煤礦水害原因分析及主要防治技術(shù)研究

張偉

(河南省新鄭煤電有限責任公司 河南鄭州 451184)

當前，我國相關(guān)部門重點關(guān)注煤礦水害的防治，歸納總結(jié)了豐富的經(jīng)驗，技術(shù)研發(fā)也取得了良好的成績。為增強煤礦水害防治效果，應(yīng)切實分析水害災(zāi)害的發(fā)生原因，針對性地進行防治，采用先進的水文化學(xué)技術(shù)、物探技術(shù)、疏干降壓技術(shù)等增強水害防治的效果，確保提升煤礦生產(chǎn)的安全性，充分發(fā)揮各類防治技術(shù)的價值。

1 煤礦水害分析

1.1 采空區(qū)積水

煤礦開采過程中，如果沒有全面調(diào)查井田周邊老窯、廢棄礦井，未及時發(fā)現(xiàn)該礦開采期間巖層存在漏水的問題，或是未能進行合理的防火灌漿作業(yè)，將會導(dǎo)致在巷道區(qū)域和采空區(qū)域形成積水區(qū)，在開采作用的影響下，導(dǎo)致相鄰或上部采空區(qū)域的積水潰入回采區(qū)域，從而引發(fā)透水事故。

1.2 含水層突水

煤礦開采作業(yè)的過程中，會對底板區(qū)域或是頂板區(qū)域的含水層造成擾動，很容易導(dǎo)致煤層頂?shù)装搴畬觾?nèi)的水涌出，引發(fā)嚴重的水害事故。通常情況下，此類問題多出現(xiàn)在海洋與陸地交匯的區(qū)域，主要原因就是在海洋潮起潮落的作用下，煤層會被覆蓋，而煤層結(jié)構(gòu)的厚度較低，水很容易進入縫隙內(nèi)，導(dǎo)致含水層的厚度增加，在長時間的沉積作用和地質(zhì)作用的影響下，出現(xiàn)含水層，而在上部分巖石結(jié)構(gòu)擠壓后，很容易導(dǎo)致含水層下方孔隙閉合，而含水層依然是平衡的狀態(tài)，一旦進行煤層的挖掘作業(yè)，就會導(dǎo)致含水層的平衡狀態(tài)被打破，在其和煤層之間出現(xiàn)涌水的通道，最終發(fā)生水害事故。

1.3 鉆孔水問題

礦山生產(chǎn)之前需要進行調(diào)查和普查，在礦山進行鉆孔補勘，但是如果封孔工作不合理，或是沒有封孔，將會使地下水或是地表水進入孔內(nèi)，使其成為垂直性的過水通道，最終出現(xiàn)嚴重的水害事故。

1.4 地表水問題

煤礦地表水主要來自于周圍河流或是水庫或是天然降雨，隨著煤礦地下開采工作的實施，可能會導(dǎo)致出現(xiàn)地表孔隙或是裂縫擴展的現(xiàn)象，也可能會有地表塌陷的問題，會成為地表水和周圍河流水庫等水的導(dǎo)通通道，如若煤礦生產(chǎn)的過程中沒有建設(shè)較為良好的地表排水系統(tǒng)，或者是出現(xiàn)了強降雨天氣，會導(dǎo)致水沿著裂隙進入巷道內(nèi)，進而引發(fā)水災(zāi)事故。

1.5 斷層水問題

煤礦開采過程中，可能會由于褶皺構(gòu)造的限制，面對傾斜層或是傾斜煤層，煤巖結(jié)構(gòu)的走向與方向發(fā)生改變，甚至還會存在斷裂構(gòu)造，礦井內(nèi)的斷層數(shù)量較多，斷層上部分盤羽張裂發(fā)育，可能會形成富水區(qū)段，涌水概率和出水概率較高，甚至還會發(fā)生突水事故。

