淺析我國(guó)煤礦水害防治研究現(xiàn)狀及展望*

高政，李波波,

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州大學(xué) 喀斯特山區(qū)優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源高效利用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 貴州 貴陽(yáng) 550025；3.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引言

水害事故是煤礦五大自然災(zāi)害之一，其造成的生命財(cái)產(chǎn)損失十分嚴(yán)重[1]。煤礦水害事故常發(fā)生在采煤及掘進(jìn)工作面等處，在開采作業(yè)中與地下水接觸就會(huì)導(dǎo)致透水事故，嚴(yán)重影響開采進(jìn)度，同時(shí)對(duì)井下人員安全造成威脅[2]。據(jù)相關(guān)研究報(bào)道[3]，2000年至 2017年我國(guó)發(fā)生的煤礦水災(zāi)事故高達(dá)一千余起，死亡人數(shù)四千七百余人。2010年3月，山西王家?guī)X煤礦發(fā)生透水事故，致使三十余人遇難，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。2012年蛟河市豐興煤礦發(fā)生水災(zāi)事故，12人因此遇難，造成極大的社會(huì)影響。水害事故已經(jīng)成為影響煤礦安全生產(chǎn)的主要威脅之一[4]。此外，煤礦水害還可能造成工作環(huán)境潮濕，從而對(duì)井下工作設(shè)備造成損耗。因此在煤礦開采過程中必須對(duì)水害防治予以高度重視，提前做好相關(guān)預(yù)防工作，盡可能避免煤礦水害事故發(fā)生，保證煤礦安全高效開采。

我國(guó)對(duì)煤礦水害防治已開展了大量研究，并取得了一定成效，但目前水害事故仍然威脅著煤礦生產(chǎn)。因此，需要對(duì)煤礦水害防治研究進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)今后的相關(guān)研究做出展望，以期為減少煤礦水害事故及提高礦山安全開采能力提供理論指導(dǎo)。

1 我國(guó)礦井水害防治研究現(xiàn)狀

1.1 煤礦水害類型分類

水源通入井下的方式可以分為滲水、滴水、淋水、突水等。根據(jù)礦井充水水源和其進(jìn)入井下方式的不同，劉衛(wèi)坤[5]將煤礦水害分為地表水、老窯水、孔隙水、裂隙水和巖溶水5種不同類別，同時(shí)指出在井下作業(yè)過程中，工作面與含水層、水體或含水裂隙帶接觸所造成的突水事故影響最大，屬于需高度重視的涌入方式。武強(qiáng)等[6]認(rèn)為當(dāng)前水害事故具有復(fù)雜多樣性，應(yīng)對(duì)礦井水害分類展開全面系統(tǒng)性的討論，并以充水水源、導(dǎo)水通道、危害形式、經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡和時(shí)效特點(diǎn)幾個(gè)方面作為構(gòu)建水害分類的依據(jù)，分別提出了具體的水害分類（見圖 1）。

1.2 煤礦水害致因分析

近年來(lái)我國(guó)學(xué)者不斷探索導(dǎo)致煤礦水害事故發(fā)生的原因，從工作人員動(dòng)作行為、儀器設(shè)備、管理和環(huán)境等多角度對(duì)事故致因進(jìn)行了研究。本節(jié)回顧了相關(guān)較具代表性的研究。

