開展水害致災因素普查 防范煤礦水害事故發生

武 強，郭小銘，邊 凱，杜 鑫，許 珂，卜文揚，曾一凡

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

0 引言

我國“相對富煤、貧油、少氣、缺鈾”的資源稟賦條件，決定了煤炭在未來相當長的時間內其主體能源地位不會發生根本改變。由于我國陸地由多個構造板塊經多序次地質構造運動拼接而成，地質條件差異極大且較為復雜，也使得我國成為世界上煤礦水文地質條件總體最為復雜的國家[1]。

近10年來，全國煤礦水害事故發生的起數和死亡人數總體趨于減少，2016年以來，我國煤礦水害致死事故起數每年在10起以內、水害死亡人數約50人左右，其中2022年煤礦水害造成的死亡人數占全國煤礦各類事故死亡人數的6.9%，如圖1所示。通過分析2016年以來煤礦水害情況，可以明顯發現煤礦水害死亡人數出現了極大波動，如2021年雖然僅發生4起煤礦水災事故，但其死亡人數達到48人[2]。除此之外，還發生了大量水害涉險事故、水害停產事件等，嚴重制約了煤礦安全生產。由此可見，新時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生和群死群傷的本質特征，極易引發重大人員傷亡。

圖1 近10年全國煤礦水害致死事故數量及死亡人數

根據煤礦區地質、水文地質條件的差異，我國煤礦區可劃分為6個水害區：華北石炭二疊紀煤田巖溶-裂隙水、華南晚二疊世煤田巖溶水、東北侏羅紀煤田裂隙水、西北侏羅紀煤田裂隙水、西藏-滇西中生代煤田裂隙水、臺灣新近紀煤田裂隙-孔隙水等水害類型。由于煤炭賦存及開采歷史不盡相同，各分區的致災因素也各不相同，致災因素的探查難度極高，這也是導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，重視和持續加強煤礦水害隱蔽致災因素普查研究，提升水害隱蔽致災因素的理論研究、探測技術和治理技術水平與裝備能力，從致災因素源頭上有效遏制煤礦水害事故，是“十四五”時期我國煤礦水害防治的重點任務。

1 水害致災因素分類和特征

煤礦水害致災因素總體可以分為充水水源和導水通道兩大類。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、面狀裂隙網絡(局部面狀隔水變薄區)；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、底板承壓水導升帶、地面巖溶塌陷帶和封閉不良鉆孔等。此外，部分區域存在的古河床沖刷帶、天窗和燒變巖等不良地質體，也是造成煤礦水害的致災因素。通過對影響煤礦水害的主要致災水源、致災通道進行分類(表1)可明確各類致災因素的特征，是煤礦水害致災因素探查的前提。

表1 煤礦致災水源、通道分類

1.1 主要致災水源及特征

1.1.1 大氣降水

大氣降水作為充水水源，其致災時間與大氣降水時間具有同步相關性或固定時間的延遲相關性，其致災性與降水強度和降水量有關，且一般與降水量呈正比例關系[4]。極端性惡劣天氣誘發的暴雨、洪水等巨量地表水通過礦井出入口、地裂縫直灌井下，具有突發性和隨機性，該因素一旦致災常常造成災難性后果[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，采礦活動及其影響范圍一旦與其形成水力聯系，也會造成比較嚴重的礦井水害[4]。地表水作為間接充水水源，經常構成給定水頭的補給邊界，成為礦井水較穩定的主要來源，水量穩定不易疏干。地表水如通過井筒、巖溶、斷裂帶、老空塌陷區等直接貫通井下，往往來勢兇猛，會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水空間可以分為孔隙水、裂隙水和巖溶水。孔隙水多賦存于松散層及弱膠結含水層中，對于煤層頂板賦存薄基巖厚松散層而言，當垮落帶不直接影響松散層時，頂板孔隙水多以比較均一的滲入形式向礦井充水，水量穩定、持續性強，但一旦垮落帶直接影響到松散層，極易引發潰水潰沙災害，嚴重威脅礦井生產。頂板基巖孔隙-裂隙含水層主要通過采動裂隙進入采掘空間，致災強度與含水層厚度、富水性等有關。孔隙-裂隙含水層富水性非均質性較強，在構造裂隙的優勢導水通道方向富水性較好。如果采動裂隙溝通了優勢導水通道，則水量較大，易發生突水事故。巖溶含水層具有極強的非均質性，在華北地區多以底板涌水點的形式向礦井涌水，水量穩定、持續時間很長；采掘擾動水壓較高的巖溶含水層，會引發底板突水事故，水情迅猛突然，短時間內淹井；在西南地區，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，礦井水量突增，甚至會超過礦井的排水能力而淹工作面或采區。

