矿井突水是造成矿山事故的重要原因，是困扰矿山安全生产的主要问题，矿山生产事故给人民生命安全以及国家财产带来无法估计的损失。据国家安全生产监督管理总局统计，2001-2009年所发生的矿山突水事故，导致死亡人数3245人， 6.3%发生于非煤矿，其余93.7%发生在煤矿。矿井突水事故的发生和发展过程具有湿帮—淋水—流水—突水的特点，在矿井突水的过程中，有效地利用判别方法对矿井中突水水源进行快速判别，及时采取相应的防治水措施，使水害所造成的人员及财产危害最大限度地减少，是非常必要的。

矿井突水水源判别方法是依靠相关科学技术手段对矿井突水来源进行分析和判断的理论方法。在国内外学者的共同努力下，矿井突水水源判别的研究方法理论已日趋成熟，水源判别方法主要可分为：水温水位法、水化学分析法、数学理论分析法等（图1） 。

1.1水温水位判别法

在水文地质条件较为简单的区域，突水水源判别方法中水温水位判别法可以作为初步判断突水来源的重要依据。地下水在其赋层和循环环境的影响下，其温度呈现不均一性和变化性。在实际生产过程中，利用突水点的水温与具突水隐患的含水层水温进行对比，可有效的对矿井突水水源进行初步预测。袁文华等在对任楼煤矿突水水源进行判别时，成功建立了地温方程来计算突水含水层水温，并与实际出水点水温进行对比，有效预测了该煤矿的涌水来源。矿井对含水层疏水的过程中，一个含水层水位发生变化，必将导致与其相互联系的含水层水位也发生变化，这种不同含水层间的水位联动关系为判断矿井突水来源提供了有利依据。随着技术的发展，在具较大开采强度的矿区中，水位、水温法常与水化学分析法相结合，可更好的判别矿井的突水水源。即“QLT”法，为水质、水位和水温的简称。刘文明等用QLT法对潘谢矿区进行了水质、水位、水温等多因素判别研究，开发了“潘谢矿区矿井突水水源QLT法判别系统”，并取得了较好成果。

1.2 水化学分析法

“水文地球化学”这一术语提出后，水文地球化学的引用范围不断扩大，并且成为一门独立性学科得到了长足的发展 。相关基于水文地球化学的判别方法，在矿井突水水源判别研究领域中主要可分为：常规水化学法、微量元素法、同位素法。

常规水化学主要是对水中的宏量组分(SO42-、Cl-、CO32-、HCO3-、K 、Na 、Ca2 、Mg2 )和水质综合指标(如电导率、碱度、酸度、硬度、TDS、pH值、钠吸附比)进行监测。近年来，在突水水源的判别中，常规水化学的一些定量、半定量的方法得到广泛的实际应用，如灰色关联度分析法、灰色聚类法、模糊综合评判法、人工神经网络识别技术、Fuszy-Grey决策方法、逐步判别分析法、支持向量机方法等分析方法。

随着电感藕合等离子发射光谱法、原子吸收光谱法等测试技术的发展，微量元素分析技术获得了显著进展，水中微量金属元素的测试已成为常规手段。成春奇等对百善矿区地下水系统的新生界松散层类孔隙含水层、煤系砂岩裂隙含水层及煤系下伏岩溶含水层的微量元素富含类型进行了对比，将水化学判别模式改进为有微量元素组分参与。桂和荣等在皖北矿区采取深层水样,测试Ag、Al、As等20种微量元素，建立了主成分分析模型和主要突水水源4个主成分的判别表达式。陈陆望等利用从任楼井田4个主要突水含水层取样，测试了24种微量元素，通过分析微量元素含量与聚类规律，得到了Be、Zn等8种主要突水含水层的标型微量元素，建立了以标型微量元素作为变量的突水水源Bayes线性判别模型，模型判别正确率达到了80%。孙林华、陈松等对皖北任楼矿煤系水、太灰水和奥灰水常规离子和稀土元素组成分析, 将煤系含水层地下水分为富SO42-和富HCO3-两类，富SO42-水的稀土总量相对偏低,两种水中的稀土元素存在的无机形态不同，灰岩水样品轻稀土表现稳定，重稀土分异明显，尤其在Y处有一个明显的峰值，认为灰岩水中Y元素的峰值效应也可作为灰岩水源识别的依据。

