開展水害致災(zāi)因素普查 防范煤礦水害事故發(fā)生

武 強(qiáng)，郭小銘，邊 凱，杜 鑫，許 珂，卜文揚(yáng)，曾一凡

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心，北京市海淀區(qū)，100083；2.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西省西安市，710077；3.河北工程大學(xué)，河北省邯鄲市，056038；4.西安科技大學(xué)，陜西省西安市，710054)

0 引言

我國“相對(duì)富煤、貧油、少氣、缺鈾”的資源稟賦條件，決定了煤炭在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)其主體能源地位不會(huì)發(fā)生根本改變。由于我國陸地由多個(gè)構(gòu)造板塊經(jīng)多序次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)拼接而成，地質(zhì)條件差異極大且較為復(fù)雜，也使得我國成為世界上煤礦水文地質(zhì)條件總體最為復(fù)雜的國家[1]。

近10年來，全國煤礦水害事故發(fā)生的起數(shù)和死亡人數(shù)總體趨于減少，2016年以來，我國煤礦水害致死事故起數(shù)每年在10起以內(nèi)、水害死亡人數(shù)約50人左右，其中2022年煤礦水害造成的死亡人數(shù)占全國煤礦各類事故死亡人數(shù)的6.9%，如圖1所示。通過分析2016年以來煤礦水害情況，可以明顯發(fā)現(xiàn)煤礦水害死亡人數(shù)出現(xiàn)了極大波動(dòng)，如2021年雖然僅發(fā)生4起煤礦水災(zāi)事故，但其死亡人數(shù)達(dá)到48人[2]。除此之外，還發(fā)生了大量水害涉險(xiǎn)事故、水害停產(chǎn)事件等，嚴(yán)重制約了煤礦安全生產(chǎn)。由此可見，新時(shí)期我國煤礦水害致死事故雖然得到了有效控制，但由于煤礦水害具有易發(fā)生和群死群傷的本質(zhì)特征，極易引發(fā)重大人員傷亡。

圖1 近10年全國煤礦水害致死事故數(shù)量及死亡人數(shù)

根據(jù)煤礦區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的差異，我國煤礦區(qū)可劃分為6個(gè)水害區(qū)：華北石炭二疊紀(jì)煤田巖溶-裂隙水、華南晚二疊世煤田巖溶水、東北侏羅紀(jì)煤田裂隙水、西北侏羅紀(jì)煤田裂隙水、西藏-滇西中生代煤田裂隙水、臺(tái)灣新近紀(jì)煤田裂隙-孔隙水等水害類型。由于煤炭賦存及開采歷史不盡相同，各分區(qū)的致災(zāi)因素也各不相同，致災(zāi)因素的探查難度極高，這也是導(dǎo)致我國煤礦水害事故長期難以徹底消除的客觀因素[3]。因此，重視和持續(xù)加強(qiáng)煤礦水害隱蔽致災(zāi)因素普查研究，提升水害隱蔽致災(zāi)因素的理論研究、探測技術(shù)和治理技術(shù)水平與裝備能力，從致災(zāi)因素源頭上有效遏制煤礦水害事故，是“十四五”時(shí)期我國煤礦水害防治的重點(diǎn)任務(wù)。

1 水害致災(zāi)因素分類和特征

煤礦水害致災(zāi)因素總體可以分為充水水源和導(dǎo)水通道兩大類。充水水源主要包括大氣降水、地表水、地下水、襲奪水、老空水、離層水等；導(dǎo)水通道可分為礦井天然通道和人為通道，其中天然通道可分為點(diǎn)狀巖溶陷落柱、線狀斷裂(裂隙)帶、窄條狀隱伏露頭、面狀裂隙網(wǎng)絡(luò)(局部面狀隔水變薄區(qū))；人為通道可分為頂板冒落裂隙帶、頂板切冒裂隙帶、頂板抽冒帶、底板礦壓破壞帶、底板承壓水導(dǎo)升帶、地面巖溶塌陷帶和封閉不良鉆孔等。此外，部分區(qū)域存在的古河床沖刷帶、天窗和燒變巖等不良地質(zhì)體，也是造成煤礦水害的致災(zāi)因素。通過對(duì)影響煤礦水害的主要致災(zāi)水源、致災(zāi)通道進(jìn)行分類(表1)可明確各類致災(zāi)因素的特征，是煤礦水害致災(zāi)因素探查的前提。

表1 煤礦致災(zāi)水源、通道分類

1.1 主要致災(zāi)水源及特征

1.1.1 大氣降水

大氣降水作為充水水源，其致災(zāi)時(shí)間與大氣降水時(shí)間具有同步相關(guān)性或固定時(shí)間的延遲相關(guān)性，其致災(zāi)性與降水強(qiáng)度和降水量有關(guān)，且一般與降水量呈正比例關(guān)系[4]。極端性惡劣天氣誘發(fā)的暴雨、洪水等巨量地表水通過礦井出入口、地裂縫直灌井下，具有突發(fā)性和隨機(jī)性，該因素一旦致災(zāi)常常造成災(zāi)難性后果[5]。

1.1.2 地表水

大型地表水體(海、湖、河流、水庫等)的分布一般較為集中，水量較大，采礦活動(dòng)及其影響范圍一旦與其形成水力聯(lián)系，也會(huì)造成比較嚴(yán)重的礦井水害[4]。地表水作為間接充水水源，經(jīng)常構(gòu)成給定水頭的補(bǔ)給邊界，成為礦井水較穩(wěn)定的主要來源，水量穩(wěn)定不易疏干。地表水如通過井筒、巖溶、斷裂帶、老空塌陷區(qū)等直接貫通井下，往往來勢(shì)兇猛，會(huì)造成淹井和重大傷亡事故，危害極大。

