煤礦水害探查、防治實用技術應用與展望

卜昌森

（山東能源集團公司，山東省濟南市，250010）

1 引言

我國煤炭儲量與產量豐富，但我國一些產煤大省，如山西、河北等省，由于煤炭賦存水文地質條件復雜，一些礦區煤礦開采過程中，受水威脅的面積、類型、威脅程度都是世界罕見的。近年來，隨著煤炭開采深度的加大，重特大透水事故時有發生，特別是在資源整合礦井內部及其周邊廢棄小煤窯繁多，在煤礦開采過程中，極易溝通老窯積水，造成礦井透水事故。在煤礦突發事故 （除頂底板事故）造成的人員財產損失中，水害事故僅次于瓦斯事故。煤礦水害事故還會導致圍巖侵蝕弱化，誘發次生災害，水資源破壞，資源可采率降低，噸煤排水費用居高不下。

因此，煤礦水害防治技術的研究與應用，對實現我國煤炭資源的安全、高效開采具有重要的現實意義。

2 我國煤礦水害類型、區域及事故特點

2.1 煤礦水害類型與分布區域

我國煤礦水害類型分為Ⅰ～Ⅵ，各水害類型對應的分布區域為：華北石炭-二疊紀煤田的巖溶-裂隙水水害區 （Ⅰ類）；華南晚二疊紀煤田的巖溶水水害區 （Ⅱ類）；東北、內蒙侏羅紀煤田的砂礫巖裂隙水水害區 （Ⅲ類）；西北侏羅紀煤田的砂礫巖裂隙水水害區 （Ⅳ類）；西藏、滇西中生代煤田的裂隙水水害區 （Ⅴ類）；臺灣第三紀煤田的裂隙-孔隙水水害區 （Ⅵ類）。其中對我國煤礦威脅較為嚴重的水害是Ⅰ類和Ⅱ類水害。此外，煤礦還普遍面臨著老空水的威脅。

2.2 我國煤礦水害事故特點

為精確闡述我國煤礦水害事故特點，對“十一五”期間我國煤礦各類水害進行統計分析，統計分析結果如下：

（1）“十一五”期間煤礦水害事故總體特征。“十一五”期間我國共發生各類煤礦事故10339起，死亡人數16811人，見圖1。其中，水害事故發生306起，死亡人數1325人，見圖2。

圖1 煤礦事故起數和死亡人數統計

圖2 水害事故起數和死亡人數統計

隨著我國經濟發展與科技進步，人們對煤礦水害事故的防控越來越重視，2005-2010 年期間水害發生頻率與人員傷亡呈現逐年下降的趨勢：事故起數從2005 年 的104 起 下 降 到2010 年 的38 起，死亡人數由2005年的593人下降到2010年的224人，分別下降63.5%和62.2%。

（2）不同所有制煤炭企業礦山水害特征。“十一五”期間，我國不同所有制煤礦水害事故起數統計如圖3所示，水害事故死亡人數如圖4所示。由圖3和圖4可知：國有重點煤礦＜國有地方煤礦＜鄉鎮煤礦。鄉鎮煤礦是水害事故的多發區，“十一五”期間鄉鎮煤礦發生水害事故238起、死亡963人，分別占煤礦水害事故總數的77.8%和72.7%。因此，應加強鄉鎮煤礦科學規范化管理，以減少鄉鎮煤礦水害事故的發生。

（3）不同水源引發的煤礦水害特征。通常水害類型主要是按照突水水源與通道進行劃分。按照突水水源類型，可將水害類型劃分為大氣降水、地表水 （河流、湖泊、海洋）、沖積層水 （第三系與第四系松散層）、基巖水 （主要是地下承壓水）、老空積水；按照突水通道，可將水害類型劃分為陷落柱突水、斷層突水、封閉不良鉆孔突水、巖溶裂隙突水和沉積缺失天窗突水。

