开展水害致灾因素普查 防范煤矿水害事故发生

武 强，郭小铭，边 凯，杜 鑫，许 珂，卜文扬，曾一凡

(1.中国矿业大学(北京) 国家煤矿水害防治工程技术研究中心，北京市海淀区，100083；2.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西省西安市，710077；3.河北工程大学，河北省邯郸市，056038；4.西安科技大学，陕西省西安市，710054)

0 引言

我国“相对富煤、贫油、少气、缺铀”的资源禀赋条件，决定了煤炭在未来相当长的时间内其主体能源地位不会发生根本改变。由于我国陆地由多个构造板块经多序次地质构造运动拼接而成，地质条件差异极大且较为复杂，也使得我国成为世界上煤矿水文地质条件总体最为复杂的国家[1]。

近10年来，全国煤矿水害事故发生的起数和死亡人数总体趋于减少，2016年以来，我国煤矿水害致死事故起数每年在10起以内、水害死亡人数约50人左右，其中2022年煤矿水害造成的死亡人数占全国煤矿各类事故死亡人数的6.9%，如图1所示。通过分析2016年以来煤矿水害情况，可以明显发现煤矿水害死亡人数出现了极大波动，如2021年虽然仅发生4起煤矿水灾事故，但其死亡人数达到48人[2]。除此之外，还发生了大量水害涉险事故、水害停产事件等，严重制约了煤矿安全生产。由此可见，新时期我国煤矿水害致死事故虽然得到了有效控制，但由于煤矿水害具有易发生和群死群伤的本质特征，极易引发重大人员伤亡。

图1 近10年全国煤矿水害致死事故数量及死亡人数

根据煤矿区地质、水文地质条件的差异，我国煤矿区可划分为6个水害区：华北石炭二叠纪煤田岩溶-裂隙水、华南晚二叠世煤田岩溶水、东北侏罗纪煤田裂隙水、西北侏罗纪煤田裂隙水、西藏-滇西中生代煤田裂隙水、台湾新近纪煤田裂隙-孔隙水等水害类型。由于煤炭赋存及开采历史不尽相同，各分区的致灾因素也各不相同，致灾因素的探查难度极高，这也是导致我国煤矿水害事故长期难以彻底消除的客观因素[3]。因此，重视和持续加强煤矿水害隐蔽致灾因素普查研究，提升水害隐蔽致灾因素的理论研究、探测技术和治理技术水平与装备能力，从致灾因素源头上有效遏制煤矿水害事故，是“十四五”时期我国煤矿水害防治的重点任务。

1 水害致灾因素分类和特征

煤矿水害致灾因素总体可以分为充水水源和导水通道两大类。充水水源主要包括大气降水、地表水、地下水、袭夺水、老空水、离层水等；导水通道可分为矿井天然通道和人为通道，其中天然通道可分为点状岩溶陷落柱、线状断裂(裂隙)带、窄条状隐伏露头、面状裂隙网络(局部面状隔水变薄区)；人为通道可分为顶板冒落裂隙带、顶板切冒裂隙带、顶板抽冒带、底板矿压破坏带、底板承压水导升带、地面岩溶塌陷带和封闭不良钻孔等。此外，部分区域存在的古河床冲刷带、天窗和烧变岩等不良地质体，也是造成煤矿水害的致灾因素。通过对影响煤矿水害的主要致灾水源、致灾通道进行分类(表1)可明确各类致灾因素的特征，是煤矿水害致灾因素探查的前提。

表1 煤矿致灾水源、通道分类

1.1 主要致灾水源及特征

1.1.1 大气降水

大气降水作为充水水源，其致灾时间与大气降水时间具有同步相关性或固定时间的延迟相关性，其致灾性与降水强度和降水量有关，且一般与降水量呈正比例关系[4]。极端性恶劣天气诱发的暴雨、洪水等巨量地表水通过矿井出入口、地裂缝直灌井下，具有突发性和随机性，该因素一旦致灾常常造成灾难性后果[5]。

1.1.2 地表水

大型地表水体(海、湖、河流、水库等)的分布一般较为集中，水量较大，采矿活动及其影响范围一旦与其形成水力联系，也会造成比较严重的矿井水害[4]。地表水作为间接充水水源，经常构成给定水头的补给边界，成为矿井水较稳定的主要来源，水量稳定不易疏干。地表水如通过井筒、岩溶、断裂带、老空塌陷区等直接贯通井下，往往来势凶猛，会造成淹井和重大伤亡事故，危害极大。