1.1.3 地下水

含水層中的地下水按照儲(chǔ)水空間可以分為孔隙水、裂隙水和巖溶水?？紫端噘x存于松散層及弱膠結(jié)含水層中，對(duì)于煤層頂板賦存薄基巖厚松散層而言，當(dāng)垮落帶不直接影響松散層時(shí)，頂板孔隙水多以比較均一的滲入形式向礦井充水，水量穩(wěn)定、持續(xù)性強(qiáng)，但一旦垮落帶直接影響到松散層，極易引發(fā)潰水潰沙災(zāi)害，嚴(yán)重威脅礦井生產(chǎn)。頂板基巖孔隙-裂隙含水層主要通過采動(dòng)裂隙進(jìn)入采掘空間，致災(zāi)強(qiáng)度與含水層厚度、富水性等有關(guān)?？紫?裂隙含水層富水性非均質(zhì)性較強(qiáng)，在構(gòu)造裂隙的優(yōu)勢(shì)導(dǎo)水通道方向富水性較好。如果采動(dòng)裂隙溝通了優(yōu)勢(shì)導(dǎo)水通道，則水量較大，易發(fā)生突水事故。巖溶含水層具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性，在華北地區(qū)多以底板涌水點(diǎn)的形式向礦井涌水，水量穩(wěn)定、持續(xù)時(shí)間很長；采掘擾動(dòng)水壓較高的巖溶含水層，會(huì)引發(fā)底板突水事故，水情迅猛突然，短時(shí)間內(nèi)淹井；在西南地區(qū)，巖溶含水層還以頂板集中出水形式向礦井充水，開采遇到巖溶富水段時(shí)，礦井水量突增，甚至?xí)^礦井的排水能力而淹工作面或采區(qū)。

1.1.4 老空水

老空水是人為開采活動(dòng)形成的積水體，具有形狀不規(guī)則、分布隱蔽、積水情況多樣等特征，規(guī)律性較差。老空透水災(zāi)害瞬時(shí)水量大，具有很大破壞力，甚至還會(huì)伴隨硫化氫等有害氣體溢出，具有較強(qiáng)的酸性[4]。

1.2 主要導(dǎo)水致災(zāi)通道及特征

1.2.1 巖溶陷落柱

巖溶陷落柱是我國華北煤田廣泛發(fā)育的一種極富區(qū)域特色的地質(zhì)現(xiàn)象，常可作為強(qiáng)導(dǎo)水通道，導(dǎo)致奧陶系灰?guī)r突水事故。從區(qū)域尺度來看，陷落柱屬于一種點(diǎn)狀通道型致災(zāi)因素[6]。80多年來，華北型煤田因其導(dǎo)致的重特大突水淹井事故多達(dá)20余起[7]。巖溶陷落柱的導(dǎo)水形式多種多樣，有柱體本身導(dǎo)水、陷落柱四周或局部密集的次生帶導(dǎo)水等。煤層底板存在巖溶陷落柱時(shí),由于局部應(yīng)力集中加強(qiáng)，關(guān)鍵層的最小主應(yīng)力進(jìn)一步降低，承壓水的滲水軟化和壓裂擴(kuò)容的相互作用使底板巖層破壞裂隙沿最薄弱方向進(jìn)一步擴(kuò)展，極易造成煤層底板突水。巖溶陷落柱的分布密度和水力性質(zhì)是控制煤層底板突水的重要因素[8]。巖溶陷落柱空間產(chǎn)狀不規(guī)則、致災(zāi)機(jī)理復(fù)雜，且發(fā)育位置難以預(yù)測，治理難度大，其作為隱蔽水害致災(zāi)通道隱患較大。

1.2.2 斷裂構(gòu)造

據(jù)統(tǒng)計(jì)，華北煤田約80%的工作面突水事故均發(fā)生在斷層破碎帶附近[9]，斷裂構(gòu)造作為一種線狀通道型致災(zāi)因素，導(dǎo)水能力與水力性質(zhì)、密度、規(guī)模和充填特征以及采動(dòng)誘發(fā)斷層活化特征關(guān)系密切[10]。多數(shù)涌(突)水發(fā)生在小構(gòu)造附近，但受井下探查條件限制，還不能較準(zhǔn)確預(yù)測巷道前方隱伏小構(gòu)造。斷裂構(gòu)造的導(dǎo)水性與其所處的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，原始地應(yīng)力疊加采動(dòng)應(yīng)力、水壓力使斷裂構(gòu)造的導(dǎo)水性趨于復(fù)雜化，隱蔽致災(zāi)性增強(qiáng)。

1.2.3 采動(dòng)裂隙

煤層開采引發(fā)覆巖破斷形成導(dǎo)水裂隙帶，是頂板涌水的主要通道[11-12]，屬于面狀網(wǎng)絡(luò)通道型致災(zāi)因素，其發(fā)育高度受采煤方法、工作面尺寸、煤層頂板巖性及巖層組合特征等因素綜合控制。我國西部煤礦區(qū)現(xiàn)代化工作面高強(qiáng)度開采，導(dǎo)水裂隙帶超高發(fā)育，使得礦井涌水量明顯大于以往對(duì)該區(qū)水文地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)；同時(shí)覆巖破斷過程中由于其不協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，形成頂板離層積水，一旦潰入井下往往出現(xiàn)脈沖式涌水，易造成工作面、采區(qū)被淹。

煤層開采后形成底板破壞帶，使得底板有效隔水層厚度減小，屬于面狀網(wǎng)絡(luò)通道型致災(zāi)因素，其發(fā)育深度受開采深度、煤層傾角、開采厚度、工作面斜長、底板抗破壞能力、構(gòu)造、采煤方法等綜合影響[13]，多數(shù)情況下對(duì)底板突水有一定的誘發(fā)與促進(jìn)作用[14]。

1.2.4 封閉不良鉆孔

井田以往勘探過程中部分鉆孔由于封孔質(zhì)量不佳而形成垂向線狀通道型致災(zāi)因素，該通道受人為影響，且規(guī)模相對(duì)較小，具有較強(qiáng)的不可預(yù)知性和難以探查的特點(diǎn)。生產(chǎn)過程中，一旦揭露導(dǎo)通了各類含水層的封閉不良鉆孔，會(huì)引發(fā)突水、突泥現(xiàn)象，有時(shí)還會(huì)有持續(xù)的高強(qiáng)度涌水[15]。

