我国矿井水防控与资源化利用的研究进展、问题和展望

武 强

(中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083)

我国矿井水防控与资源化利用的研究进展、问题和展望

武 强

(中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083)

为了更好地推广应用现有技术和探索研发新的技术方法,在全面总结我国目前矿井水防控与资源化利用理论方法、应用技术、工程实践和技术标准等基础上,系统分析了该领域在基础理论、水文地质(补充)勘探与水害预测预报、井下水害超前探测(放)与监测预警、矿井水害主要预防与治理技术等方面的最新科研进展和取得的成果,指出了矿井水防控与资源化利用面临的挑战、存在的问题和与我国快速、集约、规模化发展的煤炭工业要求存在的差距,探讨分析了其发展趋势,展望了今后创新研究的重大科学问题和关键核心技术与方法及发展前景。

矿井水防控与利用;研究进展;存在的问题;发展趋势

我国在世界各国煤炭资源地质储量方面位居第3,但从21世纪开始已是世界上第1产煤大国。由于我国是一个由多个构造板块经多序次地质构造运动拼接而成的陆地,故地质构造条件十分复杂,是世界上煤矿水害最为严重的国家之一。据国家安全生产监督管理总局统计,水害在煤矿重、特大事故中是仅次于瓦斯爆炸的重大灾害。水害矿难不仅容易造成井下作业人员重大伤亡,而且在经济损失严重程度、事故抢险救援难度和恢复矿井生产所需时间等方面在煤矿灾害事故中最为突出。此外,水害事故发生面广,凡涉及矿山开采特别是井工开采的各类矿种的矿山企业或涉及地下工程开挖的各类行业部门均普遍面临该问题,故社会影响面广,国内外关注程度高[1-5]。

深部和下组煤煤炭资源开采的水害问题随着浅部和上组煤易采资源储量逐渐枯竭日益严重,矿井充水水文地质条件日趋复杂,突水影响控制因素增多,突水机理和类型复杂多变。许多矿井不仅面临顶板因浅部资源开采或关闭大量不具备安全生产的小煤矿形成的老空积水的透水威胁,而且面临着底板高承压碳酸盐岩地下水的突水胁迫,同时煤层中还常伴随有瓦斯等有害气体爆炸或煤瓦斯与地下水等的突出,即煤层采掘环境处于水害的“顶威、底迫、中突”中。

近年来我国在煤炭产量大幅增长、开采强度不断加大情况下,煤矿水害控制形势继续保持总体稳定、持续好转的发展态势。全国煤炭产量从2000年的近10亿t增加到2013年的37亿t,13 a产量翻了3.7倍;与此同时,我国煤矿水害事故发生总起数和总死亡人数分别从2000年的104次与351人下降至2013年的21次与89人,分别下降近80%与75%。根据国家煤矿安全监察局2012年的调查统计,近年全国煤矿每年实际排水量达71.7亿m3,全国共有61处煤矿的矿井正常涌水量超过1 000 m3/h,矿井水资源化利用率逐年提高。这些数据说明,我国近年来在矿井水防控与资源化利用领域取得了巨大的进展和研究成果[6-8]。但由于我国煤田地质条件类型多,构造复杂,矿井突水隐蔽致灾因素与机理多变,特别是随着深部资源的大规模开发,水害防治形势依然十分严峻,存在诸多难题,面临众多挑战,煤矿地下水控制与资源化利用仍将是我国煤矿安全生产和科学开采研究的一个重大科研课题。

1 研究进展和取得的成果

1.1 基础理论

(1)完善了矿井防治水基本原则,提出了新的“十六字”防治水基本原则和与其配套的“防、堵、疏、排、截”五项水害综合防治措施[9-10]。我国原有的矿井防治水基本原则是“有疑必探、先探后掘”的“八字”方针。“八字”原则本身不存在任何问题,特别是随着近年来国家对矿山生产安全的高度重视和所出台的一系列政策法规与惩罚条例等、矿山企业在安全生产上的意识与管理水平大幅提高,以及采掘一线矿工自身对安全的重视,如果矿井生产现场发现了水患疑点,现场工程技术人员和专职探放水工肯定会即刻进行超前探放水,查清疑点或隐患后再进行采掘。但现在的问题是如何发现水患疑点?如何提前判断水害隐患?这是矿山企业和现场工程技术人员目前急需解决的重大难题。针对此难题,《煤矿防治水规定》第3条提出了我国矿井防治水的新的“十六字”基本原则,即“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”,即通过科学的预测预报方法和手段,首先发现矿井水患疑点,对其疑点或隐患必须坚持超期探放水,先探放后掘进,先治理后回采。这样,“十六字”基本原则就对矿井水害防治工作概括形成了一个完整地闭合技术思路。另外,配合新的“十六字”原则,《煤矿防治水规定》第3条还提出了与其相配套的5项水害综合防治措施,即“防、堵、疏、排、截”。

(2)在系统总结与分析我国近年来矿井重特大水害案例特征基础上,补充完善了矿井水文地质类型划分的基本原则和主要影响因素,提出了我国矿井水文地质类型划分依据的新方案[9-11]。矿井水文地质类型划分的目的是分析矿井水文地质条件,有针对性地指导矿井水文地质补充勘探和水害预防、控制和治理工作。由于我国矿井水文地质条件复杂,受水害威胁的煤炭资源比重大,水害类型齐全,故水文地质类型划分对保障矿井安全生产意义重大。考虑到我国老空积水分布范围广,大部分老空积水区具体范围、位置与形状不清,以及近年来连续发生多起由老空积水诱发的重特大透水矿难,同时考虑矿井在建设、生产过程中是否发生过突水事故和发生突水的突水量大小与矿井充水水文地质条件复杂程度相关,在矿井水文地质类型划分原有4项依据基础上,增补了“矿井及周边老空水分布状况”和“矿井突水量”这2项类型划分的新依据。