1.1.3 地下水

含水层中的地下水按照储水空间可以分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。孔隙水多赋存于松散层及弱胶结含水层中，对于煤层顶板赋存薄基岩厚松散层而言，当垮落带不直接影响松散层时，顶板孔隙水多以比较均一的渗入形式向矿井充水，水量稳定、持续性强，但一旦垮落带直接影响到松散层，极易引发溃水溃沙灾害，严重威胁矿井生产。顶板基岩孔隙-裂隙含水层主要通过采动裂隙进入采掘空间，致灾强度与含水层厚度、富水性等有关。孔隙-裂隙含水层富水性非均质性较强，在构造裂隙的优势导水通道方向富水性较好。如果采动裂隙沟通了优势导水通道，则水量较大，易发生突水事故。岩溶含水层具有极强的非均质性，在华北地区多以底板涌水点的形式向矿井涌水，水量稳定、持续时间很长；采掘扰动水压较高的岩溶含水层，会引发底板突水事故，水情迅猛突然，短时间内淹井；在西南地区，岩溶含水层还以顶板集中出水形式向矿井充水，开采遇到岩溶富水段时，矿井水量突增，甚至会超过矿井的排水能力而淹工作面或采区。

1.1.4 老空水

老空水是人为开采活动形成的积水体，具有形状不规则、分布隐蔽、积水情况多样等特征，规律性较差。老空透水灾害瞬时水量大，具有很大破坏力，甚至还会伴随硫化氢等有害气体溢出，具有较强的酸性[4]。

1.2 主要导水致灾通道及特征

1.2.1 岩溶陷落柱

岩溶陷落柱是我国华北煤田广泛发育的一种极富区域特色的地质现象，常可作为强导水通道，导致奥陶系灰岩突水事故。从区域尺度来看，陷落柱属于一种点状通道型致灾因素[6]。80多年来，华北型煤田因其导致的重特大突水淹井事故多达20余起[7]。岩溶陷落柱的导水形式多种多样，有柱体本身导水、陷落柱四周或局部密集的次生带导水等。煤层底板存在岩溶陷落柱时,由于局部应力集中加强，关键层的最小主应力进一步降低，承压水的渗水软化和压裂扩容的相互作用使底板岩层破坏裂隙沿最薄弱方向进一步扩展，极易造成煤层底板突水。岩溶陷落柱的分布密度和水力性质是控制煤层底板突水的重要因素[8]。岩溶陷落柱空间产状不规则、致灾机理复杂，且发育位置难以预测，治理难度大，其作为隐蔽水害致灾通道隐患较大。

1.2.2 断裂构造

据统计，华北煤田约80%的工作面突水事故均发生在断层破碎带附近[9]，断裂构造作为一种线状通道型致灾因素，导水能力与水力性质、密度、规模和充填特征以及采动诱发断层活化特征关系密切[10]。多数涌(突)水发生在小构造附近，但受井下探查条件限制，还不能较准确预测巷道前方隐伏小构造。断裂构造的导水性与其所处的应力状态密切相关，原始地应力叠加采动应力、水压力使断裂构造的导水性趋于复杂化，隐蔽致灾性增强。

1.2.3 采动裂隙

煤层开采引发覆岩破断形成导水裂隙带，是顶板涌水的主要通道[11-12]，属于面状网络通道型致灾因素，其发育高度受采煤方法、工作面尺寸、煤层顶板岩性及岩层组合特征等因素综合控制。我国西部煤矿区现代化工作面高强度开采，导水裂隙带超高发育，使得矿井涌水量明显大于以往对该区水文地质条件的认识；同时覆岩破断过程中由于其不协调运动，形成顶板离层积水，一旦溃入井下往往出现脉冲式涌水，易造成工作面、采区被淹。

煤层开采后形成底板破坏带，使得底板有效隔水层厚度减小，属于面状网络通道型致灾因素，其发育深度受开采深度、煤层倾角、开采厚度、工作面斜长、底板抗破坏能力、构造、采煤方法等综合影响[13]，多数情况下对底板突水有一定的诱发与促进作用[14]。