2 水害致災(zāi)因素探測技術(shù)

近年來，水文地質(zhì)勘查新理念、新技術(shù)、新方法不斷發(fā)展，探測手段不斷豐富，隨采、隨掘動(dòng)態(tài)探測也為煤礦隱蔽致災(zāi)因素的探測指明了新方向。

2.1 無人機(jī)地形圖測繪

水文地質(zhì)測繪是隱蔽致災(zāi)因素普查的主要手段，主要包括地貌地質(zhì)、地表水體、地面巖溶、井泉、老空等。隨著遙感技術(shù)在水文地質(zhì)測繪領(lǐng)域的深入研究，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、航拍、數(shù)字影像、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段在地面隱蔽致災(zāi)因素探查中發(fā)揮了重要作用。山西某礦航拍地形測繪的成果如圖2所示，通過無人機(jī)航拍獲得的影像，利用專業(yè)軟件完成影像拼接、內(nèi)業(yè)處理，可實(shí)現(xiàn)攝影及測圖流程一體化，有助于判識(shí)區(qū)域內(nèi)地面的各類隱蔽致災(zāi)因素。

資料來源：山西省煤礦隱蔽致災(zāi)因素普查典型經(jīng)驗(yàn)材料匯編圖2 某礦航拍測繪成果

2.2 地球物理探測技術(shù)

目前在煤礦水害隱蔽致災(zāi)因素探查中首先要開展的是地球物理探測。從探測原理上可以分為地震探測技術(shù)、直流電法勘探技術(shù)、電磁法勘探技術(shù)以及綜合地球物理勘探技術(shù)。

2.2.1 地震構(gòu)造勘探技術(shù)

20世紀(jì)50年代，我國煤炭工業(yè)領(lǐng)域開始采用地震勘探技術(shù)，隨著技術(shù)理論的創(chuàng)新發(fā)展和裝備水平的綜合提升，礦井地震類技術(shù)取得重大突破，主要包括：礦井三維三分量地震、煤層槽波地震及微震監(jiān)測技術(shù)等。三維地震與槽波地震利用人工主動(dòng)激發(fā)地震波，通過地震波在地層中的反射來探查掘進(jìn)工作面前方及回采工作面內(nèi)部的斷層、陷落柱等導(dǎo)水構(gòu)造以及老空區(qū)分布情況。我國煤礦微震監(jiān)測技術(shù)裝備起步較晚，前期主要通過引入國外相關(guān)技術(shù)裝備，后期通過優(yōu)化改進(jìn)和現(xiàn)場應(yīng)用，微震可通過捕捉采掘過程中的事件對(duì)巖層斷裂位置進(jìn)行定位，判斷導(dǎo)水裂隙帶及底板破壞帶發(fā)育范圍，在礦井水害監(jiān)測預(yù)警方面效果顯著。某工作面斷層井下槽波探測構(gòu)造解釋如圖3所示[16]。

圖3 某工作面斷層井下槽波探測構(gòu)造解釋

2.2.2 直流電法勘探技術(shù)

直流電法在我國地面探查應(yīng)用中較早，但直到20世紀(jì)80年代，因國內(nèi)多個(gè)礦井接連發(fā)生嚴(yán)重的底板突水淹井事故才得到重視，并開展井下災(zāi)害異常礦井直流電法探測等研究工作。直流電法勘探技術(shù)主要包括高密度電法、網(wǎng)絡(luò)并行電法、并行高密度電法及并行地電場監(jiān)測技術(shù)等，其中直流電法以巖、煤導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，分析人工施加穩(wěn)定電流場作用下地層傳導(dǎo)電流分布規(guī)律，主要用于富水性目標(biāo)體的探測、注漿效果檢驗(yàn)、導(dǎo)水裂隙帶等滲流通道監(jiān)測、動(dòng)態(tài)預(yù)測水量變化以及礦井突水監(jiān)測預(yù)警等[17]。山西某礦采用高密度電法探測陷落柱富水性的成果如圖4所示。

資料來源：山西省煤礦隱蔽致災(zāi)因素普查典型經(jīng)驗(yàn)材料匯編圖4 陷落柱礦井高密度電法反演電阻率斷面

2.2.3 電磁法勘探技術(shù)

相較于礦井地震類和礦井直流電法類等接觸式勘探方法，礦井電磁法主要通過無損非接觸式探測方式進(jìn)行地質(zhì)信息采集，工作強(qiáng)度小、測試速度快、高效靈活。經(jīng)過30多年的快速發(fā)展，形成了以瞬變電磁(TEM/MTEM)、無線電波坑透、可控源大地電磁(CSAMT)及電磁輻射監(jiān)測等技術(shù)為主的電磁法勘探方法。電磁法是以全空間電場分布理論為基礎(chǔ)，以巖(礦)石、地質(zhì)構(gòu)造等電性分布規(guī)律差異為應(yīng)用前提，對(duì)巷道掘進(jìn)工作面、圍巖、頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)及富水區(qū)、巖溶陷落柱、導(dǎo)(含)水?dāng)鄬印⒉煽諈^(qū)等異常進(jìn)行探測。近年來研發(fā)出鉆孔瞬變電磁探測裝備與技術(shù)，可將儀器線圈置于超前鉆孔內(nèi)，以便線圈更接近目標(biāo)探測體[18]，該方法施工效率高，成本相對(duì)較低，應(yīng)用極為廣泛。三分量鉆孔瞬變電磁探測裝置示意如圖5所示。

2.2.4 綜合地球物理勘探技術(shù)