同位素水文地球化学在矿井突水水源判别中的应用主要依赖于其在涌水水源的示踪方面的优势，研究主要集中在煤矿领域。一般是综合水文地质条件、常规水化学、微量元素水化学以及δ18O、D、T同位素测试分析，配合采用人工示踪等，判别涌（突）水的水源。潘国营等采用了同位素技术准确、快速地判别出了某煤矿矿井突水水源，为制订有效的防治水措施提供科学依据。

总之，在常规水化学方法的基础上，结合微量元素、同位素水文地球化学，在分析矿区地下水的导水通道、判定充水水源与矿井水的连通性等方面，经常联合使用，在华北型煤田的防治水工作中取得较好的实践效果，水化学的超前快速监测分析工作已列入煤矿的防治水规范。但目前水化学判别方法在铁矿等金属矿中应用较少，具有良好的开发前景。

1.3 数学理论分析法

1.3.1多元统计法

判别分析法是多元统计中的一种分析方法，是在若干类已知对象中确定新对象的归属类的统计分析方法，主要用于判断对象的归属类。判别分析方法有：逐步判别、距离判别、序贯判别、费歇尔判别及贝叶斯判别等。高艳秋基于四个不同突水含水层水化学特征,结合逐步判别分析等方法，成功建立了突水含水层判别模型,并经过实际检验,具有显著的效果。周健等有效的运用距离判别分析法判断了煤矿矿井的突水水源，验证了距离判别方法的分析模型良好的分类性能以及较高的预测精度。张许良等人在数量化理论的判别分析方法的运用上取得了突出成效，成功判断了矿井突水水源，并验证了已知突水点，证明该方法在矿井突水水源判别工作中具有良好的效果。

聚类分析法是根据样品数据的相似性将样品划分成不同类别类别的方法。修中标等人使用聚类分析的方法，准确判断了张集矿的突水来源，是聚类分析法在水源判别研究领域中的成功应用。当研究指标较多且各矿井水文地质条件不同时，可将多个突水数据进行相关性分析，所能反映各个含水层的水样差异性的是相关性系数中较大的一个指标，也称为主成分分析法。在矿山突水水源识别中，基于水化学类型的指标,综合主成分分析和距离判别分析法，是一种矿山突水水源判别的新方法。

1.3.2非线性分析法

非线性分析法在矿井突水水源判别领域的研究方法有：模糊数学法、灰色系统法、神经网络法、GIS理论法、支持向量机法、可拓识别法。

在矿井突水水源判别的研究领域中，模糊数学分析方法显示了其便利的优势。当矿井中含有较多突水水源且各含水层水质特征界限不明显时，往往具有一定的模糊性，难以根据单因素进行准确判断。运用模糊数学分析方法，根据水化学分析资料，可准确判别矿井突水水源。模糊数学法有：模糊相似比法、最大贴进度法、模糊综合判别法等。在对矿井突水水源判别的实际工作中，早在1995-1996年，李明山在姚桥矿成功运用了模糊相似比法和最大贴近度法，表明该方法可以从模糊且细微的水质信息中区分出矿井突水水源。模糊综合判别法在数学理论的快速发展过程中得到了广泛应用。余克林等在矿井水化学分析以及涌水量资料的基础上，建立了突水水源的二级模糊综合评判数学模型。模糊综合评判法的原理表达式为：E*R=B，其意义在于，由权重模糊矩阵（E）与模糊关系矩阵（R）的相关性，可得出最终模糊综合评判结果（B）。

灰色系统法是基于灰色系统数学理论对矿井突水水源进行判别的方法，可分为灰色关联度法、灰色局势综合判别法、最大效果测度法。灰色关联度法的主要内容是按照元素之间的发展情况的相似水平来说明各个成分间的密切性。在矿井突水点水源识别时，拟合一条曲线，突水点的成分与主要离子的含量分布于曲线之上，量化其和识别对象之间的贴进度，进一步通过对比待测对象之间的关联度来判识突水水源。刘江明等基于保德矿水质分析数据，采取灰色关联度分析法对其进行关联度运算，用很小的计算量准确判别了水样所归属的含水层，实践证明该方法适用性较强。灰色局势综合判别法是模糊数学方法的一类，属多点决策法。在矿井突水水源判别研究中，采用灰色局势综合判别法对多种水文条件所造成的灰色模糊性进行评价和判别，精确度较高。张宏刚应用灰色局势综合评判法，在数据较少的情况下，以低成本判别了琼五山煤矿突水水源，为治理水害提供科学的依据。最大效果测度法是基于灰色局势综合决策的基础上用化学指标去判别某个突水水源的方法。早在1997年，李明山运用最大效果测度值法对判别突水水源进行了初步尝试，并取得了一定的效果，但该方法局限性较大，不适合多水源判别。洪雷等利用最大效果测度值法准确判别了燕子山矿的突水水源，证明该方法的可行性和局限性。

