我国煤矿地质灾害与防治技术

李东林，覃　伟，李北平

我国煤矿地质灾害与防治技术

李东林，覃伟，李北平

（重庆工程职业技术学院，重庆 400037）

针对煤矿灾害的复杂性，在初步概括我国煤矿地质灾害特征基础上，分析了地球物理勘探技术和3s集成技术在煤矿地质灾害勘察中的应用，探讨了建立基于数字煤矿平台的灾害综合防治管理系统的必要性、可行性、技术思路及方法。对于煤矿灾害的防治，除在煤矿灾害分布发育规律、形成机理、监测预警技术、综合防治工程技术等技术层面加强多学科、多领域综合研究外，在宏观政策管理层面也必须加强相应配套工作。

煤矿；地质灾害；综合物探； 3s技术

煤炭是我国的主要一次能源，煤炭工业是关系到国家经济命脉的重要基础产业。截止2005年，中国共有煤矿山23 901座。据全国矿山调查数据统计，1950～2005年的55年间，我国煤矿共发生地表地质灾害约7 730处，占全国矿山地表地质灾害数量的71%；全国矿山地质灾害经济损失约174.58亿元，煤矿经济损失约139.71亿元，占了80%［1］。我国煤矿地下地质灾害更是频繁发生，是工业生产中伤亡事故最严重的行业。2007年，全球煤矿事故死亡人数约8 000人，我国为3 786人，占全球近50%。

煤矿企业要实现可持续发展，必须具备地质保障、安全保障和生态环境保障，煤矿地质灾害是对煤矿安全生产、环境保护的严重挑战。煤矿开采引发的地质灾害数量和经济损失远大于金属和非金属矿山，煤矿面临严峻的地质灾害防治形势，加强煤矿地质灾害规律研究和防治对策研究凸显重要。

煤矿地表地质灾害属于国家公益性地质调查研究的对象，而井下地质灾害则不属于。通过概括我国煤矿地表及井下地质灾害特征基础上，总结地球物理勘探方法和3s集成技术在煤矿地质灾害研究中的现状，探讨基于数字煤矿平台的灾害综合防治技术的应用前景。

1　我国煤矿地质灾害特征

我国煤矿自然条件差，地质条件复杂，地质灾害发育种类多、分布广、发生频率高、灾情严重、影响大。我国煤矿地质灾害主要特征：

1）煤矿地质灾害类型多样，根据灾害影响对象和影响范围，分为地表地质灾害（崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降、地裂缝、水土流失、土地沙化、尾矿库溃坝等）和井下地质灾害（矿震、煤与瓦斯突出、矿井突水、热害、偏帮冒顶等）［1］。

2）煤矿环境地质问题可分为资源破坏、地质灾害和环境污染三大类型［2］。煤矿地质灾害是主要的环境地质问题。

3）煤矿地表地质灾害类型以地面塌陷、地裂缝、滑坡为主，分别占地表地质灾害总数的53.5%、33.2%、6.7%，煤矿开采造成的地面塌陷、地裂缝占到全国矿山地面塌陷、地裂缝总数的 81%，采煤塌陷面积占全国矿山地面塌陷面积的 82.78%。

我国煤矿井下地质灾害事故统计表明，顶板和瓦斯事故是我国煤矿的主要井下地质灾害类型。我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家之一，煤矿均为有瓦斯涌出的矿井。在复杂的地质条件下，瓦斯事故已成为煤矿的“第一杀手”，顶板事故的发生频率最高。在2001～2010 年我国煤矿灾害事故中，顶板事故发生起数最多，总共3 372 起，占总数的43%。瓦斯事故总共1 580起，占总数的20%，但死亡人数占总死亡人数的77.3%。因此，瓦斯灾害事故防治是煤矿安全工作的重中之重［3］。