由于礦井地質(zhì)災(zāi)害因素多種多樣、施工環(huán)境惡劣，礦井物探往往存在工作任務(wù)復(fù)雜、背景干擾嚴(yán)重的問題。單一物探方法不僅受地質(zhì)異常體物性特征的局限，而且受到井下環(huán)境的強(qiáng)干擾，其勘查和解釋精度常常無法達(dá)到理想效果。近年來形成了以微震與電法協(xié)同、槽波地震與無線電波坑透、地震多波勘探與并行高密度電法協(xié)同、震電磁三場協(xié)同、隨鉆隨掘隨采探查等技術(shù)為主的綜合地球物理勘探技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了礦井中小地質(zhì)異常體的有效探測。圖6為某工作面礦井震電聯(lián)合解釋推斷成果[19]。

資料來源：山西省煤礦隱蔽致災(zāi)因素普查典型經(jīng)驗(yàn)材料匯編圖5 三分量鉆孔瞬變電磁探測裝置示意

圖6 工作面礦井震電聯(lián)合解釋推斷成果

2.3 鉆孔探測技術(shù)

鉆孔探測是一種最直接的隱蔽致災(zāi)因素探查技術(shù)，具有直觀性強(qiáng)、適應(yīng)面寬等優(yōu)勢(shì)，按照施工的空間分為地面鉆探技術(shù)和井下鉆探技術(shù)。

2.3.1 地面鉆探技術(shù)

地面鉆探是利用一定的鉆探機(jī)械設(shè)備從地表向下鉆進(jìn)的一項(xiàng)工程，主要由旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、泥漿循環(huán)控制系統(tǒng)等構(gòu)成。鉆探方法由回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)逐步發(fā)展到?jīng)_擊鉆進(jìn)、沖擊-回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、振動(dòng)鉆進(jìn)等。地面鉆探技術(shù)常用于導(dǎo)水裂隙帶、構(gòu)造、封閉不良鉆孔等水害致災(zāi)因素的探查。

2.3.2 井下鉆探技術(shù)

井下鉆探主要包括常規(guī)回轉(zhuǎn)式鉆探和定向鉆探，主要用于斷層等構(gòu)造、含水層富水性、老空水、頂?shù)装迤茐膸У雀黝愃χ聻?zāi)因素的探測。井下鉆探距離目標(biāo)體更近，具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，且探查過程中可直接測量水量、水壓、水質(zhì)等多種水文地質(zhì)信息，更好地判識(shí)各類致災(zāi)因素的水文地質(zhì)特征。由于定向鉆探具有軌跡可控、施工靈活、性能較好等特點(diǎn)應(yīng)用更為廣泛，尤其是近年來，研發(fā)出了針對(duì)高水壓、硬灰?guī)r地層定向鉆進(jìn)施工的專用配套裝備，將煤礦井下可鉆巖層抗壓強(qiáng)度達(dá)80 MPa，可抗水壓能力達(dá)6 MPa，基本滿足了各類隱蔽致災(zāi)因素探查的需求[20]，也拓寬了井下定向鉆進(jìn)的應(yīng)用范圍。

2.3.3 配套探查方法

鉆孔施工完畢后，通過在鉆孔內(nèi)配套開展各類測井工作，可以更好地查明各類水害致災(zāi)因素的特征。利用鉆孔配套開展抽水試驗(yàn)、注水試驗(yàn)、放水試驗(yàn)等，探查含水層、導(dǎo)水通道的富水性、水力聯(lián)通性等；利用鉆孔成像儀拍攝孔壁圖像進(jìn)行分析，判斷地層展布、地質(zhì)構(gòu)造、裂隙發(fā)育等，分析水害致災(zāi)因素特征；同時(shí)，配套相關(guān)的孔中瞬變電磁、直流電法、鉆孔雷達(dá)、鉆孔電磁波透視等系列物探技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)鉆孔內(nèi)水害致災(zāi)因素的近距離探測，查明其物性異常并分析水文地質(zhì)特征。

2.4 其他輔助探測技術(shù)

除了前述的水文地質(zhì)、地球物理勘探以及鉆探技術(shù)外，化探、抽放水試驗(yàn)等技術(shù)在煤礦水害致災(zāi)因素探測方面也發(fā)揮著重要作用?；郊夹g(shù)在確定地下水連通關(guān)系與連通強(qiáng)度、地下水運(yùn)移路徑、水文地質(zhì)參數(shù)估算等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用于確定煤礦突水水源特征與分析地下水通道等方面。常用的化探技術(shù)有水質(zhì)分析(水源判別)、環(huán)境同位素分析(水源判別)、放水性測量(破碎帶)、離子示蹤試驗(yàn)等。抽放水試驗(yàn)是以地下水逕流理論為基礎(chǔ)，通過觀測鉆孔水量和水位的變化來獲取水文地質(zhì)參數(shù)，為評(píng)價(jià)水文地質(zhì)條件、預(yù)計(jì)涌水量、分析疏干降壓可行性等工作提供依據(jù)，是礦區(qū)水文地質(zhì)工作中查明勘探區(qū)水文地質(zhì)條件并對(duì)地下水進(jìn)行定量研究的重要方法。

目前我國煤礦水害致災(zāi)因素探查技術(shù)取得長足進(jìn)步。煤礦井下隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備的應(yīng)用，顯著提升了隱蔽致災(zāi)因素鉆探探查的范圍和探測精度；多種物探手段精度的大幅提升，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)富水性和含水量的聯(lián)合探測；井下定向鉆探與孔中物探聯(lián)合的探查技術(shù)，克服了鉆探探查“一孔之見”的弊端；“隨采隨探、隨掘隨探”致災(zāi)因素動(dòng)態(tài)探查技術(shù)，能夠更好地掌握采掘動(dòng)態(tài)影響下充水水源、充水通道的動(dòng)態(tài)影響與變化；水害隱蔽致災(zāi)因素探測與基礎(chǔ)地質(zhì)、沉積等信息融合判識(shí)，提升了水害預(yù)測預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度。

3 水害預(yù)測預(yù)報(bào)方法與治理技術(shù)

