礦山安全地質(zhì)學(xué)：綜述*

隋旺華

(中國礦業(yè)大學(xué)， 資源與地球科學(xué)學(xué)院， 徐州 221116， 中國)

0 引 言

“向地球深部進軍”已經(jīng)成為新時代的國家科技戰(zhàn)略(何滿潮等， 2005； 謝和平， 2019； 彭建兵等， 2020)。礦山安全生產(chǎn)一直受到黨和政府的重視。以煤炭礦山為例，在“十五”至“十三五”期間，國家和有關(guān)企業(yè)以科技創(chuàng)新促進安全生產(chǎn)，在國家重點研發(fā)和企業(yè)科技創(chuàng)新項目等支持下，經(jīng)過廣大研究人員、技術(shù)人員和管理人員的共同努力，煤炭安全已經(jīng)得到重大的改善，總體安全形勢已經(jīng)好于發(fā)達國家本世紀初的水平(圖 1)。但是，隨著開采深度的增加和開采強度的加大，以及整個開發(fā)重心向西部轉(zhuǎn)移，煤礦地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的機理愈加復(fù)雜，防控技術(shù)瓶頸沒有得到很好的解決，無論在理論支撐，還是關(guān)鍵技術(shù)裝備創(chuàng)新方面，都面臨著很多挑戰(zhàn)。

圖 1 我國煤礦百萬噸死亡率Fig. 1 Million tones mortality rates in Chinese coal mines

煤炭礦山復(fù)雜的地質(zhì)條件，特別是含煤地層的地質(zhì)特性決定了煤礦是一個高危的生產(chǎn)場所。煤礦中常見的五大礦井災(zāi)害中，大多數(shù)都和地質(zhì)條件密切相關(guān)，例如，沖擊地壓、煤與瓦斯突出、頂板災(zāi)害、水害等礦山地質(zhì)災(zāi)害等。目前，我國生產(chǎn)礦井中，鑒定為沖擊地壓的礦井有132對，涉及超過195個主采煤層，其煤炭產(chǎn)量占我國總產(chǎn)量的12%左右(潘一山等， 2021)。我國高瓦斯礦井約占70%，煤與瓦斯突出礦井達1192對，已發(fā)生約2萬次突出事故，約占煤礦總事故的27%(袁亮等， 2018)。2010～2019年間，共發(fā)生2536起頂板事故，占同期事故總起數(shù)的44.41%，死亡人數(shù)3208人，占總死亡人數(shù)的32.28%(康紅普等， 2020)。2000～2020年，全國煤礦發(fā)生水害757起，死亡3764人，經(jīng)濟損失位居各類災(zāi)害之首(圖 2)。近3年來，隨著開采深度和開采強度加大，這些災(zāi)害發(fā)生的數(shù)量、頻度和強度也明顯加劇。密集發(fā)生了山東龍鄆(2018年10月20日， 21人遇難)、吉林龍家堡(2019年6月9日， 9人遇難)、河北唐山(2019年8月2日， 7人遇難)、云南曲靖(2020年2月29日， 5人遇難)、山西朔州(2020年11月11日， 5人遇難)、山西左權(quán)(2021年3月25日， 4人遇難)、貴州東風(fēng)(2021年4月9日， 8人遇難)等多起震驚全國的沖擊地壓、煤和瓦斯突出等動力災(zāi)害事故(齊慶新等， 2019； 張超林等， 2021)。2005年以來，水害事故總體呈現(xiàn)下降趨勢，但是，近期水害事故又有抬頭的趨勢，先后發(fā)生了湖南耒陽突水事故(2020年11月29日， 13人遇難)、新疆維吾爾自治區(qū)呼圖壁豐源煤礦突水事故(2021年4月10日， 21人遇難)、山西忻州大紅才鐵礦斜井突水事故(2021年6月10日， 13人遇難)、陜西榆林郝家梁煤礦30108綜采工作面頂板突水潰砂事故(2021年7月5日， 5人遇難)。

圖 2 全國水害事故起數(shù)和遇難人數(shù)(2001～2020)Fig. 2 Accidents and casualties in Chinese coal mines(2001～2020)

每一次礦難都給人民的生命財產(chǎn)造成了慘重的損失，因此，進一步提升科學(xué)技術(shù)對礦山安全的支撐，減少和遏制重特大事故的發(fā)生，是面向經(jīng)濟建設(shè)主戰(zhàn)場的國家重大需求。礦山安全防控涉及到多學(xué)科多系統(tǒng)，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程和典型的復(fù)雜工程問題，而其中的地質(zhì)條件和成災(zāi)機理研究是事故防控中最重要的基礎(chǔ)工作。但是，目前還沒有系統(tǒng)的研究安全地質(zhì)的學(xué)科和人才培養(yǎng)體系，礦山企業(yè)也沒有相應(yīng)的安全地質(zhì)工作部門和工作機制，致使礦山安全地質(zhì)工作基礎(chǔ)薄弱、力量聚焦不夠，沒有形成徹底解決這些問題的地質(zhì)基礎(chǔ)。因此，建立礦山安全地質(zhì)學(xué)新的交叉學(xué)科，進行礦山安全地質(zhì)基礎(chǔ)理論研究、提出礦山地質(zhì)災(zāi)害防控技術(shù)已經(jīng)刻不容緩。

基于以上認識，筆者在中國礦業(yè)大學(xué)開設(shè)了博士生課程“安全地質(zhì)學(xué)”，提出建立安全地質(zhì)學(xué)學(xué)科，并對礦業(yè)工程、安全工程、地質(zhì)資源與地質(zhì)工程等有關(guān)專業(yè)開展了人才培養(yǎng)(Sui， 2013)。在此基礎(chǔ)上，本文針對礦山建設(shè)和采掘中的主要安全地質(zhì)問題，簡要介紹了礦山安全地質(zhì)學(xué)的概念、內(nèi)容框架、主要礦山安全地質(zhì)問題、研究方法、安全地質(zhì)問題風(fēng)險評價，并對礦山安全地質(zhì)防控關(guān)鍵技術(shù)與裝備等方面的發(fā)展趨勢進行了論述。在2020年11月15日于中國礦業(yè)大學(xué)召開的能源資源與地球科學(xué)發(fā)展論壇會議期間，筆者向彭建兵院士匯報了在《工程地質(zhì)學(xué)報》編輯“深部礦山安全地質(zhì)”專輯的想法，得到他的熱情支持和鼓勵。2020年12月29日由《工程地質(zhì)學(xué)報》編輯部郭靜蕓發(fā)布了征稿通知。所有征文都按照學(xué)報規(guī)定的程序嚴格評審，共錄用論文21篇。本文也簡要綜述了本專輯收錄的主要文章。期望本專輯的出版，能為深部煤礦地質(zhì)災(zāi)害理論研究及災(zāi)害防控提供一定的科學(xué)支撐，同時，也希望更多的工程地質(zhì)工作者深入礦山，為解決礦山安全地質(zhì)問題提供智力幫助。

1 礦山安全地質(zhì)學(xué)概述

1.1 礦山安全地質(zhì)學(xué)的交叉學(xué)科屬性

安全科學(xué)于1974年由南加州大學(xué)首次提出。Kuhlmann于1981年發(fā)表《安全科學(xué)導(dǎo)論》，奠定了安全科學(xué)的基礎(chǔ)(Kuhlmann， 1986)。1992年頒布的國家標準《學(xué)科分類與代碼》，將安全科學(xué)與技術(shù)作為一門獨立學(xué)科，并設(shè)置5個二級學(xué)科。中南大學(xué)吳超教授闡釋了安全學(xué)科與其他學(xué)科的相互聯(lián)系和滲透，認為目前的絕大數(shù)學(xué)科，加上“安全”二字都是成立的，例如，安全地球物理學(xué)、安全地質(zhì)資源與地質(zhì)工程、安全地質(zhì)學(xué)等等(吳超， 2007)。