(3)水体下和周边不同条件下安全开采的技术要求和规定的技术标准不断完善[9-10]。随着我国煤炭资源开采强度增大和浅部资源逐渐殆尽,除了加大深部资源开发外,在过去技术条件下一般不宜开发的海、湖、河、水库、老空积水区和强富水含水层等大型水体下与周围的开采活动日益增多。对于有疏干条件的矿井,应首先对威胁采掘工作面生产安全的各类水体进行预先疏排,在排除积水、消除危险隐患后方可进行采掘工程活动;如因各种原因无法排除水体、但需在其下或附近开采倾斜、缓倾斜煤层的矿井,则必须查明充水水文地质条件,按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中有关水体下开采规定,编制专项开采设计,组织相关技术人员研究讨论,确定安全可靠的防隔水煤(岩)柱和制定安全防范措施,由煤矿企业主要负责人审批后,可进行采掘工程活动,但要密切加强动态监测,如发现异常情况,立即停产撤人;对在水体下或附近开采急倾斜煤层的矿井,鉴于急倾斜煤层开采后诱发的抽冒机理、抽冒发育规律和发育高度预测以及抽冒控制等理论和工程技术问题目前仍未能得到有效解决,因此,严禁在水体下或附近开采急倾斜煤层。

(4)剖析了突水系数计算公式演化历史,明确了突水系数概念和水文地质意义,提出了突水系数计算公式。突水系数计算公式T=p/M是我国在1964年焦作水文地质大会战期间借鉴匈牙利工程师韦格弗伦斯的相对隔水厚度(T=M/p)概念而提出,并依据焦作、峰峰、井陉、邯郸、肥城和淄博等大水矿区出现的大量底板突水案例和基础数据,计算得出了正常地质块段临界突水系数值为0.1 MPa/m、构造块段为0.06 MPa/m。相比韦格弗伦斯的相对隔水层厚度计算公式,显然,我们提出的突水系数计算公式是他的倒数。这个倒数从数学上看似非常简单,但本文认为其水文地质意义重大,因为突水系数反映了水文地质学中地下水渗流最基本的规律——Darcy定律的核心思想,即煤层底板充水含水层地下水在水压p的驱动条件下渗透通过煤层与充水含水层之间隔水段厚度M的距离、最终突入采掘场地时所消耗的能量,它描述了煤层底板突水的整个动力学过程。同时,明确了突水系数计算公式中水压(p)为煤层底板隔水层底界直接承受的水压,而不是煤层底界承受的水压。

后期随着人们对采掘工程活动诱发的煤层底板矿压破坏现象、隔水段岩层岩性组合和底板承压地下水原始导升发育现象等认识的不断深化,陆续出现了突水系数的不同计算公式,这些公式更加真实地描述了我国煤层底板突水的水文地质物理概念模型,但所提出的临界突水系数值仍然采用的是1964年未考虑这些现象时提出的临界值。显然,这是不妥的。因此,《煤矿防治水规定》编制本着还原历史的原则,在目前尚未提出考虑这些现象的普遍可接受的新的临界突水系数值之前,突水系数计算公式仍采用T=p/ M,将来一旦提出能够考虑这些现象的新的可接受的临界突水系数值,突水系数计算公式还可重新修订。

(5)规定了生产矿井必须具备的最基本防治水资料[9-10]。作为一个生产矿井,3个报告、5份图件和15类台帐是其必须具备的最基本的防治水基础资料,其他有关防治水图件和台帐由矿井根据实际需求编制。图件和台帐每半年需修正1次。

(6)矿井充水水文地质条件三维可视化分析平台建设取得了一定进展[12]。传统的充水水文地质条件分析方法是以点、线、平面、剖面等为基础,通过推算预测,形成对矿井充水水文地质条件二维空间的了解与认识。这些方法不能真实反映与刻画自然界复杂的三维充水条件和现象,缺乏动态处理和时空分析能力,存在很大局限性。三维水文地质可视化建模与模拟分析方法在一定程度上解决了这些问题,它可以提供统一的三维显示通道,支持地面水文地质勘探、试验和井下探测以及采掘工程揭露等数据的全方位、一体化显示与管理;可进行任意地层剖面分析,各种水文地质参数查询;可实现应力应变分析、地下水流模拟、突水危险性评价、水量预测计算和防治水对策方案优化比选等。矿井三维充水水文地质条件可视化分析平台将成为地面与井下水文地质勘探与测试数据处理、充水条件物理概念模型分析、水流模拟评价、水害预测预报和防治水方案制定等的有效工具。

1.2 水文地质(补充)勘探与水害预测预报

(1)矿井水文地质补充调查与勘探理念和技术手段有所创新,勘探程度有所提高[2-6,13-15]。针对我国大部分矿井或开拓延深区以往水文地质勘探程度偏低和充水水文地质条件不清等问题,特别是西北、东北和华北西部矿区的水文地质勘探程度明显满足不了矿井高强度开发需求,《煤矿防治水规定》第29条规定了在7种情况下必须进行矿井水文地质补充勘探。近年来在我国东北、西北和开拓延深区等矿井,水文地质补充勘探程度有所提高,勘探理念有所突破,勘探技术手段和方法有所创新,在地质构造、充水水源、导水通道、老空区探查和矿井涌水量预测等方面,取得了一定进步,如地质构造勘探的地面高分辨率三维地震技术;含水层富水性和充水通道水力性质及导含水构造勘探的地面瞬变电磁、高密度电法、频率测深、可控源声频大地电磁测深(CSAMT)、磁偶源频率测深和钻孔无线电波透视等技术;老空区和积水老空区勘探的地面高分辨率三维地震技术、地面电法勘探和充电法造影成像;水文地质物理概念模型建立和水文地质参数确定的单孔、多孔、群孔稳定与非稳定流抽(放)水试验、示踪联通试验和二者联合试验、脉冲干扰试验等。