“預(yù)測預(yù)報(bào)”是煤礦水害防治的基礎(chǔ)，可根據(jù)不同水文地質(zhì)條件采取“探、防、堵、疏、排、截、監(jiān)”等針對(duì)性措施，是實(shí)現(xiàn)煤礦安全采掘的重要保障[21]。

3.1 頂板水害預(yù)測預(yù)報(bào)方法

隨著對(duì)礦井涌(突)水機(jī)理和水害事故的深入研究與分析，礦井水害預(yù)測預(yù)報(bào)理論不斷完善，水害評(píng)價(jià)的完整技術(shù)方法體系日益成熟[1]。我國煤礦頂板水害預(yù)測預(yù)報(bào)理論和方法主要有“上三帶”理論、“關(guān)鍵層”理論和“三圖”法等。

3.1.1 “上三帶”理論

20世紀(jì)80年代劉天泉院士[22]提出“上三帶”理論，即煤層開采導(dǎo)致上覆巖層從下至上依次劃分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，冒落帶和裂隙帶合稱“兩帶”，即導(dǎo)水裂隙帶，當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育導(dǎo)通至頂板含水層就可能形成頂板涌(突)水。

3.1.2 “關(guān)鍵層”理論

“關(guān)鍵層”理論由錢鳴高院士[23]提出，認(rèn)為煤層開采上覆巖層的變形、破壞等主要由堅(jiān)硬巖層中的關(guān)鍵層控制，即煤層開采后上覆巖層移動(dòng)受控于關(guān)鍵層的破斷運(yùn)動(dòng)，該理論為巖層整體移動(dòng)研究提供了統(tǒng)一的思想和方法。同時(shí)，“關(guān)鍵層”理論也是煤層底板水害預(yù)測預(yù)報(bào)的一種重要方法。

3.1.3 “三圖”法

“三圖”法是[24-26]根據(jù)多年工作實(shí)踐提出的一種解決煤層頂板充水水源、通道和強(qiáng)度三大關(guān)鍵技術(shù)問題的方法。研究頂板涌(突)水條件時(shí)主要針對(duì)兩方面進(jìn)行：一是研究煤層回采后其頂板冒裂安全穩(wěn)定性問題；二是研究煤層頂板充水含水層富水性問題?！叭龍D”具體指煤層頂板冒裂安全性分區(qū)圖；煤層頂板充水含水層富水性分區(qū)圖和煤層頂板充水含水層涌(突)水危險(xiǎn)性分區(qū)圖。小莊礦洛河組充水含水層涌(突)水危險(xiǎn)性分區(qū)如圖7所示。

圖7 小莊礦洛河組充水含水層涌(突)水危險(xiǎn)性分區(qū)

3.2 底板水害預(yù)測預(yù)報(bào)方法

3.2.1 突水系數(shù)法

20世紀(jì)60年代，在分析、總結(jié)焦作、峰峰、邯鄲、井陘、淄博和肥城等大水礦區(qū)大量煤層底板突水實(shí)例的基礎(chǔ)上，煤炭科學(xué)研究院西安煤田地質(zhì)勘探研究所提出了煤層底板突水系數(shù)這一概念，總結(jié)出了臨界突水系數(shù)[27-28]。突水系數(shù)法經(jīng)過多次修正，重新采用式(1)計(jì)算，該式適用于采煤和掘進(jìn)工作面，臨界突水系數(shù)值在底板受構(gòu)造破壞段取0.06 MPa/m，在正常塊段取0.1 MPa/m。

(1)

式中：T——突水系數(shù)，MPa/m；

P——底板隔水層承受的水壓，MPa；

M——隔水層厚度，m。

3.2.2 “下三帶”理論

“下三帶”理論是以李白英教授為代表的科研工作者在冀中能源峰峰礦業(yè)集團(tuán)二礦現(xiàn)場觀測的基礎(chǔ)上提出來的，即在采動(dòng)礦壓作用下，煤層底板巖層發(fā)生擾動(dòng)和破壞，由上而下劃分為底板導(dǎo)水破壞帶、完整巖層帶和承壓水導(dǎo)升帶。該理論認(rèn)為完整巖層帶對(duì)阻抗煤層底板突水具有關(guān)鍵作用，其阻抗能力取決于該層的厚度、巖性和組合情況等。

3.2.3 五圖-雙系數(shù)法

武強(qiáng)院士提出的五圖-雙系數(shù)法是一種圍繞“五圖”、“雙系數(shù)”和“三級(jí)判別”評(píng)價(jià)煤層底板帶壓開采工作面突水危險(xiǎn)性的方法[29-30]。該方法在繪制“底板保護(hù)層破壞深度等值線圖”“底板保護(hù)層厚度等值線圖”“煤層底板上的水頭等值線圖”和“有效保護(hù)層厚度等值線圖”的基礎(chǔ)上，結(jié)合“雙系數(shù)”(帶壓系數(shù)和突水系數(shù))和“三級(jí)判別”(I級(jí)判別：是判別工作面必然發(fā)生直通式突水的指標(biāo)；Ⅱ級(jí)判別：是判別工作面發(fā)生非直通式突水可能性及其突水形式的指標(biāo)；Ⅲ級(jí)判別：是判別已被n級(jí)判別定位突水的工作面及其突水量變化狀況的指標(biāo))得出“帶水頭壓力開采評(píng)價(jià)圖”，以此綜合分析煤層底板是否突水、突水形勢(shì)和突水量化3個(gè)指標(biāo)。五圖-雙系數(shù)法流程如圖8所示。

