40	煤系砂岩裂隙水	26.65	7.90	839.50	941.99	184.18
							41	煤系砂岩裂隙水	25.45	6.93	852.01	966.45	182.54
42	煤系砂岩裂隙水	6.61	7.30	865.57	1065.27	46.51
							43	煤系砂岩裂隙水	17.64	6.44	884.20	930.29	218.95
44	煤系砂岩裂隙水	3.01	1.95	897.53	889.87	123.27
							45	煤系砂岩裂隙水	2.61	1.82	920.75	1005.45	74.09
46	煤系砂岩裂隙水	4.41	2.67	992.71	1025.66	134.97
							47	煤系砂岩裂隙水	1.20	2.67	1160.54	1100.82	85.41
48	煤系砂岩裂隙水	2.00	1.95	1161.68	1077.06	110.10
							49	煤系砂岩裂隙水	7.21	2.07	1173.64	994.73	3.50
50	煤系砂岩裂隙水	3.01	1.58	1220.54	1244.75	3.91
							51	煤系砂岩裂隙水	4.41	1.34	1222.38	1015.29	4.32
52	煤系砂岩裂隙水	9.82	3.77	1240.77	1165.24	177.19
							53	煤系砂岩裂隙水	6.41	3.53	1308.01	1283.40	1.03
54	煤系砂岩裂隙水	2.40	1.22	1432.51	615.77	31.90
							55	煤系砂岩裂隙水	3.41	3.65	1512.51	471.13	2.06
56	煤系砂岩裂隙水	2.81	2.31	1601.02	486.73	2.47
							57	煤系砂岩裂隙水	6.01	2.43	1791.61	1278.08	30.87
58	煤系砂岩裂隙水	4.21	4.86	1815.52	963.61	3.20
							59	太原组岩溶裂隙水	67.01	36.65	864.23	1035.80	426.31
60	太原组岩溶裂隙水	12.63	8.75	1055.50	875.10	171.65
							61	太原组岩溶裂隙水	15.43	21.52	898.68	1061.46	414.48
62	太原组岩溶裂隙水	115.80	27.00	926.50	544.38	1079.49

注：表中浓度单位为毫克/升。

(1)第一次使用本发明设备前，将本发明设备通过连接线与计算机相连，将上述数据导入到设备中；在本设备中首先设置待判突水水源类型为新生界上含孔隙水、新生界下含孔隙水、煤系砂岩裂隙水和太原组岩溶裂隙水。

(2)第一次使用本发明设备时，需要使用样本分析功能，自动建立如图6所示的突水水源判别的判别体系：

①依次根据六种离子指标对样本排序并分析判别准确率，得到当选择钠离子作为新生界上含孔隙水特征离子，使用阈值为267.12(为104.6和429.64的平均值)毫克/升进行判别，小于267.12毫克/升为新生界上含孔隙水，否则为其他类型水，作为进一步待判水样，则8个新生界上含孔隙水全部识别为新生界上含孔隙水，而其他类型水样没有判为新生界上含孔隙水；

②进一步对待判水样区分，依次根据六种离子指标对样本排序并分析判别准确率，可知当选择硫酸根作为煤系砂岩裂隙水特征离子，使用阈值为197.92(为191.6和204.24的平均值)毫克/升进行判别，小于197.92毫克/升为煤系砂岩裂隙水，否则为其他类型水，作为新的进一步待判水样，则33个煤系砂岩裂隙水中有32个识别为煤系砂岩裂隙水，1个煤系砂岩裂隙水判为其他类型水，3个其他类型水判为煤系砂岩裂隙水；

③进一步对待新的判水样区分，依次根据六种离子指标对样本排序并分析判别准确率，可知当选择硫酸根离子作为太原组岩溶裂隙水特征离子，使用阈值为366.70(为318.92和414.48的平均值)毫克/升进行判别，大于366.70毫克/升为太原组岩溶裂隙水，否则为新生界下含孔隙水，则3个太原组岩溶裂隙水全部正确识别为太原组岩溶裂隙水，15个新生界下含孔隙水全部正确识别为新生界下含孔隙水，1个煤系砂岩裂隙水被错判为新生界下含孔隙水。