1.1.4 老空水

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

1.2 主要導水致災通道及特征

1.2.1 巖溶陷落柱

巖溶陷落柱是我國華北煤田廣泛發育的一種極富區域特色的地質現象，常可作為強導水通道，導致奧陶系灰巖突水事故。從區域尺度來看，陷落柱屬于一種點狀通道型致災因素[6]。80多年來，華北型煤田因其導致的重特大突水淹井事故多達20余起[7]。巖溶陷落柱的導水形式多種多樣，有柱體本身導水、陷落柱四周或局部密集的次生帶導水等。煤層底板存在巖溶陷落柱時,由于局部應力集中加強，關鍵層的最小主應力進一步降低，承壓水的滲水軟化和壓裂擴容的相互作用使底板巖層破壞裂隙沿最薄弱方向進一步擴展，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是控制煤層底板突水的重要因素[8]。巖溶陷落柱空間產狀不規則、致災機理復雜，且發育位置難以預測，治理難度大，其作為隱蔽水害致災通道隱患較大。

1.2.2 斷裂構造

據統計，華北煤田約80%的工作面突水事故均發生在斷層破碎帶附近[9]，斷裂構造作為一種線狀通道型致災因素，導水能力與水力性質、密度、規模和充填特征以及采動誘發斷層活化特征關系密切[10]。多數涌(突)水發生在小構造附近，但受井下探查條件限制，還不能較準確預測巷道前方隱伏小構造。斷裂構造的導水性與其所處的應力狀態密切相關，原始地應力疊加采動應力、水壓力使斷裂構造的導水性趨于復雜化，隱蔽致災性增強。

1.2.3 采動裂隙

煤層開采引發覆巖破斷形成導水裂隙帶，是頂板涌水的主要通道[11-12]，屬于面狀網絡通道型致災因素，其發育高度受采煤方法、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。我國西部煤礦區現代化工作面高強度開采，導水裂隙帶超高發育，使得礦井涌水量明顯大于以往對該區水文地質條件的認識；同時覆巖破斷過程中由于其不協調運動，形成頂板離層積水，一旦潰入井下往往出現脈沖式涌水，易造成工作面、采區被淹。

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，屬于面狀網絡通道型致災因素，其發育深度受開采深度、煤層傾角、開采厚度、工作面斜長、底板抗破壞能力、構造、采煤方法等綜合影響[13]，多數情況下對底板突水有一定的誘發與促進作用[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量不佳而形成垂向線狀通道型致災因素，該通道受人為影響，且規模相對較小，具有較強的不可預知性和難以探查的特點。生產過程中，一旦揭露導通了各類含水層的封閉不良鉆孔，會引發突水、突泥現象，有時還會有持續的高強度涌水[15]。

2 水害致災因素探測技術

近年來，水文地質勘查新理念、新技術、新方法不斷發展，探測手段不斷豐富，隨采、隨掘動態探測也為煤礦隱蔽致災因素的探測指明了新方向。

2.1 無人機地形圖測繪

水文地質測繪是隱蔽致災因素普查的主要手段，主要包括地貌地質、地表水體、地面巖溶、井泉、老空等。隨著遙感技術在水文地質測繪領域的深入研究，全球衛星定位系統、地理信息系統、航拍、數字影像、互聯網等技術手段在地面隱蔽致災因素探查中發揮了重要作用。山西某礦航拍地形測繪的成果如圖2所示，通過無人機航拍獲得的影像，利用專業軟件完成影像拼接、內業處理，可實現攝影及測圖流程一體化，有助于判識區域內地面的各類隱蔽致災因素。

