淺析我國煤礦水害防治研究現(xiàn)狀及展望*

高政，李波波,

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院， 貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué) 喀斯特山區(qū)優(yōu)勢礦產(chǎn)資源高效利用國家地方聯(lián)合工程實驗室， 貴州 貴陽 550025；3.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點實驗室， 貴州 貴陽 550025)

0 引言

水害事故是煤礦五大自然災(zāi)害之一，其造成的生命財產(chǎn)損失十分嚴(yán)重[1]。煤礦水害事故常發(fā)生在采煤及掘進工作面等處，在開采作業(yè)中與地下水接觸就會導(dǎo)致透水事故，嚴(yán)重影響開采進度，同時對井下人員安全造成威脅[2]。據(jù)相關(guān)研究報道[3]，2000年至 2017年我國發(fā)生的煤礦水災(zāi)事故高達一千余起，死亡人數(shù)四千七百余人。2010年3月，山西王家?guī)X煤礦發(fā)生透水事故，致使三十余人遇難，經(jīng)濟損失嚴(yán)重。2012年蛟河市豐興煤礦發(fā)生水災(zāi)事故，12人因此遇難，造成極大的社會影響。水害事故已經(jīng)成為影響煤礦安全生產(chǎn)的主要威脅之一[4]。此外，煤礦水害還可能造成工作環(huán)境潮濕，從而對井下工作設(shè)備造成損耗。因此在煤礦開采過程中必須對水害防治予以高度重視，提前做好相關(guān)預(yù)防工作，盡可能避免煤礦水害事故發(fā)生，保證煤礦安全高效開采。

我國對煤礦水害防治已開展了大量研究，并取得了一定成效，但目前水害事故仍然威脅著煤礦生產(chǎn)。因此，需要對煤礦水害防治研究進行總結(jié)，并對今后的相關(guān)研究做出展望，以期為減少煤礦水害事故及提高礦山安全開采能力提供理論指導(dǎo)。

1 我國礦井水害防治研究現(xiàn)狀

1.1 煤礦水害類型分類

水源通入井下的方式可以分為滲水、滴水、淋水、突水等。根據(jù)礦井充水水源和其進入井下方式的不同，劉衛(wèi)坤[5]將煤礦水害分為地表水、老窯水、孔隙水、裂隙水和巖溶水5種不同類別，同時指出在井下作業(yè)過程中，工作面與含水層、水體或含水裂隙帶接觸所造成的突水事故影響最大，屬于需高度重視的涌入方式。武強等[6]認(rèn)為當(dāng)前水害事故具有復(fù)雜多樣性，應(yīng)對礦井水害分類展開全面系統(tǒng)性的討論，并以充水水源、導(dǎo)水通道、危害形式、經(jīng)濟損失與人員傷亡和時效特點幾個方面作為構(gòu)建水害分類的依據(jù)，分別提出了具體的水害分類（見圖 1）。

1.2 煤礦水害致因分析

近年來我國學(xué)者不斷探索導(dǎo)致煤礦水害事故發(fā)生的原因，從工作人員動作行為、儀器設(shè)備、管理和環(huán)境等多角度對事故致因進行了研究。本節(jié)回顧了相關(guān)較具代表性的研究。

圖1 煤礦水害分類

傅貴等[7]基于全國 68起煤礦重特大水害事故案例，運用 2～4模型對井下人員的不安全動作進行了分類與分析。其結(jié)果指出直接不安全動作主要涵蓋違章放炮、探放水措施未能有效開展、違章指揮、保安煤柱受損、井下人員撤離不及時和其他等6個方面；在案例樣本的所有不安全動作調(diào)查中，除了包含以上6個主要不安全行為外，還有未通過安全批準(zhǔn)私自生產(chǎn)、水文地質(zhì)條件信息不全、人員培訓(xùn)不到位、越界開采、安全通道不足、透水隱患消除力度不夠、相關(guān)安全人員配備不足等7個大類。此外，安全管理人員的不安全行為在所有不安全動作中占比最大，最需值得注意。劉偉[8]從4個方面對導(dǎo)致煤礦水害發(fā)生的原因進行分析，并構(gòu)建相關(guān)事故樹。其認(rèn)為不同充水水源、含水層結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件是引起水害事故的環(huán)境因素；非法開采、越界開采、違章作業(yè)和不遵循探放水原則等屬于誘發(fā)煤礦水害的人為因素；設(shè)備排水能力不足、探放水設(shè)備不合理和井筒位置不當(dāng)?shù)仁且鹈旱V水害事故發(fā)生的物的因素；相關(guān)安全管理制度的完善及落實程度不足屬于管理因素，并強調(diào)從管理因素方面入手能夠有效減少煤礦水害事故的發(fā)生。高磊[9]將煤礦水害事故發(fā)生的主要原因歸結(jié)為水文地質(zhì)條件調(diào)查不全面，越界開采，未建立相關(guān)防治措施或執(zhí)行力度不夠，破壞隔水煤柱和地表水體影響等。孫悅等[10]結(jié)合FTA-AHP法，對貴州幾起典型煤礦水害事故的致因進行了分析，并構(gòu)建事故樹開展定性研究。其從特定事故出發(fā)尋找基本原因，從礦井積水量過多、通道排水能力不足和防水措施3個主要原因入手，向下形成了包括施工中揭穿水體、雨季水量過大和安全監(jiān)察不到位等43項基本原因。