(2)规定了作为水害预测预报重要内容的井下突(透)水异常征兆信息的处置程序[16]。井下采掘工作面或其他地点在接近或临处于突(透)水极限平衡状态前的不长时间段内,在其附近的滴淋水量水质、煤层或围岩应力变形、水岩温度或气体理化性质等均会显现出不同程度的变化,即各种各样的突(透)水征兆信息。这些信息的出现并不可怕,而且信息起始初值大小也不是关键,关键是要密切观测征兆信息的动态变化特征。如征兆信息虽然起始初值不大,但其动态变化很快,显然比较危险;反之,即使信息初值较大,但若其基本无变化或动态变化很缓,应该问题不大,继续加强动态监测。一旦井下突(透)水异常征兆信息出现,应当立即停止井下所有作业,报告矿调度室,并发出警报,撤出所有受水害威胁区域人员,组织专业技术人员分析原因,开展必要探测工作,做出科学判断。在原因未查清、隐患未排除之前,不得进行任何采掘工程活动。

(3)矿井水害预测预报理论不断完善,水害评价的完整技术方法体系日益成熟,不同水害类型预测评价技术得以更新换代[17-20]。水文地质(补充)勘探工作为矿井构造、主采煤层与含水层沉积结构关系、充水水源、导水通道和老空区等提供了非常重要的原始地学信息。但这些有限信息是局部离散的,直接应用这些信息分析水患规律是非常初浅的,无法充分发挥出水文地质勘探成果所蕴涵的价值。如果采用先进科学的评价方法和模型将这些原始信息加以分析、统计、模拟与处理,得出的结果就可以系统整体的评价预测矿井在采掘生产过程中可能面临的诸如顶板、底板、老空和构造等水害威胁的分区特征和程度。根据预测预报成果,即可方便有效地制定出矿井不同类型水害的防治对策措施和建议。针对我国普遍面临的煤层底板突水难题,在原有“突水系数法”评价方法基础上,提出了可考虑更多影响因素的“脆弱性指数法”和“五图双系数法”等底板突水综合评价方法;对于煤层顶板水害,提出了可以同时解决顶板充水水源、通道和强度三大关键技术难题的“三图-双预测法”。

1.3 井下水害超前探测(放)与监测预警

(1)井下采掘工作面超前探放水概念明确,其理论与技术不断完善,探放水工作程序与步骤逐渐具体化,探放水工作须满足“三专”要求[9-10]。虽然采掘工作面超前探放水是一项传统的井下防治水技术,但在地面工作无法查明矿井水文地质条件和充水因素的情况下,它在预测和避免重特大水害事故突发中仍然具有十分重要的使用价值。一般采掘工作面超前探放水的手段包括物探、化探、钻探和坑探等,物探和化探为无损性探测,而钻探和坑探为扰动破坏性探测,物探和钻探为主要常用手段。采掘工作面超前探放水的概念就是必须采用钻探或坑探等直接手段进行探放水,绝不允许应用物探或化探等间接手段直接探水。探放水具体工作程序与步骤应该首先采用廉价、快速、能够对整个采掘工作面大范围实施超前探测的物探手段进行总体宏观探测,然后必须应用钻探等直接手段检查验证物探等间接手段的探测结果,并对含水体实施井下放水,决不允许将未经钻探检验的物探间接探测成果直接作为采掘工程设计的依据。超前探放水工作必须由专职探放水队伍中的专业探放水工使用专用探放水钻机进行施工,即满足“三专”要求。

(2)井下地球物理超前探测技术[2-5]。经过多年的基础理论研究、现场试验、探测对比和分析提高,井下地球物理超前探测技术取得了长足发展,基本能够覆盖井下采掘工程的各个环节,初步形成了一套较为完整的井下地球物理探测技术体系。在掘进工作面超前探测方面,主要方法包括直流电法、瞬变电磁、瑞利波、激发极化、高分辨二维地震、地质雷达和陆地声纳法等,但目前应用效果较好的常用方法主要为直流电法和瞬变电磁法。前者的优点是无探测盲区,且为接触型探测,但不足之处是在井下巷道空间只能向掘进前方单方向探测,探测距离较短(60～80 m),且体积效应相对大;后者的优点是在井下巷道可多方向探测,探测距离相对较长(80～120 m),体积效应相对较小,但他的不足之处是探测成果存在20 m左右盲区,且为非接触型探测。在回采工作面超前探测方面,音频电透视、瞬变电磁、无线电透视CT(坑透)、槽波地震和弹性波CT层析成像等为主要探测方法,其中音频电透视和瞬变电磁法主要探测煤层顶底板含水层、烧变岩的富水性和老空积水区分布以及含导水构造等,无线电透视CT(坑透)、槽波地震和弹性波CT层析成像法主要探测煤层构造、煤厚变化、岩浆岩和火烧区等。目前井下应用新的地球物理探测技术还包括钻孔窥视、孔巷透视、钻孔测斜、孔深探测和开孔定向等。