資料來源：山西省煤礦隱蔽致災因素普查典型經驗材料匯編圖2 某礦航拍測繪成果

2.2 地球物理探測技術

目前在煤礦水害隱蔽致災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、直流電法勘探技術、電磁法勘探技術以及綜合地球物理勘探技術。

2.2.1 地震構造勘探技術

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

圖3 某工作面斷層井下槽波探測構造解釋

2.2.2 直流電法勘探技術

直流電法在我國地面探查應用中較早，但直到20世紀80年代，因國內多個礦井接連發生嚴重的底板突水淹井事故才得到重視，并開展井下災害異常礦井直流電法探測等研究工作。直流電法勘探技術主要包括高密度電法、網絡并行電法、并行高密度電法及并行地電場監測技術等，其中直流電法以巖、煤導電性差異為基礎，分析人工施加穩定電流場作用下地層傳導電流分布規律，主要用于富水性目標體的探測、注漿效果檢驗、導水裂隙帶等滲流通道監測、動態預測水量變化以及礦井突水監測預警等[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因素普查典型經驗材料匯編圖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

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行地質信息采集，工作強度小、測試速度快、高效靈活。經過30多年的快速發展，形成了以瞬變電磁(TEM/MTEM)、無線電波坑透、可控源大地電磁(CSAMT)及電磁輻射監測等技術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，以巖(礦)石、地質構造等電性分布規律差異為應用前提，對巷道掘進工作面、圍巖、頂底板結構及富水區、巖溶陷落柱、導(含)水斷層、采空區等異常進行探測。近年來研發出鉆孔瞬變電磁探測裝備與技術，可將儀器線圈置于超前鉆孔內，以便線圈更接近目標探測體[18]，該方法施工效率高，成本相對較低，應用極為廣泛。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

由于礦井地質災害因素多種多樣、施工環境惡劣，礦井物探往往存在工作任務復雜、背景干擾嚴重的問題。單一物探方法不僅受地質異常體物性特征的局限，而且受到井下環境的強干擾，其勘查和解釋精度常常無法達到理想效果。近年來形成了以微震與電法協同、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同、震電磁三場協同、隨鉆隨掘隨采探查等技術為主的綜合地球物理勘探技術，實現了礦井中小地質異常體的有效探測。圖6為某工作面礦井震電聯合解釋推斷成果[19]。

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

圖6 工作面礦井震電聯合解釋推斷成果

2.3 鉆孔探測技術

鉆孔探測是一種最直接的隱蔽致災因素探查技術，具有直觀性強、適應面寬等優勢，按照施工的空間分為地面鉆探技術和井下鉆探技術。

2.3.1 地面鉆探技術

地面鉆探是利用一定的鉆探機械設備從地表向下鉆進的一項工程，主要由旋轉系統、提升系統、動力系統、泥漿循環控制系統等構成。鉆探方法由回轉鉆進逐步發展到沖擊鉆進、沖擊-回轉鉆進、振動鉆進等。地面鉆探技術常用于導水裂隙帶、構造、封閉不良鉆孔等水害致災因素的探查。

2.3.2 井下鉆探技術

井下鉆探主要包括常規回轉式鉆探和定向鉆探，主要用于斷層等構造、含水層富水性、老空水、頂底板破壞帶等各類水害致災因素的探測。井下鉆探距離目標體更近，具有明顯的成本優勢，且探查過程中可直接測量水量、水壓、水質等多種水文地質信息，更好地判識各類致災因素的水文地質特征。由于定向鉆探具有軌跡可控、施工靈活、性能較好等特點應用更為廣泛，尤其是近年來，研發出了針對高水壓、硬灰巖地層定向鉆進施工的專用配套裝備，將煤礦井下可鉆巖層抗壓強度達80 MPa，可抗水壓能力達6 MPa，基本滿足了各類隱蔽致災因素探查的需求[20]，也拓寬了井下定向鉆進的應用范圍。

