煤礦水害原因分析及主要防治技術研究

張偉

(河南省新鄭煤電有限責任公司 河南鄭州 451184)

當前，我國相關部門重點關注煤礦水害的防治，歸納總結了豐富的經驗，技術研發也取得了良好的成績。為增強煤礦水害防治效果，應切實分析水害災害的發生原因，針對性地進行防治，采用先進的水文化學技術、物探技術、疏干降壓技術等增強水害防治的效果，確保提升煤礦生產的安全性，充分發揮各類防治技術的價值。

1 煤礦水害分析

1.1 采空區積水

煤礦開采過程中，如果沒有全面調查井田周邊老窯、廢棄礦井，未及時發現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，將會導致在巷道區域和采空區域形成積水區，在開采作用的影響下，導致相鄰或上部采空區域的積水潰入回采區域，從而引發透水事故。

1.2 含水層突水

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

1.3 鉆孔水問題

礦山生產之前需要進行調查和普查，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，使其成為垂直性的過水通道，最終出現嚴重的水害事故。

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，可能會導致出現地表孔隙或是裂縫擴展的現象，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通通道，如若煤礦生產的過程中沒有建設較為良好的地表排水系統，或者是出現了強降雨天氣，會導致水沿著裂隙進入巷道內，進而引發水災事故。

1.5 斷層水問題

煤礦開采過程中，可能會由于褶皺構造的限制，面對傾斜層或是傾斜煤層，煤巖結構的走向與方向發生改變，甚至還會存在斷裂構造，礦井內的斷層數量較多，斷層上部分盤羽張裂發育，可能會形成富水區段，涌水概率和出水概率較高，甚至還會發生突水事故。

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，傳統開采工藝技術在應用的過程中，可能會使得開采作業過程中留下很多數量的廢棄老窯，此類廢棄老窯處于長期積水的狀態，再加上缺乏充足的水文地質資料和數據信息，很難準確掌握具體的狀況，無法有效預防出現水害的災害問題。另一方面，在實際開采生產的過程中經常會出現無序作業的現象，積水的數量增加，不能有效進行水害災害的預防控制，使水害事故的發生率難以控制。

2.2 地下結構復雜

由于煤礦生產過程中地下結構較為復雜，存在很多地下水運移的空間和存儲空間，這也是水害問題發生率較高的重要原因。實際生產的過程中沒有編制完善的地下結構調查分析方案，不能全面掌握地下結構的特點和實際情況，沒有制訂提前預防水害災害的方案計劃，最終引發嚴重的后果。

2.3 缺乏完善管理模式

部分煤礦生產企業在實際工作中過于重視經濟效益的發展，忽視日常生產的安全管理，沒有制訂完善的安全管理方案和計劃，不能結合水害問題的發生特點與原因，提前進行預防與控制，一方面，生產之前沒有全面分析水文地質資料和地下結構的特點，未能提出預防水害災害事故的方式方法，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，煤礦生產企業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的職責要求，無法嚴格進行生產安全管控和維護，難以對水害災害進行良好的防控。因此，煤礦企業在實際生產的過程中，需要轉變傳統的管理觀念，制定較為完善的管理模式，結合煤礦生產特點和水害發生的原因，明確各個部門安全生產的職責要求，引導各個部門全方位進行水害的防治，積極采用現代化的防治技術，才能夠在根本層面預防水害事故的發生。

3 煤礦水害的主要防治技術

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過程中頂板水的有效防治，應積極采用地面與井下瞬變電磁勘探的技術措施，全面探測開采區域頂板的富水性，將疑似富水的區域標定出來，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，應重點使用超前鉆孔預先疏放的技術措施，降低回采過程中頂板水所產生的影響。與此同時，還需在工作面設置防水和排水的系統，以運輸巷為基礎，全面進行正坡度的挖掘，一直維持內高外低的狀態，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較為良好的排水系統，增強系統的排水性能，按照具體的工作經驗，將工作面的排水系統性能控制在每小時排水500 m3，采空區域與礦井區域的排水性能也必須要符合要求，從根本層面規避水害事故的發生。