圖1 煤礦水害分類

傅貴等[7]基于全國(guó) 68起煤礦重特大水害事故案例，運(yùn)用 2～4模型對(duì)井下人員的不安全動(dòng)作進(jìn)行了分類與分析。其結(jié)果指出直接不安全動(dòng)作主要涵蓋違章放炮、探放水措施未能有效開展、違章指揮、保安煤柱受損、井下人員撤離不及時(shí)和其他等6個(gè)方面；在案例樣本的所有不安全動(dòng)作調(diào)查中，除了包含以上6個(gè)主要不安全行為外，還有未通過安全批準(zhǔn)私自生產(chǎn)、水文地質(zhì)條件信息不全、人員培訓(xùn)不到位、越界開采、安全通道不足、透水隱患消除力度不夠、相關(guān)安全人員配備不足等7個(gè)大類。此外，安全管理人員的不安全行為在所有不安全動(dòng)作中占比最大，最需值得注意。劉偉[8]從4個(gè)方面對(duì)導(dǎo)致煤礦水害發(fā)生的原因進(jìn)行分析，并構(gòu)建相關(guān)事故樹。其認(rèn)為不同充水水源、含水層結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件是引起水害事故的環(huán)境因素；非法開采、越界開采、違章作業(yè)和不遵循探放水原則等屬于誘發(fā)煤礦水害的人為因素；設(shè)備排水能力不足、探放水設(shè)備不合理和井筒位置不當(dāng)?shù)仁且鹈旱V水害事故發(fā)生的物的因素；相關(guān)安全管理制度的完善及落實(shí)程度不足屬于管理因素，并強(qiáng)調(diào)從管理因素方面入手能夠有效減少煤礦水害事故的發(fā)生。高磊[9]將煤礦水害事故發(fā)生的主要原因歸結(jié)為水文地質(zhì)條件調(diào)查不全面，越界開采，未建立相關(guān)防治措施或執(zhí)行力度不夠，破壞隔水煤柱和地表水體影響等。孫悅等[10]結(jié)合FTA-AHP法，對(duì)貴州幾起典型煤礦水害事故的致因進(jìn)行了分析，并構(gòu)建事故樹開展定性研究。其從特定事故出發(fā)尋找基本原因，從礦井積水量過多、通道排水能力不足和防水措施3個(gè)主要原因入手，向下形成了包括施工中揭穿水體、雨季水量過大和安全監(jiān)察不到位等43項(xiàng)基本原因。

1.3 煤礦水害防治措施

科學(xué)預(yù)防和治理可以有效減少煤礦水害事故甚至消除事故的發(fā)生。根據(jù)水害造成原因的不同，防治措施主要可以分為管理和技術(shù)2個(gè)方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此開展了大量研究。岳金華[11]指出對(duì)煤礦水害的防治應(yīng)加強(qiáng)施工過程中的管理，對(duì)井下工作人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，了解水害的危險(xiǎn)并掌握突水征兆等相關(guān)知識(shí)，提升安全防范意識(shí)；不斷提升勘察技術(shù)手段，在井下施工作業(yè)前，有效全面地對(duì)水文地質(zhì)條件展開勘察；不斷完善管理體系的構(gòu)建，合理運(yùn)用監(jiān)測(cè)設(shè)備。在防治技術(shù)方面，對(duì)含水層、采空區(qū)和地表水水害提出了具體的防治措施。孫靜君[2]主要根據(jù)充水位置不同，從地表水害、砂巖水和礫巖水、石灰?guī)r溶洞水、沖積層水等8個(gè)層次對(duì)煤礦水害的防治展開研究。吳曉玉[12]對(duì)天然充水水源和煤層與含水層相對(duì)位置所引起的水害提出了具體的技術(shù)防治措施，使用注漿和防水煤柱解決導(dǎo)水通道的威脅，并強(qiáng)調(diào)水文監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用的重要性，在管理方面提出健全相關(guān)規(guī)章制度。李飛[13]通過對(duì)姜家灣水害事故進(jìn)行案例分析后，提出一套防治水害的措施，具體為：對(duì)相關(guān)人員開展水災(zāi)防治培訓(xùn)工作，提高水文地質(zhì)探測(cè)能力，完善安全生產(chǎn)制度，嚴(yán)格落實(shí)“三專”要求，領(lǐng)導(dǎo)層加強(qiáng)安全監(jiān)管，提升排除水害隱患的能力，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新等。李玉春[14]分析了煤礦水文地質(zhì)特征，從預(yù)測(cè)勘察工作、安全管理和防治技術(shù)等方面提出了7條防治水害措施。