建立的判别流程体系对现有样本识别准确率为58/62＝93.5％。

突水水源判别流程体系的参数在存储器中存储为：

1，新生界上含孔隙水，钠离子，267.12，小于；

2，煤系砂岩裂隙水，硫酸根离子，197.92，小于；

3，太原组岩溶裂隙水，硫酸根离子，366.70，大于；

4，新生界下含孔隙水。

(3)示例2矿井太原组岩溶裂隙水水样本较少，可以根据附近同一水文地质单元内其他矿井的水样情况，可在本设备中打开控制器的设定模式，利用功能按钮设置水源类型调整判别体系，即使用控制键盘作为控制输入设置判别顺序编号为3的参数，从待识别水源类型中选择太原组岩溶裂隙水，并从水样离子指标中选择“硫酸根离子”为该水源类型的特征离子，设定硫酸根离子用于判别选定水源类型的的阈值为“350”，设定判别时使用的判别关系为“大于”，通过上述操作对判别流程系体系进行调整。

(4)当突水事件发生时，取突水水样30-100毫升，用本机配备的离子电极检测水样中的离子浓度，首先使用钠离子电极，测试得到其浓度为720.56毫克/升，根据判别体系判别为非新生界上含孔隙水，需进一步判别则需要换硫酸根离子电极来测试硫酸根离子，测得其浓度为63.26毫克/升，根据判别体系判为煤系砂岩裂隙水。

Claims (1)

1.一种矿井突水水源快速判别设备，包括：置于外壳(C1)内部的电路板(A)，外壳(C1)上设有电源输入接口(C11)、开机/关机按钮(C3)、模式转换开关(C2)、显示屏(A2)、Micro-USB接口(A7)和离子电极连接线接口(C12)，以及功能按钮(C4～C10)：分别为四方向控制键盘组合(C4)、待识别水源类型设定功能按钮(C5)、根据水质样本构建突水水源判别流程体系功能按钮(C6)、突水水源判别流程体系调整与设置功能按钮(C7)、检测离子指标切换功能按钮(C8)、检测离子浓度功能按钮(C9)和突水水源判别功能按钮(C10)；所述电路板(A)上以单片机(A1)为核心，连接显示屏(A2)、A/D转换模块(A4)、存储器(A5)、扩展键盘模块(A6)、micro-USB接口(A7)和电源模块(A8)；其特征在于：所述功能按钮(C4～C10)和开机/关机按钮(C3)通过I/O方式与单片机(A1)连接，离子电极传感器(D3)通过连接线(D2)与离子电极连接线接口(C12)相连，并和A/D转换模块(A4)之间通过I/O方式连接，A/D转换模块(A4)通过串口方式与单片机(A1)连接，显示屏(A2)和单片机(A1)之间通过并行方式连接，存储器(A5)通过I/O方式与单片机(A1)连接，Micro-USB接口(A7)通过I/O方式与单片机(A1)连接，对外则通过Micro-USB接口(A7)和PC机USB接口连接，模式转换开关(C2)与可调电位器(A11)通过I/O方式连结；所述功能按钮(C4～C10)采用数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片ZLG7289扩展键盘模块(A6)，离子选择性电极(A3)根据具体测定的需要分别选择采用相应的测定氯离子、硫酸根离子、钙离子、钠离子或镁离子的离子选择性电极，存储器(A5)为带电可编程可擦除只读存储器，电源模块(A8)采用WOA50W系列一体化AC/DC电源，分别以端子式与单片机(A1)和A/D转换模块(A4)连接，输出一个5V和一个12V稳压电源，其中的5V稳压电源对单片机(A1)和A/D转换模块(A4)提供工作电源，12V稳压电源对运算放大器(A9)和存储器(A5)提供工作电源；