3.1.2 含水層水害的防治

煤礦生產期間一旦發生含水層水害，將會導致出現頂板或底板透水事故，由于出現此類事故的原因非常繁瑣復雜，因此，應做好當地區域的地質調查工作，制訂針對性的水害防治方案計劃，尤其是在發生頂板突水事故的情況下，必須利用抽水技術和防水技術，使得含水層之內的水疏干，合理進行防隔水煤柱的預留，有效進行含水層水害的預防和治理。

3.1.3 采空區水害的防治

目前，我國煤礦生產期間自然冒落類型的采空區數量較多，礦井上方位置或是側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，如果不能合理處理，將會引發采空區水害，因此，建議在煤礦生產期間全面勘察采空區積水的范圍和數量，按照具體狀況，科學利用疏通技術和排水技術進行水害的防治，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

為有效預防和控制地表水水害事故，應做好提前的水文地質觀測工作和勘察工作，一旦發現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，預防大雨天氣下發生自然災害問題，避免地表水進入井下通道引發水害。

3.1.5 斷層水水害的防治

煤礦生產企業在進行斷層水水害防治的過程中，應重點采用動態觀測技術，及時進行水害的預報，按照斷層水文資料和數據，準確預測可能會發生的水害，提前進行預防和治理，同時，還需在煤礦采掘平面圖內標注出水點的節點，動態觀測地下水的水溫情況、數量情況和性質情況，合理進行處理，避免發生突水的事故。

3.1.6 鉆孔水水害的防治

煤礦生產人員在全面進行鉆孔平面調查分析之后，還需進行封孔質量的檢驗和檢查，或是指導相關的施工部門嚴格采用現代化封孔技術措施，增強封孔工作質量，達到防控水害的目的[1]。

3.2 水文化學技術

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，可采用水文化學技術分析突水點是否出現了化學成分的變化，這樣在一定程度上可以準確進行目標層注漿效果的評估，及時發現注漿工作的問題，提出能夠確保注漿堵水質量的建議，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方式，全面分析礦區含水層內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系，明確其導水性能和斷層阻水性能，準確計算水力傳導系數的指標和孔隙度的指標，以此為基礎有效進行水害的預防和控制。從本質層面而言，水文化學技術的應用成本較低，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，我國水文化學技術開始向著更為簡單、更為先進的方向發展，部分新的儀器設備和技術還在研究開發，建議在煤礦生產中，按照技術研發的成果積極采用前沿的技術措施，從而提升水害防治工作的有效性與可靠性。

3.3 物探技術

煤礦生產企業在水害防控期間采用物探技術，不僅能夠為防治工作的有效實施提供準確依據，還能避免出現防治工作的不足或是問題。因此，建議煤礦生產企業歸納總結物探技術的應用經驗和方式方法，按照生產特點和實際情況，構建較為完善的物探技術應用機制，從根本層面提升水害治理工作技術的應用效果。首先，在采用物探技術的過程中需要按照各種類型巖石和礦層的密度差異、性質差異和電阻率差異，引進現代化的物探儀器設備，對地球物理場的變化特點進行探測，做好物理參數的分析工作和圖解分析工作，按照開采地區的地層構造特點和巖石力學性質特點，定性或者定量解釋地質結構的狀態和形態，明確空間位置的情況，準確預測老空水和導水斷層等，使得煤礦生產企業能夠科學進行水害的防治。其次，在采用物探技術的過程中可以將其分成不同的方法，例如：電法物探技術，獲得煤礦地下水和地下結構的電剖面圖、電測深數據結果，和瞬變電磁的分析結果。也可以采用遙感技術措施，按照煤礦生產地質結構的特點，合理選擇不同的物質碳技術，通過驗證分析之后獲得準確結論，例如：實際工作中可以使用直流電法技術在井下進行含水層富水性的探測與導水構造的探測，根據具體的探測結果進行分析研究，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