圖3 我國不同所有制煤礦水害事故起數統計

圖4 我國不同所有制煤礦水害事故死亡人數統計

圖5 五種水害類型發生起數

五種水害類型發生起數如圖5所示，死亡人數如圖6所示。由圖5和圖6可知：因地質構造誘發的煤礦突水占總突水的80%以上；在重大煤礦水害事故中，老空水與地表水對礦井安全生產威脅最大；在水害事故起數與死亡人數方面，老空水害分別占92.1%和89.7%，地表水害分別占5.0%和5.1%，其次是奧灰巖溶水。因此，老空水、地表水與巖溶水是煤礦防治水工作的重點。

圖6 五種水害類型死亡人數

3 水文地質異常體探查技術

開采深度不斷增加、礦壓顯現劇烈、水壓不斷升高、隔水層厚度降低等日益復雜的煤礦開采條件決定著水害仍是煤礦安全生產的巨大威脅。尤其由斷層、密集裂隙及 “陷落柱”等構成的富水區域是一種復雜的水文地質 “異常體”，它常使多層隔水層遭到破壞，從而在水壓 （差）的作用下，產生直接向礦井突水現象。目前，針對復雜水文地質異常體的探查技術主要有物探、鉆探和化探等方法。

3.1 物探技術

（1）三維地震勘探技術。煤礦開采過程中水害發生的一個致災因素是煤層頂底板突水。引發煤層頂底板突水的主要地質構造是斷層和陷落柱。三維地震勘探技術已成為煤礦生產中必不可少的物探手段，在很大程度上替代了傳統的地質勘探方法，見圖7。煤田三維地震勘探的主要地質任務是查明區域性煤層中的斷層或其他構造分布情況。三維地震勘探具有大面積密集采集信息的優勢，利用地震信息可以從平面和立體角度研究地層的構造、巖性變化，從而對水文地質異常區域做出判斷，為煤礦防治水工作提供決策依據。

山東能源臨沂礦業集團王樓煤礦在煤礦水害防治工作中成功應用了三維地震勘探技術。該礦的水文地質條件極其復雜，受水害威脅嚴重。王樓煤礦二、三采區地層主要走向為NNE，斷層走向以NNE及近SN 方向為主。同時，地面村莊房屋按東西方向整齊排列，因此三維地震探查線束取東西方向時，既符合束線布設原則，同時也利于數據采集。三維地震勘探觀測系統按八線八炮設計，共計44束測線束，探測王樓煤礦區域性水文地質及富水異常區，為采煤工作面布置及回采提供依據。

圖7 三維地震勘探技術示意

（2）超高密度電法探查技術。超高密度電法探查技術示意圖如圖8 所示。超高密度電法測量原理：以圍巖和含水地質構造的電性參數差異為物理基礎，根據施加電場作用下的圍巖傳導電流的分布規律，推斷工作面掘進頭前方具有不同電阻率的地質構造情況。

超高密度電法測量系統通過在工作面掘進頭布置一定數量的電極，按照一定的序列，自動供入直流電（A、B 電極），測量兩個電極間 （M、N 電極）的電勢差，從而計算出視電阻率剖面。通過對視電阻率剖面進行反演計算，得到工作面掘進頭前方圍巖電阻率剖面。在電阻率剖面中，含水構造表現為低阻，完整圍巖表現為高阻。最終，實現對工作面掘進頭前方地質構造情況進行探測的目的。

超高密度電法測量是目前探測富水區位置及其分布范圍等最有效的技術手段之一。山東能源棗礦集團濱湖煤礦將超高密度電法測量成功應用在煤礦水害防治工作中。該礦16號煤層直接充水含水層為十下灰，底板距奧灰頂界36.62～66.52m，平均51.58m，受區域構造影響，煤層開采受水害威脅嚴重。對161集中材料巷采用超高密度電法探測底板富水異常區及斷層導水性，依據煤巖層電阻率值的大小，劃分正常區和富水異常區。對探測的富水異常區做好相應的防治水準備，以確保煤礦安全生產。

圖8 超高密度電法探查技術示意

（3）瞬變電磁探查技術。瞬變電磁法 （Transient Electromagnetic Method，簡稱TEM）如圖9所示。瞬變電磁法工作原理：利用不接地回線向工作面前方發射一次脈沖磁場，當發射回線中電流突然斷開后，介質中將激勵起二次渦流場，以維持在斷開電流以前產生的磁場 （即一次場）。二次渦流場的大小及衰減特性與周圍介質的電性分布有關，在一次場間歇觀測二次場隨時間的變化特征，經處理后可得到地下介質的電性、規模、產狀等，從而達到探測目標體的目的。

