金屬礦山水害監測預警研究現狀與展望

謝世平 楊柱 羅舸旋子3

（1.長沙礦山研究院有限責任公司；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室；3.湖南省礦山地質災害防治與環境再造工程技術研究中心）

水害是金屬礦山建設生產過程中的主要安全災害之一，其破壞性大，突發性強，往往導致大量的人員傷亡，給人民生命和國家財產造成無法挽回的損失，開展金屬礦山水害監測預警研究是保障礦山安全的一項重要任務。隨著云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術，以及現代化儀器和監測手段的快速發展，礦山水害監測預警也得到不斷地創新與升級［1］。

目前礦山水害監測預警技術主要在煤礦應用居多，監測方法也比較多［2-8］，已成為煤礦水害防治的重要手段之一［9］。而金屬礦山水害監測預警研究較少，已有的監測系統也主要針對鉆孔水位、礦坑排水量以及水倉水位等參數指標進行實時監測，且大多數還不具備對礦山突水危險預測預報的功能，無法滿足礦山安全生產的需求。本文簡要分析了金屬礦山的水害形成因素，對目前金屬礦山水害監測預警的研究應用現狀進行總結和評述，并結合煤礦領域已成功應用的水害監測預警技術，探討了金屬礦山水害監測預警的發展趨勢，旨在推廣應用現有技術，也為開發適用于金屬礦山水害監測預警的新方法提供思路。

1 水害形成因素分析

礦山水害的形成主要有3個重要因素，即突水水源、突水通道和突水強度。其中，突水水源是礦山水害發生的根源。但只有水源也未必會發生水害，還需要有突水通道，如果對突水通道進行封堵或采取其他措施，使突水水源無法進入礦坑，那么也不會發生突水事故。即使同時具備了突水水源和突水通道，而突水強度較小，礦山自身的排水能力足夠，那么也不會發生水害事故；如果突水強度超過了礦山的排水能力，則會造成水害事故，嚴重時甚至會淹沒整個礦坑，從而導致人員傷亡和財產損失［10］。

從大水金屬礦床的賦存條件分析，其突水水源一般為頂、底板承壓含水層，部分埋藏較淺的礦山在采動影響下可能波及到地表水體。存在老空區的礦山還有老窿突水的風險，此時老空區也為突水水源之一。金屬礦床的突水通道多為巖溶、斷層或破碎帶等地質構造，某種情況下老空區或是封閉不良的鉆孔等也可以作為人工突水通道溝通含水層或是地表水體。因此，從金屬礦山的充水因素分析，主要存在頂底板突水、導水構造突水、老空區突水和不良鉆孔突水等。

頂板突水［7］是一個多因素、非線性的巖體力學作用過程，與礦山采動覆巖移動破壞規律密切相關，覆巖移動破壞規律是頂板突水機理研究的基礎及關鍵，國內外學者對其進行了較為深入的研究，并取得可喜的成果。

導水構造突水主要為礦床范圍內發育的巖溶、斷層、破碎帶等導水構造或者原始狀態下的非導水構造，在采動影響下發生突水，即構造活化。大量工程實例也表明：在原始地質條件下，構造與含水層直接溝通，構成導水通道的突水事故比例較??；大多數是原始地質條件下的非導水構造，在采動影響下通過活化，轉化為導水性構造發生突水［11］。國內外許多專家、學者主要對斷層的突水機理展開了大量研究，從斷層的發育特征、空間位置，以及從力學機理等方面分析斷層的突水判據［12］。還有其他一些學者運用數理統計、相似模擬等方法對斷層等導水構造影響下的水害機理進行了研究。

封閉不良鉆孔作為一種重要的人工導水通道，由于其規模小，隱蔽性強，并沒有引起足夠的重視，常引發突水事故。目前對封閉不良鉆孔突水的研究，主要集中在其安全性評估方法、管理信息系統設計、可視化探測方法以及涌水量預測及治理技術，對其突水機理的研究不多，劉德民等［13］利用摩爾庫侖理論和厚壁圓筒理論建立了封閉不良鉆孔側壁突水力學模型，求出了突水判據。

