煤矿水害勘查与治理技术新进展及发展趋势

2018-02-05翟丽娟

中国煤炭地质 2018年7期

翟丽娟

(中国煤炭地质总局水文地质局，河北邯郸 056004)

我国地质构造十分复杂，多期构造叠加形成纵横交错的断裂、裂隙，导致煤矿充水水文地质条件复杂，是世界煤矿水害最为严重的国家之一[1]。近年来，煤矿重大水害事故数量和死亡人数总体呈下降趋势，但仍然存在重大的经济损失和人员伤亡，煤矿防治水工作依然繁重紧迫。

随着浅部和上组煤资源储量的逐渐枯竭，深部和下组煤开采受水害威胁日益严重，突水机理不清，影响控制因素多变，矿井充水水文地质条件日趋复杂；随着我国煤炭基地向西部转移，地下水赋存规律和矿井充水条件面临许多新的课题，保水采煤要求日益提高。在这种形势下，水害勘查和治理技术得到迅速发展，取得了丰硕成果。

随着供给侧改革方案的实施，煤炭行业正在进行优化调整，预计在2020—2030年进入煤炭生产和消费相对稳定的平台期，煤炭安全绿色开采也将进入新的发展期。因此，水害防治形势依然十分严峻，水害勘查和治理技术仍将是煤炭安全绿色开采的重大科研课题。

1 研究成果

1.1 水文地质补充勘查

矿井水害的威胁程度取决于充水水源、充水通道和充水强度，以查明这三方面因素为目的，不断创新勘查理念和技术手段，建立了一套系统、先进的勘查体系。基于地下水系统、地下水赋存规律理论，采用多种勘探手段获取多源地学信息，运用先进的数学方法对含水层富水性、矿井突涌水危险性和矿井涌水量等进行定量评价预测，对隐蔽致灾因素进行精细探查。

1.1.1 引入地下(表)水系统分析理念

以往煤田地质勘探往往以“一孔之见”了解水文地质条件。由于抽水钻孔数量的限制或者含水层富水性的不均匀性，容易得出片面错误的结论。对矿井充水条件的分析一定要将井田放到岩溶水系统、地表水系统、古沉积系统中去研究，查明其在系统中的具体位置，从而正确判断受水害的威胁程度。

在地层标高和过水断面影响因素的控制下，位于岩溶水系统强径流带或排泄区的矿井受底板奥灰水害威胁严重。峰峰矿区是我国典型的大水矿区，矿井年涌水量总计7 968.10万m3，主要原因是由于多数矿井位于黑龙洞泉岩溶水系统的强径流带或排泄区。霍州矿区是山西省受岩溶水害最为严重的矿区，上组煤和下组煤均带压，主要原因是矿区位于郭庄泉岩溶水系统的排泄区。

如果矿井与地表水发生了水力联系，那么水害治理难度和经济负担将十分严重。对于井田内发育含水层露头或煤层埋藏较浅的矿井，应调查露头及浅埋区在地表水系统中的位置，研究矿井与地表水的水力联系程度，以便制定科学有效的水害治理方案。例如，平朔三号井工矿煤层及含水层露头区恰巧与大沙沟河谷重合，大沙沟流域的地表径流源源不断向大沙沟汇集，再通过顶板砂岩露头补给矿井水，导致该矿多次发生突水，但水源一直未能查明。通过基于地表水系统理论的水文地质勘查，较好地解决了这一问题。

西部鄂尔多斯盆地侏罗系属于辫状河沉积，河流众多且曲折多变，河床沉积的岩性为含砾砂岩、粗砂岩，随着向边滩、河漫滩过渡，岩性逐渐变细为粉砂岩、泥岩。该沉积特征使得岩性岩相结构非常复杂，导致煤层顶板含水层富水性复杂。在分析矿井充水条件时，要把矿井置于古沉积环境中，查明矿井位于古河流的具体位置，才能准确判断顶板含水层富水性。

1.1.2 勘查手段不断丰富，勘查技术有所创新

以往煤矿床水文地质勘查手段比较单一，以测井和抽水试验为主。针对我国东部煤田开采深度增加和西部煤田岩性岩相结构非均质性增强，单一手段已无法满足复杂充水条件的分析研究。因此，采用遥感水文地质调查、地球物理勘探、水文地质钻探、抽水试验、水化学及环境同位素分析、地下水流场分析、岩土体物理力学分析等手段进行综合勘查，从多方面、多角度、多层次研究充水条件。

