我國礦井水防控與資源化利用研究現狀與展望

中國是世界上資源豐富的第三大目的地。它從21世紀起成為世界上最重要的煤炭產區。由于我國是一個由多個構造板塊經多序次地質構造運動拼接而成的陸地,故地質構造條件十分復雜,是世界上煤礦水害最為嚴重的國家之一。據國家安全生產監督管理總局統計,水害在煤礦重、特大事故中是僅次于瓦斯爆炸的重大災害。水害礦難不僅容易造成井下作業人員重大傷亡,而且在經濟損失嚴重程度、事故搶險救援難度和恢復礦井生產所需時間等方面在煤礦災害事故中最為突出。此外,水害事故發生面廣,凡涉及礦山開采特別是井工開采的各類礦種的礦山企業或涉及地下工程開挖的各類行業部門均普遍面臨該問題,故社會影響面廣,國內外關注程度高。深部和下組煤煤炭資源開采的水害問題隨著淺部和上組煤易采資源儲量逐漸枯竭日益嚴重,礦井充水水文地質條件日趨復雜,突水影響控制因素增多,突水機理和類型復雜多變。許多礦井不僅面臨頂板因淺部資源開采或關閉大量不具備安全生產的小煤礦形成的老空積水的透水威脅,而且面臨著底板高承壓碳酸鹽巖地下水的突水脅迫,同時煤層中還常伴隨有瓦斯等有害氣體爆炸或煤瓦斯與地下水等的突出,即煤層采掘環境處于水害的“頂威、底迫、中突”中。近年來我國在煤炭產量大幅增長、開采強度不斷加大情況下,煤礦水害控制形勢繼續保持總體穩定、持續好轉的發展態勢。全國煤炭產量從2000年的近10億t增加到2013年的37億t,13a產量翻了3.7倍;與此同時,我國煤礦水害事故發生總起數和總死亡人數分別從2000年的104次與351人下降至2013年的21次與89人,分別下降近80%與75%。根據國家煤礦安全監察局2012年的調查統計,近年全國煤礦每年實際排水量達71.7億m3,全國共有61處煤礦的礦井正常涌水量超過1000m3/h,礦井水資源化利用率逐年提高。這些數據說明,我國近年來在礦井水防控與資源化利用領域取得了巨大的進展和研究成果。但由于我國煤田地質條件類型多,構造復雜,礦井突水隱蔽致災因素與機理多變,特別是隨著深部資源的大規模開發,水害防治形勢依然十分嚴峻,存在諸多難題,面臨眾多挑戰,煤礦地下水控制與資源化利用仍將是我國煤礦安全生產和科學開采研究的一個重大科研課題。1研究的發展和成就1.1礦井水文地質類型劃分的依據要求(1)完善了礦井防治水基本原則,提出了新的“十六字”防治水基本原則和與其配套的“防、堵、疏、排、截”五項水害綜合防治措施。我國原有的礦井防治水基本原則是“有疑必探、先探后掘”的“八字”方針。“八字”原則本身不存在任何問題,特別是隨著近年來國家對礦山生產安全的高度重視和所出臺的一系列政策法規與懲罰條例等、礦山企業在安全生產上的意識與管理水平大幅提高,以及采掘一線礦工自身對安全的重視,如果礦井生產現場發現了水患疑點,現場工程技術人員和專職探放水工肯定會即刻進行超前探放水,查清疑點或隱患后再進行采掘。但現在的問題是如何發現水患疑點?如何提前判斷水害隱患?這是礦山企業和現場工程技術人員目前急需解決的重大難題。針對此難題,《煤礦防治水規定》第3條提出了我國礦井防治水的新的“十六字”基本原則,即“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”,即通過科學的預測預報方法和手段,首先發現礦井水患疑點,對其疑點或隱患必須堅持超期探放水,先探放后掘進,先治理后回采。這樣,“十六字”基本原則就對礦井水害防治工作概括形成了一個完整地閉合技術思路。另外,配合新的“十六字”原則,《煤礦防治水規定》第3條還提出了與其相配套的5項水害綜合防治措施,即“防、堵、疏、排、截”。(2)在系統總結與分析我國近年來礦井重特大水害案例特征基礎上,補充完善了礦井水文地質類型劃分的基本原則和主要影響因素,提出了我國礦井水文地質類型劃分依據的新方案。礦井水文地質類型劃分的目的是分析礦井水文地質條件,有針對性地指導礦井水文地質補充勘探和水害預防、控制和治理工作。由于我國礦井水文地質條件復雜,受水害威脅的煤炭資源比重大,水害類型齊全,故水文地質類型劃分對保障礦井安全生產意義重大。考慮到我國老空積水分布范圍廣,大部分老空積水區具體范圍、位置與形狀不清,以及近年來連續發生多起由老空積水誘發的重特大透水礦難,同時考慮礦井在建設、生產過程中是否發生過突水事故和發生突水的突水量大小與礦井充水水文地質條件復雜程度相關,在礦井水文地質類型劃分原有4項依據基礎上,增補了“礦井及周邊老空水分布狀況”和“礦井突水量”這2項類型劃分的新依據。