礦井水災(zāi)害：原因·對(duì)策·出路

尹尚先，王玉國(guó)，李文生

(1.華北科技學(xué)院 河北省礦井災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101601；2.鄂爾多斯市國(guó)源礦業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司西部水害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；3.山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030024)

根據(jù)國(guó)家礦山安全監(jiān)察局年報(bào)統(tǒng)計(jì)[1]，2000 年到2020 年的20 年間，經(jīng)歷了2012 年前的煤炭十年黃金高速增長(zhǎng)期，全國(guó)煤炭供給由2000 年的10 億t 增加到45 億t[2]，增長(zhǎng)4 倍多，而事故起數(shù)由2000 年的4 344 起減少到2020 年的122 起(圖1)，下降35.6 倍。煤礦事故總量逐年下降，但下降幅度趨緩；較大以上事故總起數(shù)、死亡人數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，重特大事故呈鋸齒形下降趨勢(shì)，波動(dòng)幅度較大；上述事實(shí)充分說明，煤礦安全形勢(shì)總體向好，事故由多發(fā)、頻發(fā)甚至群發(fā)，重特大事故時(shí)有發(fā)生，到單發(fā)、偶發(fā)，特別重大事故得到有效遏制，表明事故可防可控。

圖1 2001?2020 年全國(guó)煤礦事故起數(shù)及死亡人數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of coal mine accidents and deaths in China from 2001 to 2020

統(tǒng)計(jì)表明(圖2)，瓦斯和水害仍為我國(guó)煤礦的兩大類主要災(zāi)害類型，水害事故是僅次于瓦斯災(zāi)害的第二大殺手。從2000 年到2006 年，煤礦水害事故總起數(shù)為“三位數(shù)”的幾百起，以后降為“兩位數(shù)”的幾十起，到2016 年下降為“個(gè)位數(shù)”的幾起事故，形成了臺(tái)階式梯級(jí)下降。特別是，2010 年神華集團(tuán)烏海能源駱駝山煤礦“3·1”以及山西華晉焦煤王家?guī)X煤礦“3·28”特別重大水害事故以后，全國(guó)再未發(fā)生過特別重大水害事故，大事故得到了有效遏制，這是國(guó)家監(jiān)察、地方監(jiān)管、企業(yè)負(fù)責(zé)共同努力的成果，成績(jī)來之不易[3]。

圖2 2001?2020 年全國(guó)煤礦水害事故起數(shù)及死亡人數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics of coal mine water hazards and deaths in China from 2001 to 2020

隨著煤炭戰(zhàn)略向西部轉(zhuǎn)移，采深加大、開采強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，瓦斯、水害、沖擊地壓將成為我國(guó)未來煤礦三大災(zāi)害類型[4]。

為實(shí)現(xiàn)礦井水安全形勢(shì)的根本好轉(zhuǎn)，依據(jù)大量水害事故調(diào)查報(bào)告，筆者剖析災(zāi)害主要因素及技術(shù)原因，提出相應(yīng)對(duì)策措施，從規(guī)范技術(shù)管理流程到新技術(shù)應(yīng)用，全面梳理防治水技術(shù)要點(diǎn)，為遏制水害事故時(shí)有發(fā)生提供技術(shù)及管理規(guī)范支撐。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)礦井水可防可控的終極目標(biāo)，明晰防治水理論技術(shù)體系及學(xué)科特點(diǎn)，指出未來防治水學(xué)科的發(fā)展方向及業(yè)界突圍出路。

1 礦井水災(zāi)害發(fā)生主要原因

新中國(guó)成立以來，全國(guó)煤礦一次死亡30 人以上的特別重大水害事故共32 起[5]，其中老空水害類型占57%，巖溶水害占24%，地表水害(含頂板水害)占19%。上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果與其他統(tǒng)計(jì)結(jié)果[6-8]基本一致，水害事故的類型以老空水害為主，大約占60%，地表水和巖溶水害各占20%左右。因此，我國(guó)礦井水害仍以老空水害的防控為主。

我國(guó)水害事故發(fā)生的原因，由2 個(gè)方面因素決定，一是客觀條件，整體上煤田地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜，二是主觀因素，主要表現(xiàn)為思想認(rèn)識(shí)上重視程度不夠，導(dǎo)致投入不足，專門專業(yè)技術(shù)人才匱乏[9]。