(3)井下定向钻进、分支造孔技术和采掘工作面超前定向钻孔探放水技术[21]。钻孔超前探放水是我国传统但在目前仍被广泛应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钻孔探放水均为直孔,按照煤矿防治水有关技术规定,一个掘进工作面如仅需探测煤层底板水,至少需打3个直孔以上;如探测顶、底板水,所需探放直孔数量就更多了。大量的超前钻探工作量严重影响了掘进工作面掘进速度,超前探放水与掘进速度相互间产生了尖锐矛盾,这种矛盾严重影响了井下超前钻孔探放水技术的推广应用。因此,在保证超前探放水质量和效果前提下如何减少探放水钻孔数量的技术变革就显的尤为重要。由于超前定向钻孔探放水技术具有人为定向和钻孔钻进轨迹可按照预先设计要求延伸到达预定目标等功能,一个定向钻孔探放水效果可代替多个直孔,可大大减少掘进工作面超前探放水钻孔数量,而且可将定向探放水钻孔开孔位置放在掘进工作面后部,这样就能解决钻孔超前探放水与掘进工作面掘进速度相互间的冲突和矛盾。这种井下定向探放水钻孔具有开孔密度小、钻进轨迹可控性高、一孔多方位、无效进尺少、可与掘井同时平行作业互不影响、探测目标点准确和排水效率高等诸多优点,他是对传统井下探放水技术装备的一次革命。此外,由于井下定向钻进和分支造孔技术的独特优势,在回采工作面底板定向注浆加固隔水层与改造充水含水层、在超前预探放顶底板充水含水层地下水和老空水、在地质构造和煤厚变化等不良地质异常体探测与治理方面,具有好的应用前景。

(4)基于水文地球化学、水压和水温等多源信息的井下涌(突)水源快速综合判识技术。井下采掘工程的任一涌(突)水点,往往均是由于接受了诸如大气降水、地表水、地下水或老空水等不同类型水源的补给、经径流后排泄于井下而形成,由于不同类型水源在其形成、径流和排泄等过程中受到不同地质环境和人为因素等影响与干扰,其水源的水文地球化学背景特征、水温和水位(压)各不相同。这些在矿井现场收集到的在水化学、水温和水压(位)等方面不同的大量样本点,可为井下涌(突)水点补给来源的快速判识数学模型建立提供极其重要的水源样品和基础数据库。根据井下涌(突)水点水压(位)、水温实测值和水样水化学分析结果,应用基于大量实测数据所建立的判识数学模型和信息系统,即可快速准确地判识出井下任一涌(突)水点的补给水源。

(5)采动条件下矿井地质构造活化、煤层顶底板破裂高度和水害监测与预警技术[2-4,22]。在采动条件下,矿井水害的形成和发生都有一个从孕育、发展到发生的演变过程,在这一过程的不同阶段,在应力应变(特别是地质构造部位)、水压(水位)、涌水量、水化学和水温等方面均会释放出对应的突(透)水征兆,及时、准确、有效地监测这些征兆信息,建立一个集矿井水害监测、判识和预警技术于一体的完整体系,对于预防重特大水害事故发生具有重要的理论意义和实用价值。目前在采动条件下能够实时、动态、面状诊断并立体显示煤层顶底板变形破坏过程和断层与陷落柱等地质构造活化强度、烈度以及相关时空参数的高精度微震监测技术,在我国应用效果较好。中国煤炭科工集团西安研究院采用水压(位)、水温和三分量应变光栅类传感器,应用光纤光栅通信技术研发的多参数点状矿井水害监测预警技术,在我国许多矿山也得到应用。

1.4 矿井水害主要预防与治理技术

(1)煤层底板注浆加固和含水层注浆改造以及注浆封堵导水通道技术。这项技术是我国在20世纪80年代中后期自主研发并逐渐应用于煤层底板突水预防处理的一项注浆防水方法。当煤层底板充水含水层富水性强、水头压力高、且煤层隔水底板厚度薄、或遇构造破碎带和导水断裂带,无法采用疏水降压方法保障安全开采,或疏排水费用太高、浪费地下水资源且经济上不合理时,采用底板隔水层加固和含水层改造及局部封堵导水通道的注浆防水方法实属上策。该项技术主要针对煤层底板水害的预防问题,利用回采工作面已掘出的上通风巷道和下运输巷道,应用地球物理勘探和钻探等手段,探查工作面范围煤层底板隔水岩层裂隙发育规律和含水层富水性状况,确定裂隙发育和富水段,采用注浆措施加固底板隔水层并同时改造含水层富水性,进一步提高其隔水强度并使其富水性大幅降低。该项技术采用人为注浆工程手段,解决了在自然条件下无法保障安全开采,或采用人为疏降水措施无法实施安全开采的我国普遍面临的煤层底板突水难题。但应该清醒认识到,目前这项技术主要应用在井下单工作面回采前的煤系薄层灰岩含水层的注浆加固和改造方面。随着华北型煤田下组煤和深部开采规模逐渐扩大,如何将煤层底板从一工作面一治理转变为区域治理、从回采工作面形成后再治理转变为形成前的预先主动治理、从以井下治理为主转变为以地面治理为主、从以煤系薄层灰岩含水层作为主要治理对象转变延伸到以奥灰含水层顶部作为主要治理对象?这些问题是该项技术进一步研发解决的方向和内容。

(2)注浆技术[2,23]。随着采深加大和下组煤开采,矿井水害事故频发,潜在水患加剧,地面和井下整体或局部注浆技术在快速封堵治理突水灾害、消除潜在水害隐患方面,显示出了明显的优势,例如帷幕截流注浆在矿井地下水集中补给带和地下水排泄区强径流带等水害隐患处的封堵截流,局部预注浆改造充水含水层富水性和封堵导水通道,地面定向注浆在岩溶陷落柱上部建造“堵水塞”切断深部奥灰补给水源通道,地面综合注浆工艺和技术在充水巷道建立“阻水墙”等,这些成套的配合注浆技术实施的快速定向钻进及分支造孔技术、不同工艺和方法的地面与井下注浆技术、各种注浆堵水效果评判方法和准则等,为矿井水害预防与治理提供了强大的技术保障。