圖8 五圖-雙系數(shù)法流程

3.2.4 脆弱性指數(shù)法

煤層底板突水是一種受控于多因素影響且具有非常復(fù)雜的非線性動(dòng)力特征的水文地質(zhì)與采礦復(fù)合動(dòng)態(tài)現(xiàn)象。在建立煤層底板突水主控指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，應(yīng)用多源信息集成理論提出一種新型煤層底板涌(突)水評(píng)價(jià)方法-脆弱性指數(shù)法[30-32]。脆弱性指數(shù)法是一種將可確定底板突水多種主控因素權(quán)重系數(shù)的信息融合方法與具有強(qiáng)大空間信息分析處理功能的GIS耦合于一體的煤層底板突水預(yù)測預(yù)報(bào)評(píng)價(jià)方法。該方法通過考慮各主控因素在煤層底板突水中所起的作用大小，綜合反映各主控因素間的復(fù)雜作用及煤層底板突水的非線性動(dòng)態(tài)過程。葛泉礦9號(hào)煤層底板奧灰含水層突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)如圖9所示。

圖9 葛泉礦9號(hào)煤層底板奧灰含水層突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)

3.3 水害治理技術(shù)

隨著煤礦水害防治理念的提升，以及新技術(shù)、新材料和新裝備的研發(fā)與應(yīng)用，我國防治水工作由過程治理向源頭預(yù)防轉(zhuǎn)變，局部治理向區(qū)域治理、井下治理向井上下結(jié)合治理轉(zhuǎn)變，措施防范向工程治理、治水為主向治保結(jié)合轉(zhuǎn)變，根據(jù)不同水文地質(zhì)條件形成了一系列針對(duì)性、可操作性、適用性強(qiáng)的治理措施[33-34]。

3.3.1 頂板水害治理

頂板水害治理技術(shù)常用到超前疏放，利用定向鉆機(jī)施工頂板疏放水鉆孔，通過在含水層中“穿層”，對(duì)頂板含水層進(jìn)行“線狀”疏放，達(dá)到有效治理頂板水害的目的。主要采取“富水區(qū)域物探圈定、普鉆綜合超前疏放和排水系統(tǒng)及時(shí)跟進(jìn)”技術(shù)措施。頂板充水含水層不具備疏干(降)開采條件或疏排水費(fèi)用太高、浪費(fèi)地下水資源且經(jīng)濟(jì)上不合理時(shí)，可以采用注漿改造頂板含水層，即向?qū)严稁Ъ昂畬幼{，將其改造成弱含水層或隔水層。對(duì)斷層、強(qiáng)富水區(qū)域等水害隱患處可以采用帷幕截流封堵。隨著充填技術(shù)和充填材料的發(fā)展，充填法采煤能夠有效抑制采場頂板覆巖下沉運(yùn)動(dòng)，控制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育，達(dá)到預(yù)防控制煤層頂板水害的目的。以五溝煤礦一采區(qū)1010-1工作面頂板第四含水層組(“四含”)地面區(qū)域注漿改造為例，介紹煤層頂板水害地面區(qū)域治理技術(shù)的應(yīng)用。

根據(jù)五溝煤礦1010-1工作面10號(hào)煤頂板標(biāo)高和該區(qū)“四含”最低標(biāo)高，通過《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》計(jì)算，需要留設(shè)防砂安全煤巖柱高度28.15 m。根據(jù)設(shè)計(jì)開采上限標(biāo)高，為確保開采安全，需對(duì)1010-1工作面標(biāo)高高于-285 m區(qū)域進(jìn)行“四含”地面注漿改造。采用地面注漿區(qū)域治理，地面直孔和定向斜孔共設(shè)計(jì)43個(gè)，鉆孔間距28.3 m，實(shí)際終孔位置進(jìn)入基巖10～11 m，注漿材料為水泥，分段下行式注漿，鉆孔平面布置如圖10所示。改造完成后，經(jīng)鉆探、物探和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析，注漿區(qū)域“四含”整體呈現(xiàn)弱富水性，改造效果顯著。

圖10 鉆孔平面布置

3.3.2 底板水害治理

底板水害防治應(yīng)遵循井上與井下治理相結(jié)合、區(qū)域與局部治理相結(jié)合的原則。當(dāng)煤層底板充水含水層富水性強(qiáng)、水頭壓力高，且煤層隔水底板厚度薄，或遇構(gòu)造破碎帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞В瑹o法采用疏水降壓方法保障安全開采時(shí)，采用底板隔水層加固和含水層改造及局部封堵導(dǎo)水通道的注漿方法。隨著華北型煤田下組煤和深部開采規(guī)模逐漸擴(kuò)大，以及定向鉆探技術(shù)的成熟，煤層底板水害注漿治理由單一工作面治理轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)域治理，以井下治理為主轉(zhuǎn)變?yōu)榫潞偷孛娼Y(jié)合治理，以煤系薄層灰?guī)r含水層為治理對(duì)象轉(zhuǎn)變延伸到以奧灰含水層為治理對(duì)象[34-35]。以東龐礦西龐井-300 m以深?yuàn)W灰深部地面區(qū)域治理改造為例，介紹煤層底板水害地面超前區(qū)域注漿治理技術(shù)的應(yīng)用。

東龐礦西龐井9號(hào)煤標(biāo)高-300～-600 m，9號(hào)煤與奧陶系灰?guī)r含水層間隔36～42 m，平均39 m，突水系數(shù)為0.105～0.182 MPa/m，而且在底板薄弱帶奧陶系灰?guī)r水可能通過導(dǎo)水?dāng)鄬印?dǎo)水裂隙帶、導(dǎo)水陷落柱等通道進(jìn)入礦井，存在較大的突水危險(xiǎn)。因9號(hào)煤層埋深小于800 m，且地面鉆孔施工基礎(chǔ)條件好，選取地面定向鉆進(jìn)進(jìn)行底板奧灰含水層區(qū)域治理。工程圍繞井田三采區(qū)實(shí)施，治理范圍標(biāo)高為-300～-480 m，一期布設(shè)地面主孔1個(gè)，分支孔7個(gè)，二期布設(shè)地面主孔2個(gè)，分支孔32個(gè)；鉆孔平面投影間距40 m；垂直深度位于奧陶系灰?guī)r頂面以下25 m，奧灰含水層改造層段示意圖和鉆孔布設(shè)圖如圖11所示。治理完成后，三采區(qū)回采揭露表明采用地面超前區(qū)域治理方式有效探查并改造了9號(hào)煤層底板奧灰含水層，同時(shí)封堵了可能的導(dǎo)水通道，保障了安全開采。