神经网络是由神经元普遍彼此连接而形成的复杂网络系统，它呈现了人脑功能的大量基本特性，是一个非常繁琐的非线性动力学系统。目前应用较为广泛的有BP神经网络模型、SOM神经网络模型。祝翠等利用BP神经网络判别模型对矿井突水水源进行了判别，该方法提高了突水预测的科学性和精确度。

地理信息系统（GIS）是一门综合地理学、地图学、遥感、计算机等学科的科学，在各个不同的研究领域得到了广泛的应用。在矿井突水水源判别研究领域，GIS的可视化发挥了重要的作用。孙亚军等利用GIS可视化技术将水源判别的结果直接呈现出来，将突水水源的判别提升到空间的高度，使其拥有很强的实用价值。

支持向量机（SVM）方法是基于统计学习理论的VC维理论和结构风险最小原理的新兴的统计学习方法，适用于小样本、非线性及高维模式识别问题。目前，在矿井突水水源判别研究领域应用较广泛的支持向量机方法是MMH支持向量机方法，它是由闫志刚等总结出的一种基于SVM最大间隔逐层分类、最小间隔逐层聚类构造的多水源分析的H支持向量机。实验效果表明，MMH支持向量机结构简单、泛化能力强，能区分各类水源、反映各水源的层次关系、指示各含水层水质化验指标的权重。

可拓识别法是运用定量法精确描绘点与区间的位置关系，并可按照“距”值的差异性描述出点在区间内部的位置不同。在矿井突水水源研究中，应用可拓识别法可确定突水水质归属于哪个含水层水质范围。张瑞钢等利用可拓识别法对谢桥矿井突水水源进行了判别，经与其他数学方法对比，其正确率较高。

综上，基于数学方法的突水水源判别方法大多以水质数据为基础，进行一系列计算而得出判别模型。多元统计法和非线性分析法在实际工作中得到广泛的应用，具有很好的实用价值，综合水化学分析或计算机等方法可使其判别准确、计算精准。随着科学技术的不断更新，智能算法逐渐成为水源判别领域的研究热点，水化学和智能算法相结合的判别方法已成为当今发展的趋势。

社会生产的不断发展，矿井掘进深度的不断加深，使矿山生产条件越来越复杂，经常脱离经验范畴，很多技术手段已经不再实用。突水水源判别方法的适用评价旨在论述现有突水水源判别方法的优点和局限性，评价突水水源判别方法适用何种地质条件，为矿井判别突水水源提供依据。

水温、水位法在判别矿井突水水源工作中的优点是操作简单，但其局限性大，主要在单层突水和较少突水点情况下应用。在矿井开采强度较大的情况下,还需联合水化学等其它方法一起使用才能更好地判别突水水源。水文地球化学分析方法在矿井突水水源、充水通道、不同含水层水力联系及区域水循环等的研究中的效果十分明显。常规水化学方法适用于判别含水层水质特征变化明显,突水来源简单的矿井。微量元素法在选择特征组分时，必须具有易检、稳定、显著的特点。同位素法的优点在于其能准确、快速地反应矿区地下水特征,并判断出矿井突水的主要来源，但同位素分析法测试成本较高。基于相关数学理论的突水水源判别方法，一般是以数学理论或构造函数或区间进行水源判别。

突水水源判别方法适用性的评价是在李建林等总结突水水源判别方法的基础上进行的，通过总结判别矿井突水水源常用方法的优点及局限性，见表1，对突水水源判别方法适用条件进行评价。

1）矿井突水水源判别方法涉及学科、领域广泛,与化学、数学、计算机科学、GIS和可拓学等领域之间互相交叉,矿井水源判别方法、判别模型以及判别系统软件的种类越来越丰富。

2）突水水源判别方法各有优劣，构建思路各不相同，适应判别环境的能力各异，因此研究中具有互补的可能，可以运用综合多种判别手段分析的方法来对一些有条件的矿井进行比较分析。

3）微量元素测试技术已普及，测试元素可达几十种以上，因此，在水文过程、水污染、元素迁移、水源判别中，越来越多地将微量元素作为分析对象，采用试验、数学分析等方法，得出可靠的分析结果。相对而言，稀土元素在水文地质领域的研究程度还较低，应用范围还不够广。