首先进行遥感水文地质调查和地面物探，了解地下(表)水系统补径排条件及井田在系统中的位置，初步判定充水含水层富水性。然后开展钻探和抽水试验等系列工作。根据钻孔取心成果并结合煤田地质勘探钻孔资料，绘制含隔水层结构对比图、含水层厚度等值线图、脆性岩与塑性岩比值等值线图，通过这三张图使得井田的岩性岩相结构清晰地展现出来。含水层厚度越大、脆塑性岩比值越大，含水层富水性越强。以往水样化验、水位观测仅仅用于建立水化学背景值、了解地下水水位，并未用来开展充水条件的分析研究。目前在健全基础资料的基础上，充分分析研究水化学场和地下水流场信息，绘制一系列的水化学图和流场图来分析地下水补径排条件。

1.1.3 水害评价技术不断完善，预测精度大幅提高

对于矿井涌水量预测，以往多采用解析法和比拟法，对条件简单或石炭二叠系煤层矿井预测结果相对可靠，但是对条件复杂或西部侏罗系煤层矿井，计算结果偏差较大。目前主要采用地下水三维数值模拟法预测开采条件下矿井涌水量及疏排水量。通过Modflow软件刻画水文地质概念三维可视化模型，可以直观地从立体的角度对矿区的水文地质条件有一个更深刻的认识。该方法能够较好地解决非均质各向异性等复杂问题。

各种勘查手段的开展获得了大量地学信息，为充水含水层富水性、突水危险性的评价预测提供了重要依据。但是这些信息是局部零散的，如果直接零散应用分析水害是非常粗浅的，不能充分发挥出整体效应和勘查资料所蕴含的价值。中国矿业大学武强院士提出了基于多源地学信息复合叠加技术的含水层富水性评价方法[3]和矿井突涌水危险性预测方法，顶板水害采用“三图-双预测法”，底板水害在“突水系数”评价方法的基础上采用“脆弱性指数法”[1]。这些先进评价技术的原理就是利用数学模型，将多种勘探手段获得的大量地学信息进行系统地分析、统计、模拟与叠加，从而得出整体的符合实际条件的评价结果。

总结水害评价预测技术的发展规律：从定性到定量，从单一因素到多因素，从均质、平面到非均质、三维可视化。

1.2 隐蔽致灾因素精细探查

1.2.1 地球物理勘探技术取得长足发展

采空区是最为严重的隐蔽致灾因素。这种隐蔽致灾因素必须首先利用物探手段进行全方位探测，再采用钻探手段对物探间接探测结果进行验证，最后进行疏放水治理。物探是先行、宏观控制性手段，承担十分重要的职责。经过多年的基础理论研究、现场试验和分析对比，现已形成一套比较成熟而且先进的探测技术。从时空上，研发了地-井-巷联合精细探查技术，先进行地面物探圈定异常部位，再进行井下物探贴近目标精细探测，最后利用钻探、水文资料验证异常；从数据采集技术上，研发了全数字高密度三维地震，通过加密空间采样密度和炮密度来改善激发条件和接受条件，检波器由模拟信号变为数字信号。这些改进增大了地学信息量，提高了成像精度和分辨率；从解释技术上，研发了电法三维可视化系统，地震属性解释、岩性解释、波阻抗反演，从不同角度不同特征提取更多的信息量。利用这些新的物探技术能够较好地解释常规物探所无法发现的隐蔽复杂的采空区、小构造、小陷落柱等。

1.2.2 现代化采煤方式下顶板岩体破坏的探测技术

目前，我国大型煤炭基地的现代化矿井为了达到高产高效目的，采用的是大采高综合机械化开采或一次性采全高放顶煤开采，这种现代化开采方式对煤层顶板破坏强度大大增强，形成的导水裂缝带高度和矿压破坏带深度远大于传统分层房柱式开采方式。以往在导水裂缝带以外的含水层或地表水，目前将会变成直接充水水源而进入矿井，增大了矿井水害的威胁程度，尤其对我国西部侏罗系煤田，有可能将煤系上部富水性较强的白垩系地下水导入矿井。以往确定导水裂缝带高度的经验公式依据的是分层开采和房柱式开采，目前已无法满足需要，准确预测现代化采煤方式下的导水裂缝带高度并采取科学的防治水措施尤为重要。经过近年来探测设备和数学方法的发展，已经形成了一套成熟的探测技术。首先在典型地段进行钻孔实测，通过观测钻孔冲洗液漏失量，在孔内开展超声波成像和井中电视等物探手段，实测导水裂缝带高度；其次对工作面或采区进行岩体数值模拟，根据实测结果进行模型识别，模拟预测顶板岩体破裂变形和导水裂缝带高度。