如果礦床是在隔水層內或是弱含水層內，而礦層結構頂板位置、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，就可能會出現突發性突水涌沙的事故，此情況下就應采用疏干降壓的技術措施，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先階段和平行階段，預先階段在執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域、地下區域和地表地下聯合性的疏干。第二，疏干降壓期間還可以采用大井法，實現地下處理的目的，主要原理就是在開展工作面每層的開采工作以后，頂板出現垮落的現象，對含水層造成影響，水流開始進入采空區域位置，采空區周圍發生降落的現象，此情況下可以將巷道系統當作是一個“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，頂板的含水層水位會有所降低，降低到底板的區域位置，相鄰每層頂板的含水層開始疏放，以此消除采掘工作環節中的水害風險隱患。在具體工作中建議將注漿技術和疏干降壓技術有機整合，通過帷幕淺截注漿堵水的技術措施，在煤礦生產過程中達到疏干和堵漏相互結合的目的，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，保證生產的安全性[3]。

3.5 注漿技術

采用注漿技術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，提高巖層結構的強度和穩定性，降低礦井排水的負擔，確保工作的效率和質量，減少煤礦生產的成本，起到井巷薄弱位置加固的作用，避免出現突水問題，延長礦井的應用壽命。首先，應合理選擇使用注漿原材料，可直接應用水泥材料或是水泥與水玻璃混合的漿液材料，減少生產成本，但是考慮到此類材料在硬化之后很容易出現收縮的現象，導致發生裂縫問題，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，應用的過程中能夠注入巖石結構深部區域的細小裂縫，增強巖石結構的抗滲性能和穩定性，起到堵水的良好作用。其次，通過注漿技術全面進行巖體結構縫隙的封堵處理，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

從本質層面而言，防水閘墻主要是臨時性或是長期類型的阻水結構，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，不可以出現變形問題、透水問題和位移問題，煤礦企業在進行水害防治期間，應結合水閘墻修筑的位置，在硬度較高、不存在裂隙的巖石區域合理構建防水閘墻，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為著墻體結構的厚度指標；r為著墻體結構內半徑；Kp為著墻體結構臨界抗壓強度指標；P為著結構承受水壓的指標。在防水閘墻砌筑工作中，應嚴格進行各類參數的選擇和設置，確保主墻體修筑的質量符合標準，反復性進行注漿，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

煤礦企業在實際工作中，應積極采用信息化技術。首先，構建數據共享的模型，將煤礦水害防治的數據信息共享給各個部門，使各部門都能全面掌握煤礦生產過程中的水文地質信息、測量信息、水位監測和水壓監測數據等，全面了解水害風險隱患的情況。其次，重點應用信息技術構建較為完善的水害應急救援指揮決策模型，整體軟件系統面向井下工作人員、地面的調度指揮和決策中心、相關的主管部門，井下工作人員可以及時進行事故地點和發生原因信息的傳遞，獲得最新的消息，了解最為良好的避災方式和救援方式、采集井下周圍的數據信息，而地面調度指揮中心和管理部門則負責按照突發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急救援預案方案，實時性進行指揮調度和管控，在此過程中主管工作人員可以共享數據信息，除水害防治的措施和建議，呈進行調控和管理。最后，煤礦企業還需采用信息技術構建水害防治預警系統與監控管理系統，便于按照不同水害問題的發生特點和情況，有效進行水害防治[6]。

3.8 綜合勘測技術

為了能夠準確進行斷層地質構造和陷落柱地質構造的查找，準確探測隱蔽地質構造特點，煤礦企業應積極采用綜合勘測的技術措施。首先，采用鉆探的技術措施，通過鉆孔探測設備和工藝技術，全面收集煤礦地下水的數據和水害風險數據，充分發揮探測技術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，構建相應的時間剖面，以此為基礎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據結構、疊后時間偏移數據結構、疊前時間偏移數據結構，利用斷層成像的方式，明確分析煤礦區域地下水的分布規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，在井下設置多匝矩形發射線框，利用重疊回線設備開展探測工作，將側線設置在軌道巷與膠帶巷之內，測點之間的距離控制為10 m左右，轉換不同角度對工作面內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 結語

綜上所述，煤礦生產過程中常見水害問題主要涉及到采空區積水問題、含水層突出的問題、鉆孔水問題和地表水問題的，發生的原因就是開采工藝技術較為落后，煤礦生產地下結構非常復雜繁瑣，缺少非常良好的管理模式。因此，建議煤礦企業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，采用水文化學技術和物探技術，綜合運用疏干降壓技術與注漿技術，根據具體狀況，因地制宜采用信息化技術、防水閘墻技術和綜合勘測技術，以此增強水害防治的有效性。