1.6 新近系與第四系水害

新近系是砂礫石，不成層，砂泥互層，局部發(fā)育厚度較大的砂巖含水層，如煤層上覆基巖較薄，煤層開采形成的導(dǎo)水裂隙帶或垮落帶將波及該含水層。趙固一礦2019年“4·24”潰水潰砂事故的主要原因就是垮落帶波及新近系，可見新近系和第四系水害問題非常嚴重。

2 煤礦水害原因

2.1 開采工藝落后

一方面，傳統(tǒng)開采工藝技術(shù)在應(yīng)用的過程中，可能會使得開采作業(yè)過程中留下很多數(shù)量的廢棄老窯，此類廢棄老窯處于長期積水的狀態(tài)，再加上缺乏充足的水文地質(zhì)資料和數(shù)據(jù)信息，很難準確掌握具體的狀況，無法有效預(yù)防出現(xiàn)水害的災(zāi)害問題。另一方面，在實際開采生產(chǎn)的過程中經(jīng)常會出現(xiàn)無序作業(yè)的現(xiàn)象，積水的數(shù)量增加，不能有效進行水害災(zāi)害的預(yù)防控制，使水害事故的發(fā)生率難以控制。

2.2 地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜

由于煤礦生產(chǎn)過程中地下結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，存在很多地下水運移的空間和存儲空間，這也是水害問題發(fā)生率較高的重要原因。實際生產(chǎn)的過程中沒有編制完善的地下結(jié)構(gòu)調(diào)查分析方案，不能全面掌握地下結(jié)構(gòu)的特點和實際情況，沒有制訂提前預(yù)防水害災(zāi)害的方案計劃，最終引發(fā)嚴重的后果。

2.3 缺乏完善管理模式

部分煤礦生產(chǎn)企業(yè)在實際工作中過于重視經(jīng)濟效益的發(fā)展，忽視日常生產(chǎn)的安全管理，沒有制訂完善的安全管理方案和計劃，不能結(jié)合水害問題的發(fā)生特點與原因，提前進行預(yù)防與控制，一方面，生產(chǎn)之前沒有全面分析水文地質(zhì)資料和地下結(jié)構(gòu)的特點，未能提出預(yù)防水害災(zāi)害事故的方式方法，不能提前進行事故的防范和控制，不利于水害問題的良好防治。另一方面，煤礦生產(chǎn)企業(yè)沒有制定完善的責任制度和管理機制，不能明確各個部門日常安全生產(chǎn)的職責要求，無法嚴格進行生產(chǎn)安全管控和維護，難以對水害災(zāi)害進行良好的防控。因此，煤礦企業(yè)在實際生產(chǎn)的過程中，需要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的管理觀念，制定較為完善的管理模式，結(jié)合煤礦生產(chǎn)特點和水害發(fā)生的原因，明確各個部門安全生產(chǎn)的職責要求，引導(dǎo)各個部門全方位進行水害的防治，積極采用現(xiàn)代化的防治技術(shù)，才能夠在根本層面預(yù)防水害事故的發(fā)生。

3 煤礦水害的主要防治技術(shù)

3.1 不同水害的針對性防治

3.1.1 頂板水水害防治措施

為了能夠有效進行煤礦生產(chǎn)過程中頂板水的有效防治，應(yīng)積極采用地面與井下瞬變電磁勘探的技術(shù)措施，全面探測開采區(qū)域頂板的富水性，將疑似富水的區(qū)域標定出來，便于按照具體狀況有效進行水害的防治。在工作面進行回采以前，應(yīng)重點使用超前鉆孔預(yù)先疏放的技術(shù)措施，降低回采過程中頂板水所產(chǎn)生的影響。與此同時，還需在工作面設(shè)置防水和排水的系統(tǒng)，以運輸巷為基礎(chǔ)，全面進行正坡度的挖掘，一直維持內(nèi)高外低的狀態(tài)，以免頂板涌水以后對巷道或是工作面造成淹沒。除此之外，在對工作面進行開采之前還需開發(fā)較為良好的排水系統(tǒng)，增強系統(tǒng)的排水性能，按照具體的工作經(jīng)驗，將工作面的排水系統(tǒng)性能控制在每小時排水500 m3，采空區(qū)域與礦井區(qū)域的排水性能也必須要符合要求，從根本層面規(guī)避水害事故的發(fā)生。