(3)水體下和周邊不同條件下安全開采的技術要求和規定的技術標準不斷完善。隨著我國煤炭資源開采強度增大和淺部資源逐漸殆盡,除了加大深部資源開發外,在過去技術條件下一般不宜開發的海、湖、河、水庫、老空積水區和強富水含水層等大型水體下與周圍的開采活動日益增多。對于有疏干條件的礦井,應首先對威脅采掘工作面生產安全的各類水體進行預先疏排,在排除積水、消除危險隱患后方可進行采掘工程活動;如因各種原因無法排除水體、但需在其下或附近開采傾斜、緩傾斜煤層的礦井,則必須查明充水水文地質條件,按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中有關水體下開采規定,編制專項開采設計,組織相關技術人員研究討論,確定安全可靠的防隔水煤(巖)柱和制定安全防范措施,由煤礦企業主要負責人審批后,可進行采掘工程活動,但要密切加強動態監測,如發現異常情況,立即停產撤人;對在水體下或附近開采急傾斜煤層的礦井,鑒于急傾斜煤層開采后誘發的抽冒機理、抽冒發育規律和發育高度預測以及抽冒控制等理論和工程技術問題目前仍未能得到有效解決,因此,嚴禁在水體下或附近開采急傾斜煤層。(4)剖析了突水系數計算公式演化歷史,明確了突水系數概念和水文地質意義,提出了突水系數計算公式。突水系數計算公式T=p/M是我國在1964年焦作水文地質大會戰期間借鑒匈牙利工程師韋格弗倫斯的相對隔水厚度(T=M/p)概念而提出,并依據焦作、峰峰、井陘、邯鄲、肥城和淄博等大水礦區出現的大量底板突水案例和基礎數據,計算得出了正常地質塊段臨界突水系數值為0.1MPa/m、構造塊段為0.06MPa/m。相比韋格弗倫斯的相對隔水層厚度計算公式,顯然,我們提出的突水系數計算公式是他的倒數。這個倒數從數學上看似非常簡單,但本文認為其水文地質意義重大,因為突水系數反映了水文地質學中地下水滲流最基本的規律———Darcy定律的核心思想,即煤層底板充水含水層地下水在水壓p的驅動條件下滲透通過煤層與充水含水層之間隔水段厚度M的距離、最終突入采掘場地時所消耗的能量,它描述了煤層底板突水的整個動力學過程。同時,明確了突水系數計算公式中水壓(p)為煤層底板隔水層底界直接承受的水壓,而不是煤層底界承受的水壓。后期隨著人們對采掘工程活動誘發的煤層底板礦壓破壞現象、隔水段巖層巖性組合和底板承壓地下水原始導升發育現象等認識的不斷深化,陸續出現了突水系數的不同計算公式,這些公式更加真實地描述了我國煤層底板突水的水文地質物理概念模型,但所提出的臨界突水系數值仍然采用的是1964年未考慮這些現象時提出的臨界值。顯然,這是不妥的。因此,《煤礦防治水規定》編制本著還原歷史的原則,在目前尚未提出考慮這些現象的普遍可接受的新的臨界突水系數值之前,突水系數計算公式仍采用T=p/M,將來一旦提出能夠考慮這些現象的新的可接受的臨界突水系數值,突水系數計算公式還可重新修訂。(5)規定了生產礦井必須具備的最基本防治水資料。作為一個生產礦井,3個報告、5份圖件和15類臺帳是其必須具備的最基本的防治水基礎資料,其他有關防治水圖件和臺帳由礦井根據實際需求編制。圖件和臺帳每半年需修正1次。(6)礦井充水水文地質條件三維可視化分析平臺建設取得了一定進展。傳統的充水水文地質條件分析方法是以點、線、平面、剖面等為基礎,通過推算預測,形成對礦井充水水文地質條件二維空間的了解與認識。這些方法不能真實反映與刻畫自然界復雜的三維充水條件和現象,缺乏動態處理和時空分析能力,存在很大局限性。三維水文地質可視化建模與模擬分析方法在一定程度上解決了這些問題,它可以提供統一的三維顯示通道,支持地面水文地質勘探、試驗和井下探測以及采掘工程揭露等數據的全方位、一體化顯示與管理;可進行任意地層剖面分析,各種水文地質參數查詢;可實現應力應變分析、地下水流模擬、突水危險性評價、水量預測計算和防治水對策方案優化比選等。礦井三維充水水文地質條件可視化分析平臺將成為地面與井下水文地質勘探與測試數據處理、充水條件物理概念模型分析、水流模擬評價、水害預測預報和防治水方案制定等的有效工具。