瞬變電磁法應用在煤礦水害探查中，主要可以探測前方水體或富水體的位置及規模，從而有效探明工作面掘進頭前方圍巖體內富水區位置、規模和導水構造情況。

山東能源淄礦集團埠村煤礦應用瞬變電磁法對煤礦水害進行探查。埠村煤礦9111工作面開采9＃煤層，受底板奧灰水威脅嚴重，采用瞬變電磁探測技術對9111工作面上出口和工作面運輸巷進行探測，探測到9111工作面底板以下60 m 低阻異常區。

圖9 瞬變電磁探查技術示意

（4）地質雷達探測技術。地質雷達探測技術原理（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR）如圖10所示。通過發射天線將高頻電磁波送入探測體內部，電磁波在傳播過程中遇到介電常數不同的層面發生反射和透射，接收天線收到反射波信號并將其數字化，對所采集的數據進行相應的處理后，可根據反射波的旅行時間、幅度、相位和頻率等判斷地下目標體的空間位置和形態。

地質雷達探測比較靈活。在實際探測過程中，可根據煤礦水文地質條件、巖層巖性等進行近距離精細探測。山東魯能菏澤煤電公司郭屯煤礦應用地質雷達探測技術進行煤礦水害探查。該礦主要充水含水層有侏羅系砂巖、3＃煤層頂、底板砂巖、太原組三灰和十下灰等，而3＃煤層頂、底板砂巖是開采3＃煤層時的主要充水水源。采用地質雷達對帶式輸送機巷兩幫和拱頂0～30 m 范圍內進行探測，共實施6次探測，由探測結果劃分不同水害類型，為煤礦水害防治技術的實施提供依據。

圖10 地質雷達探測技術示意

（5）鉆孔CT 探查技術。鉆孔CT 原理如圖11所示。借助醫學界X 射線斷層掃描的基本手段，結合巖體物理力學性質的相關分析，采用射線走時和振幅來重構巖土體內部水體聲速值及衰減系數的場分布，通過像素、色譜、立體網絡的綜合圖像展示，達到直觀反映巖土體內部水體賦存結構的目的。

鉆孔CT 探查技術從側視視角對整個鉆孔孔壁進行360°連續攝像，通過圖像特征對孔內地質現象進行定性描述和定量分析。該探查技術具有高分辨率、高井壁覆蓋率和直觀可信等特征。山東能源臨礦集團田莊煤礦3605工作面受水害威脅，采用鉆孔CT 探查技術對富水異常區進行探測，通過聲波在不同介質中傳播速率的不同，得到鉆孔內不同地質體的幾何形態和物理特征，為進一步采取有針對性的防治水措施提供了有力的技術支持。

圖11 鉆孔CT 探查技術示意

3.2 鉆探技術

為確保煤礦安全生產，根據前期物探圈定的富水區，在煤層開采期間仍需在物探的基礎上實施超前鉆探。超前鉆孔探查的目的：驗證物探結果；揭露富水異常區，進行控制性放水，并進行水文地質觀測，了解含導水構造的水文地質條件及水源聯系情況；利用鉆孔對威脅煤層安全開采的富水異常區進行超前預注漿。

3.3 化探技術

化探技術可應用于確定煤礦突水水源特征與分析地下水通道等方面。化探技術在確定地下水連通關系與連通強度、地下水運移路徑、水文地質參數估算等方面具有顯著優勢。常用的化探技術有水質分析（水源判別）、環境同位素分析 （水源判別）、放水性測量 （破碎帶）、離子示蹤試驗等。

4 突水系數法預測煤礦水害

礦井水害的預測預報方法眾多，本文重點介紹突水系數法預測煤礦水害。突水系數法在20世紀60年代被提出，是目前應用最為廣泛的礦井水害預測預報方法。起初采用含水層水壓與隔水層厚度之比作為突水系數，后又考慮礦壓破壞作用，對突水系數進行改進，將采動破壞深度從隔水層厚度中去除。突水系數法的優點是計算簡單，使用方便；缺點是突水系數依據淺埋、小斜長工作面統計獲得，準確度不足。