3.1.2 含水層水害的防治

煤礦生產(chǎn)期間一旦發(fā)生含水層水害，將會導(dǎo)致出現(xiàn)頂板或底板透水事故，由于出現(xiàn)此類事故的原因非常繁瑣復(fù)雜，因此，應(yīng)做好當?shù)貐^(qū)域的地質(zhì)調(diào)查工作，制訂針對性的水害防治方案計劃，尤其是在發(fā)生頂板突水事故的情況下，必須利用抽水技術(shù)和防水技術(shù)，使得含水層之內(nèi)的水疏干，合理進行防隔水煤柱的預(yù)留，有效進行含水層水害的預(yù)防和治理。

3.1.3 采空區(qū)水害的防治

目前，我國煤礦生產(chǎn)期間自然冒落類型的采空區(qū)數(shù)量較多，礦井上方位置或是側(cè)方位置也可能存在廢氣煤窯，長時間積累雨水或是地上地下水，很容易形成積水區(qū)，如果不能合理處理，將會引發(fā)采空區(qū)水害，因此，建議在煤礦生產(chǎn)期間全面勘察采空區(qū)積水的范圍和數(shù)量，按照具體狀況，科學(xué)利用疏通技術(shù)和排水技術(shù)進行水害的防治，通過井下排水的措施或是地面抽水的措施，達到良好的防治目的。

3.1.4 地表水水害的防治

為有效預(yù)防和控制地表水水害事故，應(yīng)做好提前的水文地質(zhì)觀測工作和勘察工作，一旦發(fā)現(xiàn)地表存在裂隙或是塌陷的部分，必須要及時進行封堵，修建防水工程，預(yù)防大雨天氣下發(fā)生自然災(zāi)害問題，避免地表水進入井下通道引發(fā)水害。

3.1.5 斷層水水害的防治

煤礦生產(chǎn)企業(yè)在進行斷層水水害防治的過程中，應(yīng)重點采用動態(tài)觀測技術(shù)，及時進行水害的預(yù)報，按照斷層水文資料和數(shù)據(jù)，準確預(yù)測可能會發(fā)生的水害，提前進行預(yù)防和治理，同時，還需在煤礦采掘平面圖內(nèi)標注出水點的節(jié)點，動態(tài)觀測地下水的水溫情況、數(shù)量情況和性質(zhì)情況，合理進行處理，避免發(fā)生突水的事故。

3.1.6 鉆孔水水害的防治

煤礦生產(chǎn)人員在全面進行鉆孔平面調(diào)查分析之后，還需進行封孔質(zhì)量的檢驗和檢查，或是指導(dǎo)相關(guān)的施工部門嚴格采用現(xiàn)代化封孔技術(shù)措施，增強封孔工作質(zhì)量，達到防控水害的目的[1]。

3.2 水文化學(xué)技術(shù)