1.2水文地質及地震勘探的技術(1)礦井水文地質補充調查與勘探理念和技術手段有所創新,勘探程度有所提高[2,3,4,5,6,13,14,15]。針對我國大部分礦井或開拓延深區以往水文地質勘探程度偏低和充水水文地質條件不清等問題,特別是西北、東北和華北西部礦區的水文地質勘探程度明顯滿足不了礦井高強度開發需求,《煤礦防治水規定》第29條規定了在7種情況下必須進行礦井水文地質補充勘探。近年來在我國東北、西北和開拓延深區等礦井,水文地質補充勘探程度有所提高,勘探理念有所突破,勘探技術手段和方法有所創新,在地質構造、充水水源、導水通道、老空區探查和礦井涌水量預測等方面,取得了一定進步,如地質構造勘探的地面高分辨率三維地震技術;含水層富水性和充水通道水力性質及導含水構造勘探的地面瞬變電磁、高密度電法、頻率測深、可控源聲頻大地電磁測深(CSAMT)、磁偶源頻率測深和鉆孔無線電波透視等技術;老空區和積水老空區勘探的地面高分辨率三維地震技術、地面電法勘探和充電法造影成像;水文地質物理概念模型建立和水文地質參數確定的單孔、多孔、群孔穩定與非穩定流抽(放)水試驗、示蹤聯通試驗和二者聯合試驗、脈沖干擾試驗等。(2)規定了作為水害預測預報重要內容的井下突(透)水異常征兆信息的處置程序。井下采掘工作面或其他地點在接近或臨處于突(透)水極限平衡狀態前的不長時間段內,在其附近的滴淋水量水質、煤層或圍巖應力變形、水巖溫度或氣體理化性質等均會顯現出不同程度的變化,即各種各樣的突(透)水征兆信息。這些信息的出現并不可怕,而且信息起始初值大小也不是關鍵,關鍵是要密切觀測征兆信息的動態變化特征。如征兆信息雖然起始初值不大,但其動態變化很快,顯然比較危險;反之,即使信息初值較大,但若其基本無變化或動態變化很緩,應該問題不大,繼續加強動態監測。一旦井下突(透)水異常征兆信息出現,應當立即停止井下所有作業,報告礦調度室,并發出警報,撤出所有受水害威脅區域人員,組織專業技術人員分析原因,開展必要探測工作,做出科學判斷。在原因未查清、隱患未排除之前,不得進行任何采掘工程活動。(3)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,不同水害類型預測評價技術得以更新換代。水文地質(補充)勘探工作為礦井構造、主采煤層與含水層沉積結構關系、充水水源、導水通道和老空區等提供了非常重要的原始地學信息。但這些有限信息是局部離散的,直接應用這些信息分析水患規律是非常初淺的,無法充分發揮出水文地質勘探成果所蘊涵的價值。如果采用先進科學的評價方法和模型將這些原始信息加以分析、統計、模擬與處理,得出的結果就可以系統整體的評價預測礦井在采掘生產過程中可能面臨的諸如頂板、底板、老空和構造等水害威脅的分區特征和程度。根據預測預報成果,即可方便有效地制定出礦井不同類型水害的防治對策措施和建議。針對我國普遍面臨的煤層底板突水難題,在原有“突水系數法”評價方法基礎上,提出了可考慮更多影響因素的“脆弱性指數法”和“五圖雙系數法”等底板突水綜合評價方法;對于煤層頂板水害,提出了可以同時解決頂板充水水源、通道和強度三大關鍵技術難題的“三圖-雙預測法”。1.3井下地球物理超前探測技術應用情況(1)井下采掘工作面超前探放水概念明確,其理論與技術不斷完善,探放水工作程序與步驟逐漸具體化,探放水工作須滿足“三專”要求。雖然采掘工作面超前探放水是一項傳統的井下防治水技術,但在地面工作無法查明礦井水文地質條件和充水因素的情況下,它在預測和避免重特大水害事故突發中仍然具有十分重要的使用價值。一般采掘工作面超前探放水的手段包括物探、化探、鉆探和坑探等,物探和化探為無損性探測,而鉆探和坑探為擾動破壞性探測,物探和鉆探為主要常用手段。采掘工作面超前探放水的概念就是必須采用鉆探或坑探等直接手段進行探放水,絕不允許應用物探或化探等間接手段直接探水。探放水具體工作程序與步驟應該首先采用廉價、快速、能夠對整個采掘工作面大范圍實施超前探測的物探手段進行總體宏觀探測,然后必須應用鉆探等直接手段檢查驗證物探等間接手段的探測結果,并對含水體實施井下放水,決不允許將未經鉆探檢驗的物探間接探測成果直接作為采掘工程設計的依據。超前探放水工作必須由專職探放水隊伍中的專業探放水工使用專用探放水鉆機進行施工,即滿足“三專”要求。(2)井下地球物理超前探測技術。