圖11 奧灰含水層改造層段示意圖和鉆孔布設(shè)

3.3.3 地表水害治理

治理地表水害主要采取堵截措施防止地表水潰入井下。對(duì)于受河流、湖泊、水庫、采煤塌陷區(qū)和海域等地表水體威脅的開采區(qū)域，應(yīng)當(dāng)留足防隔水煤(巖)柱。對(duì)于漏水的溝渠和河床，采用混凝土、柔性材料鋪墊漏水河床(沖溝)或者改道，對(duì)于溝谷窄、坡度大等施工條件差，無法進(jìn)行河道開挖的區(qū)段，采用注漿治理，封堵基巖導(dǎo)水裂隙。對(duì)采煤形成的塌陷裂縫土地進(jìn)行填埋復(fù)墾，尤其對(duì)淺埋煤層開采或?qū)严稁Оl(fā)育直通地表區(qū)域的，應(yīng)及時(shí)封堵地面塌陷裂隙通道。以觀音堂礦雞冠溝河道治理為例，介紹地表水滲漏治理技術(shù)。

雞冠溝位于觀音堂礦工業(yè)廣場北部，屬季節(jié)性河流。近幾年，雞冠溝鄰近區(qū)域長期堆積鋁土礦矸石，造成地形地貌的變化，雞冠溝河道產(chǎn)生位移。在2021年汛期期間，雞冠溝地表水下滲至礦井運(yùn)輸大巷，導(dǎo)致礦井涌水量明顯增大。雞冠溝河道的治理主要以地表防滲和積水強(qiáng)排為主，針對(duì)地表滲水源頭的雞冠溝河道及南側(cè)鋁礦矸石堆區(qū)域，采用彩條布對(duì)矸石堆進(jìn)行全面覆蓋，防止雨水匯集矸石堆內(nèi)部出現(xiàn)下滲；對(duì)雞冠溝河道修筑整體河渠，采用紅磚水泥砌筑，墻高1.2 m，河底采用彩條布鋪底，上覆水泥磚，防止河水通過河道出現(xiàn)下滲，平面圖和設(shè)計(jì)圖如圖12所示。雞冠溝河道滲漏治理后，礦方開展了物探查驗(yàn)和河道蓄水漏失試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，河道防滲治理效果明顯。

圖12 雞冠溝河道加固段平面圖和設(shè)計(jì)圖

4 存在問題及發(fā)展趨勢(shì)

4.1 存在問題

查明煤礦水害致災(zāi)因素是煤礦水害防治工作的基礎(chǔ)內(nèi)容，隨著我國煤礦開采深度逐年增加和西部侏羅系煤層開發(fā)程度的加強(qiáng)，近年來煤礦水害事故起數(shù)和死亡人數(shù)又有抬頭之勢(shì)，暴露出煤礦水害致災(zāi)因素探測仍存在部分問題。

4.1.1 煤礦老空水探查程度不足

我國煤礦區(qū)以往開采過程中遺留了大量老窯采空區(qū)，形成老空積水。由于大部分煤礦并未留下相關(guān)開采資料，分布極不規(guī)則，充水情況各不相同，使得老空積水成為威脅我國煤礦安全最嚴(yán)重的水文地質(zhì)致災(zāi)因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，“十三五”期間，全國煤礦發(fā)生的較大以上水害事故中，老空透水事故起數(shù)占比58.8%，死亡人數(shù)占比更是達(dá)到了64.9%[2]。

從技術(shù)角度來講，老空積水無規(guī)律性，特殊情況下要想準(zhǔn)確探查老空積水仍有一定難度。同時(shí)受限于現(xiàn)在探查手段的經(jīng)濟(jì)可行性和部分煤礦企業(yè)的管理水平，老空水的探查存在較大漏洞，導(dǎo)致老空透水事故仍然多發(fā)。因此，建立不同條件下老空積水科學(xué)經(jīng)濟(jì)的探查技術(shù)體系，建立相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提高老空水探查的管理和監(jiān)管水平，是進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦水害致災(zāi)因素探查的緊迫性工作。

4.1.2 深部巖溶水探測技術(shù)有待提高

隨著華北型煤田淺部煤炭資源的逐漸枯竭，部分中東部礦井被迫開采距離奧灰含水層更近的下組煤和埋深更大的煤炭資源，例如開灤集團(tuán)趙各莊煤礦關(guān)閉前開采煤層底板承受的奧灰含水層水壓達(dá)到13 MPa以上[36]。深部礦井開采受到高地應(yīng)力、煤層底板高水壓的綜合影響，突水危險(xiǎn)性也更高，對(duì)小構(gòu)造的探查要求也進(jìn)一步提高。由于主要充水水源、充水通道埋深大，又受到淺部采空區(qū)影響，現(xiàn)有的地面物探、鉆探等探查手段成本高且效果較差。同時(shí)，灰?guī)r地層硬度較大，井下鉆探施工效率明顯低于地面裝備[37]，也在一定程度上制約了深部巖溶含水層致災(zāi)因素的探測效率和準(zhǔn)確性。目前，華北型煤田深部下組煤開采水害致災(zāi)因素探查的主要技術(shù)方向?yàn)榫戮C合探查，仍需進(jìn)一步提升深部巖溶含水層致災(zāi)因素探測的技術(shù)水平。