1.2.3 多层含水层富水性精细探测技术

在井筒建设期间，立井和斜井穿过的每一个单层含水层的水量、水位、水质、渗透系数均要了解，以便采取合理的治理措施。我国西部侏罗系煤田岩性岩相结构复杂，煤层顶板导水裂隙带范围内往往发育多个含水层，为了满足疏放水工程的要求，需要查明每个含水层的富水性和水文地质参数。由于钻孔结构的限制，以往一个钻孔一般只能进行2～3次抽水试验，在钻孔内开展多分层抽水试验一直以来都是困扰人们的一个难题。中国地调局水环中心研制了分层抽水设备，使多层含水层富水性精细探测技术得以实现。该设备的关键技术是利用高压氮气充填上下封隔器进行同径止水，可以对任意一个含水层进行单层抽水试验，同时还能通过传感器观测上下含水层的水位，了解各含水层之间的水力联系。该技术不仅为充水条件的分析提供了依据，也为地下水数值模拟预测矿井涌水量提供了参数。

上述煤矿床水文地质勘查技术体系具有“五化”特点，即地下水系统化、信息多源化(大数据)、探测精细化、评价定量化、勘查专项化，能够满足复杂水文地质条件矿井水害探查的精度要求。我们采用这套先进的勘查技术对数百个煤矿的水害进行了预测预报，极大提高了预测精度，较好地解决了充水水源、充水通道和充水强度问题。

1.3 矿井水害主要治理技术

华北型煤田奥陶系岩溶水害最为严重。目前大多数矿井处于深部开采状态(>800m)，严重受具有丰富储量和高水压(>8.0MPa)奥灰岩溶水威胁。传统的防治水技术治理效果差，已不能满足矿井安全生产的需要。主要表现在以下几点：一是深部发育的导水陷落柱隐伏性强，是引发突水的主要因素，目前探测手段达不到要求。二是深部矿井井下探查治理难度大，极易发生埋钻、卡钻等事故，钻探施工工期长；小构造识别困难，一旦误揭，将面临高水压、大流量的极大风险。三是井下防治水工作严重影响采掘进度，生产与防治水矛盾突出；井下探查存在盲区，治理效果远不如地面效果好。在这种形势下，产生了一项新的防治水技术—地面区域治理技术，这是在科技发展和矿井防治水工作现实需要下所诞生的。该技术就是在地面施工垂直主孔，到一定深度开始造斜进入注浆目标层，然后顺层施工羽状多分支水平钻孔，通过注浆将含水层改造为隔水层，防止底板岩溶突水。这项技术表明，煤矿防治水在理念和技术上发生了新的根本性变化。在意识上，从被动治理转向主动治理；在时间上，从过程治理转向超前治理；在范围上，从局部治理转向区域治理；在空间上，从井下治理转向地面治理。我们承担的该类工程一个主孔最多带有31个分支孔，水平段最长孔深为1 641m。

2 存在问题

2.1 深部煤层开采突水机理缺乏认识

我国东部华北型煤田及东北煤田煤炭资源逐渐枯竭，正在向矿区深部开采。深部煤层存在的高应力、高水压、高温度等“三高”问题严重影响煤炭安全生产[2]。深部矿井突水的控制因素和影响因素复杂，地下水赋存规律、岩溶发育规律、突水方式、突水规律、“三高”之间关系等尚未查清。

2.2 隐蔽致灾因素探测技术有待提高

华北型煤田深部矿井在高水压、高应力作用下，小构造和隐伏陷落柱也极易造成突水，已经发生的深部矿井突水事故多数是隐伏陷落柱引起，但是目前的物探设备和技术探测深部小构造和隐伏陷落柱难度较大。

山西省在煤炭黄金时期小煤矿最多达近万座。这些地方煤矿当时进行的是极不规则开采，没有留下任何采掘测量资料，采空区面积达5 000km2。由于历史原因，老空区遍布全省各矿区，特别是各历史时期遗留的老窑水严重威胁着煤矿安全开采。据统计，2011-2015年发生的16起重大水害事故中，老空水害事故14起，占87.5%。因此,老空积水区成套有效探查、定位技术方法的研究与利用迫在眉睫。