1.2.4 封闭不良钻孔

井田以往勘探过程中部分钻孔由于封孔质量不佳而形成垂向线状通道型致灾因素，该通道受人为影响，且规模相对较小，具有较强的不可预知性和难以探查的特点。生产过程中，一旦揭露导通了各类含水层的封闭不良钻孔，会引发突水、突泥现象，有时还会有持续的高强度涌水[15]。

2 水害致灾因素探测技术

近年来，水文地质勘查新理念、新技术、新方法不断发展，探测手段不断丰富，随采、随掘动态探测也为煤矿隐蔽致灾因素的探测指明了新方向。

2.1 无人机地形图测绘

水文地质测绘是隐蔽致灾因素普查的主要手段，主要包括地貌地质、地表水体、地面岩溶、井泉、老空等。随着遥感技术在水文地质测绘领域的深入研究，全球卫星定位系统、地理信息系统、航拍、数字影像、互联网等技术手段在地面隐蔽致灾因素探查中发挥了重要作用。山西某矿航拍地形测绘的成果如图2所示，通过无人机航拍获得的影像，利用专业软件完成影像拼接、内业处理，可实现摄影及测图流程一体化，有助于判识区域内地面的各类隐蔽致灾因素。

资料来源：山西省煤矿隐蔽致灾因素普查典型经验材料汇编图2 某矿航拍测绘成果

2.2 地球物理探测技术

目前在煤矿水害隐蔽致灾因素探查中首先要开展的是地球物理探测。从探测原理上可以分为地震探测技术、直流电法勘探技术、电磁法勘探技术以及综合地球物理勘探技术。

2.2.1 地震构造勘探技术

20世纪50年代，我国煤炭工业领域开始采用地震勘探技术，随着技术理论的创新发展和装备水平的综合提升，矿井地震类技术取得重大突破，主要包括：矿井三维三分量地震、煤层槽波地震及微震监测技术等。三维地震与槽波地震利用人工主动激发地震波，通过地震波在地层中的反射来探查掘进工作面前方及回采工作面内部的断层、陷落柱等导水构造以及老空区分布情况。我国煤矿微震监测技术装备起步较晚，前期主要通过引入国外相关技术装备，后期通过优化改进和现场应用，微震可通过捕捉采掘过程中的事件对岩层断裂位置进行定位，判断导水裂隙带及底板破坏带发育范围，在矿井水害监测预警方面效果显著。某工作面断层井下槽波探测构造解释如图3所示[16]。

图3 某工作面断层井下槽波探测构造解释

2.2.2 直流电法勘探技术

直流电法在我国地面探查应用中较早，但直到20世纪80年代，因国内多个矿井接连发生严重的底板突水淹井事故才得到重视，并开展井下灾害异常矿井直流电法探测等研究工作。直流电法勘探技术主要包括高密度电法、网络并行电法、并行高密度电法及并行地电场监测技术等，其中直流电法以岩、煤导电性差异为基础，分析人工施加稳定电流场作用下地层传导电流分布规律，主要用于富水性目标体的探测、注浆效果检验、导水裂隙带等渗流通道监测、动态预测水量变化以及矿井突水监测预警等[17]。山西某矿采用高密度电法探测陷落柱富水性的成果如图4所示。

资料来源：山西省煤矿隐蔽致灾因素普查典型经验材料汇编图4 陷落柱矿井高密度电法反演电阻率断面

2.2.3 电磁法勘探技术

相较于矿井地震类和矿井直流电法类等接触式勘探方法，矿井电磁法主要通过无损非接触式探测方式进行地质信息采集，工作强度小、测试速度快、高效灵活。经过30多年的快速发展，形成了以瞬变电磁(TEM/MTEM)、无线电波坑透、可控源大地电磁(CSAMT)及电磁辐射监测等技术为主的电磁法勘探方法。电磁法是以全空间电场分布理论为基础，以岩(矿)石、地质构造等电性分布规律差异为应用前提，对巷道掘进工作面、围岩、顶底板结构及富水区、岩溶陷落柱、导(含)水断层、采空区等异常进行探测。近年来研发出钻孔瞬变电磁探测装备与技术，可将仪器线圈置于超前钻孔内，以便线圈更接近目标探测体[18]，该方法施工效率高，成本相对较低，应用极为广泛。三分量钻孔瞬变电磁探测装置示意如图5所示。