1.1 客觀條件

與世界主要產(chǎn)煤國(guó)家的地質(zhì)條件相比，我國(guó)采煤地質(zhì)環(huán)境可謂“惡劣”[10]。我國(guó)南北方主產(chǎn)煤區(qū)石炭?二疊紀(jì)煤田[11]，煤層開采受到頂、底板含水層夾擊，受水威脅嚴(yán)重，華北型煤田煤層底板存在巖溶裂隙發(fā)育、富水性強(qiáng)、承壓水頭高的奧陶紀(jì)灰?guī)r(簡(jiǎn)稱奧灰)強(qiáng)含水層，加之構(gòu)造破壞嚴(yán)重，底板水長(zhǎng)期困擾下組煤解放及深部開采[12]；華南型煤田煤層開采同時(shí)受到頂板二疊系長(zhǎng)興灰?guī)r和底板二疊系茅口灰?guī)r的雙重威脅[13]；而西北和東北侏羅?白堊紀(jì)煤田[14]，通常受頂板巨厚砂巖含水層影響，雖然其富水性弱到中等，但靜儲(chǔ)量豐富，導(dǎo)致礦井涌水量大，易發(fā)生頂板潰水或突水潰砂事故；新近紀(jì)煤田受第四系松散含水層及地表水威脅嚴(yán)重[15]。

客觀存在的嚴(yán)酷自然條件，加之長(zhǎng)期無序開采的人為破壞，使現(xiàn)代采礦環(huán)境進(jìn)一步惡化。我國(guó)采煤歷史可以追溯到幾千年前，非正規(guī)的采煤活動(dòng)，留下了千瘡百孔的老窯老巷老采空區(qū)，疊加本已復(fù)雜的地質(zhì)條件，井田范圍及周邊到處隱伏“雷區(qū)”。由于老采空區(qū)分布毫無規(guī)律可循，即使全面探查，以目前的技術(shù)水平，在技術(shù)可行經(jīng)濟(jì)合理范疇，也不一定能夠完全查清探明，這也是我國(guó)水害事故以老空水害為主要類型的主要原因[4]。

1.2 主觀因素

統(tǒng)計(jì)表明，絕大多數(shù)水害事故為責(zé)任事故，即使是自然事故，也無一例外存在管理或技術(shù)管理的失誤或漏洞。(1)風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)淡薄。“賭一把”的僥幸心理根深蒂固，管理層的危機(jī)意識(shí)缺位，從業(yè)人員安全風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)淡薄。(2)企業(yè)主體責(zé)任不落實(shí)。重生產(chǎn)輕安全，人財(cái)物投入不足，地質(zhì)保障疲于應(yīng)付。(3)規(guī)章制度落實(shí)不到位。防治水工作體系流于形式，流程缺失或不規(guī)范，違章作業(yè)。(4)隱患排查處置不徹底。查不全、探不清、治不凈。(5)監(jiān)管監(jiān)察有漏洞。表面文章多，實(shí)質(zhì)檢查少。

1.3 技術(shù)原因

雖然災(zāi)害類別種類繁多，原因各不相同，但從技術(shù)角度考察，每一起災(zāi)害，都與“三道關(guān)”失守有關(guān)。第一關(guān)，地質(zhì)勘探應(yīng)查明井田地質(zhì)水文地質(zhì)條件。這一關(guān)失效，意味著地質(zhì)基礎(chǔ)不牢固，隱患將伴隨礦井建設(shè)及生產(chǎn)全過程。第二關(guān)，探查治理應(yīng)查明隱患消除風(fēng)險(xiǎn)。這一關(guān)失守，意味著工作面采掘安全失控，“查不明探不清患未消”風(fēng)險(xiǎn)隨時(shí)“暴雷”，釀成事故。第三關(guān)，風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)應(yīng)判識(shí)臨災(zāi)突水征兆。臨近災(zāi)害往往會(huì)有一些突水征兆，如果漠視、未能識(shí)別或者不會(huì)識(shí)別，錯(cuò)失最后阻斷災(zāi)害的機(jī)會(huì)，此乃第三道關(guān)失守，最終釀成人員財(cái)產(chǎn)損失慘劇。大部分事故的直接原因或間接原因，無一例外地包含了這“三道關(guān)”的失守。事實(shí)上，如果能守住其中“一關(guān)”，災(zāi)害鏈即可阻斷，事故依然可以避免。

2 礦井水害防控技術(shù)對(duì)策

針對(duì)礦井水害的主、客觀及技術(shù)原因，現(xiàn)階段管理措施仍是預(yù)防事故的重要手段，夯實(shí)企業(yè)主體責(zé)任、政府監(jiān)管責(zé)任及行業(yè)監(jiān)察責(zé)任，建立健全防治水管理體系，照章辦事，杜絕違章，才能保障技術(shù)措施充分發(fā)揮作用。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，安全監(jiān)管監(jiān)察高壓態(tài)勢(shì)下事故的急劇減少，正是管理及技術(shù)管理水平不斷提升的結(jié)果。當(dāng)技術(shù)不再“卡脖子”，管理不再容錯(cuò)，水害事故可防可控將不再是遙不可及的夢(mèng)想。