1.4 水害防治體系

礦井水災(zāi)防治體系的構(gòu)建有助于控制水害事故的發(fā)生，能夠?yàn)槊旱V安全開采及技術(shù)轉(zhuǎn)型提供相關(guān)理論指導(dǎo)，對(duì)防治體系的深入研究具有重要意義。目前，我國(guó)對(duì)此已進(jìn)行了大量研究，大致可以分為礦井水災(zāi)防治技術(shù)體系和礦井水災(zāi)防治管理體系兩方面。然而由于實(shí)際礦山地質(zhì)條件及考慮角度不同等因素，各體系之間存在差異。本節(jié)挑選了近年來(lái)防治水體系較具代表性的研究進(jìn)行了回顧。

李偉等[15]針對(duì)閘河礦區(qū)閉坑礦井，評(píng)價(jià)了煤層抗拉強(qiáng)度和煤柱安全性，發(fā)現(xiàn)礦界煤柱寬度尚未達(dá)到實(shí)際安全需求標(biāo)準(zhǔn)，基于此種情況構(gòu)建了包括探查、排水、擋水閘墻、監(jiān)測(cè)在內(nèi)的閉坑礦井水害綜合防控技術(shù)體系。靳德武[16]從4個(gè)方面介紹了礦井水害防治技術(shù)，并指出防治水害應(yīng)遵循的三觀點(diǎn)和五原則，以哲學(xué)方法論層次入手，對(duì)巖溶水害的治理提出了相關(guān)技術(shù)體系。張志龍等[17]根據(jù)立體空間位置及軟件措施、系統(tǒng)影響要素等展開分析，主張將系統(tǒng)原理和立體空間思想相結(jié)合，從時(shí)間和空間上考慮構(gòu)建煤礦水害立體防治體系，其框架構(gòu)成詳見圖 2。其中地表水害防治技術(shù)體系和地下水害立體防治技術(shù)體系屬于兩類典型防治子體系。經(jīng)過實(shí)際案例分析，該立體防治技術(shù)體系在煤礦水害防治上能得到較好的應(yīng)用。岳修德[18]以山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)為研究對(duì)象，從該集團(tuán)實(shí)際情況出發(fā)，提出“五分法”煤礦防治水技術(shù)體系，具體內(nèi)容為“一定、二查、三專、四探、五保障”。王均才等[19]對(duì)煤礦水災(zāi)的監(jiān)測(cè)、預(yù)警、逃生和應(yīng)急救援等進(jìn)行了深入探索，在信息管理與監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了煤礦防治水安全保障體系，該體系具有“預(yù)、監(jiān)、報(bào)、避、隔、救”等多種功能。任占昌[20]針對(duì)奧灰水水害，以保德煤礦為研究對(duì)象，構(gòu)建了與其實(shí)際工作情況相適應(yīng)的綜合防治水管理體系。

圖2 煤礦水害立體防治體系[17]

2 討論與展望

不同類型的水害決定著不同防治措施的選取和實(shí)施。在煤礦水害分類研究方面，前人的分類依據(jù)多集中于充水水源不同，相關(guān)依據(jù)尚需完善。礦井水害分類屬于系統(tǒng)分類工程。類型劃分離不開對(duì)相關(guān)案例和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析以及相關(guān)科學(xué)理論指導(dǎo)[6]。因此，加強(qiáng)對(duì)分類依據(jù)的基礎(chǔ)理論研究和相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)研究，將定性與定量方法相結(jié)合，同時(shí)考慮劃分類別的全面性和系統(tǒng)性，將有助于今后的礦井水害分類研究。此外，目前對(duì)礦井突水機(jī)理分析尚不完全，無(wú)法很好解釋井下的突水現(xiàn)象[21]，限制了對(duì)水害類型的劃分。今后可考慮將物理模擬方法與突水研究相結(jié)合，更深入研究解釋礦井突水機(jī)制，為水害分類提供理論依據(jù)。