2.2.4 综合地球物理勘探技术

由于矿井地质灾害因素多种多样、施工环境恶劣，矿井物探往往存在工作任务复杂、背景干扰严重的问题。单一物探方法不仅受地质异常体物性特征的局限，而且受到井下环境的强干扰，其勘查和解释精度常常无法达到理想效果。近年来形成了以微震与电法协同、槽波地震与无线电波坑透、地震多波勘探与并行高密度电法协同、震电磁三场协同、随钻随掘随采探查等技术为主的综合地球物理勘探技术，实现了矿井中小地质异常体的有效探测。图6为某工作面矿井震电联合解释推断成果[19]。

资料来源：山西省煤矿隐蔽致灾因素普查典型经验材料汇编图5 三分量钻孔瞬变电磁探测装置示意

图6 工作面矿井震电联合解释推断成果

2.3 钻孔探测技术

钻孔探测是一种最直接的隐蔽致灾因素探查技术，具有直观性强、适应面宽等优势，按照施工的空间分为地面钻探技术和井下钻探技术。

2.3.1 地面钻探技术

地面钻探是利用一定的钻探机械设备从地表向下钻进的一项工程，主要由旋转系统、提升系统、动力系统、泥浆循环控制系统等构成。钻探方法由回转钻进逐步发展到冲击钻进、冲击-回转钻进、振动钻进等。地面钻探技术常用于导水裂隙带、构造、封闭不良钻孔等水害致灾因素的探查。

2.3.2 井下钻探技术

井下钻探主要包括常规回转式钻探和定向钻探，主要用于断层等构造、含水层富水性、老空水、顶底板破坏带等各类水害致灾因素的探测。井下钻探距离目标体更近，具有明显的成本优势，且探查过程中可直接测量水量、水压、水质等多种水文地质信息，更好地判识各类致灾因素的水文地质特征。由于定向钻探具有轨迹可控、施工灵活、性能较好等特点应用更为广泛，尤其是近年来，研发出了针对高水压、硬灰岩地层定向钻进施工的专用配套装备，将煤矿井下可钻岩层抗压强度达80 MPa，可抗水压能力达6 MPa，基本满足了各类隐蔽致灾因素探查的需求[20]，也拓宽了井下定向钻进的应用范围。

2.3.3 配套探查方法

钻孔施工完毕后，通过在钻孔内配套开展各类测井工作，可以更好地查明各类水害致灾因素的特征。利用钻孔配套开展抽水试验、注水试验、放水试验等，探查含水层、导水通道的富水性、水力联通性等；利用钻孔成像仪拍摄孔壁图像进行分析，判断地层展布、地质构造、裂隙发育等，分析水害致灾因素特征；同时，配套相关的孔中瞬变电磁、直流电法、钻孔雷达、钻孔电磁波透视等系列物探技术，可实现钻孔内水害致灾因素的近距离探测，查明其物性异常并分析水文地质特征。

2.4 其他辅助探测技术

除了前述的水文地质、地球物理勘探以及钻探技术外，化探、抽放水试验等技术在煤矿水害致灾因素探测方面也发挥着重要作用。化探技术在确定地下水连通关系与连通强度、地下水运移路径、水文地质参数估算等方面具有显著优势，主要应用于确定煤矿突水水源特征与分析地下水通道等方面。常用的化探技术有水质分析(水源判别)、环境同位素分析(水源判别)、放水性测量(破碎带)、离子示踪试验等。抽放水试验是以地下水迳流理论为基础，通过观测钻孔水量和水位的变化来获取水文地质参数，为评价水文地质条件、预计涌水量、分析疏干降压可行性等工作提供依据，是矿区水文地质工作中查明勘探区水文地质条件并对地下水进行定量研究的重要方法。

目前我国煤矿水害致灾因素探查技术取得长足进步。煤矿井下随钻测量定向钻进技术与装备的应用，显著提升了隐蔽致灾因素钻探探查的范围和探测精度；多种物探手段精度的大幅提升，初步实现了对富水性和含水量的联合探测；井下定向钻探与孔中物探联合的探查技术，克服了钻探探查“一孔之见”的弊端；“随采随探、随掘随探”致灾因素动态探查技术，能够更好地掌握采掘动态影响下充水水源、充水通道的动态影响与变化；水害隐蔽致灾因素探测与基础地质、沉积等信息融合判识，提升了水害预测预报的准确度。