老空區作為主要的人工導水通道及突水水源，對礦山生產安全威脅巨大，其水害事故多為突然發生，且瞬時水量大，具強大破壞力，在水量大、水壓高、工作面位置低時常造成傷亡事故，是礦山水害中造成傷亡事故最多的水害［7］。國內外學者通過理論分析及經驗計算，在其突水機理方面取得了較多的研究成果。

2 水害監測預警研究現狀

2.1 水害監測指標

根據礦山水害形成因素分析，要達到對水害有效的監測預警，主要是對與礦坑突水水源、突水通道與突水強度3 個主要因素相關的指標進行監測。根據目前國內外礦山監測指標體系研究現狀［14］，監測預警系統常用的監測指標主要包括水溫、水位、水壓、水化學、流量、巖石力學（應力、應變、微震等）、視電阻率等。其中，針對突水水源的監測主要有水位、水溫、水化學等指標；突水通道的監測主要有水壓、巖石力學、視電阻率等指標；突水強度的監測主要有涌水量等指標。

目前金屬礦山已有的水害監測預警系統［15-19］主要對水溫、水位、水化學、涌水量和電磁波等指標展開了監測技術研究，通過各單指標監測情況，然后對礦山水害風險進行綜合分析判斷。其中，水溫、水位、水化學、涌水量等傳統監測指標，已具備成熟的監測技術，也是目前應用最為廣泛的反映礦山地下水特征的基本因素。近年來，地球物理方法逐步被應用于礦山水害監測領域，有效地提高了捕捉突水活動本質信息和感知遠區突水活動的能力。黃采倫等［15］通過大量的試驗發現，地下水流動系統大部分在地磁場作用下切割磁力線形成地下磁流體，在其周圍形成感應電磁場，且通過連續不斷地磁場干擾形成向地面發射的特殊電磁波；該電磁波在穿過不同巖層、裂隙時包含不同的特征信息。地下磁流體在地磁場中持續運動反饋到地面的電磁波是動態信息，而固體礦產及巖層反饋到地面的物理量是靜態信息；這就從理論上解決了區別地下水與固態地質體的機理。

2.2 水害監測預警模型

礦山水害研究工作者針對煤礦水害致災機理及評價模型開展了大量的工作，而對金屬礦山水害預測評價理論研究不多。中南大學王益偉等［16］通過開展大水礦山地下水環境系統失效致災機理研究，建立了大水礦山地下水致災評價指標模型。評價體系共分為3個層次，概括了組成大水礦山地下水系統的孕災環境、承災體和致災因子。分別采用模糊層次分析法和遺傳投影尋蹤聚類算法建立了大水礦山地下水致災可能性評價模型。實際應用表明，2 種模型均能有效實現對大水礦山地下水致災可能等級的分析評價，遺傳投影尋蹤聚類模型分類結果離散性強，評價等級清晰，模糊層次分析模型分類結果離散性相對較弱，結果趨于均值化。因此遺傳投影尋蹤聚類模型在評價中確定等級上具有優勢，以此建立的水害評價模型可用于水害監測預警系統，通過對各致災指標進行監測，利用評價模型進行地下水害致災可能性評價，從而實現礦山水害的預警功能。

2.3 水害監測預警系統

王寧濤［17-18］以福建省龍巖市馬坑鐵礦為對象，依據礦區現有水文地質資料，結合歷史數據分析，以數據庫管理系統為核心，利用現代監測技術手段和方法，建立了馬坑鐵礦“礦區地下水監測與預警系統”，提出了系統構架和建設思路，并結合軟件工程理論，詳細闡述了對水文氣象數據的監測，并著重探討了地下水水位突變的監測和預警工作的方法和技術。該系統可以根據不同時間的生產狀況，設定各地下水監測站的水位突變預警域值，可在一定程度上滿足礦山水害監測預警需要。

廣東省凡口鉛鋅礦礦區帷幕截流工程建成后，地下水流場發生了根本變化，開采帷幕附近的礦體時，面臨幕外高水頭區的安全風險。為及時掌握地下水動態，預防突水事故，礦山開發了地下水自動監測預警系統［19］。該系統由數據采集傳輸、數據處理分析、地下水動態預警和三維可視化4 個部分組成。其中，地下水監測預警主要通過降雨量、鉆孔水位、地下水水質、井下巷道及水倉流量等參數進行實時監測與自動統計，并實現各參數的自動聯動分析與處理，對災害的發生提前進行預防、判斷；然后通過設定各指標參數的預警閾值，實現礦山突水預警。該系統實現了礦山水害多指標參數的同時預警，提升了金屬礦山的地下水防治監測水平。