管理對(duì)策[4]非本文重點(diǎn)，下面就災(zāi)害技術(shù)原因，提出3 項(xiàng)針對(duì)性技術(shù)措施。

2.1 依規(guī)勘查查清條件

2.1.1 條件勘查要求

《煤礦安全規(guī)程》[16](簡(jiǎn)稱《規(guī)程》)第285 條和《煤礦防治水細(xì)則》[17](簡(jiǎn)稱《細(xì)則》)第8 條都有相似表述：“當(dāng)?shù)V井水文地質(zhì)條件尚未查清時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探工作。在水害隱患情況未查明或者未消除之前，嚴(yán)禁進(jìn)行采掘活動(dòng)”。《煤礦重大事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)》[18]第9 條：“有嚴(yán)重水患，未采取有效措施”，重大事故隱患，包含未查明礦井水文地質(zhì)條件和井田范圍內(nèi)采空區(qū)、廢棄老窯積水等情況而組織生產(chǎn)建設(shè)的情形；“未查明條件”列為重大事故隱患的頭條。

《規(guī)程》第285 條[16]規(guī)定了7 種情形應(yīng)當(dāng)開展水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探，可以歸納為3 種情況：第一種是勘探工作量不足的，包括(1)和(2)款；第二種情況是地質(zhì)條件發(fā)生重大變化的，包括(3)、(4)和(5)款；第三種情況是采掘特殊地質(zhì)條件的，包括(6)和(7)款。

上述后2 種情況的闡述非常清晰，第一種情況中，勘探工作量不足是指什么呢？GB/T 12719?2021《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘查規(guī)范》[19]對(duì)此作出了明確規(guī)定，可以按照“孔隙裂隙充水為主的礦床水文地質(zhì)工作基本工程量表”和“巖溶充水為主的礦床水文地質(zhì)工作基本工程量表”進(jìn)行比對(duì)，工作量是否達(dá)標(biāo)非常清楚，不足者應(yīng)當(dāng)進(jìn)行水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探。

2.1.2 勘查新理論新技術(shù)支撐

近年來，礦山水文地質(zhì)勘查新理念、新理論、新方法、新技術(shù)層出不窮，逐步體系化，為查清礦山水文地質(zhì)條件奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1)勘查理論技術(shù)體系日趨完善

以綠色、可持續(xù)、人與自然協(xié)調(diào)為發(fā)展目標(biāo)，以水資源開發(fā)、水害防治、環(huán)境保護(hù)三位一體的全鏈條全過程礦井水文地質(zhì)勘查新理念為引導(dǎo)，以水文地質(zhì)預(yù)測(cè)以及水文地質(zhì)條件評(píng)價(jià)為理論支撐，建立了“空?天?地”一體化立體勘查模式，完善了由遙感探測(cè)技術(shù)、高精度物探技術(shù)、定向鉆探技術(shù)、透明地質(zhì)技術(shù)、智能預(yù)警技術(shù)等五大核心技術(shù)構(gòu)成的礦井水文地質(zhì)綜合勘查技術(shù)體系[20]。

2)新技術(shù)[21]助力勘查精細(xì)化

(1)遙感技術(shù)，大量高效地獲取地貌、地形、植被、水系、土壤、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地表變形、人類活動(dòng)等信息數(shù)據(jù)，采用人工智能方法，在地質(zhì)調(diào)查評(píng)估、隱患排查、水文地質(zhì)單元補(bǔ)徑排條件及水資源轉(zhuǎn)化解譯等方面異軍突起，顛覆了傳統(tǒng)意義上的地質(zhì)調(diào)查。

(2)水化學(xué)及同位素測(cè)試，提供了地下水起源、補(bǔ)徑排條件示蹤、組分來源、巖?水交換環(huán)境等新的分析技術(shù)，為水循環(huán)及水源溯源辨識(shí)帶來新機(jī)遇。

(3)地理信息系統(tǒng)(GIS)，為勘探提供了信息便捷高效獲取、存儲(chǔ)、修改、分析及處理等技術(shù)支撐平臺(tái)，是通往數(shù)字化、信息化、智能化的橋梁。

(4)磁共振技術(shù)，巖層介質(zhì)中含水直接對(duì)應(yīng)磁共振信息，且可定位可定量，為水源量化定位探測(cè)提供了新途徑。

(5)測(cè)氡技術(shù)，氡氣異常反映構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地下水循環(huán)，為分析補(bǔ)徑排條件及構(gòu)造作用提供了輔助手段。

(6)地球物理測(cè)井，采用電法測(cè)井、聲波測(cè)井、放射性測(cè)井、地層傾角測(cè)井、氣測(cè)井、地層測(cè)試測(cè)井、鉆氣測(cè)井等，鑒別地層巖性、構(gòu)造及巖石物理性質(zhì)，甚至巖石介質(zhì)中的流體性質(zhì)，其中流量測(cè)井，劃分含(隔)水層，測(cè)量斷面流量，豐富了定量研究含水層及參數(shù)手段。

(7)抽(放)水試驗(yàn)，一個(gè)水文地質(zhì)鉆孔中測(cè)定不同含水層組的水文地質(zhì)特征，即“一孔多層分抽技術(shù)”；水力層析非均質(zhì)性滲透系數(shù)抽水試驗(yàn)優(yōu)化技術(shù)，為抽(放)水試驗(yàn)賦予新使命；大型放水試驗(yàn)，充分暴露井田水文地質(zhì)條件，在大水礦區(qū)推廣應(yīng)用。