3 水害预测预报方法与治理技术

“预测预报”是煤矿水害防治的基础，可根据不同水文地质条件采取“探、防、堵、疏、排、截、监”等针对性措施，是实现煤矿安全采掘的重要保障[21]。

3.1 顶板水害预测预报方法

随着对矿井涌(突)水机理和水害事故的深入研究与分析，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[1]。我国煤矿顶板水害预测预报理论和方法主要有“上三带”理论、“关键层”理论和“三图”法等。

3.1.1 “上三带”理论

20世纪80年代刘天泉院士[22]提出“上三带”理论，即煤层开采导致上覆岩层从下至上依次划分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，冒落带和裂隙带合称“两带”，即导水裂隙带，当导水裂隙带发育导通至顶板含水层就可能形成顶板涌(突)水。

3.1.2 “关键层”理论

“关键层”理论由钱鸣高院士[23]提出，认为煤层开采上覆岩层的变形、破坏等主要由坚硬岩层中的关键层控制，即煤层开采后上覆岩层移动受控于关键层的破断运动，该理论为岩层整体移动研究提供了统一的思想和方法。同时，“关键层”理论也是煤层底板水害预测预报的一种重要方法。

3.1.3 “三图”法

“三图”法是[24-26]根据多年工作实践提出的一种解决煤层顶板充水水源、通道和强度三大关键技术问题的方法。研究顶板涌(突)水条件时主要针对两方面进行：一是研究煤层回采后其顶板冒裂安全稳定性问题；二是研究煤层顶板充水含水层富水性问题。“三图”具体指煤层顶板冒裂安全性分区图；煤层顶板充水含水层富水性分区图和煤层顶板充水含水层涌(突)水危险性分区图。小庄矿洛河组充水含水层涌(突)水危险性分区如图7所示。

图7 小庄矿洛河组充水含水层涌(突)水危险性分区

3.2 底板水害预测预报方法

3.2.1 突水系数法

20世纪60年代，在分析、总结焦作、峰峰、邯郸、井陉、淄博和肥城等大水矿区大量煤层底板突水实例的基础上，煤炭科学研究院西安煤田地质勘探研究所提出了煤层底板突水系数这一概念，总结出了临界突水系数[27-28]。突水系数法经过多次修正，重新采用式(1)计算，该式适用于采煤和掘进工作面，临界突水系数值在底板受构造破坏段取0.06 MPa/m，在正常块段取0.1 MPa/m。

(1)

式中：T——突水系数，MPa/m；

P——底板隔水层承受的水压，MPa；

M——隔水层厚度，m。

3.2.2 “下三带”理论

“下三带”理论是以李白英教授为代表的科研工作者在冀中能源峰峰矿业集团二矿现场观测的基础上提出来的，即在采动矿压作用下，煤层底板岩层发生扰动和破坏，由上而下划分为底板导水破坏带、完整岩层带和承压水导升带。该理论认为完整岩层带对阻抗煤层底板突水具有关键作用，其阻抗能力取决于该层的厚度、岩性和组合情况等。

3.2.3 五图-双系数法

武强院士提出的五图-双系数法是一种围绕“五图”、“双系数”和“三级判别”评价煤层底板带压开采工作面突水危险性的方法[29-30]。该方法在绘制“底板保护层破坏深度等值线图”“底板保护层厚度等值线图”“煤层底板上的水头等值线图”和“有效保护层厚度等值线图”的基础上，结合“双系数”(带压系数和突水系数)和“三级判别”(I级判别：是判别工作面必然发生直通式突水的指标；Ⅱ级判别：是判别工作面发生非直通式突水可能性及其突水形式的指标；Ⅲ级判别：是判别已被n级判别定位突水的工作面及其突水量变化状况的指标)得出“带水头压力开采评价图”，以此综合分析煤层底板是否突水、突水形势和突水量化3个指标。五图-双系数法流程如图8所示。