2.3.3 配套探查方法

鉆孔施工完畢后，通過在鉆孔內配套開展各類測井工作，可以更好地查明各類水害致災因素的特征。利用鉆孔配套開展抽水試驗、注水試驗、放水試驗等，探查含水層、導水通道的富水性、水力聯通性等；利用鉆孔成像儀拍攝孔壁圖像進行分析，判斷地層展布、地質構造、裂隙發育等，分析水害致災因素特征；同時，配套相關的孔中瞬變電磁、直流電法、鉆孔雷達、鉆孔電磁波透視等系列物探技術，可實現鉆孔內水害致災因素的近距離探測，查明其物性異常并分析水文地質特征。

2.4 其他輔助探測技術

除了前述的水文地質、地球物理勘探以及鉆探技術外，化探、抽放水試驗等技術在煤礦水害致災因素探測方面也發揮著重要作用。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，主要應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。抽放水試驗是以地下水逕流理論為基礎，通過觀測鉆孔水量和水位的變化來獲取水文地質參數，為評價水文地質條件、預計涌水量、分析疏干降壓可行性等工作提供依據，是礦區水文地質工作中查明勘探區水文地質條件并對地下水進行定量研究的重要方法。

目前我國煤礦水害致災因素探查技術取得長足進步。煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術與裝備的應用，顯著提升了隱蔽致災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，初步實現了對富水性和含水量的聯合探測；井下定向鉆探與孔中物探聯合的探查技術，克服了鉆探探查“一孔之見”的弊端；“隨采隨探、隨掘隨探”致災因素動態探查技術，能夠更好地掌握采掘動態影響下充水水源、充水通道的動態影響與變化；水害隱蔽致災因素探測與基礎地質、沉積等信息融合判識，提升了水害預測預報的準確度。

3 水害預測預報方法與治理技術

“預測預報”是煤礦水害防治的基礎，可根據不同水文地質條件采取“探、防、堵、疏、排、截、監”等針對性措施，是實現煤礦安全采掘的重要保障[21]。

3.1 頂板水害預測預報方法

隨著對礦井涌(突)水機理和水害事故的深入研究與分析，礦井水害預測預報理論不斷完善，水害評價的完整技術方法體系日益成熟[1]。我國煤礦頂板水害預測預報理論和方法主要有“上三帶”理論、“關鍵層”理論和“三圖”法等。

3.1.1 “上三帶”理論

20世紀80年代劉天泉院士[22]提出“上三帶”理論，即煤層開采導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”，即導水裂隙帶，當導水裂隙帶發育導通至頂板含水層就可能形成頂板涌(突)水。

3.1.2 “關鍵層”理論

“關鍵層”理論由錢鳴高院士[23]提出，認為煤層開采上覆巖層的變形、破壞等主要由堅硬巖層中的關鍵層控制，即煤層開采后上覆巖層移動受控于關鍵層的破斷運動，該理論為巖層整體移動研究提供了統一的思想和方法。同時，“關鍵層”理論也是煤層底板水害預測預報的一種重要方法。

3.1.3 “三圖”法

“三圖”法是[24-26]根據多年工作實踐提出的一種解決煤層頂板充水水源、通道和強度三大關鍵技術問題的方法。研究頂板涌(突)水條件時主要針對兩方面進行：一是研究煤層回采后其頂板冒裂安全穩定性問題；二是研究煤層頂板充水含水層富水性問題。“三圖”具體指煤層頂板冒裂安全性分區圖；煤層頂板充水含水層富水性分區圖和煤層頂板充水含水層涌(突)水危險性分區圖。小莊礦洛河組充水含水層涌(突)水危險性分區如圖7所示。

圖7 小莊礦洛河組充水含水層涌(突)水危險性分區

3.2 底板水害預測預報方法

3.2.1 突水系數法

20世紀60年代，在分析、總結焦作、峰峰、邯鄲、井陘、淄博和肥城等大水礦區大量煤層底板突水實例的基礎上，煤炭科學研究院西安煤田地質勘探研究所提出了煤層底板突水系數這一概念，總結出了臨界突水系數[27-28]。突水系數法經過多次修正，重新采用式(1)計算，該式適用于采煤和掘進工作面，臨界突水系數值在底板受構造破壞段取0.06 MPa/m，在正常塊段取0.1 MPa/m。