首先，由于在對注漿效果進行檢驗的過程中，如果突水并非來自某一含水層，在某個或是多個目標層注漿之后，可采用水文化學(xué)技術(shù)分析突水點是否出現(xiàn)了化學(xué)成分的變化，這樣在一定程度上可以準確進行目標層注漿效果的評估，及時發(fā)現(xiàn)注漿工作的問題，提出能夠確保注漿堵水質(zhì)量的建議，為水害的有效防治提供助力。其次，建議在工作中采用人工示蹤技術(shù)方式，全面分析礦區(qū)含水層內(nèi)地下水的徑流通道情況、流動速度和流動方向的情況，明確分析各個含水層地下水的連通程度，了解不同含水層的地下水補給關(guān)系，明確其導(dǎo)水性能和斷層阻水性能，準確計算水力傳導(dǎo)系數(shù)的指標和孔隙度的指標，以此為基礎(chǔ)有效進行水害的預(yù)防和控制。從本質(zhì)層面而言，水文化學(xué)技術(shù)的應(yīng)用成本較低，操作的速度很快，具有一定的簡單易行特點，所以在煤礦水害防治期間得到了廣泛運用。近年來，我國水文化學(xué)技術(shù)開始向著更為簡單、更為先進的方向發(fā)展，部分新的儀器設(shè)備和技術(shù)還在研究開發(fā)，建議在煤礦生產(chǎn)中，按照技術(shù)研發(fā)的成果積極采用前沿的技術(shù)措施，從而提升水害防治工作的有效性與可靠性。

3.3 物探技術(shù)

煤礦生產(chǎn)企業(yè)在水害防控期間采用物探技術(shù)，不僅能夠為防治工作的有效實施提供準確依據(jù)，還能避免出現(xiàn)防治工作的不足或是問題。因此，建議煤礦生產(chǎn)企業(yè)歸納總結(jié)物探技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗和方式方法，按照生產(chǎn)特點和實際情況，構(gòu)建較為完善的物探技術(shù)應(yīng)用機制，從根本層面提升水害治理工作技術(shù)的應(yīng)用效果。首先，在采用物探技術(shù)的過程中需要按照各種類型巖石和礦層的密度差異、性質(zhì)差異和電阻率差異，引進現(xiàn)代化的物探儀器設(shè)備，對地球物理場的變化特點進行探測，做好物理參數(shù)的分析工作和圖解分析工作，按照開采地區(qū)的地層構(gòu)造特點和巖石力學(xué)性質(zhì)特點，定性或者定量解釋地質(zhì)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和形態(tài)，明確空間位置的情況，準確預(yù)測老空水和導(dǎo)水斷層等，使得煤礦生產(chǎn)企業(yè)能夠科學(xué)進行水害的防治。其次，在采用物探技術(shù)的過程中可以將其分成不同的方法，例如：電法物探技術(shù)，獲得煤礦地下水和地下結(jié)構(gòu)的電剖面圖、電測深數(shù)據(jù)結(jié)果，和瞬變電磁的分析結(jié)果。也可以采用遙感技術(shù)措施，按照煤礦生產(chǎn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特點，合理選擇不同的物質(zhì)碳技術(shù)，通過驗證分析之后獲得準確結(jié)論，例如：實際工作中可以使用直流電法技術(shù)在井下進行含水層富水性的探測與導(dǎo)水構(gòu)造的探測，根據(jù)具體的探測結(jié)果進行分析研究，便于制訂較為完善的水害防治計劃和方案[2]。

3.4 疏干降壓技術(shù)

如果礦床是在隔水層內(nèi)或是弱含水層內(nèi)，而礦層結(jié)構(gòu)頂板位置、底板位置的巖層有富水性高、水頭高度的含水層，或是含水層不是非常豐富但是屬于流沙層，就可能會出現(xiàn)突發(fā)性突水涌沙的事故，此情況下就應(yīng)采用疏干降壓的技術(shù)措施，起到水害的防治作用。第一，在疏干的過程中可以采用分段處理的方式，將疏干的工作劃分成為預(yù)先階段和平行階段，預(yù)先階段在執(zhí)行掘進開采工作之前完成，等待水位減少之后開始開采工作，而平行階段則是和掘進工作共同開展，直到完成開采工作為止，為提升疏干處理的效果，可將其劃分成為地表區(qū)域、地下區(qū)域和地表地下聯(lián)合性的疏干。第二，疏干降壓期間還可以采用大井法，實現(xiàn)地下處理的目的，主要原理就是在開展工作面每層的開采工作以后，頂板出現(xiàn)垮落的現(xiàn)象，對含水層造成影響，水流開始進入采空區(qū)域位置，采空區(qū)周圍發(fā)生降落的現(xiàn)象，此情況下可以將巷道系統(tǒng)當作是一個“大井”，在時間推移之后，降落的漏洞范圍有所增加，縱向深度提高，簡而言之就是在一定范圍之內(nèi)，頂板的含水層水位會有所降低，降低到底板的區(qū)域位置，相鄰每層頂板的含水層開始疏放，以此消除采掘工作環(huán)節(jié)中的水害風險隱患。在具體工作中建議將注漿技術(shù)和疏干降壓技術(shù)有機整合，通過帷幕淺截注漿堵水的技術(shù)措施，在煤礦生產(chǎn)過程中達到疏干和堵漏相互結(jié)合的目的，通過帷幕工程對煤層開采的補給水水源進行堵截，確保水不會流入工作面，保證生產(chǎn)的安全性[3]。