(3)综合机械化充填采煤技术[2-3,24]。该技术利用煤壁、支架和充填体对直接顶的不间断接力支护,限制直接顶变形,使直接顶转变为基本顶,改变了矿山压力岩梁传递作用岩层,控制了矿压显现,稳定了煤层顶底板含水层结构,从而达到了预防控制煤层顶底板水害的目的。此外,综合机械化充填采煤技术在控制地表沉降、消除矿井地面矸石山、杜绝采空区瓦斯积聚、根除煤层自然发火隐患和减少矿山环境地质问题等方面,也具有重要的意义。

(4)大功率、高扬程、大流量矿用潜水电泵技术。过去一直依赖于进口的矿用潜水电泵由于价格高昂等原因,有限数量的进口潜水电泵一直只能应用于突(透)水事故发生后应急抢险救援的排水,但随着我国科学技术进步,具有自主知识产权的大功率、高扬程、大流量潜水电泵技术已逐渐成熟,大量物美价廉、性价比高的国产矿用潜水电泵为我国矿山水害预防与治理的普遍使用提供了物质保障,为圆满解决水文地质条件复杂和极复杂矿井井底车场周围设置防水闸门困难与国家原来刚性技术标准要求的相互冲突难题提供了技术支撑,为确实不具备建设防水闸门条件的水文地质条件复杂、极复杂矿井提供了一个替代技术的选择。

2 面临的挑战与存在的主要问题

(1)矿井防治水基础工作薄弱,水文地质调查和勘探程度偏低,严重滞后矿井建设速度和生产强度。矿井防治水必备的基础资料、图纸和台帐不健全,矿井及周边废弃关闭小煤矿的古空与采空区范围不准,积水区域不明,充水水文地质条件不清,充水含水层水文地质参数缺乏,致灾通道特别是隐蔽致灾通道不明,制定的防治水措施缺乏针对性,水害预测预报与水患排查治理制度不落实,水害隐患心中无数。

(2)矿井突水机理认识不足,缺乏大型相似材料物理再现实境模拟[25-27]。随着采深加大和下组煤大规模开发,高地应力、高水温、高水压和高瓦斯压力等“四高”问题逐渐显现,影响矿井突水因素随之增多,突水类型呈复杂多样化特征,延迟滞后突水或离层水突水等浅部少见的突水现象逐渐增多。研究方法过分依赖数学模拟,忽视了物理模拟,缺乏从多因素、多场耦合和多种模拟手段等方面开展综合研究。

(3)相对落后的探测和防治水技术手段未能完全满足高强度快速采掘工程和生产的要求,特别是小型隐蔽性致灾通道的超前精细探测定位技术与装备有待进一步提高。小型隐蔽性致灾通道是指无明显地表或井下出露和显现特征、发育于岩层内部规模有限的地质构造,主要包括自然的隐伏断层、裂隙密集带、局部构造破碎带、岩溶陷落柱、岩溶塌落洞和人为的冒裂带、抽冒带、切冒带、封闭不良钻孔等,他们是沟通矿井充水水源与其采掘工程之间水力联系的主要导水通道。近年来,煤矿的采深、采高和采掘工作面尺度均在不断加大,井巷工程掘进和工作面回采速度不断提高,水害诱发条件、形成机理以及威胁程度都在发生变化。然而,针对复杂的水文地质背景、大尺度的采掘工程和高强度的生产要求,我国目前的水害探测和防治水技术手段以及小型隐蔽性致灾通道的超前精细探测定位技术与装备仍无法完全满足工程实践要求,缺乏对水情的高精度实时探测预报和水害的有效监测预警,现代高新技术在煤矿水害探测和防治方面应用有待提高,许多探测和防治技术问题未能得到根本解决。

(4)尚未形成一套完整有效的老空区和积水老空区探测与定位技术方法体系[28]。老空水害是老空区积水突入矿坑造成的灾害,是近年来我国煤矿发生重特大水害事故的主要类型。老空水害的发生主要是老空区的防水煤(岩)柱被采掘工程扰动破坏后不足以抵抗老空积水水压所致。破坏原因:一是积水老空区位置和底界面标高不准,积水范围不清,水位和水量不知,又不做有效的超前探放水工作,采掘时误入积水老空区所致;二是开采积水老空区煤柱,许多资源枯竭煤矿以开采废弃煤柱延长矿井服务年限,开采时对其相邻煤矿的积水老空区位置不清,缺乏有效监测和保护措施,酿成透水灾害。因此,老空区和积水老空区成套有效探查、定位技术方法的研究与开发意义重大。

(5)采煤、控水、保生态3者优化结合的管理理论和成套技术方法尚未建立与形成[29-31]。我国西北和华北型煤田西部早中侏罗纪煤田地处干旱半干旱气候区,年降水量仅有250～450 mm,自然生态环境十分脆弱,该地区煤层厚,埋藏浅,地质构造条件相对简单,大采高条件下的控水、保地质环境、保生态系统的“一控、二保”约束压力非常大;我国中东部矿区受底板奥灰承压岩溶裂隙水威胁严重,水压大,富水性强,导水通道隐蔽复杂,底板突水时有发生,另外,浅部和上组煤开采遗留的资料不清的大量采空积水区,也是威胁我国中东部矿区安全生产的重大危险源隐患。因此,如何破解煤矿区采煤、控水、保生态3者之间的尖锐矛盾与冲突问题?如何实施煤矿区地下水控制、利用、生态环保3者优化结合?变水害为水利,变废为宝。