(1)

式中：T——突水系數，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集團二礦現場觀測的基礎上提出來的，即在采動礦壓作用下，煤層底板巖層發生擾動和破壞，由上而下劃分為底板導水破壞帶、完整巖層帶和承壓水導升帶。該理論認為完整巖層帶對阻抗煤層底板突水具有關鍵作用，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-雙系數法

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

圖8 五圖-雙系數法流程

3.2.4 脆弱性指數法

煤層底板突水是一種受控于多因素影響且具有非常復雜的非線性動力特征的水文地質與采礦復合動態現象。在建立煤層底板突水主控指標體系的基礎上，應用多源信息集成理論提出一種新型煤層底板涌(突)水評價方法-脆弱性指數法[30-32]。脆弱性指數法是一種將可確定底板突水多種主控因素權重系數的信息融合方法與具有強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測預報評價方法。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雜作用及煤層底板突水的非線性動態過程。葛泉礦9號煤層底板奧灰含水層突水危險性評價分區如圖9所示。

圖9 葛泉礦9號煤層底板奧灰含水層突水危險性評價分區

3.3 水害治理技術

隨著煤礦水害防治理念的提升，以及新技術、新材料和新裝備的研發與應用，我國防治水工作由過程治理向源頭預防轉變，局部治理向區域治理、井下治理向井上下結合治理轉變，措施防范向工程治理、治水為主向治保結合轉變，根據不同水文地質條件形成了一系列針對性、可操作性、適用性強的治理措施[33-34]。

3.3.1 頂板水害治理

頂板水害治理技術常用到超前疏放，利用定向鉆機施工頂板疏放水鉆孔，通過在含水層中“穿層”，對頂板含水層進行“線狀”疏放，達到有效治理頂板水害的目的。主要采取“富水區域物探圈定、普鉆綜合超前疏放和排水系統及時跟進”技術措施。頂板充水含水層不具備疏干(降)開采條件或疏排水費用太高、浪費地下水資源且經濟上不合理時，可以采用注漿改造頂板含水層，即向導水裂隙帶及含水層注漿，將其改造成弱含水層或隔水層。對斷層、強富水區域等水害隱患處可以采用帷幕截流封堵。隨著充填技術和充填材料的發展，充填法采煤能夠有效抑制采場頂板覆巖下沉運動，控制導水裂隙帶發育，達到預防控制煤層頂板水害的目的。以五溝煤礦一采區1010-1工作面頂板第四含水層組(“四含”)地面區域注漿改造為例，介紹煤層頂板水害地面區域治理技術的應用。

根據五溝煤礦1010-1工作面10號煤頂板標高和該區“四含”最低標高，通過《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》計算，需要留設防砂安全煤巖柱高度28.15 m。根據設計開采上限標高，為確保開采安全，需對1010-1工作面標高高于-285 m區域進行“四含”地面注漿改造。采用地面注漿區域治理，地面直孔和定向斜孔共設計43個，鉆孔間距28.3 m，實際終孔位置進入基巖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，經鉆探、物探和室內試驗結果分析，注漿區域“四含”整體呈現弱富水性，改造效果顯著。

圖10 鉆孔平面布置

3.3.2 底板水害治理

底板水害防治應遵循井上與井下治理相結合、區域與局部治理相結合的原則。當煤層底板充水含水層富水性強、水頭壓力高，且煤層隔水底板厚度薄，或遇構造破碎帶和導水斷裂帶，無法采用疏水降壓方法保障安全開采時，采用底板隔水層加固和含水層改造及局部封堵導水通道的注漿方法。隨著華北型煤田下組煤和深部開采規模逐漸擴大，以及定向鉆探技術的成熟，煤層底板水害注漿治理由單一工作面治理轉變為區域治理，以井下治理為主轉變為井下和地面結合治理，以煤系薄層灰巖含水層為治理對象轉變延伸到以奧灰含水層為治理對象[34-35]。以東龐礦西龐井-300 m以深奧灰深部地面區域治理改造為例，介紹煤層底板水害地面超前區域注漿治理技術的應用。