1.3 煤礦水害防治措施

科學(xué)預(yù)防和治理可以有效減少煤礦水害事故甚至消除事故的發(fā)生。根據(jù)水害造成原因的不同，防治措施主要可以分為管理和技術(shù)2個方面，國內(nèi)學(xué)者對此開展了大量研究。岳金華[11]指出對煤礦水害的防治應(yīng)加強施工過程中的管理，對井下工作人員進行專業(yè)培訓(xùn)，了解水害的危險并掌握突水征兆等相關(guān)知識，提升安全防范意識；不斷提升勘察技術(shù)手段，在井下施工作業(yè)前，有效全面地對水文地質(zhì)條件展開勘察；不斷完善管理體系的構(gòu)建，合理運用監(jiān)測設(shè)備。在防治技術(shù)方面，對含水層、采空區(qū)和地表水水害提出了具體的防治措施。孫靜君[2]主要根據(jù)充水位置不同，從地表水害、砂巖水和礫巖水、石灰?guī)r溶洞水、沖積層水等8個層次對煤礦水害的防治展開研究。吳曉玉[12]對天然充水水源和煤層與含水層相對位置所引起的水害提出了具體的技術(shù)防治措施，使用注漿和防水煤柱解決導(dǎo)水通道的威脅，并強調(diào)水文監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的重要性，在管理方面提出健全相關(guān)規(guī)章制度。李飛[13]通過對姜家灣水害事故進行案例分析后，提出一套防治水害的措施，具體為：對相關(guān)人員開展水災(zāi)防治培訓(xùn)工作，提高水文地質(zhì)探測能力，完善安全生產(chǎn)制度，嚴(yán)格落實“三專”要求，領(lǐng)導(dǎo)層加強安全監(jiān)管，提升排除水害隱患的能力，加強技術(shù)創(chuàng)新等。李玉春[14]分析了煤礦水文地質(zhì)特征，從預(yù)測勘察工作、安全管理和防治技術(shù)等方面提出了7條防治水害措施。

1.4 水害防治體系

礦井水災(zāi)防治體系的構(gòu)建有助于控制水害事故的發(fā)生，能夠為煤礦安全開采及技術(shù)轉(zhuǎn)型提供相關(guān)理論指導(dǎo)，對防治體系的深入研究具有重要意義。目前，我國對此已進行了大量研究，大致可以分為礦井水災(zāi)防治技術(shù)體系和礦井水災(zāi)防治管理體系兩方面。然而由于實際礦山地質(zhì)條件及考慮角度不同等因素，各體系之間存在差異。本節(jié)挑選了近年來防治水體系較具代表性的研究進行了回顧。

李偉等[15]針對閘河礦區(qū)閉坑礦井，評價了煤層抗拉強度和煤柱安全性，發(fā)現(xiàn)礦界煤柱寬度尚未達到實際安全需求標(biāo)準(zhǔn)，基于此種情況構(gòu)建了包括探查、排水、擋水閘墻、監(jiān)測在內(nèi)的閉坑礦井水害綜合防控技術(shù)體系。靳德武[16]從4個方面介紹了礦井水害防治技術(shù)，并指出防治水害應(yīng)遵循的三觀點和五原則，以哲學(xué)方法論層次入手，對巖溶水害的治理提出了相關(guān)技術(shù)體系。張志龍等[17]根據(jù)立體空間位置及軟件措施、系統(tǒng)影響要素等展開分析，主張將系統(tǒng)原理和立體空間思想相結(jié)合，從時間和空間上考慮構(gòu)建煤礦水害立體防治體系，其框架構(gòu)成詳見圖 2。其中地表水害防治技術(shù)體系和地下水害立體防治技術(shù)體系屬于兩類典型防治子體系。經(jīng)過實際案例分析，該立體防治技術(shù)體系在煤礦水害防治上能得到較好的應(yīng)用。岳修德[18]以山西煤炭運銷集團為研究對象，從該集團實際情況出發(fā)，提出“五分法”煤礦防治水技術(shù)體系，具體內(nèi)容為“一定、二查、三專、四探、五保障”。王均才等[19]對煤礦水災(zāi)的監(jiān)測、預(yù)警、逃生和應(yīng)急救援等進行了深入探索，在信息管理與監(jiān)測的基礎(chǔ)上構(gòu)建了煤礦防治水安全保障體系，該體系具有“預(yù)、監(jiān)、報、避、隔、救”等多種功能。任占昌[20]針對奧灰水水害，以保德煤礦為研究對象，構(gòu)建了與其實際工作情況相適應(yīng)的綜合防治水管理體系。