(8)定向鉆探技術(shù)，在構(gòu)造及水害探查、注漿治理、疏放水等防治水工程中，應(yīng)用不斷拓展，效果顯著；隨著技術(shù)進(jìn)步，不同巖性巖層鉆進(jìn)效率不斷提升，鉆進(jìn)難點(diǎn)不斷突破、不斷刷新紀(jì)錄，測(cè)量數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)采集、軌跡控制、隨鉆測(cè)量、分段壓裂、分段注漿等功能不斷擴(kuò)展，定向技術(shù)將推動(dòng)勘查技術(shù)升級(jí)換代。

(9)透明地質(zhì)技術(shù)，采用鉆探、采掘揭露和物探、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)體等各種已知信息構(gòu)建精準(zhǔn)的透明工作面三維模型，且不斷動(dòng)態(tài)更新調(diào)整，與GIS 結(jié)合為智能開采、地質(zhì)保障、安全監(jiān)控等提供了空間信息基礎(chǔ)平臺(tái)。

(10)智能預(yù)警技術(shù)，通過各種感知手段獲取地質(zhì)體及屬性動(dòng)態(tài)信息，在三維透明地質(zhì)模型基礎(chǔ)上，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)異常的智能辨識(shí)[22]。

2.2 照章探放消除疑點(diǎn)

2.2.1 探放水程序

把探放水工作流程規(guī)范劃分為4 個(gè)階段，稱之為“四階段”超前探放水工作步驟。

1)第一階段：查疑

(1)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)找疑點(diǎn)

《細(xì)則》第3 條規(guī)定，煤礦防治水工作應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有疑必探，明確指出，用地質(zhì)預(yù)報(bào)查找有“疑問”的區(qū)域(點(diǎn))，再行探查。

(2)隱患排查作為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)手段

《細(xì)則》第37 條規(guī)定了如何開展水害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和隱患排查工作：每年年初全面隱患排查；常規(guī)情況下，水文地質(zhì)類型復(fù)雜礦井至少每月一次隱患排查，其他類型礦井每季度一次；日常工作中，采掘過程中不斷排查[23]。

(3)對(duì)標(biāo)確定探放水目標(biāo)

按照煤礦水害防治監(jiān)管監(jiān)察執(zhí)法要點(diǎn)(2020 年版)[24]：八、井下探放水，煤礦井下水文地質(zhì)條件“不清或有疑”的地區(qū)要采取物探、鉆探的方法進(jìn)行探放水；未進(jìn)行探放水的，按重大隱患處罰。

《煤礦重大事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)》第9 條也有相似表述：(三)在需要探放水的區(qū)域進(jìn)行采掘作業(yè)未按照國(guó)家規(guī)定進(jìn)行探放水的。

那么上述表述中什么是“不清或有疑”，或者哪些情況“需要探放水”呢？《細(xì)則》[17]第38 條規(guī)定，采掘工作面遇有8 種情況之一的(篇幅所限，在此省略具體8 種情況內(nèi)容)，必須進(jìn)行探放水，即8 種“不清或有疑” “需要探放水”的情形。對(duì)標(biāo)上述情形，找到了探水的目標(biāo)[25]。

2)第二階段：設(shè)計(jì)

找到疑點(diǎn)后應(yīng)“有疑必探”，探放水施工前應(yīng)編制設(shè)計(jì)。《細(xì)則》第42 條規(guī)定：采掘工作面探水前，應(yīng)當(dāng)編制探放水設(shè)計(jì)和施工安全技術(shù)措施，……按設(shè)計(jì)和措施進(jìn)行探放水。

設(shè)計(jì)[26]應(yīng)包含探放水區(qū)老空積水情況、地質(zhì)水文地質(zhì)條件、巷道布置施工及參數(shù)等，探放水鉆孔孔組布置、單孔施工參數(shù)和探放水設(shè)施設(shè)備及參數(shù)，施工保障及安全技術(shù)措施等，施工用圖件、圖表及其他。

需要指出，探放水鉆孔一般按扇形布置[27]，應(yīng)符合 《細(xì)則》第43 條之規(guī)定，探放水鉆孔超前鉆距和止水套管長(zhǎng)度，應(yīng)當(dāng)符合《細(xì)則》第48 條規(guī)定。需要指出的是，如果老空位置不清楚時(shí)，探水鉆孔按扇形布置不再合適，應(yīng)按終孔水平和豎直間距不大于3 和1.5 m控制。

探放水鉆孔孔徑越大越難以控制，危險(xiǎn)性越大，故 《細(xì)則》對(duì)孔徑作出了一定限制，一般不得大于94 mm，放寬了《煤礦防治水規(guī)定》[27]限制孔徑不大于75 mm的條件。應(yīng)當(dāng)指出，由于探水目標(biāo)體很難精確控制，故探水操作存在危險(xiǎn)性，而放水多針對(duì)已經(jīng)探明的水體，孔徑限制是針對(duì)目標(biāo)不明確、危險(xiǎn)程度不確定的探水操作而設(shè)定的。