東龐礦西龐井9號煤標高-300～-600 m，9號煤與奧陶系灰巖含水層間隔36～42 m，平均39 m，突水系數為0.105～0.182 MPa/m，而且在底板薄弱帶奧陶系灰巖水可能通過導水斷層、導水裂隙帶、導水陷落柱等通道進入礦井，存在較大的突水危險。因9號煤層埋深小于800 m，且地面鉆孔施工基礎條件好，選取地面定向鉆進進行底板奧灰含水層區域治理。工程圍繞井田三采區實施，治理范圍標高為-300～-480 m，一期布設地面主孔1個，分支孔7個，二期布設地面主孔2個，分支孔32個；鉆孔平面投影間距40 m；垂直深度位于奧陶系灰巖頂面以下25 m，奧灰含水層改造層段示意圖和鉆孔布設圖如圖11所示。治理完成后，三采區回采揭露表明采用地面超前區域治理方式有效探查并改造了9號煤層底板奧灰含水層，同時封堵了可能的導水通道，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

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。對于受河流、湖泊、水庫、采煤塌陷區和海域等地表水體威脅的開采區域，應當留足防隔水煤(巖)柱。對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，對于溝谷窄、坡度大等施工條件差，無法進行河道開挖的區段，采用注漿治理，封堵基巖導水裂隙。對采煤形成的塌陷裂縫土地進行填埋復墾，尤其對淺埋煤層開采或導水裂隙帶發育直通地表區域的，應及時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。

雞冠溝位于觀音堂礦工業廣場北部，屬季節性河流。近幾年，雞冠溝鄰近區域長期堆積鋁土礦矸石，造成地形地貌的變化，雞冠溝河道產生位移。在2021年汛期期間，雞冠溝地表水下滲至礦井運輸大巷，導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排為主，針對地表滲水源頭的雞冠溝河道及南側鋁礦矸石堆區域，采用彩條布對矸石堆進行全面覆蓋，防止雨水匯集矸石堆內部出現下滲；對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下滲，平面圖和設計圖如圖12所示。雞冠溝河道滲漏治理后，礦方開展了物探查驗和河道蓄水漏失試驗，試驗結果表明，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計圖

4 存在問題及發展趨勢

4.1 存在問題

查明煤礦水害致災因素是煤礦水害防治工作的基礎內容，隨著我國煤礦開采深度逐年增加和西部侏羅系煤層開發程度的加強，近年來煤礦水害事故起數和死亡人數又有抬頭之勢，暴露出煤礦水害致災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

我國煤礦區以往開采過程中遺留了大量老窯采空區，形成老空積水。由于大部分煤礦并未留下相關開采資料，分布極不規則，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重的水文地質致災因素。據統計，“十三五”期間，全國煤礦發生的較大以上水害事故中，老空透水事故起數占比58.8%，死亡人數占比更是達到了64.9%[2]。

從技術角度來講，老空積水無規律性，特殊情況下要想準確探查老空積水仍有一定難度。同時受限于現在探查手段的經濟可行性和部分煤礦企業的管理水平，老空水的探查存在較大漏洞，導致老空透水事故仍然多發。因此，建立不同條件下老空積水科學經濟的探查技術體系，建立相關行業標準，提高老空水探查的管理和監管水平，是進一步加強煤礦水害致災因素探查的緊迫性工作。

4.1.2 深部巖溶水探測技術有待提高

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，例如開灤集團趙各莊煤礦關閉前開采煤層底板承受的奧灰含水層水壓達到13 MPa以上[36]。深部礦井開采受到高地應力、煤層底板高水壓的綜合影響，突水危險性也更高，對小構造的探查要求也進一步提高。由于主要充水水源、充水通道埋深大，又受到淺部采空區影響，現有的地面物探、鉆探等探查手段成本高且效果較差。同時，灰巖地層硬度較大，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因素的探測效率和準確性。目前，華北型煤田深部下組煤開采水害致災因素探查的主要技術方向為井下綜合探查，仍需進一步提升深部巖溶含水層致災因素探測的技術水平。

