“水害是威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一。近年來，我國(guó)煤礦水害防治工作取得積極進(jìn)展，各項(xiàng)政策法規(guī)逐步完善，技術(shù)裝備方面取得較大進(jìn)步，水害防治水平不斷提高。”近日，在國(guó)家礦山安全監(jiān)察局組織開展的“礦山安全科技進(jìn)新疆”活動(dòng)中，全國(guó)政協(xié)委員、中國(guó)工程院院士武強(qiáng)圍繞礦井水防治和資源化利用作了專題報(bào)告。

據(jù)介紹，煤礦水害主要包括頂板突水、底板突水、老空水害、巖溶水害等。水害具有不同特征，區(qū)域差異明顯。侏羅系煤礦區(qū)以頂板水害為主，石炭—二疊系煤礦區(qū)底板巖溶水害較為常見。

武強(qiáng)指出，我國(guó)是世界上煤礦水文地質(zhì)類型最多的國(guó)家之一，煤礦充水條件極為復(fù)雜，煤礦水害防治工作仍然任重道遠(yuǎn)。

水害呈現(xiàn)新特點(diǎn)

“隨著我國(guó)煤炭工業(yè)的快速發(fā)展，東部煤礦采掘深度與層位，中西部煤礦開采規(guī)模和強(qiáng)度、采掘方法與工藝、采掘環(huán)境、充水水文地質(zhì)條件等均發(fā)生了明顯變化，煤礦水害呈現(xiàn)新特點(diǎn)。”武強(qiáng)說。

隨著西北煤田和華北型煤田西部礦井增多、開采規(guī)模擴(kuò)大和強(qiáng)度增加，大水礦井逐漸增多，許多礦井正常涌水量和突水量逐漸逼近甚至超過中東部礦井水量。

“大規(guī)模開發(fā)前，我們認(rèn)為，地處干旱半干旱且缺少大江大河補(bǔ)給的西部礦區(qū)充水水文地質(zhì)條件應(yīng)該簡(jiǎn)單，但隨著開采礦井增多、開采規(guī)模擴(kuò)大和強(qiáng)度增加，西部礦井和礦區(qū)充水水文地質(zhì)條件已經(jīng)或正在復(fù)雜化。例如地處鄂爾多斯盆地的錦界煤礦、高家堡煤礦、大海則煤礦，新疆哈密大南湖礦區(qū)煤礦，就是典型實(shí)例。”

武強(qiáng)指出，內(nèi)蒙古、陜西接壤地區(qū)單體礦井范圍大，開采面積和采區(qū)或盤區(qū)面積逐漸增大，相鄰采區(qū)或盤區(qū)之間的距離、各采區(qū)或盤區(qū)超前疏放水量和正常涌水量均在增加，且煤層近似水平，礦井水井下自流條件差。“對(duì)采用傳統(tǒng)單一集中排水系統(tǒng)的礦井而言，井下排水需多級(jí)泵站，成本大幅提高，管理復(fù)雜。”武強(qiáng)直言。

在他看來，東部煤礦高水壓、高地應(yīng)力、高溫和強(qiáng)擾動(dòng)“三高一強(qiáng)”特征正在逐漸顯現(xiàn)。

“許多礦井面臨因淺部或上組煤開采形成的頂板或同層老空積水威脅，而煤層底板同時(shí)又受到高承壓水威脅。”武強(qiáng)說，這種井下作業(yè)環(huán)境可被描述為“頭頂一盆水，腳站在船上，中間有水或毒氣突出”。

“隨著開采深度不斷增加，礦井充水水文地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，突水影響控制因素增多，突水機(jī)理和類型復(fù)雜多變。”武強(qiáng)指出，如煤層底板突水，不僅與水壓和厚度兩個(gè)因素有關(guān)，還與含水層富水性、隔水層巖性組成和結(jié)構(gòu)、斷裂構(gòu)造、巖溶陷落柱、礦壓破壞帶、原始導(dǎo)升高度等因素相關(guān)。

值得欣慰的是，隨著科技不斷進(jìn)步，礦井防治水理念、工作體系、評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法、水害超前探測(cè)和長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、預(yù)警技術(shù)和儀器裝備、排水技術(shù)和裝備、防治水工程等均有長(zhǎng)足進(jìn)步。

“例如，地面三維精細(xì)地震、瞬變電磁、可控源大地電磁法等勘探手段，井下掘進(jìn)巷道隨鉆鉆孔物探超前探放水技術(shù)與裝備，井下回采工作面坑透、音頻電視透、槽波勘探，井下微震、微震與電法耦合等監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，高揚(yáng)程大流量潛水電泵國(guó)產(chǎn)化，基于現(xiàn)代信息技術(shù)的礦井水害防控與智能應(yīng)急管理系統(tǒng)等，都為煤礦水害防治提供了有力支撐。”武強(qiáng)說。