图8 五图-双系数法流程

3.2.4 脆弱性指数法

煤层底板突水是一种受控于多因素影响且具有非常复杂的非线性动力特征的水文地质与采矿复合动态现象。在建立煤层底板突水主控指标体系的基础上，应用多源信息集成理论提出一种新型煤层底板涌(突)水评价方法-脆弱性指数法[30-32]。脆弱性指数法是一种将可确定底板突水多种主控因素权重系数的信息融合方法与具有强大空间信息分析处理功能的GIS耦合于一体的煤层底板突水预测预报评价方法。该方法通过考虑各主控因素在煤层底板突水中所起的作用大小，综合反映各主控因素间的复杂作用及煤层底板突水的非线性动态过程。葛泉矿9号煤层底板奥灰含水层突水危险性评价分区如图9所示。

图9 葛泉矿9号煤层底板奥灰含水层突水危险性评价分区

3.3 水害治理技术

随着煤矿水害防治理念的提升，以及新技术、新材料和新装备的研发与应用，我国防治水工作由过程治理向源头预防转变，局部治理向区域治理、井下治理向井上下结合治理转变，措施防范向工程治理、治水为主向治保结合转变，根据不同水文地质条件形成了一系列针对性、可操作性、适用性强的治理措施[33-34]。

3.3.1 顶板水害治理

顶板水害治理技术常用到超前疏放，利用定向钻机施工顶板疏放水钻孔，通过在含水层中“穿层”，对顶板含水层进行“线状”疏放，达到有效治理顶板水害的目的。主要采取“富水区域物探圈定、普钻综合超前疏放和排水系统及时跟进”技术措施。顶板充水含水层不具备疏干(降)开采条件或疏排水费用太高、浪费地下水资源且经济上不合理时，可以采用注浆改造顶板含水层，即向导水裂隙带及含水层注浆，将其改造成弱含水层或隔水层。对断层、强富水区域等水害隐患处可以采用帷幕截流封堵。随着充填技术和充填材料的发展，充填法采煤能够有效抑制采场顶板覆岩下沉运动，控制导水裂隙带发育，达到预防控制煤层顶板水害的目的。以五沟煤矿一采区1010-1工作面顶板第四含水层组(“四含”)地面区域注浆改造为例，介绍煤层顶板水害地面区域治理技术的应用。

根据五沟煤矿1010-1工作面10号煤顶板标高和该区“四含”最低标高，通过《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》计算，需要留设防砂安全煤岩柱高度28.15 m。根据设计开采上限标高，为确保开采安全，需对1010-1工作面标高高于-285 m区域进行“四含”地面注浆改造。采用地面注浆区域治理，地面直孔和定向斜孔共设计43个，钻孔间距28.3 m，实际终孔位置进入基岩10～11 m，注浆材料为水泥，分段下行式注浆，钻孔平面布置如图10所示。改造完成后，经钻探、物探和室内试验结果分析，注浆区域“四含”整体呈现弱富水性，改造效果显著。

图10 钻孔平面布置

3.3.2 底板水害治理

底板水害防治应遵循井上与井下治理相结合、区域与局部治理相结合的原则。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方法。随着华北型煤田下组煤和深部开采规模逐渐扩大，以及定向钻探技术的成熟，煤层底板水害注浆治理由单一工作面治理转变为区域治理，以井下治理为主转变为井下和地面结合治理，以煤系薄层灰岩含水层为治理对象转变延伸到以奥灰含水层为治理对象[34-35]。以东庞矿西庞井-300 m以深奥灰深部地面区域治理改造为例，介绍煤层底板水害地面超前区域注浆治理技术的应用。

东庞矿西庞井9号煤标高-300～-600 m，9号煤与奥陶系灰岩含水层间隔36～42 m，平均39 m，突水系数为0.105～0.182 MPa/m，而且在底板薄弱带奥陶系灰岩水可能通过导水断层、导水裂隙带、导水陷落柱等通道进入矿井，存在较大的突水危险。因9号煤层埋深小于800 m，且地面钻孔施工基础条件好，选取地面定向钻进进行底板奥灰含水层区域治理。工程围绕井田三采区实施，治理范围标高为-300～-480 m，一期布设地面主孔1个，分支孔7个，二期布设地面主孔2个，分支孔32个；钻孔平面投影间距40 m；垂直深度位于奥陶系灰岩顶面以下25 m，奥灰含水层改造层段示意图和钻孔布设图如图11所示。治理完成后，三采区回采揭露表明采用地面超前区域治理方式有效探查并改造了9号煤层底板奥灰含水层，同时封堵了可能的导水通道，保障了安全开采。