通过调节外壳(C1)上与单片机(A1)连结的模式转换开关(C2)进行设定模式和运行模式的转换：在设定模式下，将矿井历来检测的、不同含水层类型水样的多个离子浓度的水样数据以表格形式保存在单片机的txt文档中，使用前先将其从单片机(A1)导入所述存储器(A5)中，根据实测获得的各水源类型以及每个水样的多个离子浓度数据通过Micro-USB接口连接单片机(A1)导入，或者由功能按钮中的待识别水源类型设定功能按钮(C5)、根据水质样本构建突水水源判别流程体系功能按钮(C6)以及突水水源判别流程体系调整与设置功能按钮(C7)输入，采用单片机系统中常用的键盘加EEPROM的方法设置待识别水源类型，每一种水源类型的水样样本数不少于三个；显示采用静态驱动方式的4位LED在线显示离子浓度；在运行模式下，单片机(A1)输出控制驱动电路控制电磁阀门(A10)，进入突水水源判别流程系统，通过单片机(A1)的控制信号来实现对离子浓度的控制；

所述通过单片机(A1)的控制信号来实现对离子浓度的控制为：

依次选择从第一个离子指标到最后一个离子指标作为当前处理指标，对当前处理指标从小到大进行排序，从最小值开始，在最小值和最大值之间，依次选择排序后的相邻两个值的平均值作为阈值，每移动一次阈值，对所有的每个水样进行判别，判别时将该指标小于阈值的水样归为某种水源类型，或将该指标大于阈值的水样归为某种水源类型，其他水样归为新的待判样本，同时将待判水源类型中剔除该种水源类型，如此循环计算，直到选择的指标和阈值作为判别某种水源类型的判别准确率最高，则选定该指标、阈值及其大于还是小于阈值作为识别该种水源类型的特征离子、阈值和判别关系；如此循环，进入下一轮识别，直到所有水源类型都被识别出来，则水源类型识别的先后顺序、每个水源类型使用的特征离子指标、对应的阈值及其判别关系都确定下来，从而生成了突水水源判别流程体系；

使用上述突水水源判别流程体系调整与设置功能按钮，调出突水水源判别流程体系，使用四方向控制键选择判别顺序编号为1的参数，所述参数为该判别顺序编号对应的水源类型、特征离子、阈值和判别关系，从待识别水源类型中选择首先判别的水源类型,从水样离子指标中选择该水源类型的特征离子指标，设定该离子指标用于判别选定水源类型的的阈值，设定判别时使用的判别关系；然后设置判别顺序为2的参数，从未设置的待识别水源类型中选择第2判别的水源类型，并从水样离子指标中选择该水源类型的特征离子指标，设定该离子指标用于判别选定水源类型的的阈值，设定判别时使用的判别关系；以此类推，对判别顺序加1进行逐个设置，直到完成倒数第二个待识别水源类型，同时将最后一个未设置的待识别水源类型设定为最后一个识别水源类型，且最后一个识别水源类型的特征离子、阈值和判别关系为空值；突水水源判别流程体系的参数以顺序编号、水源类型、特征离子、阈值、判别关系字段方式存储在存储器(A5)中；

使用离子电极传感器(A3)测试水样，得到对应的模拟电压信号，然后再通过A/D转换模块(C11)变成数字信号传入单片机(A1)，单片机(A1)根据能斯特方程计算得到实际的离子浓度，并将计算结果在显示屏(A2)显示出来；

根据所述突水水源判别流程体系中的判别顺序，依次选用水源类型对应的特征离子所对应的离子电极，测试特征离子浓度值，单片机根据判别关系比较特征离子浓度检测数值和突水水源判别流程体系中的该特征离子的阈值，判别突水水样是否为该水源类型：如果是，则识别突水水源结束；否则按照突水水源判别流程体系中的判别顺序，进一步判别水样是否为其他水源类型，直到判别出水样的水源类型。