4）我国煤矿规模以小型为主，占到矿山总数的90%以上。小型矿山大多为集体和私营企业所有，开采技术水平不高，技术设施落后，管理不规范，回采率和选矿回收率低，环保意识淡薄，群采乱挖现象严重，因此造成的地质灾害数量也较多。小型煤矿发生地质灾害的数量远大于大中型矿山，占到了地质灾害数量的85%，是大中型矿山的 5.5倍。

5）井下地质灾害的危害性远大于地面地质灾害。截止2005年，我国煤矿地表地质灾害死亡人数约1 167人，而我国煤矿平均每年发生井下灾害3 000起左右，死亡数千人。

2　煤矿地质灾害勘察技术

煤矿地质灾害分布于地表及地下，地表灾害与地下灾害存在一定的关联性，同时煤矿灾害的控制因素十分复杂，传统地质灾害调查方法难以准确查明煤矿灾害的分布范围与致灾因素。

2.1地球物理勘查

煤矿地质灾害防治中，地球物理勘探具有勘探速度快、成本低，控制范围大的优势，可以有效查明引起地质灾害的地质背景，实际工作成果可以为地质灾害防治提供可靠的地质依据，是安全保障矿山生产的有效技术手段。

2.1.1地球物理勘探方法

物探方法比较成熟常用的有高密度电法、瞬变电磁法、可控源大地电磁法以及近年发展起来的地震勘探法，在解决采空区问题均取得了一定的工程实例效果。

高密度电阻率法以岩土体导电性差异为基础，既可研究深度方向的电性变化，也可研究水平方向的电性变化，通过参数换算取得更多突出的有效异常的比值参数，利于潜在灾害的埋深、范围等的推断解释。它对不太深的采空区、地下水系等的勘查十分有效［4-5］。瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲电磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线图或接地电极观测地下半空间二次涡流场的变化，从而达到探测的目的。该方法信噪比高、分辨力强、探测深度大、探测速度快，较容易发现矿区的采空区异常［6］。浅层地震法是由人工手段激发地震波，通过研究地震波在地层中的传播规律，不仅能直观地反映地层界面的起伏变化，而且还能有效探测地下隐伏断层、空洞、陷落柱以及各种异常物体［6］。

上述方法受限于地形、深度等影响有时难以达到预期的效果，而EH-4高频大地电磁测深系统往往可以适用于各种不同的地质条件和比较恶劣的野外环境，并能取得较好的工程效果。EH-4高频大地电磁测深系统系统具有较高的分辨率，可以探测某些小的地质构造和区分电阻率差异不大的地层。徐白山等［7］在自然坡度较陡、地形影响大、接地条件差、植被发育等不良地貌的地方准确地圈定了采空区的范围，分析了地表水与矿井地下水的导通情况。杨炳南等［8］在西南地区地形起伏较大，施工条件复杂的不利条件下，查明煤矿地下水分布情况和导水断裂的空间展布并提出水害防治方案，解决贵州省岩溶石山区的喀斯特充水煤矿水害问题，对指导矿井的安全生产有着非常重要的指导作用。

2.1.2综合物探技术应用

大量的地质灾害勘查实例证明， 通过地表调查和常规的技术方法难以查明灾害的位置分布、形态规模、埋深、塌陷、充水情况等。综合地球物理方法因具备成本低、效率高，可进行大信息量的面积性勘查的特点，逐渐广泛应用于地质灾害勘查工作。

尹金柱等［9］运用瞬变电磁法、三维地震勘探、直流电法等综合物探方法，探测小窑采空区、陷落柱及构造的导含水情况，为煤矿井下开拓和安全生产提供了极有价值的水文地质资料，在生产中提前采取措施，有效避免了矿井水害灾害和重大经济损失。刘海涛等［10］利用高密度电法浅部探测能力强，尤其对低阻敏感的特征， 查明浅部溶洞、老窑、采空区分布及含水情况；并结合具有较深探测能力的浅层地震反射，查明深部采空区和溶洞分布特征、充水情况和裂隙的发育程度，大大提高勘探精度。