(6)专业技术人员短缺,人才培养与培训缺乏组织和长期规划,科技治水能力不足,煤炭企业的产、学、研、用结合程度不够,缺少防治水专项资金支撑。目前,煤矿地质、水文地质和测量等一线专业技术人才严重匮乏,特别是大学本科以上高端学术人才更为缺乏。从业人员技术培训无长期规划,已有知识严重过期老化,缺乏新知识、新方法和新技术的不断更新,科学技术研究资金有限且研发水平低,研发能力不足。由于从业人员防治水整体素质和专业知识有限,许多井下突水预兆信息甚至明显的突水预兆信息无法及时捕捉并加以准确判识,违章指挥和违规施工现象时有发生,酿造了许多本应该可以避免的水害事故。

3 发展趋势和研究展望

(1)完善精细智能化的煤矿安全高效开采地质保障系统研发[3]。煤矿地质安全保障系统应包括两大部分,即生产地质保障子系统和安全地质保障子系统。无论矿井生产还是安全,基础地质保障系统是先决条件。基础地质保障是一个宏大的系统工程,主要包括水文地质调查与勘探、水情与水害的预测预报、地质构造特别是隐蔽性致灾地质构造和充水含水层富水性的高精度精细综合探测定位技术与装备、矿井水害快速有效治理和抢险救援的钻探施工技术与装备、矿井充水水文地质条件和采动效应的动态监测与预警等内容,他们是一个有机结合的整体,需要根据大系统工程理论和方法开展研究,是保障煤矿安全生产的重大基础科学问题。

(2)深部和下组煤开采条件下矿井水害防治基础理论与技术方法[19-20,30-32]。随着我国东部矿区浅部和上组煤煤炭资源逐渐枯竭、西部丰富煤炭资源因受交通运输和脆弱生态环境约束等外部条件限制,加大中、东部矿区深部和下组煤煤炭资源开发和生产强度,是满足我国国民经济快速发展对能源需求的必然选择。可以预计,在未来20年我国东部矿区许多矿井将逐步开采1 000～1 500 m深度的煤炭资源。因此,应深入开展:深部和下组煤开采条件下的煤层赋存规律、高地应力、高水压、高水温和高瓦斯压力的“四高”特征与分布规律,以及深部岩石在“四高”环境下的力学行为演化特征,充水水文地质条件补充勘探、深部岩溶水补、径、排特征和底板岩溶水突出机理、采动岩体裂隙动态演化规律、深部矿井突水动力灾害致灾机理和触发条件、经济技术可行的深部隐伏地质构造精细探测定位技术与方法、煤炭资源开发的多种地质灾害耦合互馈链式反应效应、突水灾害预测预报理论和治理技术及监测监控预警方法等。

(3)加强“煤-水”双资源型矿井建设和开发理论与技术研究,以及“控水采煤”核心技术研发[29-31]。我国大水矿区普遍面临一个采煤(排水)、控水(供水)、生态环保3者之间的矛盾与冲突问题,“煤-水”双资源型矿井建设和“控水采煤”技术研发是解决3者矛盾与冲突问题的有效方法和具体途径。该方法核心支撑技术主要包括:①对于具备可疏性矿井,亦采用矿井排水、供水、生态环保“三位一体”优化结合方法。排水措施可以实施地面排水,也可井下放水,有时可2者相互结合,井下放水最好采用清污分流的排水系统,这样可大大减少矿井水的处理成本。②对于可疏性差矿井,亦采用矿井地下水控制、利用、生态环保“三位一体”优化结合方法。地下水控制措施包括:煤层底板注浆加固与含水层改造;注浆封堵导水通道;改变走向长壁采煤方法,实施诸如充填开采法或房柱式开采法等,优化开采工艺;在第四系强富水含水层下对煤层覆岩实施局部轻微爆破松散,抑制断裂带发育高度;局部限制采用对煤层顶底板扰动破坏大的一次性采全高或放顶煤等开采工艺;应用“三图法”对研究区实施开采适宜性评价,进行开采适宜性分区,圈定不宜开采地段;建立地面浅排水源地,预先截取补给矿井的地下水流;预先疏排诸如强径流带等地下水强富水地段等。在对补给矿坑地下水实施最大限度控制、最大限度减小矿井涌水量的基础上,将有限的矿井排水分质处理后最大化加以利用。通过对矿井水实施有效控制与利用,保护了矿区地下水资源,防止了地下水水位大幅下降,避免了矿区生态系统和地质环境的恶化,维护了矿区原始生态地质环境。③对于具备回灌条件的矿井,可采用矿井水控制、处理、利用、回灌、生态环保“五位一体”优化结合模式和方法,首先通过采取各种防治水的有效措施后,将有限的矿井水进行井下和地面的水质处理,最大限度地在井下生产环节和地面供水环节利用矿井水,最后剩余的矿井水经处理达标后回灌地下,达到矿井水在地面的零排放目标,实现我国煤炭资源开发与水资源和生态环境保护统筹规划、协调可持续发展的最终目标。④ 管理层面的组织协调。由于“三位一体”或“五位一体”优化结合系统涉及矿山、水务、环保3个相互独立的不同部门,如能使3者实施无缝有效的成功结合,不同层次的政府出面组织协调三部门相互关系是非常重要的保障。

(4)“煤-水-气-热”多资源型矿井建设与开发理论与技术。我国相当一部分煤矿同时遭受水害、气害(瓦斯)、热害等灾害的威胁,矿井开发过程中,不仅面临煤层顶底板和老空区积水突(透)水问题,而且瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出和高水温、高岩(煤)温等灾害难题也同时并存,特别位于地热异常带和深部开采的矿井,三大灾害问题同时并存。因此,针对这类涌水量大、瓦斯丰富、地温高的矿井,在煤炭资源安全、高效、绿色、健康地开发过程中,将传统被认为灾害源的矿井水、瓦斯、地温能实施预先抽放或采用地源热泵等技术加以综合利用,将其作为煤炭资源开发过程中的共伴生资源加以开发,应用大系统工程理论,使煤炭资源开发与水、气、热资源化利用作为一个完整系统加以综合研究,建设“煤-水-气-热”多资源型矿井,是现代煤炭工业实现和谐可持续发展的必然途径。