3.5 注漿技術(shù)

采用注漿技術(shù)進行水害防治的工作中，主要是在巖層頂部位置壓入堵水材料所制作的漿液，使得漿液能夠快速擴散和凝固，大力封堵巖層的空隙，快速隔離水源，提高巖層結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性，降低礦井排水的負擔，確保工作的效率和質(zhì)量，減少煤礦生產(chǎn)的成本，起到井巷薄弱位置加固的作用，避免出現(xiàn)突水問題，延長礦井的應(yīng)用壽命。首先，應(yīng)合理選擇使用注漿原材料，可直接應(yīng)用水泥材料或是水泥與水玻璃混合的漿液材料，減少生產(chǎn)成本，但是考慮到此類材料在硬化之后很容易出現(xiàn)收縮的現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)生裂縫問題，在水力沖刷或是外力的影響之下裂縫會增大，堵水的效果難以滿足要求。因此，建議結(jié)合實際情況積極選擇采用有機高水材料，此類材料具備一定的黏度，應(yīng)用的過程中能夠注入巖石結(jié)構(gòu)深部區(qū)域的細小裂縫，增強巖石結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能和穩(wěn)定性，起到堵水的良好作用。其次，通過注漿技術(shù)全面進行巖體結(jié)構(gòu)縫隙的封堵處理，利用外力將漿液壓入巖體空隙，確保地下水、地表水不會通過空隙進入工作面[4]。

3.6 防水閘墻技術(shù)

從本質(zhì)層面而言，防水閘墻主要是臨時性或是長期類型的阻水結(jié)構(gòu)，目前主要有平面形狀、圓柱形狀和球面形狀，無論何種形狀都需要向來水的方向突出，必須要具備一定的強度，不可以出現(xiàn)變形問題、透水問題和位移問題，煤礦企業(yè)在進行水害防治期間，應(yīng)結(jié)合水閘墻修筑的位置，在硬度較高、不存在裂隙的巖石區(qū)域合理構(gòu)建防水閘墻，進行掏槽砌筑。對于圓柱形狀和球形的防水閘墻，砌筑工作中需要利用公式進行計算。

式（1）中，a為著墻體結(jié)構(gòu)的厚度指標；r為著墻體結(jié)構(gòu)內(nèi)半徑；Kp為著墻體結(jié)構(gòu)臨界抗壓強度指標；P為著結(jié)構(gòu)承受水壓的指標。在防水閘墻砌筑工作中，應(yīng)嚴格進行各類參數(shù)的選擇和設(shè)置，確保主墻體修筑的質(zhì)量符合標準，反復(fù)性進行注漿，不斷增加透孔的深度，確保能夠利用合理的注漿措施增強水害防治有效性[5]。

3.7 信息化技術(shù)