山東科技大學的學者通過多年實踐研究，提出了下三帶理論，將礦井底板劃分為礦壓擾動帶、有效保護層帶與承壓水導升帶。并將下三帶理論應用于煤礦突水預測工作中。下三帶理論優點是考慮了采動礦壓對底板的破壞和承壓水導升的影響；缺點是依據經驗判斷，進行定性分析，各帶無統一確定方法，力學本質揭示不足。除上述理論外，還有零位破壞、隔水關鍵層、薄板結構、巖-水作用關系等理論。但是，由于現場條件的復雜性以及理論的局限性，都沒有得到很好的應用。

近年來，許多學者運用模糊數學、隨機理論、灰色理論方法、地理信息系統、專家系統、人工神經網絡等開展底板突水預測的研究工作，極大豐富了突水預測方法。

5 煤礦水害防治技術

通過對水文地質異常體的探查和煤礦水害的預測預報，為煤礦水害防治工作提供了重要依據。而采取有針對性的水害防治技術往往可以起到事半功倍的效果。常用的煤礦水害防治技術主要有疏水降壓、注漿改造、帷幕截流技術、注漿堵水、留設隔水煤 （巖）柱、帶壓開采等。

（1）疏水降壓。疏水降壓通常可分為全域全量疏水和局部限量疏水兩種。全域全量疏水是在工作面施工足夠數量的放水孔，盡終孔的能力疏放灰巖水，使工作面的水位降低至安全水頭以下；局部限量疏水是在底板薄弱區進行放水，使水頭降至安全值以下，該方法在水量上可以滿足要求，但水頭降低后的薄弱區由于通道依然存在，仍有突水的危險。疏水降壓可實現以下目的：把充水含水層中的水進行疏排，使富水含水層變為貧水層或疏干；通過疏放，降低含水層水位和作用在煤層底板的承壓水頭，實現不帶壓開采或在安全水頭壓力下開采。但是，疏水降壓是針對有限補給能力的含水層，主要是靜儲量疏干，對補給豐富的含水層則不太適用。疏水降壓方式主要有地表抽排、巷道揭露、井下鉆孔等。

疏水降壓技術在山東巨野礦區龍固煤礦、鄆城煤礦以及濟寧礦區王樓煤礦的頂板砂巖水與底板灰巖巖溶水防治方面得到了廣泛的應用，取得了良好的經濟效益。

（2）注漿改造。隨著我國越來越多的煤礦進入深部開采階段，煤礦面臨著高水壓、薄隔水層的威脅。為解決這個難題，注漿改造技術越來越受到科研工作者和技術人員的重視。注漿改造基本原理是漿液注入受注層，使受注層原來被水占據的孔隙或通道形成阻水整體，封閉突水水源與通道，從而實現改善隔水層的地質條件、加固底板隔水層、提高隔水層的抗破壞能力目的。造漿可分為地面造漿與井下造漿，這兩種造漿都是十分高效的生產方式。自動化與智能化注漿系統見圖12，這種方法也逐步投入使用。注漿改造技術取得的代表性成果主要有山東肥城礦區薄層石灰巖注漿改造技術、河南焦作礦區底板含水層改造及隔水層加固技術、山東淄博礦區底板隔水層加固技術等，成功解放千萬噸煤炭儲量，經濟效果顯著。

圖12 自動化與智能化注漿系統

（3）帷幕截流技術。隨著煤礦開采深度的加大、開采成本的增加，帷幕截流技術正逐漸在解放受水威脅煤層等方面推廣應用，取得了良好的技術經濟效果。帷幕截流技術利用已有的阻水邊界，在承壓含水層周邊構筑止水帷幕，截斷井田區域徑流補給，改造井田含 （導）水構造，保障下組煤安全開采，并解放受水威脅的煤炭資源儲量。山東肥城礦區白莊煤礦采用帷幕截流技術開展了四灰帷幕截流工程，成功解放下組煤炭資源儲量3.5 Mt。白莊煤礦帷幕截流工程如圖13所示。