地質(zhì)學(xué)有超過200多年的歷史，現(xiàn)代工程地質(zhì)學(xué)和土力學(xué)也有100多年的歷史。聯(lián)合國亞洲及太平洋經(jīng)濟社會委員會出版的“亞洲城市的地質(zhì)安全狀況”，表達了對亞洲城市發(fā)展中地質(zhì)安全的擔(dān)憂(ESCAP， 2003)。顯然，在土木工程和采礦工程中，安全問題和地質(zhì)問題密不可分。許多所謂的城市地質(zhì)問題、礦山地質(zhì)問題歸根結(jié)底就是安全地質(zhì)問題。因此，安全科學(xué)和地質(zhì)學(xué)這兩個學(xué)科的結(jié)合已經(jīng)成為兩學(xué)科研究人員與工程師的共識。我國礦山地質(zhì)工作者早在1986年就在成都召開了煤炭學(xué)會礦井地質(zhì)專委會專題討論礦山安全地質(zhì)因素(圖 3)。

圖 3 1986年7月全國煤礦安全地質(zhì)因素學(xué)術(shù)交流會在成都召開 (感謝安徽理工大學(xué)吳基文、趙志根教授提供照片)Fig. 3 Delegations of a symposium on mine safety geological factors in Chengdu， July 1986 (Photograph courtesy of Professors Wu Jiwen and Zhao Zhigen from Anhui University of Science and Technology)

安全地質(zhì)學(xué)被定義為與調(diào)查、研究和解決與項目規(guī)劃、設(shè)計、施工和運營有關(guān)的安全地質(zhì)問題的學(xué)科(Sui， 2013)。該定義的范疇較大，涉及到整個地質(zhì)環(huán)境的安全問題，例如，礦山安全地質(zhì)問題、城市安全地質(zhì)問題、社會安全地質(zhì)問題、災(zāi)害地質(zhì)問題和健康安全地質(zhì)問題發(fā)生機制和過程的演化特征，安全地質(zhì)問題防治關(guān)鍵理論和技術(shù)等。

礦山安全地質(zhì)學(xué)則是安全地質(zhì)學(xué)在礦山領(lǐng)域的分支，覆蓋了安全科學(xué)、礦業(yè)科學(xué)與工程和地質(zhì)學(xué)的交叉范疇(圖 4)。

圖 4 礦山安全地質(zhì)學(xué)-地質(zhì)學(xué)、安全科學(xué)、 礦業(yè)科學(xué)與工程的交叉學(xué)科(據(jù)Sui， 2013修改)Fig. 4 Mine safety geology-an inter-discipline among geology， safety science and mining science and engineering (modified after Sui， 2013)

圖 5 礦山安全地質(zhì)學(xué)的相關(guān)學(xué)科(據(jù)Sui， 2013修改)Fig. 5 Related disciplines of mine safety geology (modified after Sui， 2013)

1.2 礦山安全地質(zhì)學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系

礦山安全地質(zhì)學(xué)與其他學(xué)科密切相關(guān)，如果培養(yǎng)一個較為全面的礦山安全地質(zhì)工程師，需要許多不同學(xué)科基礎(chǔ)，特別是要有較好的地質(zhì)基礎(chǔ)，如水文地質(zhì)學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、礦山地質(zhì)學(xué)等(圖 5)。和礦山地質(zhì)學(xué)的其他分支相比，礦山安全地質(zhì)學(xué)側(cè)重于從地質(zhì)學(xué)角度解決礦山的安全問題，與傳統(tǒng)的礦業(yè)工程師、地質(zhì)工程師的培養(yǎng)要求不同，著重從安全問題形成的地質(zhì)機理出發(fā)，更好地為解決礦山安全地質(zhì)問題服務(wù)。例如，利用地球物理和地質(zhì)勘探進行安全地質(zhì)條件調(diào)查和研究； 礦山瓦斯、突水、礦震等危險源辨識與風(fēng)險評估； 其他地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測與治理； 礦山安全應(yīng)急管理與救援； 安全地質(zhì)法規(guī)和政策等等。

1.3 礦山安全地質(zhì)學(xué)的內(nèi)容框架

筆者于2013年曾提出礦山安全地質(zhì)學(xué)內(nèi)容主要包括礦山安全地質(zhì)模型、危險源探測與辨識、危險性評價、應(yīng)急處置和管理中的安全地質(zhì)工作等(Sui， 2013)。結(jié)合近年來礦山安全的需求和研究進展，礦山安全地質(zhì)學(xué)的主要內(nèi)容應(yīng)該包括：(1)礦山安全地質(zhì)問題分類及孕災(zāi)機制，包括水害、瓦斯災(zāi)害、沖擊地壓、熱害等形成的地質(zhì)基礎(chǔ)、賦存環(huán)境，與采掘活動的互饋機制，災(zāi)害形成的多場耦合機制； (2)礦山災(zāi)害危險源的辨識、評價，包括各類危險源(能量、氣、水、采掘擾動等)的靜態(tài)、動態(tài)辨識和評價； (3)礦山危險源、賦存地質(zhì)環(huán)境演化的探測與定位，大數(shù)據(jù)采集與分析； (4)礦山安全地質(zhì)風(fēng)險評價與預(yù)測，分析各類災(zāi)害問題的主控因素，進行風(fēng)險動態(tài)評價與預(yù)測； (5)礦山安全地質(zhì)監(jiān)測預(yù)警的關(guān)鍵理論與技術(shù)； (6)礦山安全地質(zhì)工程治理措施的原理、方法與關(guān)鍵技術(shù)； (7)礦山應(yīng)急處置和應(yīng)急管理中的安全地質(zhì)工作，礦山安全地質(zhì)工作的長效機制； (8)礦山安全地質(zhì)有關(guān)技術(shù)法規(guī)等。

1.4 礦山安全地質(zhì)學(xué)的方法論

礦山安全地質(zhì)學(xué)方法論的前提(也可以稱為公理)是：(1)在天然狀態(tài)下，地質(zhì)體(具有一定的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)——三相組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、各類空隙)賦存在一定的地質(zhì)環(huán)境和能量狀態(tài)中，在一定的溫度、壓力、化學(xué)場等多場條件下保持著動態(tài)平衡； (2)人類礦山采掘工程活動將打破原有的動態(tài)平衡，表現(xiàn)出能量釋放、流體釋放或者壓力變化、結(jié)構(gòu)改組重構(gòu)，這個過程中或者其后果便可能形成災(zāi)害事故，并達到新的平衡； (3)如果采用主動地質(zhì)工程措施使其足以抑制災(zāi)變的發(fā)生，或者促成在新的平衡狀態(tài)下，能量釋放(例如巖體中的能量)或者物質(zhì)釋放(例如水、瓦斯)不能造成破壞或者突破天然阻隔(例如隔水層)或人工阻隔(例如注漿帷幕)，就能做到對災(zāi)害的有效防控。

參考Price et al.(2009)提出的3個關(guān)系式，可以對安全地質(zhì)問題地質(zhì)基礎(chǔ)條件提出3個簡單的表達式：

物質(zhì)材料特性+結(jié)構(gòu)構(gòu)造=地質(zhì)體的特性

地質(zhì)體的特性+賦存的地質(zhì)環(huán)境和能量狀態(tài)=地質(zhì)體的安全狀態(tài)