經過多年的基礎理論研究、現場試驗、探測對比和分析提高,井下地球物理超前探測技術取得了長足發展,基本能夠覆蓋井下采掘工程的各個環節,初步形成了一套較為完整的井下地球物理探測技術體系。在掘進工作面超前探測方面,主要方法包括直流電法、瞬變電磁、瑞利波、激發極化、高分辨二維地震、地質雷達和陸地聲納法等,但目前應用效果較好的常用方法主要為直流電法和瞬變電磁法。前者的優點是無探測盲區,且為接觸型探測,但不足之處是在井下巷道空間只能向掘進前方單方向探測,探測距離較短(60~80m),且體積效應相對大;后者的優點是在井下巷道可多方向探測,探測距離相對較長(80~120m),體積效應相對較小,但他的不足之處是探測成果存在20m左右盲區,且為非接觸型探測。在回采工作面超前探測方面,音頻電透視、瞬變電磁、無線電透視CT(坑透)、槽波地震和彈性波CT層析成像等為主要探測方法,其中音頻電透視和瞬變電磁法主要探測煤層頂底板含水層、燒變巖的富水性和老空積水區分布以及含導水構造等,無線電透視CT(坑透)、槽波地震和彈性波CT層析成像法主要探測煤層構造、煤厚變化、巖漿巖和火燒區等。目前井下應用新的地球物理探測技術還包括鉆孔窺視、孔巷透視、鉆孔測斜、孔深探測和開孔定向等。(3)井下定向鉆進、分支造孔技術和采掘工作面超前定向鉆孔探放水技術。鉆孔超前探放水是我國傳統但在目前仍被廣泛應用的井下防治水的最重要最有效方法之一,但由于目前井下超前鉆孔探放水均為直孔,按照煤礦防治水有關技術規定,一個掘進工作面如僅需探測煤層底板水,至少需打3個直孔以上;如探測頂、底板水,所需探放直孔數量就更多了。大量的超前鉆探工作量嚴重影響了掘進工作面掘進速度,超前探放水與掘進速度相互間產生了尖銳矛盾,這種矛盾嚴重影響了井下超前鉆孔探放水技術的推廣應用。因此,在保證超前探放水質量和效果前提下如何減少探放水鉆孔數量的技術變革就顯的尤為重要。由于超前定向鉆孔探放水技術具有人為定向和鉆孔鉆進軌跡可按照預先設計要求延伸到達預定目標等功能,一個定向鉆孔探放水效果可代替多個直孔,可大大減少掘進工作面超前探放水鉆孔數量,而且可將定向探放水鉆孔開孔位置放在掘進工作面后部,這樣就能解決鉆孔超前探放水與掘進工作面掘進速度相互間的沖突和矛盾。這種井下定向探放水鉆孔具有開孔密度小、鉆進軌跡可控性高、一孔多方位、無效進尺少、可與掘井同時平行作業互不影響、探測目標點準確和排水效率高等諸多優點,他是對傳統井下探放水技術裝備的一次革命。此外,由于井下定向鉆進和分支造孔技術的獨特優勢,在回采工作面底板定向注漿加固隔水層與改造充水含水層、在超前預探放頂底板充水含水層地下水和老空水、在地質構造和煤厚變化等不良地質異常體探測與治理方面,具有好的應用前景。(4)基于水文地球化學、水壓和水溫等多源信息的井下涌(突)水源快速綜合判識技術。井下采掘工程的任一涌(突)水點,往往均是由于接受了諸如大氣降水、地表水、地下水或老空水等不同類型水源的補給、經徑流后排泄于井下而形成,由于不同類型水源在其形成、徑流和排泄等過程中受到不同地質環境和人為因素等影響與干擾,其水源的水文地球化學背景特征、水溫和水位(壓)各不相同。這些在礦井現場收集到的在水化學、水溫和水壓(位)等方面不同的大量樣本點,可為井下涌(突)水點補給來源的快速判識數學模型建立提供極其重要的水源樣品和基礎數據庫。根據井下涌(突)水點水壓(位)、水溫實測值和水樣水化學分析結果,應用基于大量實測數據所建立的判識數學模型和信息系統,即可快速準確地判識出井下任一涌(突)水點的補給水源。(5)采動條件下礦井地質構造活化、煤層頂底板破裂高度和水害監測與預警技術。在采動條件下,礦井水害的形成和發生都有一個從孕育、發展到發生的演變過程,在這一過程的不同階段,在應力應變(特別是地質構造部位)、水壓(水位)、涌水量、水化學和水溫等方面均會釋放出對應的突(透)水征兆,及時、準確、有效地監測這些征兆信息,建立一個集礦井水害監測、判識和預警技術于一體的完整體系,對于預防重特大水害事故發生具有重要的理論意義和實用價值。目前在采動條件下能夠實時、動態、面狀診斷并立體顯示煤層頂底板變形破壞過程和斷層與陷落柱等地質構造活化強度、烈度以及相關時空參數的高精度微震監測技術,在我國應用效果較好。