（4）注漿堵水。注漿堵水是超前注漿改造的一種補充手段。對于涌水量不大的地層可先行通過，后注漿堵水；對可能發生大規模突水的地層，必須堅持 “先治理，后開采”的方針。此外，注漿堵水難度和成本通常遠大于超前注漿改造。山東巨野礦區郭屯煤礦采用注漿堵水技術成功封堵了帶式輸送機上山、總回上山等9個高壓裂隙涌水點；龍固煤礦主井井筒在穿過高壓、大水量含水層時，采用注漿堵水綜合治理方案，在止漿墊及井筒下掘施工期間，實際揭露井筒全工作面涌水量為0.8 m3／h，工作面上基本無水，井筒快速穿過了 “三灰”，由于注漿堵水后的水量極小，使井壁澆筑質量明顯提高。

圖13 白莊煤礦帷幕截流工程示意

（5）留設隔水煤 （巖）柱。留設隔水煤 （巖）柱是指在水下、承壓含水層上或斷層附近采掘時，為防止地表水或地下水 （包括老窯積水）的潰入而留出一定寬度或高度的部分煤 （巖）層。在煤層露頭、采區邊界、突水通道邊界等處留設煤 （巖）柱，可提高隔水層厚度，滿足 《煤礦防治水規定》中突水系數要求，降低礦井突水發生概率。該方法通過提高巖層阻水性，預防突水事故的發生，但會降低煤炭資源的采出率。經初步計算，僅蘇魯豫皖各省煤礦留設的松散層防水煤柱就有5Gt之多，形成了大量煤炭呆滯儲量，且長期得不到開發利用。如何在確保生產安全的前提下，盡量縮小防水煤柱尺寸，解放更多的煤炭資源，是煤礦防治水科研工作者所面臨的一個重大課題。

（6）帶壓開采。帶壓開采即利用隔水層的有利條件，在不疏降或少疏降水壓、不改造或局部改造含水層、不加固或局部加固隔水層的情況下，實現安全采煤的目的。一般認為，帶壓開采適用于底板具有一定厚度的隔水層或者采場構造相對簡單、無直接貫通含水層的通道等條件。但是，需要對其阻水抗壓的性能做出評價，不但要評價其數量大小，而且還要評價其可靠性，從而得出巖體阻水、抗壓能力的安全儲備系數，如阻水系數或帶壓系數。帶壓開采技術一般與注漿改造技術、疏水降壓技術聯合使用。帶壓開采技術在山東肥城礦區、淄博礦區以及巨野礦區都取得了良好的應用效果。

（7）煤礦水害綜合防治技術。煤礦水害綜合防治水技術是集水文地質分析、水害預測預報、突水風險評估、水害防控、采礦設計于一體的綜合技術體系。該技術體系以實現技術、經濟、資源和環境利益最大化為目標。任何一種防治水技術并非孤立存在，通常聯合使用。煤礦水害綜合防治水技術可在以下幾方面加以推廣：實施疏水降壓和集中可控排放，實現煤水共采；封堵奧灰向淺部含水層的補給通道，然后疏水降壓，實現對受水威脅的煤層安全開采；利用注漿改造技術封堵水源與通道，將隔水煤柱安全采出。

6 煤礦水害防治技術展望

6.1 水害探查技術展望

水害探查技術包括地球物理探查、水文示蹤與水化學分析、鉆孔探測和工程原位實驗等。隨著人類對水患發生機理認識的深化，現有的水害探查技術方法將得到進一步改進或完善；新的、更有效的水害探查方法將把地質或水文地質過程當做非線性、動態、隨機的過程進行探查，水害探查技術的準確性將會大大提高。理想的水害探查設備與軟件系統應當在高精度三維定位的基礎上，具有集自學習、解唯一性、精確定位、預測預警與防治水設計于一體，易于現場人員掌握等特點。其發展的必由之路包括提高信息利用率，發展精細物探技術，在煤礦水害分析方法上實現從定性分析到半定量分析，最終實現完全定量分析。