地質(zhì)體的安全狀態(tài)+采掘工程擾動=地質(zhì)體的工程安全行為

地質(zhì)材料特性是安全地質(zhì)研究的物質(zhì)基礎(chǔ)，包括巖土性質(zhì)、流體(水、瓦斯等氣體)性質(zhì)等，結(jié)構(gòu)構(gòu)造主要是指地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)等，材料性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性組合成為地質(zhì)體的特性。研究的地質(zhì)體的范圍需要根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造單元和地質(zhì)條件界定。賦存的環(huán)境包括地質(zhì)環(huán)境：地溫、地應(yīng)力、地下水、地下氣體等，也包括廣義的氣候、自然災(zāi)害、動力過程和時間等； 賦存的能量狀態(tài)是地質(zhì)體在地應(yīng)力、流體壓力、重力、地質(zhì)邊界等限制下所具有的彈性能、勢能等能量特征，它是形成沖擊地壓、巖爆、突水、煤和瓦斯突出等礦山動力地質(zhì)災(zāi)害的重要根源。在采掘活動劇烈擾動下，是否會產(chǎn)生災(zāi)害事故，就是地質(zhì)體的工程安全行為； 如果評價表明會產(chǎn)生災(zāi)害，就要采取相應(yīng)的防控措施，例如，通過開采解放層預(yù)防沖擊地壓、疏降水位預(yù)防突水、預(yù)先抽放預(yù)防瓦斯突出等。

礦山安全地質(zhì)學(xué)具有交叉學(xué)科屬性和綜合特性，因此，其研究方法應(yīng)包括系統(tǒng)分析方法、成因演化分析方法、結(jié)構(gòu)分析方法、相互作用分析方法、試驗監(jiān)測預(yù)警方法等。

1.4.1 系統(tǒng)分析方法

系統(tǒng)分析方法是從區(qū)域地質(zhì)環(huán)境背景出發(fā)，到礦區(qū)地質(zhì)單元，再到礦山地質(zhì)單元的分析方法。以礦井突水問題為例，先從區(qū)域地下水系統(tǒng)入手，再到水文地質(zhì)單元分析，然后建立礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，進行危險源的辨識、評價和突水危險性評價，最終提出防控措施。

1.4.2 成因演化分析方法

成因演化論是地質(zhì)學(xué)的基本理論，也是礦山安全地質(zhì)問題分析的基本方法。礦山采掘之前，地質(zhì)體經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)演化過程，因此，全面客觀地認識地質(zhì)體的地質(zhì)構(gòu)造演化、結(jié)構(gòu)演化、能量演化、物質(zhì)演化、賦存環(huán)境演化(地應(yīng)力、地下水等)，對于認識采掘活動的影響具有重要的基礎(chǔ)意義。將采掘引起的改變置于時空演化過程。例如針對礦山突水問題，分析充水條件的演化，進行危險源的動態(tài)辨識和突水危險性的動態(tài)評價，并隨著采掘活動的進行不斷完善防控措施。

1.4.3 結(jié)構(gòu)分析方法

巖體結(jié)構(gòu)控制論對于安全地質(zhì)問題同樣適用，以巖體結(jié)構(gòu)控制論為指導(dǎo)，以“物質(zhì)(固+流體)+結(jié)構(gòu)+環(huán)境”為研究對象，分析地質(zhì)邊界變化、巖土體結(jié)構(gòu)改造，結(jié)合采掘引起的物質(zhì)與能量的變化，分析巖土體結(jié)構(gòu)對礦山地質(zhì)災(zāi)害的控制作用。例如，可以通過地質(zhì)工程措施改變礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，將含水透水結(jié)構(gòu)改造成隔水結(jié)構(gòu)； 通過開采保護層，防治煤和瓦斯突出等等，就是通過地質(zhì)體結(jié)構(gòu)改變進行災(zāi)害防控的典型案例。

1.4.4 相互作用分析方法

由于礦山安全地質(zhì)學(xué)的交叉學(xué)科屬性和為安全生產(chǎn)服務(wù)的目的，安全內(nèi)部構(gòu)造的“人”、“物”和“人-物”的“三要素”，存在著相互作用，安全內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外界環(huán)境之間也存在著物質(zhì)、能量和信息的交換，因此，要分析他們之間的動態(tài)作用。同時，由于礦山安全地質(zhì)學(xué)的研究對象的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和賦存環(huán)境的復(fù)雜性，加之人為工程擾動的影響，因此，需要分析研究多場、多相、多介質(zhì)相互作用的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，解決復(fù)雜系統(tǒng)相互作用的安全地質(zhì)問題，以提出優(yōu)化途徑和措施。

1.4.5 觀測、試驗、監(jiān)測和預(yù)警方法

觀測、試驗、監(jiān)測和預(yù)警的基本原理可以用于各類安全地質(zhì)問題的研究和防控。通過監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)，建立監(jiān)測預(yù)警模型和預(yù)警平臺，為建立礦山地質(zhì)災(zāi)害智能判識和超前預(yù)報奠定基礎(chǔ)。例如，基于微震技術(shù)的動力災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的應(yīng)力場-震動場-能量場“三場準則”及指標體系、動力災(zāi)害的風(fēng)險智能判識理論與技術(shù)體系、監(jiān)測預(yù)警云平臺系統(tǒng)等(竇林名等， 2021)。又如，煤礦突水的電法和微震監(jiān)測系統(tǒng)等(靳德武等， 2021； 楊海平等， 2021)。

1.5 礦山安全地質(zhì)工作機構(gòu)與人才培養(yǎng)

目前，礦山?jīng)]有專門的安全地質(zhì)工作技術(shù)管理機構(gòu)，礦山防治水工作一般歸屬地質(zhì)測量部門，煤和瓦斯突出一般在技術(shù)部門或者地測部門，或者在專門的一通三防部門，沖擊地壓管理等一般在生產(chǎn)技術(shù)部門或者相對獨立的防沖管理部門。鑒于礦山地質(zhì)安全問題對地質(zhì)基礎(chǔ)工作具有強烈的依賴性，建議設(shè)立安全地質(zhì)技術(shù)部門，統(tǒng)籌各類安全地質(zhì)問題的技術(shù)管理與防控。同時，建議在地質(zhì)資源與地質(zhì)工程、安全科學(xué)與工程或者礦業(yè)工程一級學(xué)科下，設(shè)立相應(yīng)的研究方向，培養(yǎng)礦山安全地質(zhì)人才，在地質(zhì)工程、安全工程、采礦工程等專業(yè)開設(shè)礦山安全地質(zhì)學(xué)課程，突出礦山安全地質(zhì)條件、礦山安全地質(zhì)問題、礦山地質(zhì)災(zāi)害方面的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生從地質(zhì)學(xué)原理出發(fā)研究和解決復(fù)雜安全地質(zhì)問題的能力。

2 礦山安全地質(zhì)問題

2.1 礦山安全地質(zhì)問題的命名和分類

礦山安全是要考慮人的因素(人的不當(dāng)行為、失誤等)、物的因素(材料或者設(shè)備故障)、環(huán)境因素(地理、天氣、地質(zhì)條件、賦存地質(zhì)環(huán)境等)、人-物相互作用因素和管理因素(礦山、政府、監(jiān)管等)等。對于礦山安全地質(zhì)問題的命名和分類尚沒有系統(tǒng)的研究，目前主要是根據(jù)安全事故的形成特征和現(xiàn)象進行分類，例如突水、沖擊地壓等。在礦山地質(zhì)災(zāi)害命名中一般考慮災(zāi)害產(chǎn)生的物質(zhì)和災(zāi)害行為，例如巖爆、煤炮(沖擊地壓的一種形式)、煤和瓦斯突出、頂板垮落等； 也有的直接用動賓結(jié)構(gòu)表示問題發(fā)生的行為和物質(zhì)，例如突水、潰砂、冒頂?shù)?。宮鳳強等(2021)在本專輯論文中，通過大量歷史文獻綜述，詳細討論了巖爆和沖擊地壓的區(qū)別，提出可以用“煤沖擊”代替沖擊地壓?？梢?，礦山安全地質(zhì)問題的分類值得進一步探討和分析。穩(wěn)定性問題一般屬于礦山工程地質(zhì)學(xué)研究范疇，當(dāng)然其中部分問題也可以劃入安全地質(zhì)問題范疇?？紤]到安全生產(chǎn)和監(jiān)管的習(xí)慣，暫使用礦山安全規(guī)程和有關(guān)細則中安全問題的有關(guān)名詞術(shù)語。常見的礦山安全地質(zhì)問題有：煤與瓦斯突出、頂板垮落、巖爆、沖擊地壓、礦井突水、突水潰砂、井筒破壞、巷道圍巖失穩(wěn)、開采塌陷、尾礦壩失穩(wěn)、露天礦邊坡失穩(wěn)、排土場邊坡失穩(wěn)、硫化氫及一氧化碳等有毒有害氣體中毒、煤自燃等等。