井下水害發(fā)生原因復(fù)雜多樣，相關(guān)原因分析對(duì)于后續(xù)的防治措施具有關(guān)鍵性作用。在煤礦水害致因的研究方面，前人多采用定性分析和事故樹理論，而事故樹的構(gòu)建受到較多客觀因素影響，因人而異。今后對(duì)此方面的研究可進(jìn)一步結(jié)合數(shù)學(xué)分析方法，從定性轉(zhuǎn)為定量或?qū)烧呦嘟Y(jié)合，更進(jìn)一步探索煤礦水害事故發(fā)生的原因。

前人對(duì)水害防治措施的研究已有很多，且大多集中在技術(shù)和管理兩個(gè)方面。但一些技術(shù)的適用性不強(qiáng)，新型技術(shù)的發(fā)展仍有待進(jìn)一步提高。目前我國(guó)部分地區(qū)，礦井水害防治技術(shù)仍然停留在十幾年前水平，尤其以中小型煤礦企業(yè)居多。因此，發(fā)展通用性高新技術(shù)對(duì)于提升我國(guó)煤礦開采安全性具有重要意義。今后的水害防治技術(shù)研究可從以下幾個(gè)方面開展。

（1）加強(qiáng)勘探技術(shù)的研究與開發(fā)。目前的勘探技術(shù)不能直接反映突水狀況，且精準(zhǔn)性仍有待提高，可在高精度三維定位基礎(chǔ)上改善現(xiàn)有勘探技術(shù)，發(fā)展精細(xì)探查技術(shù)。

（2）注漿堵水技術(shù)研究。采取人工造縫技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)注入量的控制，因此對(duì)壓裂技術(shù)的推廣及應(yīng)用研究，可促進(jìn)我國(guó)煤礦水害防治技術(shù)的發(fā)展。

（3）水害預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)。隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，可構(gòu)建礦井水害預(yù)警系統(tǒng)，通過量化相關(guān)征兆指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)在水害來(lái)臨前的預(yù)報(bào)警示。

（4）將水害防治信息與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，建立礦井水害防治數(shù)據(jù)庫(kù)，共享防治技術(shù)。在擁有可觀數(shù)據(jù)量后，可通過大數(shù)據(jù)技術(shù)更進(jìn)一步研究礦井水害防治措施。

在礦井水害防治體系的研究方面，目前防治技術(shù)體系仍存在被動(dòng)性，在整體性和系統(tǒng)性方面還有待加強(qiáng)。此外，在現(xiàn)有防治體系的構(gòu)建上，大多數(shù)研究人員都是圍繞技術(shù)方面開展，對(duì)管理體系的構(gòu)建考慮較少。通過對(duì)國(guó)內(nèi)近二十年煤礦發(fā)生的重特大水害事故原因分析[3]，發(fā)現(xiàn)管理因素、人為因素和環(huán)境因素為引起水害事故的主要原因，物的因素排至最后，安全管理缺陷所引起的煤礦水害占比較多。因此，應(yīng)從管理與技術(shù)兩方面共同著手，構(gòu)建綜合性防治體系，改變以往防治體系的不足，變被動(dòng)為主動(dòng)。

3 結(jié)論

水害事故嚴(yán)重影響著煤礦安全開采，對(duì)水害事故防治的研究能為煤礦安全開采提供理論指導(dǎo)。從煤礦水害類型分類、水害致因、水害防治措施和水害防治體系4個(gè)方面，對(duì)我國(guó)煤礦水害防治現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。盡管相關(guān)研究工作已取得了較多進(jìn)展，但仍有些許不足。在已取得的成果的基礎(chǔ)上，今后可重點(diǎn)圍繞以下幾個(gè)方面開展煤礦水害防治研究。

（1）加強(qiáng)對(duì)分類依據(jù)的基礎(chǔ)理論研究，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)和案例，全面系統(tǒng)地對(duì)水害類型進(jìn)行分類。

（2）結(jié)合定量分析方法，對(duì)煤礦水害的致因因素進(jìn)行定性、定量化研究。

（3）與計(jì)算機(jī)等其他學(xué)科相結(jié)合，研究通用性高新技術(shù)并實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

（4）進(jìn)一步構(gòu)建以技術(shù)和管理為核心的水害綜合防治體系。