預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是基礎(chǔ)

《煤礦防治水細(xì)則》明確，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、先探后掘、先治后采”的基本原則，根據(jù)不同水文地質(zhì)條件，采取探、防、堵、疏、排、截、監(jiān)等綜合防治措施。其中，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是基礎(chǔ)。

武強(qiáng)指出：“煤礦防治水基本原則的核心體現(xiàn)在兩個(gè)方面：地面預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)(補(bǔ)勘)是基礎(chǔ)，是第一道防線;井下超前探放水是關(guān)鍵，是第二道防線。”

由于煤層頂板上方普遍沉積中厚層砂巖裂隙或薄層巖溶裂隙，或松散孔隙充水含水層，采掘過程中極易造成其頂板覆巖冒裂損失，導(dǎo)致頂板突水。這已經(jīng)成為我國(guó)大部分礦區(qū)普遍面臨的一大水害難題。

武強(qiáng)表示，推行“三圖雙預(yù)測(cè)法”很有必要。他解釋，“三圖”即頂板冒裂安全性分區(qū)圖、頂板含水層富水性分區(qū)圖、頂板突水條件綜合評(píng)價(jià)分區(qū)圖，“雙預(yù)測(cè)”即天然狀態(tài)下工作面涌水量預(yù)測(cè)、人為改造狀態(tài)下工作面涌水量預(yù)測(cè)。

“我們用‘三圖’可以把煤礦水害危險(xiǎn)區(qū)定位出來，用‘雙預(yù)測(cè)’來確定危險(xiǎn)區(qū)域的危險(xiǎn)程度，進(jìn)而采取相應(yīng)的防治水配套措施。”武強(qiáng)說。

煤層底板突水是我國(guó)大部分煤礦在開發(fā)過程中普遍面臨的工程技術(shù)難題。以往解決這個(gè)問題的方法，無論是煤礦企業(yè)，還是科研院所，甚至在大學(xué)專業(yè)課本中，唯一的方法是突水系數(shù)法。

“目前，突水系數(shù)法已經(jīng)無法滿足深部帶壓開采和現(xiàn)代采煤方法提出的要求。我們提出了煤層底板突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的新方法——脆弱性指數(shù)法。”武強(qiáng)說。

脆弱性指數(shù)法采用的基本模型是將可確定底板突水多種主控因素權(quán)重系數(shù)的信息進(jìn)行融合，與具有強(qiáng)大空間信息分析處理功能的GIS耦合于一體的評(píng)價(jià)模型。

老空水害是煤礦主要水害，一般具有隱蔽性、突發(fā)性、強(qiáng)破壞性、腐蝕性、有害氣體傷人等特點(diǎn)。武強(qiáng)指出，老空水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的有效方法是分區(qū)管理法。

他表示，老空水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)可分四步進(jìn)行。

第一步，查明煤礦和周邊200米范圍老空立體空間分布規(guī)律、形成時(shí)間、范圍、層位、積水、補(bǔ)給來源等情況。

第二步，制定老空水防治方案和具體措施。

第三步，根據(jù)老空水查明情況和防治措施落實(shí)程度，對(duì)受老空水威脅的煤層按程度編制分區(qū)管理設(shè)計(jì)，并由煤礦總工程師組織審批。

第四步，老空積水情況清楚且防治措施落實(shí)到位的區(qū)域劃為可采區(qū)，否則劃為緩采區(qū)。緩采區(qū)由煤礦地測(cè)部門編制老空水探查設(shè)計(jì)，通過井上井下探查手段查明老空積水情況，制定的防治措施落實(shí)到位后，方可轉(zhuǎn)為可采區(qū)，若探查和采取措施后仍不能保證安全開采的區(qū)域劃為禁采區(qū)。

“針對(duì)老空和積水情況不明的區(qū)域，必須采取井上井下結(jié)合的鉆探、物探、化探等綜合勘探技術(shù)手段進(jìn)行探查，編制礦井老空水害評(píng)價(jià)報(bào)告。”武強(qiáng)強(qiáng)調(diào)。

武強(qiáng)指出，“探、防、堵、疏、排、截、監(jiān)”七項(xiàng)防治水綜合配套措施是煤礦水害防治的主要技術(shù)方法。

“探”包括地面和井下兩部分。地面探指地面的水文地質(zhì)(補(bǔ)充)調(diào)查、觀測(cè)、勘探，井下探指水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探、采掘工作面探測(cè)、局部防治水工程勘探等。