中國煤炭科工集團西安研究院采用水壓(位)、水溫和三分量應變光柵類傳感器,應用光纖光柵通信技術研發的多參數點狀礦井水害監測預警技術,在我國許多礦山也得到應用。1.4注漿與機械化充填采煤技術(1)煤層底板注漿加固和含水層注漿改造以及注漿封堵導水通道技術。這項技術是我國在20世紀80年代中后期自主研發并逐漸應用于煤層底板突水預防處理的一項注漿防水方法。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,或疏排水費用太高、浪費地下水資源且經濟上不合理時,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防水方法實屬上策。該項技術主要針對煤層底板水害的預防問題,利用回采工作面已掘出的上通風巷道和下運輸巷道,應用地球物理勘探和鉆探等手段,探查工作面范圍煤層底板隔水巖層裂隙發育規律和含水層富水性狀況,確定裂隙發育和富水段,采用注漿措施加固底板隔水層并同時改造含水層富水性,進一步提高其隔水強度并使其富水性大幅降低。該項技術采用人為注漿工程手段,解決了在自然條件下無法保障安全開采,或采用人為疏降水措施無法實施安全開采的我國普遍面臨的煤層底板突水難題。但應該清醒認識到,目前這項技術主要應用在井下單工作面回采前的煤系薄層灰巖含水層的注漿加固和改造方面。隨著華北型煤田下組煤和深部開采規模逐漸擴大,如何將煤層底板從一工作面一治理轉變為區域治理、從回采工作面形成后再治理轉變為形成前的預先主動治理、從以井下治理為主轉變為以地面治理為主、從以煤系薄層灰巖含水層作為主要治理對象轉變延伸到以奧灰含水層頂部作為主要治理對象?這些問題是該項技術進一步研發解決的方向和內容。(2)注漿技術。隨著采深加大和下組煤開采,礦井水害事故頻發,潛在水患加劇,地面和井下整體或局部注漿技術在快速封堵治理突水災害、消除潛在水害隱患方面,顯示出了明顯的優勢,例如帷幕截流注漿在礦井地下水集中補給帶和地下水排泄區強徑流帶等水害隱患處的封堵截流,局部預注漿改造充水含水層富水性和封堵導水通道,地面定向注漿在巖溶陷落柱上部建造“堵水塞”切斷深部奧灰補給水源通道,地面綜合注漿工藝和技術在充水巷道建立“阻水墻”等,這些成套的配合注漿技術實施的快速定向鉆進及分支造孔技術、不同工藝和方法的地面與井下注漿技術、各種注漿堵水效果評判方法和準則等,為礦井水害預防與治理提供了強大的技術保障。(3)綜合機械化充填采煤技術。該技術利用煤壁、支架和充填體對直接頂的不間斷接力支護,限制直接頂變形,使直接頂轉變為基本頂,改變了礦山壓力巖梁傳遞作用巖層,控制了礦壓顯現,穩定了煤層頂底板含水層結構,從而達到了預防控制煤層頂底板水害的目的。此外,綜合機械化充填采煤技術在控制地表沉降、消除礦井地面矸石山、杜絕采空區瓦斯積聚、根除煤層自然發火隱患和減少礦山環境地質問題等方面,也具有重要的意義。(4)大功率、高揚程、大流量礦用潛水電泵技術。過去一直依賴于進口的礦用潛水電泵由于價格高昂等原因,有限數量的進口潛水電泵一直只能應用于突(透)水事故發生后應急搶險救援的排水,但隨著我國科學技術進步,具有自主知識產權的大功率、高揚程、大流量潛水電泵技術已逐漸成熟,大量物美價廉、性價比高的國產礦用潛水電泵為我國礦山水害預防與治理的普遍使用提供了物質保障,為圓滿解決水文地質條件復雜和極復雜礦井井底車場周圍設置防水閘門困難與國家原來剛性技術標準要求的相互沖突難題提供了技術支撐,為確實不具備建設防水閘門條件的水文地質條件復雜、極復雜礦井提供了一個替代技術的選擇。2小型隱蔽性致災通道的水害探測和防治技術應用技術(1)礦井防治水基礎工作薄弱,水文地質調查和勘探程度偏低,嚴重滯后礦井建設速度和生產強度。礦井防治水必備的基礎資料、圖紙和臺帳不健全,礦井及周邊廢棄關閉小煤礦的古空與采空區范圍不準,積水區域不明,充水水文地質條件不清,充水含水層水文地質參數缺乏,致災通道特別是隱蔽致災通道不明,制定的防治水措施缺乏針對性,水害預測預報與水患排查治理制度不落實,水害隱患心中無數。(2)礦井突水機理認識不足,缺乏大型相似材料物理再現實境模擬。隨著采深加大和下組煤大規模開發,高地應力、高水溫、高水壓和高瓦斯壓力等“四高”問題逐漸顯現,影響礦井突水因素隨之增多,突水類型呈復雜多樣化特征,延遲滯后突水或離層水突水等淺部少見的突水現象逐漸增多。