(5)进一步加强废弃矿井闭坑管理机制与可操作措施研究。考虑到大量关闭废弃矿井对周围环境造成的不稳定影响和对周围矿井生产形成的重大安全隐患,特别是废弃积水矿井,已构成对周围煤矿安全生产的严重威胁,近年来已发生了多起严重的重特大透水事故[9-10,28,33]。据国家煤矿安全监察局统计资料,2006年共发生水害事故99起,其中一次死亡人数超过3人以上的45起水害事故均为老空透水事故。为了从根本上解决这个问题,《煤矿防治水规定》第18条对废弃矿井应当提交闭坑报告和报告内容等做了专门规定。但由于历史原因,过去已遗留的废弃矿井无法提交正规闭坑报告,只能根据后期需花费大量人力、物力和资金的专门勘探和评估等工作来弥补;但现在应该是立即采取管理变革措施的时刻了,绝不允许把现在正在废弃的矿井和采空区、特别是积水矿井和采空区在不编制任何正规闭坑报告情况下不负责任地遗留下来,坚决防止并杜绝把废弃矿井的类似问题留给我们的子孙后代。

(6)大采高综合机械化采煤或一次性采全高放顶煤开采条件下的顶板超高导水断裂带和底板超深矿压扰动破坏带的预测评价理论和现场实测技术方法研究。从20世纪90年代开始,我国大部分大型煤矿陆续采用大采高综合机械化采煤或一次性采全高放顶煤开采方法实施回采,这些采煤方法在创建高产高效矿井的同时也带来了新的水文地质问题,这就是超高顶板冒裂带高度和超深底板矿压破坏深度远大于传统分层开采所造成的高度和深度,使得在传统开采诱发的扰动破坏带以外、对矿井安全生产本不构成威胁的顶底板充水水源转变为采动破坏带内,对煤矿安全生产构成了充水威胁。这些采煤方法所诱发的煤层顶、底板异常扰动破坏带增加了采掘工程触及煤层顶、底板含水层或老空水或地表水体的概率,增大了矿井突水的可能。因此,大采高综合机械化采煤或一次性采全高放顶煤开采条件下的顶底板异常扰动破坏带完全有别于分层开采情况,需要从基础理论和现场实测技术两个方面开展深入研究。

(7)矿井正常排水系统的潜水电泵研发技术。由于潜水电泵具有地面可控制和泵房淹没后仍能正常工作等诸多优点,高扬程大流量潜水电泵已在我国煤矿使用。但由于缺少长期稳定运行的工程实践,目前主要用于矿井短期抗灾强排或应急抢险救援使用,在矿井正常排水系统中应用极少。对于水文地质条件复杂或极复杂、涌水量大、有突水危险的矿井,特别是采用传统的吸入式矿用多级离心水泵不能满足吸水高度或泵站硐室温度不能满足要求或泵站噪声超标等情况下,研发应用于矿井正常排水系统的潜水电泵设备和配套装备意义重大。

(8)钻物探无缝一体化的采掘工作面随钻超前探放水技术研究。井下采掘工作面超前探放水一般主要采用钻探和地球物理勘探两种手段,他们各有优缺点。钻探手段优点是直观明了,只要钻孔触及到含水体,即可探明其确切位置并实施放水,达到超前探放水目的;但其缺点是一孔之见,控制范围有限,存在勘探盲区,所需工期长,投资大,即如触及不到含水体,仅仅证明在直径细小探放水钻孔位置不存在含水体,如想探测清楚采掘工作面整个范围的含水体分布,必须设计多个钻孔。地球物理勘探手段的缺点是多解,探测精度受探测范围增大急速下降(体积效应),受探测环境影响大,无论何种方法均存在这些问题;优点是在较小投资情况下能快速对整个采掘工作面大范围实施超前探测,且在探测范围较小情况下,其精度较好。鉴于上述优缺点分析,目前井下通常采用先物探后钻探验证的探放水方案,但二者的结合是属于一种有缝的配合,无法达到真正意义上的钻物探无缝一体化探测。近些年来所研发的先钻探后物探的钻物探一体化探测技术是真正意义上的无缝结合,这些技术充分吸收了二者各自优点,克服了各自不足,在钻探完成后或过程中实施随钻物探探测,将其物探探头置于钻孔内,探头的网口通过网线电缆与现场主机网口相连接。这种钻物探无缝一体化随钻超前探测方法目前主要包括钻孔激发极化法和钻孔电磁波层析成像法等。

(9)具有采动变形和突(透)水潜势监测功能于一体的矿井水害监测预警技术体系研发[22,34-35]。突(透)水灾害的发生必须同时存在3个条件,即补给水源、导水通道并具有一定强度,如缺少任一条件,均不可能发生。目前微震监测技术虽然能够对导水通道在采动变形过程中进行实时、面状、高精度定位和三维展示与分析,可以确定通道类型、通道时空位置和变形尺度等,但他本身无法探测并判断采动过程中不断变形的通道是否充水或含水,即微震自身无法监测并预警突(透)水潜势。因为采动变形再大,如无水源补给,也不会导致突(透)灾害。中煤科工集团西安研究院研发的基于光纤光栅通信技术的多参数(应变、水压、水温)煤层底板突水监测系统,目前虽然不但能够监测采动变形,而且可通过监测水压和水温来探测判断是否充水,但多参数监测系统只能进行点监测,无法覆盖整个工作面。因此,研发同时能够面状监测采动变形和充水含水两大特征的矿井水害监测预警技术体系,是今后水害监测预警领域的另一个重要研发方向。目前基于物联网式的微震与激发极化高密度电法耦合监测的煤矿突(透)水监测预警方法与装备,可实现采动变形和突(透)水潜势同时面状监测预警的目标。