2.2 礦山安全地質(zhì)問題的控制因素

礦山安全地質(zhì)問題受到自然因素和人為因素以及兩者之間的相互作用控制，按照上述3個表達式，在物質(zhì)組成方面要重視固液氣三相、巖性巖相、工程地質(zhì)單元、巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)、流固耦合作用特性的研究和分析； 在結(jié)構(gòu)與構(gòu)造方面，要重視巖體結(jié)構(gòu)、巖層組合、堅硬頂板、斷層、褶皺等對地質(zhì)災(zāi)害的控制研究； 在賦存地質(zhì)環(huán)境方面要重視地應(yīng)力、地溫、地下水流場、瓦斯氣體流場、富水性等方面的研究； 采掘擾動方面應(yīng)該重視人類工程活動對地應(yīng)力場、水動力場、地溫場、化學(xué)場耦合的擾動，重視能量轉(zhuǎn)化的研究。

以煤炭礦山為例，含煤地層的物質(zhì)組成、地質(zhì)構(gòu)造、賦存環(huán)境特別是原巖應(yīng)力場與采動重分布應(yīng)力場是安全地質(zhì)問題產(chǎn)生的主要控因。構(gòu)造因素對煤礦動力地質(zhì)災(zāi)害有重要控制作用(曹代勇等， 2020)，主要成果已有煤礦瓦斯賦存地質(zhì)構(gòu)造逐級控制理論(張子敏等， 2013)、斷層沖擊地壓機制(潘一山等， 1996； Cai et al.，2020)，沖擊地壓黏滑失穩(wěn)理論(齊慶新等， 2019)、煤與瓦斯突出預(yù)測和沖擊地壓預(yù)測的地質(zhì)動力區(qū)劃方法(張宏偉等， 2016)等。具體來說，礦山安全地質(zhì)問題的主要控制因素包括：煤巖性質(zhì)與結(jié)構(gòu)、巖相變化、覆巖結(jié)構(gòu)、堅硬厚層頂板、斷裂構(gòu)造、褶皺構(gòu)造、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、含水層富水性、水壓等。采區(qū)布置、工作面布置、開采順序、開采方法、頂板管理方法是決定對地質(zhì)環(huán)境擾動的關(guān)鍵因素，同時，管理、法規(guī)、安全文化等因素也同等重要。

2.3 深部礦山安全地質(zhì)問題概述

本專輯主要面向深部礦產(chǎn)資源開發(fā)與地質(zhì)環(huán)境相互作用機制，安全地質(zhì)問題產(chǎn)生的機制與防控等科學(xué)技術(shù)問題。錄用發(fā)表的論文，反映了深部礦山建設(shè)中的井筒、巷道、采場的穩(wěn)定性工程地質(zhì)、礦產(chǎn)資源開發(fā)誘發(fā)的沖擊地壓、巖爆、突水潰砂等礦山地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的機理、監(jiān)測預(yù)警、防控技術(shù)等方面的最新進展及成果，也探討了深部礦山工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和安全地質(zhì)方向亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。錄用的論文絕大數(shù)都得到了國家自然科學(xué)基金或者重點研發(fā)計劃的資助，這也說明了國家對深部礦山安全地質(zhì)基礎(chǔ)研究的重視和支持。

2.3.1 礦山安全地質(zhì)條件

針對裂隙巖體變形破壞、礦區(qū)深部原巖應(yīng)力場的論文有2篇。

采掘重分布應(yīng)力場取決于原巖應(yīng)力場在采掘擾動下的變化，他們決定了煤巖體的應(yīng)力環(huán)境、應(yīng)力路徑與破壞模式，是沖擊地壓、突水潰砂、煤和瓦斯突出等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主控因素之一。吳基文等(2021)采用水壓致裂法實測和分析，研究了淮南煤田潘集煤礦外圍勘查區(qū)的地應(yīng)力分布規(guī)律，為勘查區(qū)礦井規(guī)劃與煤炭開采設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)，這種系統(tǒng)的深部實測地應(yīng)力研究，對于深部礦山安全地質(zhì)問題研究和解決是重要的基礎(chǔ)依據(jù)，應(yīng)該在深部勘探中有明確的地應(yīng)力勘探和研究的要求。王文學(xué)等(2021)基于PIV技術(shù)，采用相似材料預(yù)制貫通單裂隙巖體試件并開展壓-剪試驗，探究了裂隙開度對貫通單裂隙試件的強度、變形及破壞過程的影響，對深部裂隙巖體變形破壞機理、貫通導(dǎo)水裂隙演化和涌水量的預(yù)測防治有積極意義。鮑園等(2021)對最近4年間發(fā)表在國際煤地質(zhì)學(xué)期刊上論文進行統(tǒng)計分析，探討了當(dāng)前煤地質(zhì)學(xué)研究的熱點內(nèi)容及未來發(fā)展方向，是煤炭資源安全開采的地質(zhì)基礎(chǔ)。

2.3.2 礦山井巷安全地質(zhì)

礦山井巷圍巖穩(wěn)定性研究是傳統(tǒng)的研究領(lǐng)域，有5篇論文。

周鑫等(2021)提出了地層沉降協(xié)調(diào)法用于防治礦山立井井壁破壞的設(shè)想，并進行了立井井壁變形破壞防治的試驗研究，對地層沉降協(xié)調(diào)法消除附加應(yīng)力的有效性進行了分析，結(jié)果表明地層沉降協(xié)調(diào)法可以明顯降低沉降過程中井壁縱向應(yīng)變突增值與穩(wěn)定值以及豎向力與最大主應(yīng)力，同時可以保持井壁橫向變形及受力的穩(wěn)定。于世波等(2021)以河北杏山鐵礦大垮塌主溜井滿井狀態(tài)下封堵工程為研究背景，針對地下工程中松散體問題治理的難題，提出了大體積松散體中水泥-水玻璃漿液可控灌注的方法，并通過試驗和現(xiàn)場實踐，將可控灌注問題分解為漿液一維豎向優(yōu)勢滲流和單段灌注漿的周向時空擴散，揭示了大體積松散體中漿液擴散的時空演化機理，結(jié)果表明松散體中水泥-水玻璃漿液一維豎向優(yōu)勢滲流的擴散距離與時間呈以自然常數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。馬鳳山教授團隊的孫琪皓等(2021)和李光等(2021)提出了巷道損傷區(qū)的新概念，并通過離散元數(shù)值模擬研究了金川礦區(qū)深部巷道開挖引發(fā)的巷道損傷區(qū)演化機理，為巷道損傷破壞區(qū)域的針對性防治措施的制定及實施提供了基礎(chǔ)； 并且，提出了一套節(jié)理圍巖巷道開挖的物理模型試驗方法，應(yīng)用于金川礦區(qū)典型的菱塊狀圍巖巷道，驗證了其可靠性及實用性，為深部節(jié)理圍巖巷道開挖穩(wěn)定性相關(guān)問題的研究提供了一種新的手段。張大明等(2021)提出了解決復(fù)采煤層回采巷道受雙重采動影響下的支護問題，采取補強支護方案后，巷道頂板破碎區(qū)變形得到了很好的控制，并實現(xiàn)了工作面的安全高效回采。