2.3 基于物联网的水害监测预警发展速度缓慢

物联网时代，各行各业与网络信息的高度融合推动了产业的飞速发展。但是，煤矿防治水领域物联网+发展速度缓慢，不能带动防治水技术产生质的飞跃。冀中能源集团部分矿井开展了微震监测，其他绝大多数矿井尚未建立水害监测预警系统，或者仅仅是水量、水位的自动观测，不能起到真正意义的水害预报预警作用。

2.4 采煤、安全、生态三者兼顾的技术模式缺乏

西部鄂尔多斯侏罗系煤田煤炭资源丰富、开采条件简单，是我国目前及未来主要煤炭能源基地。但是该地区存在生态环境脆弱、顶板水害严重、冲击地压严重等问题，保水采煤需求极为迫切。如何研究采煤、安全、生态三位一体的技术模式是该区需要解决的主要问题。

2.5 专门水文地质勘查工作薄弱

以往水文地质勘查的目的主要是探查水害，并不涉及治理。对大型水害治理工程需要的针对性参数不予提供，无法满足水害治理工程设计和施工的需要。为治理工程提供技术服务的专门水文地质勘查工作薄弱，应该针对性地开展专项调查。例如底板岩溶水区域治理工程，需要调查构造和岩溶的发育规律、地层产状、目标层厚度及标高的稳定性等特征；覆岩离层注浆工程，需要调查煤层顶板覆岩结构、岩体物理力学特征、离层产生的可能位置等。

3 发展趋势

3.1 深部煤层与中生代煤层控水突水机理研究

我国东部矿井将陆续进入1 000m以深的开采层位，应深入研究高应力、高水压、高温度等“三高”的分布特征、深部构造与岩溶的发育规律、深部地下水的补径排特征、突水致灾机理、导水通道的触发条件、突水危险性评价预测理论与方法等内容，为深部岩溶水害的探测与治理提供理论支撑。

我国西部鄂尔多斯煤田是一个较新的中生代煤田，地下水赋存规律属于沉积控水类型，沉积控水规律尚处于研究探索阶段。应重点在鄂尔多斯盆地古沉积环境、岩性岩相结构、沉积控水理论、沉积控水勘查技术、离层水害勘查治理技术等方面加强研究。

3.2 孔内物探技术推广利用

在井下贴近致灾异常体进行探测对矿井防治水至关重要，通常做法是先物探再钻探验证，受多种因素制约探测精度有限。近年来新研发了钻物探无缝一体化井下超前探放水技术，即先施工钻孔，然后将物探探头从孔口慢慢推到孔底进行探测，可以对钻孔周围和孔底20～30m进行探测预报。其优点是：①仪器探头与异常体距离近探测效果好；②避开井下人文和自然的强干扰背景，提高微弱信号的识别和处理能力；③测试地层的电阻率和激发率两个参数，克服了现有矿井物探仅用单一电阻率参数的探测方式。这是一种全新的矿井巷道超前探水预报方法，未来应大力推广应用。在提高探测精度的基础上，应加强研发精准的定位技术，保证采空区坐标准确且探放水钻孔准确钻入采空区。

3.3 加快建立物联网+水害监测预警系统

首先建立防治水智能信息系统。将地质、水文地质、开采设计等静态数据和实时监测的动态数据进行数据库管理，满足监管部门、煤炭企业和技术单位自动查询。

其次建立水害监测预警系统。微震可以监测覆盖全空间的岩体破裂变形事件[4]，但无法判断是否充水；多参数(应变、水压、水温)监测系统能够监测采动变形并且判断是否充水,但只能进行点监测,无法覆盖整个工作面。研发基于物联网、覆盖全空间、同时获取岩体破裂和充水信息的水害监测预警系统是今后主要研究课题，不仅监测底板突水，还应监测顶板突水和采空区突水。

3.4 实施控水采煤和保水采煤技术

我国煤矿长期存在排水、供水、生态环境三者之间矛盾与冲突问题，在安全、绿色开采的新时代，如何解决好三者之间的矛盾显得更为重要。在东部岩溶大水矿区可实施控水采煤技术，即超前区域治理技术，通过底板注浆加固或改造，防止岩溶水突涌入矿井，既保障安全也保护岩溶含水层。区域治理技术已经得到利用，但需要进一步优化工艺。在西部顶板水丰富矿区可实施保水采煤技术，即覆岩离层注浆技术，通过离层注浆充填和支护，防止顶板突水、冲击地压和地面沉陷，同时保护顶板含水层和生态环境，这是兼顾采煤、安全、生态三者的技术模式。