图11 奥灰含水层改造层段示意图和钻孔布设

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溃入井下。对于受河流、湖泊、水库、采煤塌陷区和海域等地表水体威胁的开采区域，应当留足防隔水煤(岩)柱。对于漏水的沟渠和河床，采用混凝土、柔性材料铺垫漏水河床(冲沟)或者改道，对于沟谷窄、坡度大等施工条件差，无法进行河道开挖的区段，采用注浆治理，封堵基岩导水裂隙。对采煤形成的塌陷裂缝土地进行填埋复垦，尤其对浅埋煤层开采或导水裂隙带发育直通地表区域的，应及时封堵地面塌陷裂隙通道。以观音堂矿鸡冠沟河道治理为例，介绍地表水渗漏治理技术。

鸡冠沟位于观音堂矿工业广场北部，属季节性河流。近几年，鸡冠沟邻近区域长期堆积铝土矿矸石，造成地形地貌的变化，鸡冠沟河道产生位移。在2021年汛期期间，鸡冠沟地表水下渗至矿井运输大巷，导致矿井涌水量明显增大。鸡冠沟河道的治理主要以地表防渗和积水强排为主，针对地表渗水源头的鸡冠沟河道及南侧铝矿矸石堆区域，采用彩条布对矸石堆进行全面覆盖，防止雨水汇集矸石堆内部出现下渗；对鸡冠沟河道修筑整体河渠，采用红砖水泥砌筑，墙高1.2 m，河底采用彩条布铺底，上覆水泥砖，防止河水通过河道出现下渗，平面图和设计图如图12所示。鸡冠沟河道渗漏治理后，矿方开展了物探查验和河道蓄水漏失试验，试验结果表明，河道防渗治理效果明显。

图12 鸡冠沟河道加固段平面图和设计图

4 存在问题及发展趋势

4.1 存在问题

查明煤矿水害致灾因素是煤矿水害防治工作的基础内容，随着我国煤矿开采深度逐年增加和西部侏罗系煤层开发程度的加强，近年来煤矿水害事故起数和死亡人数又有抬头之势，暴露出煤矿水害致灾因素探测仍存在部分问题。

4.1.1 煤矿老空水探查程度不足

我国煤矿区以往开采过程中遗留了大量老窑采空区，形成老空积水。由于大部分煤矿并未留下相关开采资料，分布极不规则，充水情况各不相同，使得老空积水成为威胁我国煤矿安全最严重的水文地质致灾因素。据统计，“十三五”期间，全国煤矿发生的较大以上水害事故中，老空透水事故起数占比58.8%，死亡人数占比更是达到了64.9%[2]。

从技术角度来讲，老空积水无规律性，特殊情况下要想准确探查老空积水仍有一定难度。同时受限于现在探查手段的经济可行性和部分煤矿企业的管理水平，老空水的探查存在较大漏洞，导致老空透水事故仍然多发。因此，建立不同条件下老空积水科学经济的探查技术体系，建立相关行业标准，提高老空水探查的管理和监管水平，是进一步加强煤矿水害致灾因素探查的紧迫性工作。

4.1.2 深部岩溶水探测技术有待提高

随着华北型煤田浅部煤炭资源的逐渐枯竭，部分中东部矿井被迫开采距离奥灰含水层更近的下组煤和埋深更大的煤炭资源，例如开滦集团赵各庄煤矿关闭前开采煤层底板承受的奥灰含水层水压达到13 MPa以上[36]。深部矿井开采受到高地应力、煤层底板高水压的综合影响，突水危险性也更高，对小构造的探查要求也进一步提高。由于主要充水水源、充水通道埋深大，又受到浅部采空区影响，现有的地面物探、钻探等探查手段成本高且效果较差。同时，灰岩地层硬度较大，井下钻探施工效率明显低于地面装备[37]，也在一定程度上制约了深部岩溶含水层致灾因素的探测效率和准确性。目前，华北型煤田深部下组煤开采水害致灾因素探查的主要技术方向为井下综合探查，仍需进一步提升深部岩溶含水层致灾因素探测的技术水平。