2.3.3 礦山采掘誘發(fā)突水和突水潰砂

突水和突水潰砂是深部煤層安全開采的主要威脅之一，其成災(zāi)機制與地質(zhì)環(huán)境條件密切相關(guān)，采掘誘發(fā)的裂隙導(dǎo)通含水(砂)層是主要的原因，因此，研究煤層頂?shù)装辶严栋l(fā)育演化及充水來源對煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。這次錄用4篇相關(guān)論文。

陳凱等(2021)通過分形幾何和離散元數(shù)值模擬結(jié)合的方法研究了西部礦區(qū)高強度開采過程中弱膠結(jié)覆巖采動裂隙網(wǎng)絡(luò)演化，將弱含水覆巖裂隙從分形演化角度劃分了4個階段，即快速升維階段、快速降維階段、平穩(wěn)穩(wěn)維階段以及周期性變維階段，為西部礦區(qū)的安全開采和水資源的保護提供了科學(xué)依據(jù)。陳陸望等(2021)依據(jù)徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了考慮覆巖結(jié)構(gòu)影響的近松散層開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測模型，預(yù)測結(jié)果的相對誤差遠低于經(jīng)驗公式，為近松散層開采導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的合理確定提供了理論支持。張培森等(2021)總結(jié)論述了離層動態(tài)發(fā)育機制、突水致災(zāi)機理和突水預(yù)測預(yù)控技術(shù)3個方面的研究進展，依托國家防治水工程技術(shù)中心，提出了在地面鉆孔抽取離層水的技術(shù)，在招賢煤礦離層水防治中取得成功，解決了一大技術(shù)難題，該文還展望了光纖探測、抽疏(截)聯(lián)動預(yù)控、無損采礦等防治離層水害的研究新方向。董東林教授團隊的丁甲等(2021)研究了淮南口孜東礦巨厚松散層水體下開采覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度、采動引起的覆巖垂向滲透系數(shù)和水力梯度變化、四含與紅層的臨界水力梯度，從抗?jié)B透性破壞方面評價了煤柱的安全性； 論文從覆巖破壞、滲流場變化及抗?jié)B透性三方面開展聯(lián)合研究，形成了厚松散含水層下開采安全評價的系統(tǒng)方法，具有很好的推廣應(yīng)用價值。

2.3.4 礦山?jīng)_擊地壓與巖爆

沖擊地壓和巖爆防控方面的論文有3篇。隨著開采深度加大，沖擊地壓和巖爆發(fā)生頻次大幅度增加，往往造成重大災(zāi)害事故。竇林名等(2021)針對深部煤層開采的沖擊地壓問題，總結(jié)了沖擊地壓研究現(xiàn)狀，提出了沖擊危險“應(yīng)力-震動-能量”三場耦合監(jiān)測原理，建立了沖擊危險應(yīng)力場-震動場-能量場三場多參量綜合監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系，并構(gòu)建了多參量帶權(quán)重的時空預(yù)警模型，開發(fā)了基于大數(shù)據(jù)和云平臺技術(shù)的煤礦沖擊地壓風(fēng)險智能判識與多參量監(jiān)測預(yù)警云平臺，提高了沖擊危險監(jiān)測預(yù)警效能； 成果有力推動了沖擊礦壓研究，可為沖擊地壓礦井安全生產(chǎn)提供重要指導(dǎo)。宮鳳強等(2021)在回顧沖擊地壓和巖爆研究史的基礎(chǔ)上，認為巖爆和沖擊地壓在賦存條件、發(fā)生介質(zhì)、表現(xiàn)現(xiàn)象、誘發(fā)機理等方面均存在很大區(qū)別，并明確了各自的定義，提出理應(yīng)區(qū)別對待巖爆和沖擊地壓。巖爆專指發(fā)生在深部硬巖礦山巷道、深埋隧道(隧洞)等礦柱或洞壁部位的巖石爆裂、彈射或崩落現(xiàn)象，伴隨不同程度聲響； 沖擊地壓則專指發(fā)生在深部煤礦中大體量煤塊拋出或煤體整體移動，并伴隨巨響、巖體震動、氣浪或沖擊波，并有可能造成頂?shù)装迤茐纳踔链輾锏?。該文還就沖擊地壓的術(shù)語和進一步研究方向提出了建議。李兵等(2021)提出了線性密集切頂防沖護巷技術(shù)以應(yīng)對深部采掘擾動區(qū)域受沖擊與巷道變形的雙重威脅，給出了采掘擾動工況下的最佳關(guān)鍵塊斷裂線位置，通過巷道圍巖觀測與微震監(jiān)測，表明該技術(shù)能夠有效減弱迎采巷道的圍巖變形，同時降低正在開采的工作面礦壓顯現(xiàn)與沖擊危險性。

2.3.5 礦山地下水水源判別

礦井水源判別對水害防治具有重要的指導(dǎo)意義。本次錄用2篇文章，其中一篇涉及到礦井地下熱水水源識別。桂和榮教授團隊的許繼影等(2021)以淮北煤田青東煤礦深層地?zé)崴疄檠芯繉ο?，結(jié)合地下水循環(huán)及構(gòu)造條件，對深層地?zé)崴乃牡厍蚧瘜W(xué)特征和水源進行了系統(tǒng)研究和識別； 結(jié)果表明深層地?zé)崴乃瘜W(xué)成分主要受到水巖作用和離子交替作用共同控制，其作用強度相比非地?zé)崴砸獜?，而地?zé)崴缮畈繆W灰水補給，通過分析水的化學(xué)成分進而識別水源對礦井水害的預(yù)防工作有重要的指導(dǎo)作用。王強民等(2021)構(gòu)建了不同充水含水層水化學(xué)和氘、氧同位素基礎(chǔ)特征值，結(jié)合不同煤礦含隔水層組合和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，綜合識別了淺埋區(qū)、中深埋區(qū)和深埋區(qū)多個煤礦的礦井水來源及比例，為礦井防治水提供了重要依據(jù)。

2.3.6 安全地質(zhì)監(jiān)測預(yù)警新技術(shù)

礦山地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警是近年來研究的熱點和難點問題，在理論分析和預(yù)測預(yù)報的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場實測、監(jiān)測，獲取災(zāi)害發(fā)生的主控前兆因子，建立預(yù)警模型，不僅可以服務(wù)于礦山安全，而且還可以對災(zāi)害發(fā)生機制進行更加深入的認識。本次收錄3篇論文涉及圍巖變形破壞的光纖監(jiān)測、煤層頂?shù)装迤茐牡奈锾酵奖O(jiān)測、底板突水監(jiān)測預(yù)警等。

孫斌楊等(2021)總結(jié)分析了現(xiàn)有圍巖變形進行實時監(jiān)測的不同類型分布式光纖傳感測試技術(shù)(DFOS)的工作原理、優(yōu)缺點及適用條件，并對基于DFOS的采場圍巖變形監(jiān)測發(fā)展趨勢提出了展望和建議。劉盛東教授團隊的楊海平等(2021)基于并行電法監(jiān)測技術(shù)，結(jié)合雙模式電極數(shù)據(jù)采集方式，首次得到采動前后煤層圍巖頂?shù)装迤茐臓顟B(tài)分別與電阻率及自然電位同步響應(yīng)特征，指出采用多參數(shù)對煤層頂?shù)装宀蓜悠茐倪M行同步動態(tài)監(jiān)測，對保障采動工作面安全回采具有現(xiàn)實應(yīng)用價值。靳德武等(2021)以葛泉礦東井11916工作面底板突水監(jiān)測工程為背景，結(jié)合微震監(jiān)測原理，提出基于微震能量密度及巖層破裂連通度反演導(dǎo)水通道的識別技術(shù)，得到11916工作面內(nèi)陷落柱區(qū)域存在1～3條主導(dǎo)裂隙，通過視電阻率監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了導(dǎo)水通道的存在，表明了以微震能量密度及連通度表征底板巖層采動裂隙的導(dǎo)通性的可行性，為推動微震監(jiān)測技術(shù)在底板水害防治中的應(yīng)用提供了一條新途徑。