3)第三階段：施工

(1) “三專”“兩探”

《細(xì)則》第39 條明確了井下探放水“三專”要求：由專業(yè)技術(shù)人員編制探放水設(shè)計(jì)，采用專用鉆機(jī)進(jìn)行探放水，由專職探放水隊(duì)伍施工；嚴(yán)格執(zhí)行井下探放水 “兩探”要求，采掘工作面超前探放水應(yīng)當(dāng)同時(shí)采用鉆探、物探2 種方法，做到相互驗(yàn)證。

需要特別說明的是，專用鉆機(jī)是指具有孔口套管及封孔裝置或功能的坑道鉆機(jī)，水壓大于0.1 MPa 小于1.5 MPa 時(shí)，套管固結(jié)配套閘閥，水壓大于1.5 MPa時(shí)，還應(yīng)具有反壓和有防噴裝置及防止孔壁漏水措施。

(2)安全技術(shù)措施

井下探放水應(yīng)按照施工組織設(shè)計(jì)進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)編制鉆探施工組織并遵照?qǐng)?zhí)行[28]。探水前安裝鉆機(jī)，應(yīng)當(dāng)符合《細(xì)則》第45 條規(guī)定；鉆進(jìn)過程中異常情況及有毒有害氣體處置應(yīng)當(dāng)符合《細(xì)則》第49 條和第50 條。

4)第四階段：評(píng)價(jià)

(1)掘前評(píng)價(jià)，先探后掘

《細(xì)則》第40 條規(guī)定：礦井受水害威脅的區(qū)域，巷道掘進(jìn)前，地測(cè)部門應(yīng)當(dāng)提出水文地質(zhì)情況分析報(bào)告和水害防治措施，由煤礦總工程師組織生產(chǎn)、安檢、地測(cè)等有關(guān)單位審批方可進(jìn)行施工。

(2)采前評(píng)價(jià)，先治后采

《細(xì)則》第41 條規(guī)定：工作面回采前，……地測(cè)部門應(yīng)當(dāng)提出專門水文地質(zhì)情況評(píng)價(jià)報(bào)告和水害隱患治理情況分析報(bào)告，經(jīng)煤礦總工程師組織生產(chǎn)、安檢、地測(cè)等有關(guān)單位審批后，方可回采……。

2.2.2 探查治理新理論新技術(shù)支撐

1)探查治理技術(shù)體系基本成型

工作面采掘尺度的探查治理，正在向探治、探放(放水)、探疏(疏水降壓)一體化方向發(fā)展，由過程治理向源頭預(yù)防、局部治理向區(qū)域治理、井下治理向井上下結(jié)合治理、措施防范向工程治理、治水為主向治保結(jié)合的“五個(gè)轉(zhuǎn)變”，構(gòu)建理念先進(jìn)、基礎(chǔ)扎實(shí)、勘探清楚、科技攻關(guān)、綜合治理、效果評(píng)價(jià)、應(yīng)急處置 “七位一體”，防治水工作體系趨于成熟[23]，為查清條件及消除隱患奠定了基礎(chǔ)。

2)新理念新技術(shù)推動(dòng)行業(yè)更新?lián)Q代

超前區(qū)域探查治理在華北型煤田中廣泛應(yīng)用，全時(shí)空立體超前區(qū)域探查治理深部底板水(包括構(gòu)造水)在邯邢礦區(qū)示范應(yīng)用，底板灰?guī)r帷幕截流技術(shù)在淮北礦區(qū)成功實(shí)施[12]；頂板巨厚砂巖水精準(zhǔn)超前疏放技術(shù)，定向鉆探精準(zhǔn)探查治理離層及頂板水技術(shù)，在西部礦區(qū)推廣應(yīng)用[14]；定向鉆探探查治理老空水技術(shù)，在實(shí)踐示范探索，理念的轉(zhuǎn)變帶來了安全生產(chǎn)質(zhì)的飛躍。

3)新技術(shù)引領(lǐng)科技進(jìn)步

定向鉆探及大口徑快速鉆探技術(shù)，隨鉆測(cè)量及隨鉆測(cè)試技術(shù)蓬勃發(fā)展，鉆孔窺視、分段壓裂、孔中電法、孔間透視等，逐步走向?qū)嵱贸墒臁＿m用井下全空間及復(fù)雜環(huán)境的物探技術(shù)，如槽波、瞬變電磁、電法等，在抗干擾、精細(xì)解譯等方面進(jìn)展迅速，為精細(xì)探查提供了技術(shù)支撐[9-10]。

2.3 辨識(shí)異常及時(shí)撤人

2.3.1 征兆辨識(shí)