4.1.3 西北頂板砂巖含水層探測技術(shù)體系不健全

我國西北侏羅系煤田已成為現(xiàn)階段煤炭主產(chǎn)區(qū)，開采揭露的頂板砂巖含水層水害也愈發(fā)復(fù)雜，其侏羅系、白堊系砂巖地層多屬陸相河流沉積，巖相非均質(zhì)性強(qiáng)，部分地區(qū)不同層位砂巖組成具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的含水層組[38]。由于含水層組地質(zhì)體的巖性多樣，對(duì)地球物理的響應(yīng)特征各不相同，影響使用物探手段進(jìn)行含水層組富水性探查的精度。同時(shí)，河流沉積地層含水層厚度變化較大，常規(guī)水文地質(zhì)試驗(yàn)手段得出的水文參數(shù)也存在代表性差的問題。目前，針對(duì)砂巖含水層富水性探測，亟需建立能融合多源地質(zhì)、水文地質(zhì)信息及致災(zāi)因素探測結(jié)果的綜合技術(shù)體系，從地下水系統(tǒng)的角度研究侏羅系煤層頂板砂巖含水層水害防治難題。

4.1.4 采掘過程中水害動(dòng)態(tài)探測技術(shù)屬起步階段

煤礦水害致災(zāi)因素在采礦影響下處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，主要表現(xiàn)為含水層富水性演變、斷層等構(gòu)造采動(dòng)活化、覆巖移動(dòng)與破裂等，進(jìn)行采掘過程中充水水源、充水通道的動(dòng)態(tài)探測是避免水災(zāi)事故發(fā)生的最后一道關(guān)卡。目前研發(fā)形成的隨鉆、隨掘、隨采動(dòng)態(tài)探測技術(shù)已經(jīng)成為水害致災(zāi)因素動(dòng)態(tài)探測的重要手段[39]，包含了隨鉆地質(zhì)信息識(shí)別、隨掘地質(zhì)條件物性成像和異常體判斷以及隨采頂?shù)装鍘r層富水性動(dòng)態(tài)變化辨識(shí)等[40]。但受限于開采擾動(dòng)的影響，探查過程中受到的干擾較多，存在物探資料解譯、數(shù)據(jù)采集觀測等系列問題，技術(shù)總體成熟度仍然較低，尚處于起步階段。

4.1.5 關(guān)閉礦井水害致災(zāi)因素探查未得到重視

隨著我國煤礦資源規(guī)模化整合開發(fā)，“十二五”期間淘汰落后煤礦7 100余處，“十三五”期間再次退出煤礦5 500余處，大量礦井關(guān)閉后井巷空間內(nèi)水位逐漸回升，威脅相鄰礦井安全并造成不同含水層地下水串層污染。目前我國針對(duì)關(guān)閉礦井地下水問題的研究主要集中在地下水污染機(jī)理及模擬方面，仍需加強(qiáng)井巷空間內(nèi)水位回升對(duì)周邊生產(chǎn)礦井致災(zāi)因素的探查，以及關(guān)閉礦井水位、水質(zhì)等水文地質(zhì)信息監(jiān)測的研究[41]。

4.2 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

4.2.1 水害致災(zāi)因素綜合精細(xì)探查

針對(duì)現(xiàn)階段煤礦開采向深部延伸和西部轉(zhuǎn)移的現(xiàn)狀，應(yīng)進(jìn)一步提升井下水害致災(zāi)因素探查水平，將水害致災(zāi)因素的探查與地質(zhì)、水文地質(zhì)綜合分析相結(jié)合，加強(qiáng)鉆孔瞬變電磁、鉆孔電法等孔中近距離物探探測裝備、解譯方法研究；研發(fā)能夠精確獲取各類水文地質(zhì)信息的井下定向鉆進(jìn)裝備及技術(shù)；開發(fā)井下先進(jìn)的化探、水文地質(zhì)試驗(yàn)等手段；構(gòu)建集地質(zhì)、水文要素評(píng)價(jià)與鉆探、物探等融合的水害致災(zāi)因素綜合精細(xì)探查技術(shù)。

4.2.2 基于透明地質(zhì)的水害智能探測

隨著我國煤礦智能化建設(shè)進(jìn)程的加快，通過三維地質(zhì)建模構(gòu)建精確的透明地質(zhì)模型，做到水害致災(zāi)因素的隨掘、隨采實(shí)時(shí)探測與動(dòng)態(tài)更新，并開展相關(guān)的防治水工程設(shè)計(jì)與實(shí)施[42]，需綜合提升隨鉆、隨掘、隨采過程中地質(zhì)、水文地質(zhì)信息動(dòng)態(tài)判識(shí)技術(shù)，結(jié)合多因素構(gòu)建水害致災(zāi)因素非線性預(yù)測模型，形成水害致災(zāi)因素動(dòng)態(tài)探測與智能預(yù)測綜合方法，切實(shí)達(dá)到煤礦水害防治的地質(zhì)透明化。

4.2.3 關(guān)閉礦井水文地質(zhì)因素綜合探測與監(jiān)測

目前，國際礦山水文地質(zhì)領(lǐng)域主要研究方向在于關(guān)閉礦井環(huán)境水文地質(zhì)效應(yīng)問題，而國內(nèi)在該方面研究程度尚且不足。今后，需加強(qiáng)專門針對(duì)關(guān)閉礦井水文地質(zhì)因素的地面探測技術(shù)，研究積水淹沒后邊界斷層等構(gòu)造再充水活化性能。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)關(guān)閉礦井水環(huán)境的探測和監(jiān)測，系統(tǒng)研究礦井關(guān)閉后水文地質(zhì)環(huán)境變化效應(yīng)。

5 結(jié)語

開展煤礦水害隱蔽致災(zāi)因素探測與治理是煤礦水文地質(zhì)保障、安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)防控的基礎(chǔ)性工作，也是實(shí)現(xiàn)預(yù)防為主、源頭遏制煤礦水害發(fā)生的有效舉措。新形勢(shì)下，應(yīng)切實(shí)加強(qiáng)各類水害致災(zāi)因素的探查技術(shù)水平，做到致災(zāi)因素全面查清、保證質(zhì)量并治理到位，以便更好地鞏固近10年來煤礦水害防控取得的成就，遏制水害事故多發(fā)勢(shì)頭，切實(shí)保障我國煤炭的安全高效開發(fā)。