3 礦山安全地質(zhì)風(fēng)險評價

礦山安全地質(zhì)風(fēng)險評價包括系統(tǒng)危險源的分類與辨識、系統(tǒng)危險性評價。

礦山安全地質(zhì)危險源(Hazard)是指可能對礦山安全造成威脅或誘發(fā)礦山地質(zhì)災(zāi)害的根源。風(fēng)險(Risk)包括兩部分，一是礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性，二是造成的影響(財產(chǎn)損失、環(huán)境破壞以及人員傷亡等)(Crozier et al.， 2005; OHSAS， 2007; Bahr， 2014; WHO， 2020)。礦山安全地質(zhì)工作主要分為3個部分，危險源分析、危險性評價以及危險源控制，研究步驟如圖 6所示。危險源分析是識別危險源、評價危險源、控制危險源的過程(Bahr， 2014)； 危險性評價是計算并評估風(fēng)險，并確定適當(dāng)?shù)娘L(fēng)險控制措施以將風(fēng)險降低到可接受風(fēng)險水平的過程(WHO， 2020)。

圖 6 礦山安全地質(zhì)研究步驟Fig. 6 Research process of mine safety geology

礦山安全地質(zhì)風(fēng)險評價的對象是礦山地質(zhì)災(zāi)害，目前一般分為兩大類，發(fā)生在地表的地面塌陷、滑坡、泥石流等； 發(fā)生在地下空間的瓦斯、突水、頂板、礦震或沖擊地壓等，因其發(fā)生在有限的地下空間而更為復(fù)雜(郭維君等， 2010； 邵林等， 2011)。本文主要關(guān)注地下礦山安全地質(zhì)問題。

3.1 礦山安全地質(zhì)危險源辨識

危險源辨識是一個復(fù)雜的、綜合的信息收集及處理過程。需要對系統(tǒng)或子系統(tǒng)中所有元素、每個過程以及相互作用關(guān)系進行分析，包括人、設(shè)備、環(huán)境以及三者之間的相互關(guān)系。

危險源分類普遍采用基于能量意外釋放理論提出的“3類危險源”分類，將危險源分為能量載體或危險物質(zhì)，物的故障、物理環(huán)境因素，組織管理因素3類(田水承等， 2007)。另外，江兵等(1999)提出了固有危險源以及觸發(fā)型危險源的分類。將礦山安全地質(zhì)危險源可以分為人的不安全狀態(tài)、設(shè)備的不安全狀態(tài)以及環(huán)境的影響。

危險源辨識方法可以依據(jù)危險源辨識方向和人的意識進行分類。

一是根據(jù)危險源辨識方向進行分類，即從事故發(fā)生到危險源或危險源到事故，可以將危險源辨識方法分為3種類型(Willquist et al.，2003)：(1)前向事件追蹤(Forward event tracking)是將系統(tǒng)中的線性因果事件進行正向序列建模，通過系統(tǒng)各部分可能出現(xiàn)的失效模式來實現(xiàn)最終危險源識別的目的，如事件樹分析(event tree analysis， ETA)； (2)后向事件追蹤(Backward event tracking)是從已發(fā)生的事故開始分析，確定導(dǎo)致該危險或事故的不同路徑，與前向事件跟蹤策略一樣，后向事件追蹤方法將線性因果事件建模，但目的是識別導(dǎo)致某種危險或事故的可能和必要條件，如故障樹分析(fault tree analysis， FTA)；(3)形態(tài)學(xué)(Morphological)方法從分析潛在危險源(固有危險源及狀態(tài)危險源)開始，通過分析其導(dǎo)致事故的可能或必經(jīng)線路來實現(xiàn)，如能量分析(energy analysis， EA)、管理疏忽和危險樹分析法(management oversight and risk tree， MORT)、危險與可操作性分析(hazard and operability analysis， HAZOP)、安全檢查表(checklist analysis， CA)等(Willquist et al.，2003; Khanzode et al.，2012; Bahr， 2014； Crawley， 2020)?？删C合多種分析方法進行復(fù)雜的危險源分析，如宋四新(2018)提出了基于能量釋放理論及MORT事故樹的大型水電工程施工危險源辨識方法。

二是根據(jù)人的意識進行分類，可以將危險源辨識方法分為有偏(Biased)和無偏(Unbiased)辨識兩種。有偏辨識法的危險源辨識過程是事故發(fā)生后對已有信息進行分析或者是事故發(fā)生前期根據(jù)相似系統(tǒng)或本系統(tǒng)歷史信息進行系統(tǒng)危險源分析的過程，由此可見，前向及后向事件追蹤方法都屬于此種類型。無偏危險源辨識方法是不確定事故是否發(fā)生，也不假設(shè)事故的發(fā)生，從潛在的所有危險源為出發(fā)點借助某些設(shè)備或技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)危險源辨識，即形態(tài)學(xué)危險源辨識方法。

在礦山安全地質(zhì)研究中，既需要參考相似礦山地質(zhì)問題歷史信息也需要現(xiàn)代科技裝備的支持，兩類危險源辨識方法應(yīng)結(jié)合使用。礦山采掘是一個動態(tài)過程，應(yīng)力場、地溫、地下瓦斯等有害氣體的流場、地下水流場等不斷發(fā)生變化，必然造成危險源也處于動態(tài)演化過程中，因此，危險源的動態(tài)識別及評價是在礦山安全評價及預(yù)防中必須考慮的。例如，礦井頂板突水問題，含水層富水性、頂板水壓、覆巖裂隙等隨著開采處于動態(tài)變化之中，可以對頂板突水的重要危險源(水源、通道、采掘擾動)采用微震、電法、光纖等進行實時監(jiān)測，獲得其動態(tài)變化，將對突水的危險性評價及預(yù)測準確性的提高具有很大的促進作用。

3.2 礦山安全地質(zhì)危險源評價

危險源評價方法包括定性和定量分析方法以及定量定性組合方法(彭張林等， 2015)。

定性方法主要依靠專家自身的知識體系以及工程經(jīng)驗累積，結(jié)合系統(tǒng)環(huán)境以及人員設(shè)備等條件而進行的非量化評價方法，主要包括德爾菲法、專家調(diào)查法、HAZOP、故障類型及影響分析(FMEA)等。定量評價法一般是指用一種或多種指標反映系統(tǒng)中所存在危險性指數(shù)的大小。分為3個步驟：劃分危險源危險性等級，評價危險源觸發(fā)的可能性，計算危險性。

危險源危險性大小可由式(1)來計算，其中，Pc為可能性，C(ν)為可能產(chǎn)生的后果(Rowe， 1977)。Bahr(2014)提出利用定性或定量方法列出危險源發(fā)生的可能性以及可能造成的后果以評價危險源等級。除此之外，作業(yè)條件評價方法(LEC)在工程領(lǐng)域應(yīng)用也較為廣泛(許滿貴， 2005； 朱淵岳等， 2009)，以危險性影響的3個主要因素，事故發(fā)生可能性(L)、人處在危險環(huán)境中的時間(E)以及事故產(chǎn)生的后果(C)通過一定的分數(shù)計算來評價危險性，見式(2)。

R=Pc·C(ν)

(1)

R=L·E·C

(2)

這并非完全意義上的定量方法，礦山安全地質(zhì)問題研究中，事故發(fā)生概率以及事故損失的定量計算難度大，由于瓦斯、頂板、水災(zāi)、礦震等事故危險源的危險性評價指標不同，災(zāi)害防控原理和方法亦有很大不同，因此，對于不同種類的礦山地質(zhì)災(zāi)害的危險源的危險性，需要分別研究、建立評價方法和體系。