(10)进一步加强华北型煤田奥灰顶板古风化壳发育充填规律和隔水性能预测评价以及在下组煤安全开采中的水文地质意义研究。1976年峰峰地层会议将中奥陶系分为3组8段,其中峰峰组8段、上、下马家沟组5,6和2,3段为相对强富水段,峰峰组7段、上、下马家沟组4和1段为相对弱富水段。目前尚无证据显示,中奥陶系顶部峰峰组因地层原始沉积变异而致其富水性变差。但是,由于加里东构造运动,我国华北型煤田近80万km2的奥陶系碳酸盐岩大范围裸露地表,经历了长期的地表风化剥蚀,在中奥陶统碳酸盐岩顶界面形成了古风化壳,后期受各种因素影响又被风化充填。显然,在碳酸盐岩顶界面被黏土等物质充填的古风化壳,其渗透性和富水性是相当有限的。华北型煤田奥陶系碳酸盐岩顶界面大范围存在的低渗透、弱富水的古风化壳对整个煤田下组煤安全开采具有十分重大的水文地质意义。因此,研究奥陶系古风化壳受古地形、埋藏深度、地质构造和地表径流条件等因素控制影响的发育与充填规律,建立刻画奥灰顶部古风化壳隔水性能的指标体系,提出奥灰顶部古风化壳隔水性能定量评价理论与方法等,对遭受底板突水严重威胁的煤炭储量巨大的华北型煤田下组煤安全绿色开采意义重大。

(11)矿井突水事故应急救援与井下灾情现场实地勘查的两栖救生车技术和装备研发。矿井突水事故一旦发生,往往造成井下工作面或采区甚至整个矿井全部被淹,被矿井水围困人员与外界隔绝,无法得到食品、水源和电力等人体生存必须的物质,如果延续时间超过人体生存极限,将导致被困人员死亡。因此,研发在井下巷道与水体环境下可同时运行的两栖救生车技术和装备,对于突水灾变情况下快速解救被困人员、运输人体生存必须的物质、勘查井下突水具体位置和突水量为灾害有效治理提供依据等,均具有重大的意义。井下两栖救生车必须具备清除或跨越巷道各种障碍物、保证一定运行时间和稳定性等基本功能。

(12)矿山救护医学的基础理论与临床试验研究。矿井发生突(透)水事故后,在井下淹没水位标高以下的采掘空间,一般会被全部淹没,误入这些地点避灾人员,生还可能性有限;但即使在这种情形下,如果被淹空间处于诸如独头巷道等的完整封闭的不漏气隔绝环境,突(透)水的高压高速水流通过高度压缩封闭采掘空间原有空气,并能形成一个气-水压力相对稳定的平衡界面,即“气穴”,即使外部淹没水位高于该空间顶部标高,被困避灾人员也不会被水淹没,仍有生存可能。可以想象,地处一个原有空气被高度压缩环境的被控人员,究竟能承受多大气压?不同气压能够承受的生命极限时间是多少?另外,长期被困人员如无法在井下环境寻找到水源,或虽然找到水源但水质不适合饮用,在这种情况下,被困人员是否可饮用自己的小便?长期不饮水的被困人员的小便是否含有不利于健康的成分?此外,在从井下抢救并运送长期被困人员时要采取措施,防止突然或太快改变他们已适应的生存环境,造成不应有的伤亡或人体器官损伤,但究竟针对被困时间不同的人员,从井下向地面运送速度控制在多少为宜?另被困期间断绝食物后,在饥饿难忍情况下,是否可嚼食诸如煤块等杂物充饥?这些人体体能极限数据对于应急抢险救援预案科学制定意义重大,需要从人体医学基础理论和临床试验等方面开展研究。

(13)矿山环境问题突出,修复与治理工作欠账较多,需深入系统研究[36]。以往长期无序不合理开发,特别是“肥水快流”政策的实施和管理经验上的不足,采矿工程活动诱发了一系列严重的矿山环境问题。如何对众多复杂的矿山环境问题实施科学地梳理与分类?如何有效开展矿山环境调查与勘探?如何对矿山环境进行真实评价与演化趋势预测?如何制定矿山环境保护和修复治理方案?这些均是今后矿山环境问题研究的核心内容。

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Progress,problems and prospects of prevention and control technology of mine water and reutilization in China

WU Qiang
(State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

Based on the comprehensive summary of the theory and method,application technology,practical engineering and technical standard of prevention and control technology of mine water disaster as well as its reutilization in China at present,this paper systematically analyzed the latest research progress and achievements of basic theory, hydrogeology(supplement)exploration,advanced detection and monitoring as well as early warning in order to further promote application of current technologies and develop new technologies and methods.And pointed out the challenges and the existing problems of the field,the gaps with requirements of fast,intensive,large-scale development of the coal industry in China,and discussed the development trends,future important scientific innovation and key technologies.The prospects of the industry and technology were also forecast.

prevention and control technology of mine water,reutilization of mine water;research progress;existing problem;development trend

煤炭科技规范名词与废弃名词比对(1)

TD74

A

0253-9993(2014)05-0795-011

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2014-02-05 责任编辑:韩晋平

国家自然科学基金资助项目(41272276,51174289);教育部创新团队基金资助项目(IRT1085)

武 强(1959—),男,内蒙古呼和浩特人,教授,博士生导师。E-mail:wuq@cumtb.edu.cn