实际工作中，往往因为多种方法联合勘探增加成本，其可行性较低，因此制约了综合地球物理勘探发展。但是，利用几种地球物理方法综合勘探，相互补充和验证，提高勘探精度，减少多解性，这是地球物理未来发展的必然趋势。

2.23s集成技术

3S技术的应用，可以从宏观上掌握地质灾害的分布、发生、发展规律。如利用GPS对灾害发生地进行精确定位；利用矿区的多时相遥感图像（RS）进行叠加分析，可以获取矿区不同时期的地貌破坏程度、塌陷区的形态、面积、矿业废弃物的类型及分布状况、环境污染状况及生态环境状况；利用GIS技术可以对矿山灾害信息数据进行空间有效分析，方便管理人员迅速掌握灾情，有效进行防灾减灾工作。

高分辨率遥感影像在矿山地质灾害监测方面可以发挥不可替代的重要作用。在研究不同类型地质灾害的遥感影像特征基础上，利用高分辨率遥感影像提供靶区可以从宏观上查明矿山地质灾害隐患的现状、成因、分布规律；通过对比分析不同时相遥感数据的解译结果，对矿山开发状况和矿山生态环境可以实现动态监测，从而大幅提高矿山地质灾害调查工作效率和工作质量。其次，利用高分辨率遥感图像可以圈定地质灾害发生的地点和范围，为计算地质灾害的相关参数提供了必要数据支撑［11-14］。

利用遥感技术、全球定位系统和地理信息系统技术相结合对地质灾害进行信息提取，提升了地质灾害信息提取的自动化、数字化程度，提高了矿山地质灾害遥感监测工作的效率［15］。同时，可以实现常规监测手段难以做到的矿山灾害定量化调查研究，为地质灾害的治理工作提供了全面、详细的资料，同时对地质灾害发展趋势研究提供了科学依据，是地质灾害防灾规划的重要理论依据［16-17］。

矿山地质灾害遥感影像识别标志至关重要。由于矿山地质灾害类型的多样性，灾害内部组成物质的不均一性等特点，矿山地质灾害在不同地区具有不同的识别标志，矿山地质灾害遥感监测的自动化程度还有待进一步提升。

3　基于数字煤矿平台的灾害综合防治

数字矿山的核心是在统一的时间参照与空间框架下，科学有序地组织、管理、维护和通过真三维可视化表达等不同手段获取海量、异质、异构、多维、动态的矿山信息，整合各类矿山数据资源，建立数字化的矿山空间数据仓库和集成化的矿山真三维空间模型，关联矿山各类软件系统与数据流程，为矿山设计、生产作业、安全管理、应急救援等提供基础平台和决策支持。数字矿山建设的总体目标是实现矿山的高效、安全、绿色与可持续［18-19］。

近十几年来，我国数字矿山建设与信息化改造成效显著，煤炭企业长期存在的地测空间数据获取能力弱、矿山数据数字化程度低、矿井地质灾害隐患把握不清等问题得到显著改善。但是，我国煤矿现有灾害监测管理方法上存在诸多问题，主要体现在：灾害监测管理系统缺乏统一整合的软件平台，预测预报系统各自建设，产品标准不一、数据交互不畅、信息孤岛现象严重；注重数据信号采集，缺少对数据的深度分析评价、特别是关于矿井灾害的预测评价体系；缺乏直观的、准确高效的现场指挥辅助决策能力等。所以，开发基于数字煤矿平台的煤矿灾害综合管理系统势在必行。

3.1技术原理

在数字煤矿软硬件平台上，利用数据库管理技术，将基础地理地质数据、地质灾害数据、地表遥感监测数据、井下安全监测数据、矿井生产设施数据、井上井下工作人员数据等灾害相关进行统一管理；利用三维GIS技术对以上数据进行三维可视化查询、展示、管理分析，利用IMS技术进行授权数据的发布、查询和利用；将基础数据和实时监控数据结合灾害评价专家库，进行煤矿灾害事故的预测、自动报警和预防；安全事故发生后，结合基础数据与实时监控数据对矿井实况进行三维可视化显示和分析，为决策者提供辅助决策（图）。