3.3 礦山安全地質(zhì)危險性評價

礦山安全地質(zhì)危險性評價屬于綜合性評價。

危險源的評價是對于某個危險源而言的，但是事故的發(fā)生必然存在一定的孕育過程和時間，多個危險源共同作用下在某個特定條件下導(dǎo)致事故的發(fā)生。

礦山安全地質(zhì)危險性評價可以分為靜態(tài)評價和動態(tài)評價。礦山開采過程中，許多危險源是動態(tài)變化的，如瓦斯?jié)舛?、水壓、礦壓、巖體破裂情況等，而部分危險源可以視為靜態(tài)的，如煤層厚度、巖性等。目前，大部分危險性評價方法是基于恒定權(quán)重的靜態(tài)危險性評價，亟待研究和建立動態(tài)評價方法。

3.3.1 危險性靜態(tài)評價方法

定性評價方法主要有層次分析法、德爾菲法、相對比較法等。

定量評價方法主要包括模糊數(shù)學(xué)、灰色關(guān)聯(lián)分析(GRA)、可拓綜合評價方法、熵權(quán)法(EWM)、因子分析(PCA)、集對分析(SPA)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)等方法。

定量與定性方法相結(jié)合的綜合評價方法因其兼顧了經(jīng)驗與實測數(shù)據(jù)，應(yīng)用最為廣泛，如AHP-EWM/GT/Fuzzy(劉偉韜等， 2000； 施式亮等， 2010)、Fuzzy-SPA(陳雪鋒等， 2019； 韓承豪等， 2020)、ANP-SPA(念其鋒等， 2013)等。綜合評價方法的核心是各指標權(quán)重的計算，定量及定性賦權(quán)法相結(jié)合的方法應(yīng)用最為廣泛(王明濤， 1999)。定量方法需要依靠各評價指標的實測數(shù)據(jù)。

針對礦山不同類別的安全地質(zhì)問題建立了各自的評價方法，例如，礦井突水危險性評價的突水系數(shù)法以及脆弱性指數(shù)法，沖擊地壓危險性評價的綜合指數(shù)法(歐陽振華等， 2012)等等。

煤礦安全地質(zhì)危險性評價中，應(yīng)該考慮的主要指標包括：地質(zhì)危險源，包括巖性、地層、構(gòu)造、賦存地質(zhì)環(huán)境等； 人為因素、設(shè)備狀態(tài)等(周剛等， 2008； 蘭建義， 2015； 李博楊等， 2017)。以底板突水為例，可以選取含水層富水性、水壓、隔水層厚度、構(gòu)造、人和設(shè)備狀態(tài)、埋深、采高、采煤方法、頂板管理方法等因素，評價靜態(tài)危險性或者某一狀態(tài)下的底板突水危險性，然后，再疊加危險性動態(tài)評價，以獲得礦山開采實際需要的評價結(jié)果，指導(dǎo)底板水害防控。

3.3.2 危險性動態(tài)評價方法

動態(tài)變權(quán)重可以反映礦山采掘過程中指標權(quán)重的動態(tài)變化，可以彌補定權(quán)評價的偏差。確定評價指標在不同時刻的權(quán)重系數(shù)(肖海平，2019)。還可以在不同時刻對被評價對象進行連續(xù)評價，通過時間權(quán)向量集結(jié)結(jié)果構(gòu)成一組序列，得到最終的評價結(jié)果(張發(fā)明， 2018)，具體可以分為兩類，一是在原綜合評價時引入時間概念，二是監(jiān)測數(shù)據(jù)和危險性評價預(yù)測模型實現(xiàn)實時預(yù)測預(yù)報，譬如，煤礦突水監(jiān)測預(yù)警模型，就是基于微震、光纖等實時數(shù)據(jù)監(jiān)測，建立數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)突水危險性評價預(yù)測(喬偉等， 2020； 連會青等， 2021； 靳德武等， 2021； 余國峰等， 2021)。

4 礦山安全地質(zhì)學(xué)的重點研究方向建議

宜居地球在礦產(chǎn)資源開發(fā)領(lǐng)域首要的是保障資源開發(fā)的安全。因此，建議在“十四五”國家科研計劃和國家自然基金有關(guān)領(lǐng)域，加大對礦山安全地質(zhì)問題的支持力度，為遏制礦山重大災(zāi)害事故，特別是為深部礦產(chǎn)資源開發(fā)誘發(fā)的水害、沖擊地壓、煤和瓦斯突出、頂板垮落等災(zāi)害的防控奠定地質(zhì)基礎(chǔ)。

4.1 深部礦山安全地質(zhì)基礎(chǔ)理論與應(yīng)用

關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題包括：深部礦山安全問題形成的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造控制機制； 深部礦山物質(zhì)組成、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、賦存地質(zhì)環(huán)境(地應(yīng)力、地溫、流場等)的時空演化規(guī)律； 深部礦山多相多場耦合條件下安全地質(zhì)工程行為和時空演化規(guī)律； 深部礦山安全地質(zhì)問題孕災(zāi)機制和防控方法； 深部礦山安全地質(zhì)危險源動態(tài)辨識與評價； 深部礦山安全地質(zhì)探測關(guān)鍵技術(shù)與監(jiān)測預(yù)警； 深部礦山安全地質(zhì)的人因工程學(xué)、安全倫理學(xué)問題； 深部礦山安全地質(zhì)應(yīng)急處置與應(yīng)急管理等。

4.2 深部礦山水害防治理論與應(yīng)用

關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題包括：深部礦山水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)表征刻畫與采動效應(yīng)； 突水危險源動態(tài)辨識與危險性評價； 高承壓水流固耦合作用與突水致災(zāi)機理； 區(qū)域防控與局部防控原理與方法； 高承壓裂隙和巖溶含水層注漿改造漿液擴散機理及封堵判據(jù)； 大型地表水體下安全開采、近松散層高勢能突水潰砂災(zāi)變機理與防控； 高壓高溫擋水閘墻滲透變形破壞機理及穩(wěn)定性； 深部礦山地下水流場時空演化規(guī)律、深部礦山水源判別； 深部礦山突水通道精細探測、大通道封堵機理及關(guān)鍵技術(shù)； 采動誘發(fā)陷落柱、斷層突水機理與防控、老空區(qū)水害探測與防控、地震裂隙突水機理、采掘?qū)ψ{帷幕的影響機理； 深部礦山地下水存儲與利用； 深部礦山地下水污染與防治； 深部礦山水害應(yīng)急救援及輔助決策系統(tǒng)等。

4.3 深部礦山巖爆和沖擊地壓防控理論與應(yīng)用

關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題包括：深部礦山硬巖巖爆形成機理與防控方法，深部沖擊地壓、礦震形成機理與防控方法； 深部動力災(zāi)害發(fā)生的煤巖體(礦體)工程地質(zhì)性質(zhì)與地質(zhì)環(huán)境條件、地質(zhì)(構(gòu)造)信息的精確實時探測、地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域應(yīng)力分布預(yù)測理論與探測方法、構(gòu)造應(yīng)力場與采動應(yīng)力場的耦合演化規(guī)律、采動作用下地質(zhì)構(gòu)造區(qū)(體)的變形破壞規(guī)律、復(fù)雜地質(zhì)條件采動覆巖運動規(guī)律、地質(zhì)構(gòu)造體的模擬理論與方法、地質(zhì)構(gòu)造危險定量評價方法； 地質(zhì)構(gòu)造體能量釋放與傳播規(guī)律、巖爆與沖擊地壓地球物理信息監(jiān)測方法與預(yù)警理論、多尺度監(jiān)測理論與方法； 煤巖破裂震動事件的快速識別、分類、震源機制反演與危險礦震的智能識別理論； 煤巖體區(qū)域改性與應(yīng)力調(diào)整方法與技術(shù)、礦震對近地表巖土層的損傷機制與穩(wěn)定性量化表征、煤巖體破裂能量的誘導(dǎo)可控釋放與利用理論等。