研究方法過分依賴數學模擬,忽視了物理模擬,缺乏從多因素、多場耦合和多種模擬手段等方面開展綜合研究。(3)相對落后的探測和防治水技術手段未能完全滿足高強度快速采掘工程和生產的要求,特別是小型隱蔽性致災通道的超前精細探測定位技術與裝備有待進一步提高。小型隱蔽性致災通道是指無明顯地表或井下出露和顯現特征、發育于巖層內部規模有限的地質構造,主要包括自然的隱伏斷層、裂隙密集帶、局部構造破碎帶、巖溶陷落柱、巖溶塌落洞和人為的冒裂帶、抽冒帶、切冒帶、封閉不良鉆孔等,他們是溝通礦井充水水源與其采掘工程之間水力聯系的主要導水通道。近年來,煤礦的采深、采高和采掘工作面尺度均在不斷加大,井巷工程掘進和工作面回采速度不斷提高,水害誘發條件、形成機理以及威脅程度都在發生變化。然而,針對復雜的水文地質背景、大尺度的采掘工程和高強度的生產要求,我國目前的水害探測和防治水技術手段以及小型隱蔽性致災通道的超前精細探測定位技術與裝備仍無法完全滿足工程實踐要求,缺乏對水情的高精度實時探測預報和水害的有效監測預警,現代高新技術在煤礦水害探測和防治方面應用有待提高,許多探測和防治技術問題未能得到根本解決。(4)尚未形成一套完整有效的老空區和積水老空區探測與定位技術方法體系。老空水害是老空區積水突入礦坑造成的災害,是近年來我國煤礦發生重特大水害事故的主要類型。老空水害的發生主要是老空區的防水煤(巖)柱被采掘工程擾動破壞后不足以抵抗老空積水水壓所致。破壞原因:一是積水老空區位置和底界面標高不準,積水范圍不清,水位和水量不知,又不做有效的超前探放水工作,采掘時誤入積水老空區所致;二是開采積水老空區煤柱,許多資源枯竭煤礦以開采廢棄煤柱延長礦井服務年限,開采時對其相鄰煤礦的積水老空區位置不清,缺乏有效監測和保護措施,釀成透水災害。因此,老空區和積水老空區成套有效探查、定位技術方法的研究與開發意義重大。(5)采煤、控水、保生態3者優化結合的管理理論和成套技術方法尚未建立與形成。我國西北和華北型煤田西部早中侏羅紀煤田地處干旱半干旱氣候區,年降水量僅有250~450mm,自然生態環境十分脆弱,該地區煤層厚,埋藏淺,地質構造條件相對簡單,大采高條件下的控水、保地質環境、保生態系統的“一控、二保”約束壓力非常大;我國中東部礦區受底板奧灰承壓巖溶裂隙水威脅嚴重,水壓大,富水性強,導水通道隱蔽復雜,底板突水時有發生,另外,淺部和上組煤開采遺留的資料不清的大量采空積水區,也是威脅我國中東部礦區安全生產的重大危險源隱患。因此,如何破解煤礦區采煤、控水、保生態3者之間的尖銳矛盾與沖突問題?如何實施煤礦區地下水控制、利用、生態環保3者優化結合?變水害為水利,變廢為寶。(6)專業技術人員短缺,人才培養與培訓缺乏組織和長期規劃,科技治水能力不足,煤炭企業的產、學、研、用結合程度不夠,缺少防治水專項資金支撐。目前,煤礦地質、水文地質和測量等一線專業技術人才嚴重匱乏,特別是大學本科以上高端學術人才更為缺乏。從業人員技術培訓無長期規劃,已有知識嚴重過期老化,缺乏新知識、新方法和新技術的不斷更新,科學技術研究資金有限且研發水平低,研發能力不足。由于從業人員防治水整體素質和專業知識有限,許多井下突水預兆信息甚至明顯的突水預兆信息無法及時捕捉并加以準確判識,違章指揮和違規施工現象時有發生,釀造了許多本應該可以避免的水害事故。3地下水開采帶的地質特征及技術研發(1)完善精細智能化的煤礦安全高效開采地質保障系統研發。煤礦地質安全保障系統應包括兩大部分,即生產地質保障子系統和安全地質保障子系統。無論礦井生產還是安全,基礎地質保障系統是先決條件。基礎地質保障是一個宏大的系統工程,主要包括水文地質調查與勘探、水情與水害的預測預報、地質構造特別是隱蔽性致災地質構造和充水含水層富水性的高精度精細綜合探測定位技術與裝備、礦井水害快速有效治理和搶險救援的鉆探施工技術與裝備、礦井充水水文地質條件和采動效應的動態監測與預警等內容,他們是一個有機結合的整體,需要根據大系統工程理論和方法開展研究,是保障煤礦安全生產的重大基礎科學問題。(2)深部和下組煤開采條件下礦井水害防治基礎理論與技術方法。隨著我國東部礦區淺部和上組煤煤炭資源逐漸枯竭、西部豐富煤炭資源因受交通運輸和脆弱生態環境約束等外部條件限制,加大中、東部礦區深部和下組煤煤炭資源開發和生產強度,是滿足我國國民經濟快速發展對能源需求的必然選擇。