《細(xì)則》明確“三專兩探一撤”，存在水害威脅時(shí)，將“先報(bào)告再預(yù)警后撤人”的程序，修改為“先撤人再報(bào)告后預(yù)警”，把撤人排在首位，是生命第一的具體體現(xiàn)。當(dāng)然，“威脅”必須依據(jù)探測(cè)分析判斷或特定征兆分析辨識(shí)，目前緊急情況撤人容易理解，可操作性強(qiáng)，執(zhí)行就到位，比如受暴雨、洪水等極端天氣影響時(shí)的撤人，處于受水威脅區(qū)域的撤人，有突水時(shí)的緊急撤人等；但一些并非顯而易見的情況，如突水征兆，在具體透(突)水過程中，有些明顯，有些隱蔽，并不一定全部表現(xiàn)出來，需要細(xì)心觀察，認(rèn)真分析、判斷。如果威脅或者“異常”拿不準(zhǔn)，也應(yīng)執(zhí)行隱患排查，確認(rèn)無危險(xiǎn)時(shí)，再組織生產(chǎn)。為提升突水征兆辨識(shí)能力，總結(jié)如下：

(1)一般透(突) 水征兆。工作面頂?shù)装鍓毫︼@現(xiàn)增大，出現(xiàn)折梁斷柱、頂板下沉或底鼓等現(xiàn)象，煤巖層變潮濕、松軟，煤幫出現(xiàn)滴水、淋水，且水量由小變大明顯，有時(shí)煤幫出現(xiàn)鐵銹色水跡。

(2)底板巖溶含水層突水征兆。礦壓增大，發(fā)生片幫及底鼓，有時(shí)伴隨涌水，且水量臺(tái)階式增大；工作面氣溫降低，有時(shí)可聽到水的“嘶嘶”聲或刺耳水聲。

(3)煤層頂板松散孔隙含水層的突水征兆。突水部位發(fā)潮，滴水、淋水逐漸增大，水中含有少量細(xì)砂，水色時(shí)清時(shí)濁，水量、砂量逐漸增大，直至出現(xiàn)大量潰水、潰砂[29]。

(4)老空積水區(qū)透水征兆。煤巖壁掛紅掛汗，井下滴水、淋水并伴有鐵銹色水跡或含有H2S 及瓦斯等氣體，有臭雞蛋味，水質(zhì)呈酸性，突水時(shí)水勢(shì)迅猛，水量衰減快。

2.3.2 感知辨識(shí)新理論新技術(shù)支撐

(1)災(zāi)變預(yù)兆感知及辨識(shí)，正經(jīng)歷由人的感觀定性感知識(shí)別向機(jī)器的智能精準(zhǔn)感知辨識(shí)轉(zhuǎn)變[30]。傳統(tǒng)技術(shù)不斷創(chuàng)新完善，新興技術(shù)方興未艾，圖像感知辨識(shí)技術(shù)，激光、紅外掃描監(jiān)測(cè)技術(shù)，物聯(lián)傳感探測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)，萬物互聯(lián)新技術(shù)為水災(zāi)前兆辨識(shí)提供了多種選項(xiàng)。水位(水壓)、水溫、流量等傳統(tǒng)水文動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，水質(zhì)傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)使水源辨識(shí)水環(huán)境演化推演等成為可能；微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，在采動(dòng)破裂及通道形成、水壓裂感知辨識(shí)方向有所斬獲；應(yīng)力應(yīng)變(礦壓)監(jiān)測(cè)技術(shù)，井巷工作面環(huán)境感知，溫濕度、風(fēng)速風(fēng)壓、氣體濃度等環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)，可以代替人的感知，成為精確定量可辨識(shí)信息。

(2)信息拾取方式方法，由人工智能不斷優(yōu)化，取得可靠有效信息；獲取的信息，采用大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)等智能方法，分析異常，辨識(shí)災(zāi)變征兆。

3 出 路

新中國(guó)成立以來，煤礦企業(yè)主觀上提升管理能力，客觀上依靠技術(shù)進(jìn)步，礦井水害防控總體形勢(shì)根本性好轉(zhuǎn)，特別重大事故得到有效遏制，但實(shí)現(xiàn)可防可控的終極目標(biāo)，還有很長(zhǎng)的路要走，需要礦井水防治基礎(chǔ)理論及技術(shù)的整體提升和各環(huán)節(jié)局部重點(diǎn)突破。