由于大多数煤矿技术力量缺乏，灾害基础研究十分薄弱，有必要利用高校、科研院所等社会科技资源，对灾害形成机理、监测技术、预测预报理论、灾害防治技术等领域开展研究。系统通过科研数据接口，可以和科研单位实现灾害最新研究数据的交流交换，加快灾害科学研究成果在煤矿灾害防治上的转化应用，提高灾害研究的效率和质量，减少灾害的发生。

3.2系统功能与特色

1）在统一的数字煤矿平台上实现煤矿主要地质灾害的数据采集管理、灾害变化监测、灾害形成机理分析、灾害预测预报、灾害预防及应急救援；通过3D GIS技术模拟真实矿井模型，以三维可视化的方式模拟突水等灾害发生后的井下实况，直观的模拟井下最佳救援路径或逃生路径。

2）可以实现煤矿矿井灾害预测预报的智能化，大大缩短预测预报时间，提高预测预报准确度，有利于提高煤矿企业的矿灾预防能力和应急救援能力，减少煤矿安全事故的发生和及时有效的展开应急救援，总体提高煤矿安全管理水平。

3）解决矿井灾害研究中海量数据分析、查询、显示和管理等信息技术问题，达到动态、多维的反映矿井灾害的现状和演变过程，判断灾害发展成灾的趋势，预测灾害突发成灾的影响分布范围。

4）通过数字煤矿平台，实现和科研数据的标准统一，顺利实现灾害研究资料的交流对接，借助外脑提高煤矿灾害研究预测的水平。

基于数字煤矿的灾害综合管理系统结构图

4　结论与建议

我国能源70%以上取自煤炭，煤炭行业在国民经济建设中占有重要地位，而煤矿灾害的发生已严重制约煤炭工业的健康发展和社会的全面进步。对于煤矿灾害的防治，除在煤矿灾害分布发育规律、形成机理、监测预警技术、综合防治工程技术等技术层面加强多学科、多领域综合研究外，在宏观政策管理层面也必须加强配套工作。

1）加强矿山地质灾害危险性评估工作，避免评估和生产的严重脱节现象。根据地灾防治条例“谁开发谁保护，谁闭坑谁复垦，谁破坏谁治理”的原则，将评估结果和矿山生产结合起来，采取针对性措施预防采矿诱发灾害。

2）重视并加强灾害经济学的理论研究和宣传普及。灾害经济学是以灾害与人类经济活动相互关系的经济属性为研究对象，以灾害预测、灾害防治、灾害善后的经济问题为主要研究任务，以减少和减轻各种灾害，保护现有劳动成果，促进经济发展为研究目标［20］。目前人们普遍存在“重救灾、轻防灾”的认识，所以必须树立“灾害防治就是发展经济，就是矿山效益增值”的新观念。重视煤矿地质灾害的灾害损失经济评价、防灾方案技术经济评价和防灾效益的经济评价的研究，在煤矿建矿、生产各个阶段的经济技术评价中，参考上述灾害经济评价的结果。

3）加快推进数字煤矿的建设。数字煤矿是煤矿发展的必然方向，而数字煤矿平台是煤矿地质灾害防治的重要基础。必须高度重视数字煤矿的建设，将它作为煤矿生产建设的重要组成部分。

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Coal Mine Geohazards and Their Control in China

LI Dong-lin QIN Wei LI Bei-ping
（Chongqing Engineering Professional Technology Institute， Chongqing 400037）

This paper deals with the application of geophysical exploration and 3S technology to coal geohazards survey and makes an approach to the necessity， feasibility， technical approaches and methodology of establishment of geohazards control and management system based on the digital platform of coal mine.

coal mine； geohazard； geophysical exploration； 3 S technology

P642

A

1006-0995（2015）04-0578-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.04.023

2014-11-21

重庆市教委科技项目（NO.KJ132006）资助

李东林（1969-），男，湖南新邵人，博士，教授，现从事地质灾害、工程地质等方面的教学研究工作