可以預計,在未來20年我國東部礦區許多礦井將逐步開采1000~1500m深度的煤炭資源。因此,應深入開展:深部和下組煤開采條件下的煤層賦存規律、高地應力、高水壓、高水溫和高瓦斯壓力的“四高”特征與分布規律,以及深部巖石在“四高”環境下的力學行為演化特征,充水水文地質條件補充勘探、深部巖溶水補、徑、排特征和底板巖溶水突出機理、采動巖體裂隙動態演化規律、深部礦井突水動力災害致災機理和觸發條件、經濟技術可行的深部隱伏地質構造精細探測定位技術與方法、煤炭資源開發的多種地質災害耦合互饋鏈式反應效應、突水災害預測預報理論和治理技術及監測監控預警方法等。(3)加強“煤-水”雙資源型礦井建設和開發理論與技術研究,以及“控水采煤”核心技術研發。我國大水礦區普遍面臨一個采煤(排水)、控水(供水)、生態環保3者之間的矛盾與沖突問題,“煤-水”雙資源型礦井建設和“控水采煤”技術研發是解決3者矛盾與沖突問題的有效方法和具體途徑。該方法核心支撐技術主要包括:①對于具備可疏性礦井,亦采用礦井排水、供水、生態環保“三位一體”優化結合方法。排水措施可以實施地面排水,也可井下放水,有時可2者相互結合,井下放水最好采用清污分流的排水系統,這樣可大大減少礦井水的處理成本。②對于可疏性差礦井,亦采用礦井地下水控制、利用、生態環保“三位一體”優化結合方法。地下水控制措施包括:煤層底板注漿加固與含水層改造;注漿封堵導水通道;改變走向長壁采煤方法,實施諸如充填開采法或房柱式開采法等,優化開采工藝;在第四系強富水含水層下對煤層覆巖實施局部輕微爆破松散,抑制斷裂帶發育高度;局部限制采用對煤層頂底板擾動破壞大的一次性采全高或放頂煤等開采工藝;應用“三圖法”對研究區實施開采適宜性評價,進行開采適宜性分區,圈定不宜開采地段;建立地面淺排水源地,預先截取補給礦井的地下水流;預先疏排諸如強徑流帶等地下水強富水地段等。在對補給礦坑地下水實施最大限度控制、最大限度減小礦井涌水量的基礎上,將有限的礦井排水分質處理后最大化加以利用。通過對礦井水實施有效控制與利用,保護了礦區地下水資源,防止了地下水水位大幅下降,避免了礦區生態系統和地質環境的惡化,維護了礦區原始生態地質環境。③對于具備回灌條件的礦井,可采用礦井水控制、處理、利用、回灌、生態環保“五位一體”優化結合模式和方法,首先通過采取各種防治水的有效措施后,將有限的礦井水進行井下和地面的水質處理,最大限度地在井下生產環節和地面供水環節利用礦井水,最后剩余的礦井水經處理達標后回灌地下,達到礦井水在地面的零排放目標,實現我國煤炭資源開發與水資源和生態環境保護統籌規劃、協調可持續發展的最終目標。④管理層面的組織協調。由于“三位一體”或“五位一體”優化結合系統涉及礦山、水務、環保3個相互獨立的不同部門,如能使3者實施無縫有效的成功結合,不同層次的政府出面組織協調三部門相互關系是非常重要的保障。(4)“煤-水-氣-熱”多資源型礦井建設與開發理論與技術。我國相當一部分煤礦同時遭受水害、氣害(瓦斯)、熱害等災害的威脅,礦井開發過程中,不僅面臨煤層頂底板和老空區積水突(透)水問題,而且瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出和高水溫、高巖(煤)溫等災害難題也同時并存,特別位于地熱異常帶和深部開采的礦井,三大災害問題同時并存。因此,針對這類涌水量大、瓦斯豐富、地溫高的礦井,在煤炭資源安全、高效、綠色、健康地開發過程中,將傳統被認為災害源的礦井水、瓦斯、地溫能實施預先抽放或采用地源熱泵等技術加以綜合利用,將其作為煤炭資源開發過程中的共伴生資源加以開發,應用大系統工程理論,使煤炭資源開發與水、氣、熱資源化利用作為一個完整系統加以綜合研究,建設“煤-水-氣-熱”多資源型礦井,是現代煤炭工業實現和諧可持續發展的必然途徑。(5)進一步加強廢棄礦井閉坑管理機制與可操作措施研究。考慮到大量關閉廢棄礦井對周圍環境造成的不穩定影響和對周圍礦井生產形成的重大安全隱患,特別是廢棄積水礦井,已構成對周圍煤礦安全生產的嚴重威脅,近年來已發生了多起嚴重的重特大透水事故。據國家煤礦安全監察局統計資料,2006年共發生水害事故99起,其中一次死亡人數超過3人以上的45起水害事故均為老空透水事故。