3.1 基礎(chǔ)理論及技術(shù)體系

在討論理論及技術(shù)突破之前，先梳理礦井水防治的基礎(chǔ)理論及技術(shù)體系。

礦井水防治，俗稱礦井防治水，是預(yù)防、防止和治理水(體)涌入礦井、巷道、采區(qū)等采掘空間危害采礦活動(dòng)所采取的措施。雖然強(qiáng)調(diào)的是工程技術(shù)措施，但離不開理論基礎(chǔ)支撐。即，以地質(zhì)學(xué)為基礎(chǔ)，采礦為目的，解決水文地質(zhì)問題為目標(biāo)，研究開采過程中水文及水文地質(zhì)問題的一門學(xué)科。為消除礦井水威脅，查明條件(探)、預(yù)防治理(治)、工程保障(保)，構(gòu)成了礦井水防治的技術(shù)體系；與之配套或提供基礎(chǔ)理論支撐的是涌(突)水機(jī)制(機(jī)理)、安全評(píng)價(jià)(評(píng)價(jià))、災(zāi)變預(yù)測(cè)(預(yù)測(cè))，3 項(xiàng)理論構(gòu)成礦井水防治理論體系；上述3 項(xiàng)理論和3 項(xiàng)技術(shù)即構(gòu)成礦井水防治理論技術(shù)體系[13]。

地質(zhì)學(xué)關(guān)注的是相對(duì)靜態(tài)的地質(zhì)體。水文地質(zhì)學(xué)研究的是瞬態(tài)時(shí)變的流體在相對(duì)靜態(tài)的地質(zhì)介質(zhì)當(dāng)中的運(yùn)移規(guī)律。而礦井水防治關(guān)注的不僅僅是靜態(tài)的地質(zhì)體和瞬態(tài)的流體之間的耦合關(guān)系，且考慮動(dòng)態(tài)的采礦活動(dòng)對(duì)地質(zhì)體和流體的擾動(dòng)影響。因此，水文地質(zhì)學(xué)是一門傳統(tǒng)的地質(zhì)科學(xué)，而礦井水防治是一門交叉學(xué)科，表面上是為采礦直接服務(wù)的工程技術(shù)，但其深層次的基礎(chǔ)卻是地質(zhì)學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)和采礦學(xué)等交叉或者延展形成的學(xué)科群[9]。

由于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境、流體瞬態(tài)時(shí)變以及開采動(dòng)態(tài)擾動(dòng)的多模態(tài)非線性隨機(jī)耦合作用，使礦井水運(yùn)行具有偶發(fā)性、突發(fā)性及難預(yù)測(cè)等特點(diǎn)[31]。

3.2 基礎(chǔ)理論挑戰(zhàn)

由于開采和水的雙重動(dòng)態(tài)特性疊加，地質(zhì)體常常具有非均質(zhì)各向異性特征且不連續(xù)，造成獲得其確定性本構(gòu)關(guān)系，用精確數(shù)學(xué)力學(xué)語(yǔ)言描述水災(zāi)的形成過程和災(zāi)變機(jī)制可能性極低，水災(zāi)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)到底有多大，災(zāi)害是否發(fā)生、在哪里發(fā)生、何時(shí)發(fā)生、災(zāi)害的量級(jí)如何等，都無法精確表達(dá)。

(1)地質(zhì)模型是精確本構(gòu)理論的基礎(chǔ)。從理論上講，地質(zhì)體原型中每一點(diǎn)都與另外一點(diǎn)的結(jié)構(gòu)、組成以及屬性參數(shù)不同，即，地質(zhì)原型是隨機(jī)的地質(zhì)介質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，地質(zhì)模型只是地質(zhì)原型的近似。當(dāng)二者的相似度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了工程允許的誤差范圍，數(shù)值模擬就不再能夠代替地質(zhì)原型。事實(shí)上，數(shù)值模擬本身沒有問題[32]，而是數(shù)值模擬的對(duì)象地質(zhì)體(介質(zhì)加流體)，由于其隨機(jī)性無法精確表達(dá)，用局部平均代替隨機(jī)性，所得模擬結(jié)果與實(shí)際情況差距太大，直接動(dòng)搖人們對(duì)精確理論基礎(chǔ)地位的信心。

(2)深度學(xué)習(xí)將改變解決礦井水運(yùn)行機(jī)制的傳統(tǒng)認(rèn)知方式[33]，事物發(fā)展的內(nèi)在機(jī)制，不再是關(guān)注焦點(diǎn)，捕捉輸入和輸出的表象信息，通過數(shù)據(jù)或圖像等表象提取地質(zhì)體及其屬性的復(fù)雜特征，發(fā)揮刻畫高維、非線性、多模態(tài)數(shù)據(jù)(圖像)分布的優(yōu)勢(shì)[34]，將傳統(tǒng)隨機(jī)模型通過圖像學(xué)習(xí)訓(xùn)練，建立充水含水層結(jié)構(gòu)生成模型，大大提高結(jié)構(gòu)識(shí)別精度與效率；建立巖相結(jié)構(gòu)與狀態(tài)變量分布場(chǎng)之間的替代模型，更好地考慮巖相的非均質(zhì)性對(duì)狀態(tài)分布場(chǎng)的影響，解決不確定性分析過程；通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式來識(shí)別觀測(cè)數(shù)據(jù)與模型之間的復(fù)雜關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)的快速矯正。