圖2 煤礦水害立體防治體系[17]

2 討論與展望

不同類型的水害決定著不同防治措施的選取和實施。在煤礦水害分類研究方面，前人的分類依據(jù)多集中于充水水源不同，相關(guān)依據(jù)尚需完善。礦井水害分類屬于系統(tǒng)分類工程。類型劃分離不開對相關(guān)案例和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析以及相關(guān)科學(xué)理論指導(dǎo)[6]。因此，加強對分類依據(jù)的基礎(chǔ)理論研究和相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計研究，將定性與定量方法相結(jié)合，同時考慮劃分類別的全面性和系統(tǒng)性，將有助于今后的礦井水害分類研究。此外，目前對礦井突水機理分析尚不完全，無法很好解釋井下的突水現(xiàn)象[21]，限制了對水害類型的劃分。今后可考慮將物理模擬方法與突水研究相結(jié)合，更深入研究解釋礦井突水機制，為水害分類提供理論依據(jù)。

井下水害發(fā)生原因復(fù)雜多樣，相關(guān)原因分析對于后續(xù)的防治措施具有關(guān)鍵性作用。在煤礦水害致因的研究方面，前人多采用定性分析和事故樹理論，而事故樹的構(gòu)建受到較多客觀因素影響，因人而異。今后對此方面的研究可進一步結(jié)合數(shù)學(xué)分析方法，從定性轉(zhuǎn)為定量或?qū)烧呦嘟Y(jié)合，更進一步探索煤礦水害事故發(fā)生的原因。

前人對水害防治措施的研究已有很多，且大多集中在技術(shù)和管理兩個方面。但一些技術(shù)的適用性不強，新型技術(shù)的發(fā)展仍有待進一步提高。目前我國部分地區(qū)，礦井水害防治技術(shù)仍然停留在十幾年前水平，尤其以中小型煤礦企業(yè)居多。因此，發(fā)展通用性高新技術(shù)對于提升我國煤礦開采安全性具有重要意義。今后的水害防治技術(shù)研究可從以下幾個方面開展。

（1）加強勘探技術(shù)的研究與開發(fā)。目前的勘探技術(shù)不能直接反映突水狀況，且精準(zhǔn)性仍有待提高，可在高精度三維定位基礎(chǔ)上改善現(xiàn)有勘探技術(shù)，發(fā)展精細探查技術(shù)。

（2）注漿堵水技術(shù)研究。采取人工造縫技術(shù)可以實現(xiàn)對注入量的控制，因此對壓裂技術(shù)的推廣及應(yīng)用研究，可促進我國煤礦水害防治技術(shù)的發(fā)展。

（3）水害預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)。隨著信息技術(shù)的不斷進步，可構(gòu)建礦井水害預(yù)警系統(tǒng)，通過量化相關(guān)征兆指標(biāo)，實現(xiàn)在水害來臨前的預(yù)報警示。

（4）將水害防治信息與計算機技術(shù)相結(jié)合，建立礦井水害防治數(shù)據(jù)庫，共享防治技術(shù)。在擁有可觀數(shù)據(jù)量后，可通過大數(shù)據(jù)技術(shù)更進一步研究礦井水害防治措施。

在礦井水害防治體系的研究方面，目前防治技術(shù)體系仍存在被動性，在整體性和系統(tǒng)性方面還有待加強。此外，在現(xiàn)有防治體系的構(gòu)建上，大多數(shù)研究人員都是圍繞技術(shù)方面開展，對管理體系的構(gòu)建考慮較少。通過對國內(nèi)近二十年煤礦發(fā)生的重特大水害事故原因分析[3]，發(fā)現(xiàn)管理因素、人為因素和環(huán)境因素為引起水害事故的主要原因，物的因素排至最后，安全管理缺陷所引起的煤礦水害占比較多。因此，應(yīng)從管理與技術(shù)兩方面共同著手，構(gòu)建綜合性防治體系，改變以往防治體系的不足，變被動為主動。

3 結(jié)論

水害事故嚴(yán)重影響著煤礦安全開采，對水害事故防治的研究能為煤礦安全開采提供理論指導(dǎo)。從煤礦水害類型分類、水害致因、水害防治措施和水害防治體系4個方面，對我國煤礦水害防治現(xiàn)狀進行了分析。盡管相關(guān)研究工作已取得了較多進展，但仍有些許不足。在已取得的成果的基礎(chǔ)上，今后可重點圍繞以下幾個方面開展煤礦水害防治研究。

（1）加強對分類依據(jù)的基礎(chǔ)理論研究，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)和案例，全面系統(tǒng)地對水害類型進行分類。

（2）結(jié)合定量分析方法，對煤礦水害的致因因素進行定性、定量化研究。

（3）與計算機等其他學(xué)科相結(jié)合，研究通用性高新技術(shù)并實現(xiàn)現(xiàn)場應(yīng)用。

（4）進一步構(gòu)建以技術(shù)和管理為核心的水害綜合防治體系。