為了從根本上解決這個問題,《煤礦防治水規定》第18條對廢棄礦井應當提交閉坑報告和報告內容等做了專門規定。但由于歷史原因,過去已遺留的廢棄礦井無法提交正規閉坑報告,只能根據后期需花費大量人力、物力和資金的專門勘探和評估等工作來彌補;但現在應該是立即采取管理變革措施的時刻了,絕不允許把現在正在廢棄的礦井和采空區、特別是積水礦井和采空區在不編制任何正規閉坑報告情況下不負責任地遺留下來,堅決防止并杜絕把廢棄礦井的類似問題留給我們的子孫后代。(6)大采高綜合機械化采煤或一次性采全高放頂煤開采條件下的頂板超高導水斷裂帶和底板超深礦壓擾動破壞帶的預測評價理論和現場實測技術方法研究。從20世紀90年代開始,我國大部分大型煤礦陸續采用大采高綜合機械化采煤或一次性采全高放頂煤開采方法實施回采,這些采煤方法在創建高產高效礦井的同時也帶來了新的水文地質問題,這就是超高頂板冒裂帶高度和超深底板礦壓破壞深度遠大于傳統分層開采所造成的高度和深度,使得在傳統開采誘發的擾動破壞帶以外、對礦井安全生產本不構成威脅的頂底板充水水源轉變為采動破壞帶內,對煤礦安全生產構成了充水威脅。這些采煤方法所誘發的煤層頂、底板異常擾動破壞帶增加了采掘工程觸及煤層頂、底板含水層或老空水或地表水體的概率,增大了礦井突水的可能。因此,大采高綜合機械化采煤或一次性采全高放頂煤開采條件下的頂底板異常擾動破壞帶完全有別于分層開采情況,需要從基礎理論和現場實測技術兩個方面開展深入研究。(7)礦井正常排水系統的潛水電泵研發技術。由于潛水電泵具有地面可控制和泵房淹沒后仍能正常工作等諸多優點,高揚程大流量潛水電泵已在我國煤礦使用。但由于缺少長期穩定運行的工程實踐,目前主要用于礦井短期抗災強排或應急搶險救援使用,在礦井正常排水系統中應用極少。對于水文地質條件復雜或極復雜、涌水量大、有突水危險的礦井,特別是采用傳統的吸入式礦用多級離心水泵不能滿足吸水高度或泵站硐室溫度不能滿足要求或泵站噪聲超標等情況下,研發應用于礦井正常排水系統的潛水電泵設備和配套裝備意義重大。(8)鉆物探無縫一體化的采掘工作面隨鉆超前探放水技術研究。井下采掘工作面超前探放水一般主要采用鉆探和地球物理勘探兩種手段,他們各有優缺點。鉆探手段優點是直觀明了,只要鉆孔觸及到含水體,即可探明其確切位置并實施放水,達到超前探放水目的;但其缺點是一孔之見,控制范圍有限,存在勘探盲區,所需工期長,投資大,即如觸及不到含水體,僅僅證明在直徑細小探放水鉆孔位置不存在含水體,如想探測清楚采掘工作面整個范圍的含水體分布,必須設計多個鉆孔。地球物理勘探手段的缺點是多解,探測精度受探測范圍增大急速下降(體積效應),受探測環境影響大,無論何種方法均存在這些問題;優點是在較小投資情況下能快速對整個采掘工作面大范圍實施超前探測,且在探測范圍較小情況下,其精度較好。鑒于上述優缺點分析,目前井下通常采用先物探后鉆探驗證的探放水方案,但二者的結合是屬于一種有縫的配合,無法達到真正意義上的鉆物探無縫一體化探測。近些年來所研發的先鉆探后物探的鉆物探一體化探測技術是真正意義上的無縫結合,這些技術充分吸收了二者各自優點,克服了各自不足,在鉆探完成后或過程中實施隨鉆物探探測,將其物探探頭置于鉆孔內,探頭的網口通過網線電纜與現場主機網口相連接。這種鉆物探無縫一體化隨鉆超前探測方法目前主要包括鉆孔激發極化法和鉆孔電磁波層析成像法等。(9)具有采動變形和突(透)水潛勢監測功能于一體的礦井水害監測預警技術體系研發。突(透)水災害的發生必須同時存在3個條件,即補給水源、導水通道并具有一定強度,如缺少任一條件,均不可能發生。目前微震監測技術雖然能夠對導水通道在采動變形過程中進行實時、面狀、高精度定位和三維展示與分析,可以確定通道類型、通道時空位置和變形尺度等,但他本身無法探測并判斷采動過程中不斷變形的通道是否充水或含水,即微震自身無法監測并預警突(透)水潛勢。因為采動變形再大,如無水源補給,也不會導致突(透)災害。中煤科工集團西安研究院研發的基于光纖光柵通信技術的多參數(應變、水壓、水溫)煤層底板突水監測系統,目前雖然不但能夠監測采動變形,而且可通過監測水壓和水溫來探測判斷是否充水,但多參數監測系統只能進行點監測,無法覆蓋整個工作面。因此,研發同時能夠面狀監測采動變形和充水含水兩大特征的礦井水害監測預警技術體系,是今后水害監測預警領域的另一個重要研發方向。