張海龍等［20］應用物聯網射頻識別技術（RFID），研發物聯網井下涌水智能監測報警平臺，在已有測流堰的基礎上，通過選擇并設置合適的傳感器，監測測流偃的水頭高度、水倉的水位高度，自動識別水的溫度、毒性、酸堿度、鐵的氧化物或硫化礦物化學成分，以及周圍的有害氣體等屬性，創建水位高度、流速、監測點位置、監測點周圍水信號的毒性、化學成分、有害氣體等數據庫，并對其所獲得的數據進行分析和處理，然后通過報警子網絡設置合理的報警設計值，使該系統平臺可以達到對井下涌水量的全天候實時監測預警。

黃采倫［15］團隊利用地下水通過地下磁流體產生不同的電磁波的原理，研發了一套包含信號探測、地下磁流體信息提取與轉換、數據處理三部分的礦區水害監測預警系統，通過探針接收地球內部向地表發射的電磁波，應用現代信號分析處理等技術提取地下水動態信息、裂隙信息，有效解決礦區導水斷層、老空區的探測和定性定量分析問題，也為礦區水害的監測預警提供了一種可靠的新方法。湖南省黃沙坪鉛鋅礦利用該礦區水害監測預警系統，開展了礦區采空區的監測，主要是根據礦區的地質條件，在礦區內布置多條測線進行探測，所得數據可以反映測線間地下水動態信息及地質體物性變化，數據準確可靠，在監測采空區的同時也監測地下水的分布情況，取得了較好的效果。

3 水害監測預警研究展望

3.1 水害機理深入研究

我國礦山水害研究領域科研工作者，在煤礦水害機理研究過程中，取得了較多的成果，諸如華北型煤田底板奧灰巖突水機理［7］、煤礦頂板離層水害形成機制［21］、構造突水機理等。目前金屬礦山水害分析主要還是借鑒上述突水理論研究成果，但在應用過程中，還是因圍巖條件、礦體賦存形態、礦床主要充水層等多方面條件存在差異，影響水害評價效果。因此，有必要在已有礦山水害機理研究的基礎上，結合金屬礦山自身的水文、工程地質特征，針對礦床頂板含水層、斷裂構造、采礦活動等導致的水害開展致災機理深入研究，也可為后續建立水害監測指標體系，構建水害監測預警模型提供更準確的依據。

3.2 水害監測預警模型研究

水害監測預警系統的主要目的是對未知可能發生的突水水害進行預警預報，礦山突水災害的監測不能只針對涌水量、水位、水壓力等表象特征，需在研究突水的本質機制和前兆規律以及巖層破壞導水通道的形成基礎上，加強突水過程中巖層應力、應變以及巖層破壞微震活動等相關規律及定位的監測分析。因此，有必要在原有監測指標的基礎上開發確認其他與礦山水害有密切影響的指標因素，并確定各新指標的影響閾值，構建更加全面與完善的金屬礦山水害指標評價體系，結合礦山水害評價模型研究，建立多指標動態預警模型。

3.3 新方法、新設備的研究與應用

由于金屬礦山水害監測預警理論相關研究不足，目前已采用的水害監測方法也相對較少，監測設備也相對簡單。因此，有必要利用滲流耦合力學理論方法、物探、5G網絡、大數據與人工智能等經典理論或新技術，開展礦山水害監測新方法、新設備的研究應用。例如在煤礦水害監測領域廣泛應用的微震監測技術，在金屬礦山主要用來開展地下巖石應力監測，今后可以考慮利用其已有的應用經驗，結合金屬礦山水害與巖層破壞微震活動之間的相關規律，開發出適用的水害監測預警新方法，或通過適用性研究，實現其在金屬礦山的有效應用。此外，還可以利用智能感知技術，推動水害監測方法的創新。隨著機器人觀測與控制、智能化信息處理與管理、智能水害監測預警專家系統的實現，礦山水害的數據采集、處理與分析手段也將更加安全、豐富、準確、高效，礦山水害監測預警系統也將逐步向智能化快速發展。