4.1.3 西北顶板砂岩含水层探测技术体系不健全

我国西北侏罗系煤田已成为现阶段煤炭主产区，开采揭露的顶板砂岩含水层水害也愈发复杂，其侏罗系、白垩系砂岩地层多属陆相河流沉积，岩相非均质性强，部分地区不同层位砂岩组成具有统一水力联系的含水层组[38]。由于含水层组地质体的岩性多样，对地球物理的响应特征各不相同，影响使用物探手段进行含水层组富水性探查的精度。同时，河流沉积地层含水层厚度变化较大，常规水文地质试验手段得出的水文参数也存在代表性差的问题。目前，针对砂岩含水层富水性探测，亟需建立能融合多源地质、水文地质信息及致灾因素探测结果的综合技术体系，从地下水系统的角度研究侏罗系煤层顶板砂岩含水层水害防治难题。

4.1.4 采掘过程中水害动态探测技术属起步阶段

煤矿水害致灾因素在采矿影响下处于动态变化状态，主要表现为含水层富水性演变、断层等构造采动活化、覆岩移动与破裂等，进行采掘过程中充水水源、充水通道的动态探测是避免水灾事故发生的最后一道关卡。目前研发形成的随钻、随掘、随采动态探测技术已经成为水害致灾因素动态探测的重要手段[39]，包含了随钻地质信息识别、随掘地质条件物性成像和异常体判断以及随采顶底板岩层富水性动态变化辨识等[40]。但受限于开采扰动的影响，探查过程中受到的干扰较多，存在物探资料解译、数据采集观测等系列问题，技术总体成熟度仍然较低，尚处于起步阶段。

4.1.5 关闭矿井水害致灾因素探查未得到重视

随着我国煤矿资源规模化整合开发，“十二五”期间淘汰落后煤矿7 100余处，“十三五”期间再次退出煤矿5 500余处，大量矿井关闭后井巷空间内水位逐渐回升，威胁相邻矿井安全并造成不同含水层地下水串层污染。目前我国针对关闭矿井地下水问题的研究主要集中在地下水污染机理及模拟方面，仍需加强井巷空间内水位回升对周边生产矿井致灾因素的探查，以及关闭矿井水位、水质等水文地质信息监测的研究[41]。

4.2 技术发展趋势

4.2.1 水害致灾因素综合精细探查

针对现阶段煤矿开采向深部延伸和西部转移的现状，应进一步提升井下水害致灾因素探查水平，将水害致灾因素的探查与地质、水文地质综合分析相结合，加强钻孔瞬变电磁、钻孔电法等孔中近距离物探探测装备、解译方法研究；研发能够精确获取各类水文地质信息的井下定向钻进装备及技术；开发井下先进的化探、水文地质试验等手段；构建集地质、水文要素评价与钻探、物探等融合的水害致灾因素综合精细探查技术。

4.2.2 基于透明地质的水害智能探测

随着我国煤矿智能化建设进程的加快，通过三维地质建模构建精确的透明地质模型，做到水害致灾因素的随掘、随采实时探测与动态更新，并开展相关的防治水工程设计与实施[42]，需综合提升随钻、随掘、随采过程中地质、水文地质信息动态判识技术，结合多因素构建水害致灾因素非线性预测模型，形成水害致灾因素动态探测与智能预测综合方法，切实达到煤矿水害防治的地质透明化。

4.2.3 关闭矿井水文地质因素综合探测与监测

目前，国际矿山水文地质领域主要研究方向在于关闭矿井环境水文地质效应问题，而国内在该方面研究程度尚且不足。今后，需加强专门针对关闭矿井水文地质因素的地面探测技术，研究积水淹没后边界断层等构造再充水活化性能。同时，加强对关闭矿井水环境的探测和监测，系统研究矿井关闭后水文地质环境变化效应。

5 结语

开展煤矿水害隐蔽致灾因素探测与治理是煤矿水文地质保障、安全生产风险防控的基础性工作，也是实现预防为主、源头遏制煤矿水害发生的有效举措。新形势下，应切实加强各类水害致灾因素的探查技术水平，做到致灾因素全面查清、保证质量并治理到位，以便更好地巩固近10年来煤矿水害防控取得的成就，遏制水害事故多发势头，切实保障我国煤炭的安全高效开发。