6.2 水資源保護與綜合利用技術展望

水資源是人類賴以生存和發展的基礎，是人類社會得以持續發展的保障。我國是一個煤炭生產大國，為了確保煤礦井下安全生產，必須排放大量礦井水。礦井水一方面可導致地質災害的發生，嚴重威脅著礦井安全生產；另一方面，大量的礦井水外排，不僅對周邊環境造成污染，更是對水資源的巨大浪費。因此，對數量可觀的礦井水進行綜合利用，可提高水資源利用效率，減輕礦區環境污染壓力，有利于礦區的可持續發展。

未來礦井水綜合利用方向主要包括生產用水和生活用水。其中，生產用水又分為工業用水和農業用水。生產用水對水質要求不高，一般礦井水經過簡單凈化處理即可滿足要求。礦井水作為生產用水時主要考慮以下幾方面用水：井下灌漿、降塵、采掘機械等井下用水；礦區綠化、道路灑水；鍋爐補充水；礦區建筑中水；洗煤廠補充水和熱電廠循環冷卻用水；施工用水；農田灌溉用水等。

6.3 水害治理技術展望

綜觀我國煤礦水害治理技術現狀，可以看出在過去幾十年中，我國防治水工作者在對不同水文地質條件探測、水害發生機理及預測預報、水害治理等方面都探索出了一系列實用、有效、可操作性強的技術方法。其中有的已形成規范化工作程序，有的則形成了配套技術。水害治理技術應重點在以下幾方面加以突破：

（1）新技術、新材料與裝備研發與應用。新技術、新材料與裝備的研發與應用之一，是將地下水、地熱、瓦斯看做與煤伴生的資源，進行煤-水-熱-氣共采，實現 “變害為寶、一井多用”。同時，進一步提高科研創新與成果轉化能力，使更多高效防治水技術裝備投入使用，降低煤礦防治水成本。新技術的成功應用將突破傳統突水風險評定體系，大規模解放受水威脅的煤炭資源，提高資源利用率。

（2）采用充填開采技術，預防突水事故的發生。充填開采技術目前主要包括矸石充填、 （似）膏體充填、高水充填和超高水充填開采技術。充填開采技術能夠有效抑制采場頂板覆巖下沉運動，顯著減小采場在采動礦壓作用下底板破壞深度，避免構造活化和垂向裂隙發育形成高壓巖溶突水通道，從而有效控制底板承壓水與頂板含水層，實現煤炭資源安全開采。

6.4 信息技術在煤礦防治水中的應用展望

目前，信息技術在煤礦防治水決策中的重要性尚未在防治水領域內達到共識。在生產和工程實踐中，往往存在著防治水決策信息缺乏和冗余兩種傾向，嚴重制約防治水工程的有效實施和防治水手段的科學運用。

有些勘探工程本已揭露了某類水文地質結構，得到防治水信息。但由于參與信息加工的人缺乏經驗，使一些有價值的信息被忽略，結果導致重復勘探，造成了不應有的經濟支出和浪費。因此，信息技術有助于勘探工程的優化。應樹立煤礦信息資源概念，開發和利用好現有各類信息資源，使之更好地服務于煤礦安全生產。計算機科學技術的發展為煤礦信息資源的開發提供了有利條件，多渠道獲得的信息并非孤立的，通過數字同化處理后，進行有機結合，共同為煤礦水害防治工作提供技術支撐。同時發展煤礦物聯網技術，構建信息采集-分析-決策機制，捕捉突水隱患與前兆等水害信息，實現避災和災前預警。

7 結語

煤礦水害一直是困擾煤礦安全生產的自然災害。通過對煤礦水害類型的劃分與分布區域的分析可知，加強鄉鎮煤礦科學規范化管理，是減少煤礦水害事故的重中之重。對于水文地質異常體的探查，以及對煤礦水害的預測，為進一步采取相對應的煤礦水害防治技術措施提供依據。近年來，煤礦水害防治技術在多個方面取得了長足進展，特別是物探技術的進步為突水水源和通道精確探查奠定了基礎，但在垂向含導水構造探測方面仍需加強。將水文地質異常體探查技術、煤礦水害預測方法與煤礦水害防治技術有機結合，可實現煤礦防治水的理想效果。

礦井水資源的綜合利用，對煤炭產業綠色、可持續發展具有重要意義。伴隨信息與數字技術的發展，煤礦水害防治技術正逐步向數字化、信息化方向發展。

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