(3)解決多孔介質(zhì)非均質(zhì)各向異性的挑戰(zhàn)，地質(zhì)建模及模擬的網(wǎng)格粗化升尺度方法也極具前景[35]。為反映精細(xì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)地質(zhì)體宏觀特性的影響，在微觀及實(shí)驗(yàn)層面獲得的網(wǎng)格單元參數(shù)分布，在粗化網(wǎng)塊經(jīng)升尺度處理為等價(jià)參數(shù)，以等效介質(zhì)刻畫地質(zhì)體(介質(zhì)加流體)的宏觀規(guī)律[36]。

(4)借助感知技術(shù)萬物互聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)[30]，捕捉地質(zhì)體的表象信息，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，建立輸入和輸出的關(guān)聯(lián)關(guān)系，智能感知異常因素，精準(zhǔn)獲取有效信息源。

3.3 技術(shù)突破

技術(shù)上，對(duì)地質(zhì)體(介質(zhì)加流體)的探查技術(shù)依然是解決礦井水安全問題的瓶頸。鉆探可以實(shí)際揭露地質(zhì)體，因此是最可靠的隱患探查技術(shù)手段，近年來鉆探技術(shù)突飛猛進(jìn)，定向鉆進(jìn)隨鉆測(cè)量測(cè)試，可以做到“指哪兒打哪兒”“打哪兒知哪兒”。但鉆探實(shí)際揭露的面積有限，窮盡地質(zhì)體的屬性，鉆探的工程量會(huì)巨大，雖然從技術(shù)上講，高密度鉆探換取精度是可行的，但從經(jīng)濟(jì)上和時(shí)間維度上來看，是不可接受的。

地球物理勘探和化學(xué)勘探具有非接觸、省時(shí)省力特點(diǎn)，并且能夠從三維空間維度對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行超前探查，廣泛應(yīng)用于隱患探查，近年來物探化探技術(shù)進(jìn)展迅速[37]，但由于理論上的多解性、技術(shù)上受環(huán)境干擾和分辨率限制等缺陷，探測(cè)成果的確定性及精度難以滿足精細(xì)勘探的現(xiàn)場(chǎng)需求，加之安全問題不允許漏報(bào)誤報(bào)，因此其只能作為輔助探查技術(shù)手段。

地球物理方法的瓶頸在于[37]，理論上解決全空間與半空間、多解性問題，技術(shù)上解決地質(zhì)體本身巖性特征及對(duì)應(yīng)巖石物理特征、地質(zhì)體的物理特征響應(yīng)以及噪聲干擾的抑制。為此，攻克解唯一性、提升高分辨率是未來物探方法的發(fā)展走向，研發(fā)清晰表達(dá)“三維透明地質(zhì)體”及其屬性(應(yīng)力場(chǎng)、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等多屬性)的探測(cè)技術(shù)裝備，是未來攻關(guān)重點(diǎn)。

物探和鉆探相結(jié)合是目前比較有效的綜合探查手段[37]，二者耦合、補(bǔ)充、驗(yàn)證的效果并未充分發(fā)揮。未來應(yīng)大力發(fā)展定向鉆探的隨鉆物探技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物探鉆探技術(shù)的完全耦合，充分發(fā)揮物探近距離探測(cè)、物探和鉆探結(jié)果交互校驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，提高探查效率及精度，達(dá)成精細(xì)勘探的目標(biāo)。

4 結(jié)論

a.煤礦安全總體形勢(shì)向好，水害事故由多發(fā)、頻發(fā)甚至群發(fā)，重特大事故時(shí)有發(fā)生，到單發(fā)、偶發(fā)，特別重大事故得到有效遏制，說明事故可防可控。

b.過去、現(xiàn)在以及未來相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，水害事故仍將是威脅我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害類型，客觀上開采環(huán)境復(fù)雜以及主觀上重視不夠，是事故發(fā)生的主要原因，加大投入查清條件，吸引人才留住人才，是事故控制的必由之路。

c.從技術(shù)角度考察，條件清楚、隱患消除、異常辨準(zhǔn)“三道關(guān)”失守，為水害事故發(fā)生的主要技術(shù)原因；相應(yīng)地，把好“三道關(guān)”即為遏制事故的主要手段，遵守探放水流程是必要技術(shù)管理措施，勘查理論技術(shù)體系和防治水工作體系及其各環(huán)節(jié)的技術(shù)進(jìn)步，以及智能精準(zhǔn)感知辨識(shí)技術(shù)，是管理的技術(shù)保障。

d.把好“三道關(guān)”只是現(xiàn)階段應(yīng)急措施，長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，達(dá)到事故可防可控的終極目標(biāo)，理論上，當(dāng)運(yùn)行機(jī)制的確定性方法研究出現(xiàn)瓶頸時(shí)，深度學(xué)習(xí)、升尺度方法等有望取得全新認(rèn)知方式的變革；技術(shù)上，突破“三維透明地質(zhì)體”及其屬性探測(cè)方法，是解決地質(zhì)體的隨機(jī)性、流體的時(shí)變性和采礦的動(dòng)態(tài)性的根本出路。