煤礦企業(yè)在實際工作中，應(yīng)積極采用信息化技術(shù)。首先，構(gòu)建數(shù)據(jù)共享的模型，將煤礦水害防治的數(shù)據(jù)信息共享給各個部門，使各部門都能全面掌握煤礦生產(chǎn)過程中的水文地質(zhì)信息、測量信息、水位監(jiān)測和水壓監(jiān)測數(shù)據(jù)等，全面了解水害風險隱患的情況。其次，重點應(yīng)用信息技術(shù)構(gòu)建較為完善的水害應(yīng)急救援指揮決策模型，整體軟件系統(tǒng)面向井下工作人員、地面的調(diào)度指揮和決策中心、相關(guān)的主管部門，井下工作人員可以及時進行事故地點和發(fā)生原因信息的傳遞，獲得最新的消息，了解最為良好的避災(zāi)方式和救援方式、采集井下周圍的數(shù)據(jù)信息，而地面調(diào)度指揮中心和管理部門則負責按照突發(fā)事故的情況進行救援和管理，及時了解井下的實際狀況編制完善的應(yīng)急救援預(yù)案方案，實時性進行指揮調(diào)度和管控，在此過程中主管工作人員可以共享數(shù)據(jù)信息，除水害防治的措施和建議，呈進行調(diào)控和管理。最后，煤礦企業(yè)還需采用信息技術(shù)構(gòu)建水害防治預(yù)警系統(tǒng)與監(jiān)控管理系統(tǒng)，便于按照不同水害問題的發(fā)生特點和情況，有效進行水害防治[6]。

3.8 綜合勘測技術(shù)

為了能夠準確進行斷層地質(zhì)構(gòu)造和陷落柱地質(zhì)構(gòu)造的查找，準確探測隱蔽地質(zhì)構(gòu)造特點，煤礦企業(yè)應(yīng)積極采用綜合勘測的技術(shù)措施。首先，采用鉆探的技術(shù)措施，通過鉆孔探測設(shè)備和工藝技術(shù)，全面收集煤礦地下水的數(shù)據(jù)和水害風險數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮探測技術(shù)在水害勘測方面的作用價值。其次，積極運用斷層三維地震勘測技術(shù)，構(gòu)建相應(yīng)的時間剖面，以此為基礎(chǔ)準確識別斷層斷點情況，按照反射波同向軸的錯斷情況、扭曲情況與產(chǎn)狀突變情況等，深入研究斷層的特點，同時，還需全面采集三維偏移數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、疊后時間偏移數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、疊前時間偏移數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，利用斷層成像的方式，明確分析煤礦區(qū)域地下水的分布規(guī)律特點和水害風險隱患問題。最后，建議運用礦井瞬變電磁探測技術(shù)，在井下設(shè)置多匝矩形發(fā)射線框，利用重疊回線設(shè)備開展探測工作，將側(cè)線設(shè)置在軌道巷與膠帶巷之內(nèi)，測點之間的距離控制為10 m左右，轉(zhuǎn)換不同角度對工作面內(nèi)頂板或是底板巖層的電阻率分布情況進行測量，按照電阻率的分布狀況準確預(yù)測水害問題，明確水害風險隱患目標位置和特點，便于有效進行水害的防治處理[7]。

4 結(jié)語

綜上所述，煤礦生產(chǎn)過程中常見水害問題主要涉及到采空區(qū)積水問題、含水層突出的問題、鉆孔水問題和地表水問題的，發(fā)生的原因就是開采工藝技術(shù)較為落后，煤礦生產(chǎn)地下結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜繁瑣，缺少非常良好的管理模式。因此，建議煤礦企業(yè)制訂完善的水害防治方案，改善管理工作的模式，有針對性地防治不同水害問題，采用水文化學(xué)技術(shù)和物探技術(shù)，綜合運用疏干降壓技術(shù)與注漿技術(shù)，根據(jù)具體狀況，因地制宜采用信息化技術(shù)、防水閘墻技術(shù)和綜合勘測技術(shù)，以此增強水害防治的有效性。