4.1.3 西北頂板砂巖含水層探測技術體系不健全

我國西北侏羅系煤田已成為現階段煤炭主產區，開采揭露的頂板砂巖含水層水害也愈發復雜，其侏羅系、白堊系砂巖地層多屬陸相河流沉積，巖相非均質性強，部分地區不同層位砂巖組成具有統一水力聯系的含水層組[38]。由于含水層組地質體的巖性多樣，對地球物理的響應特征各不相同，影響使用物探手段進行含水層組富水性探查的精度。同時，河流沉積地層含水層厚度變化較大，常規水文地質試驗手段得出的水文參數也存在代表性差的問題。目前，針對砂巖含水層富水性探測，亟需建立能融合多源地質、水文地質信息及致災因素探測結果的綜合技術體系，從地下水系統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 采掘過程中水害動態探測技術屬起步階段

煤礦水害致災因素在采礦影響下處于動態變化狀態，主要表現為含水層富水性演變、斷層等構造采動活化、覆巖移動與破裂等，進行采掘過程中充水水源、充水通道的動態探測是避免水災事故發生的最后一道關卡。目前研發形成的隨鉆、隨掘、隨采動態探測技術已經成為水害致災因素動態探測的重要手段[39]，包含了隨鉆地質信息識別、隨掘地質條件物性成像和異常體判斷以及隨采頂底板巖層富水性動態變化辨識等[40]。但受限于開采擾動的影響，探查過程中受到的干擾較多，存在物探資料解譯、數據采集觀測等系列問題，技術總體成熟度仍然較低，尚處于起步階段。

4.1.5 關閉礦井水害致災因素探查未得到重視

隨著我國煤礦資源規模化整合開發，“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，大量礦井關閉后井巷空間內水位逐漸回升，威脅相鄰礦井安全并造成不同含水層地下水串層污染。目前我國針對關閉礦井地下水問題的研究主要集中在地下水污染機理及模擬方面，仍需加強井巷空間內水位回升對周邊生產礦井致災因素的探查，以及關閉礦井水位、水質等水文地質信息監測的研究[41]。

4.2 技術發展趨勢

4.2.1 水害致災因素綜合精細探查

針對現階段煤礦開采向深部延伸和西部轉移的現狀，應進一步提升井下水害致災因素探查水平，將水害致災因素的探查與地質、水文地質綜合分析相結合，加強鉆孔瞬變電磁、鉆孔電法等孔中近距離物探探測裝備、解譯方法研究；研發能夠精確獲取各類水文地質信息的井下定向鉆進裝備及技術；開發井下先進的化探、水文地質試驗等手段；構建集地質、水文要素評價與鉆探、物探等融合的水害致災因素綜合精細探查技術。

4.2.2 基于透明地質的水害智能探測

隨著我國煤礦智能化建設進程的加快，通過三維地質建模構建精確的透明地質模型，做到水害致災因素的隨掘、隨采實時探測與動態更新，并開展相關的防治水工程設計與實施[42]，需綜合提升隨鉆、隨掘、隨采過程中地質、水文地質信息動態判識技術，結合多因素構建水害致災因素非線性預測模型，形成水害致災因素動態探測與智能預測綜合方法，切實達到煤礦水害防治的地質透明化。

4.2.3 關閉礦井水文地質因素綜合探測與監測

目前，國際礦山水文地質領域主要研究方向在于關閉礦井環境水文地質效應問題，而國內在該方面研究程度尚且不足。今后，需加強專門針對關閉礦井水文地質因素的地面探測技術，研究積水淹沒后邊界斷層等構造再充水活化性能。同時，加強對關閉礦井水環境的探測和監測，系統研究礦井關閉后水文地質環境變化效應。

5 結語

開展煤礦水害隱蔽致災因素探測與治理是煤礦水文地質保障、安全生產風險防控的基礎性工作，也是實現預防為主、源頭遏制煤礦水害發生的有效舉措。新形勢下，應切實加強各類水害致災因素的探查技術水平，做到致災因素全面查清、保證質量并治理到位，以便更好地鞏固近10年來煤礦水害防控取得的成就，遏制水害事故多發勢頭，切實保障我國煤炭的安全高效開發。