“防”指合理留設(shè)各類防隔水煤(巖)柱和修建各類防水閘門或防水墻等，防隔水煤(巖)柱一旦確定，不得隨意開采破壞。

“堵”指注漿封堵具有突水威脅的頂?shù)装宄渌畬?，或?qū)當(dāng)鄬印⒘严逗拖萋渲染植客ǖ?，或注漿帷幕封堵導(dǎo)水邊界等。

“疏”指疏放老空水、充水含水層預(yù)疏水降壓等。

“排”指完善礦井排水系統(tǒng)，包括排水水泵、管路、水倉和供電系統(tǒng)等。

“截”指加強(qiáng)地表水(河流、水庫等)的截流治理。

“監(jiān)”指建立地下水和擾動(dòng)巖土體的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)井田范圍內(nèi)主要充水含水層水位、水溫、水質(zhì)，礦井局部采區(qū)涌水量，采掘、注漿擾動(dòng)破壞巖土體的應(yīng)力與應(yīng)變等進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

推進(jìn)煤水資源協(xié)調(diào)開采

“煤水雙資源礦井協(xié)調(diào)建設(shè)與開發(fā)是我國(guó)煤炭工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型和可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路，也是綠色礦山建設(shè)和綠色礦業(yè)發(fā)展的基本要求。”武強(qiáng)強(qiáng)調(diào)。

“煤礦水害防治的重要意義不僅在于減少水害事故、削弱水的災(zāi)害屬性，而且能保護(hù)地下水資源、維系生態(tài)系統(tǒng)平衡、減少水環(huán)境污染、提升水的資源屬性等。”武強(qiáng)直言。

今年，國(guó)家發(fā)展改革委、水利部、自然資源部等八部門聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)礦井水保護(hù)和利用的指導(dǎo)意見》提出，到2025年，全國(guó)礦井水利用量持續(xù)增大，利用率不斷提升，其中黃河流域力爭(zhēng)達(dá)到68%以上。

武強(qiáng)指出，根據(jù)不同礦井不同充水水文地質(zhì)條件，應(yīng)用多位一體優(yōu)化結(jié)合模式，采取“一礦一策”措施，協(xié)同解決煤炭資源安全開采、水資源保護(hù)利用、生態(tài)環(huán)保之間的尖銳矛盾和沖突。

“對(duì)具備可疏性且有需水用戶的礦井，可采用礦井排水、供水、生態(tài)環(huán)保‘三位一體’優(yōu)化結(jié)合模式，如開灤集團(tuán)趙各莊煤礦就采用這種模式。”武強(qiáng)解釋。

“井下疏放水最好采用清污分流分排的排水系統(tǒng)，可以大大降低礦井水處理成本。在國(guó)內(nèi)，這方面做得比較好的有陜煤集團(tuán)紅柳林煤礦、伊泰集團(tuán)酸刺溝煤礦。”武強(qiáng)說。

他表示，對(duì)于可疏性差且有需水用戶的礦井，可采用礦井水控制、利用、生態(tài)環(huán)保“三位一體”優(yōu)化結(jié)合模式。其中，礦井水控制措施主要包括兩個(gè)方面：一是自然充水水文地質(zhì)條件下通過調(diào)整開采方法與工藝的控制，二是人為干預(yù)充水水文地質(zhì)條件的控制。

調(diào)整開采方法方面，武強(qiáng)舉例說，采用充填開采法，改變走向長(zhǎng)壁采煤方法，房柱式、條帶式、短壁開采法等，應(yīng)用分層開采或局部限制采高等開采工藝，充分利用天然古風(fēng)化殼隔水性能等。

人為干預(yù)方面，例如，在地面或井下煤層底板采前預(yù)注漿加固隔水層和含水層改造，在地面或井下煤層頂板采前預(yù)注漿加固隔水層，在地面或井下煤層頂板采后注漿重建或再造修復(fù)隔水層，帷幕注漿封堵面狀導(dǎo)水邊界，局部注漿封堵集中補(bǔ)給通道，局部注漿改造充水含水層富水地段等。陜煤集團(tuán)曹家灘煤礦和神東煤炭公司錦界煤礦就是其中的典型。

對(duì)于具備回灌條件的礦井，武強(qiáng)認(rèn)為，適宜采用礦井水控制、處理、利用、回灌、生態(tài)環(huán)保“五位一體”優(yōu)化結(jié)合模式。