4.4 深部礦山采掘空間圍巖和覆巖移動變形破壞和穩(wěn)定性控制

關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題包括：深部礦山井筒、巷道圍巖擾動應(yīng)力及圍巖破壞機理與防控； 礦體開采覆巖垮落和裂隙帶發(fā)育規(guī)律、覆巖離層發(fā)育機理、采動頂板巖層結(jié)構(gòu)改組及失穩(wěn)防控； 充填開采覆巖破壞規(guī)律、充填體與圍巖共同作用； 復(fù)雜地形條件下開采覆巖移動變形、巨厚松散層采掘影響下孔隙水壓力變化和移動變形機理、“三下”(建筑物下、鐵路下、水體下)開采安全地質(zhì)問題； 礦山開采對永久凍土層的影響機理等。

4.5 深部礦山瓦斯?jié)B流規(guī)律和突出機理和防控

關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題包括：煤與瓦斯突出的地質(zhì)構(gòu)造控制機理、地質(zhì)構(gòu)造影響因子定量評價方法、地質(zhì)構(gòu)造的精確探測、構(gòu)造應(yīng)力場區(qū)域探測與預(yù)測理論、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造含瓦斯煤體破壞模擬理論與方法； 深部高溫高壓高地應(yīng)力地質(zhì)環(huán)境下，深部瓦斯煤體的應(yīng)力-滲流-熱-化學(xué)耦合作用規(guī)律、瓦斯在煤層和圍巖中的滲流規(guī)律、多孔介質(zhì)多場耦合作用力學(xué)響應(yīng)機理、氣固兩相多物理場動態(tài)耦合破壞機制； 煤與瓦斯突出災(zāi)害區(qū)域風(fēng)險判識方法、煤與瓦斯突出前兆信息精準識別； 深部沖擊-瓦斯復(fù)合災(zāi)害機制、沖擊-瓦斯一體化監(jiān)測預(yù)警理論與方法、沖擊-瓦斯一體化防治理論等。

4.6 深部礦山熱害防控與利用

深部礦山熱害是持續(xù)性的區(qū)域性災(zāi)害，關(guān)鍵的科學(xué)技術(shù)問題有：地?zé)岙惓Ｐ纬蓹C制及熱儲結(jié)構(gòu)、礦井多熱源的協(xié)同作用致災(zāi)機理； 地面大氣環(huán)境、圍巖與地下水熱場與采掘工作面熱害相互作用機理、多相多場耦合作用； 熱害防控關(guān)鍵技術(shù)與裝備、隔熱材料特性及應(yīng)用； 礦山熱害對人身心健康損傷機理及勞動保護等。

4.7 深部露天礦山安全地質(zhì)問題

深部露天礦安全高效開采是可持續(xù)綠色發(fā)展的保障，關(guān)鍵的科學(xué)技術(shù)問題有：深部露天開采地質(zhì)保障理論與技術(shù)、深部高邊坡演化與時效穩(wěn)定性理論、極端環(huán)境下特殊土(巖)邊坡穩(wěn)定性理論、深部高陡邊坡空-天-地一體高精度監(jiān)測與預(yù)警理論、深部露天礦保水開采理論與技術(shù)、深部露天礦綠色疏水-排-堵水新技術(shù)與材料、深部露天極微巖土顆粒運移規(guī)律與監(jiān)測、深部露天礦環(huán)境擾動時空演化效應(yīng)、深部露天礦固廢綠色處理方法、深部露天礦開采生態(tài)損傷與修復(fù)新技術(shù)與材料、深部露天礦運輸線路地基處理新技術(shù)與材料、露天礦綠色閉坑與生態(tài)環(huán)境修復(fù)技術(shù)等。

4.8 人工智能在深部礦山安全地質(zhì)工作中的應(yīng)用

近年來，由于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的引入和芯片計算能力的增強，人工智能技術(shù)得到了快速的發(fā)展。在推薦系統(tǒng)、圖像識別、自然語言處理、智能機器人等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在礦山安全地質(zhì)工作中，通過多維的、分布式的檢測設(shè)備，采集大量的礦山地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)，通過人工智能算法提取信息、辨識危險源、進行風(fēng)險評估、監(jiān)測預(yù)警。在礦難發(fā)生時，人工智能技術(shù)可以輔助救援機器人高效的執(zhí)行救援任務(wù)，縮短救援時間。人工智能技術(shù)在深部礦山安全地質(zhì)危險源可視化探測、監(jiān)測、預(yù)警和救援中有廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié) 論

通過文獻綜述，論述了建立礦山安全地質(zhì)學(xué)的必要性和重要性，介紹了礦山安全地質(zhì)學(xué)概念、內(nèi)容框架、研究方法、主要礦山安全地質(zhì)問題、風(fēng)險評價等，提出了礦山安全地質(zhì)學(xué)應(yīng)進一步研究的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。主要結(jié)論如下：

(1)安全地質(zhì)學(xué)是調(diào)查、研究和解決與項目規(guī)劃、設(shè)計、施工和運營有關(guān)的安全地質(zhì)問題的學(xué)科； 礦山安全地質(zhì)學(xué)是安全地質(zhì)學(xué)在礦山領(lǐng)域的分支，是地質(zhì)學(xué)、安全科學(xué)、礦業(yè)科學(xué)與工程的交叉學(xué)科，側(cè)重于從安全問題形成的地質(zhì)機理出發(fā)，為解決礦山安全地質(zhì)問題服務(wù)。

(2)礦山安全地質(zhì)學(xué)的主要內(nèi)容應(yīng)該包括：礦山安全地質(zhì)問題分類及孕災(zāi)機制，礦山災(zāi)害危險源的辨識、評價，礦山危險源、賦存地質(zhì)環(huán)境演化的探測與定位，礦山安全地質(zhì)風(fēng)險評價與預(yù)測、監(jiān)測與預(yù)警的關(guān)鍵理論與技術(shù)，礦山安全地質(zhì)工程治理措施的原理、方法與關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)急處置、應(yīng)急管理和技術(shù)法規(guī)等。

(3)從方法論的角度，建立了礦山安全地質(zhì)問題地質(zhì)基礎(chǔ)條件的表達式，由于礦山安全地質(zhì)學(xué)的交叉學(xué)科屬性和綜合特性，其研究方法包括系統(tǒng)分析方法、成因演化分析方法、結(jié)構(gòu)分析方法、相互作用分析方法、試驗監(jiān)測預(yù)警方法等。

(4)礦山安全地質(zhì)風(fēng)險評價工作應(yīng)包括系統(tǒng)危險源的分類與辨識、系統(tǒng)危險性評價、危險源控制及其效果評判。在厘清各類礦山安全地質(zhì)發(fā)生機制、主控影響因素的條件下，提出有效的礦山安全地質(zhì)防控措施與應(yīng)急管理方案。

(5)建議“十四五”期間國家科研計劃和國家自然基金有關(guān)領(lǐng)域，應(yīng)加大支持的礦山安全地質(zhì)主要方向。提出了深部礦山安全地質(zhì)基礎(chǔ)理論與應(yīng)用、深部礦山水害防治理論與應(yīng)用、深部礦山巖爆和沖擊地壓防控理論與應(yīng)用、深部礦山采掘空間圍巖和覆巖移動變形破壞和穩(wěn)定性控制、深部礦山瓦斯?jié)B流規(guī)律和突出機理和防控、深部礦山熱害防控與利用、深部露天礦山安全地質(zhì)問題和人工智能在深部礦山安全地質(zhì)工作中的應(yīng)用等方向的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題。

致 謝感謝彭建兵院士對本專輯選題給予的支持和鼓勵!感謝各位專家教授不吝賜稿!感謝《工程地質(zhì)學(xué)報》編輯部郭靜蕓女士在組稿、審稿和出版過程中付出的辛勤努力!感謝中國礦業(yè)大學(xué)賀虎副教授、王丹丹博士生、陳歌博士后等在編寫過程中提供的有關(guān)資料和幫助!