我国矿井水防控与资源化利用的研究进展、问题和展望.pdf

第 3 9卷第5期 2 0 1 4年 5月 煤 炭 学 报 J O URNAL OF CHI NA C OA L S OC I E T Y Vo l _ 39 No． 5 Ma v 2 01 4 武强． 我国矿井水防控与资源化利用的研究进展、 问题和展望[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 1 4 ， 3 9 5 7 9 5 8 0 5 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． e n k i ． j c c s ． 2 01 3． 04 78 Wu Q i a n g ． P r o g r e s s ． p r o b l e m s a n d p r o s p e c t s o f p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l t e c h n o l o g y o f m i n e w a t e r a n d r e u t i l i z a t i o n i n C h i n a [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 1 4 ， 3 9 5 7 9 5 8 0 5 ． d o i 1 0 ． 1 3 2 2 5 ／ j ． c n k i ． j C C S ． 2 0 1 3 ． 0 4 7 8 我 国矿井水 防控 与资源化利用 的研 究进展 、 问题 和展 望 武 强 中国矿业大学 北京 煤炭资源与安全开采国家重 点实验室 ， 北京1 0 0 0 8 3 摘 要 为了更好地推广应用现有技 术和探索研发新的技 术方法， 在全面总结我 国目前矿井水防控 与资源化利用理论方法、 应用技术、 工程 实践和技术标准等基础上， 系统分析 了该领域在基础理论、 水文地质 补充 勘探与水害预测预报、 井下水害超前探测 放 与监 测预警、 矿井水害主要预 防与 治理技术等方面的最新科研进展和取得的成果 ， 指出了矿井水防控与资源化利用面临的挑战、 存在 的问题和与我国快速、 集约、 规模化发展的煤炭工业要求存在的差距 ， 探讨分析 了其发展趋势 ， 展望 了今后创新研 究的重大科学问题和关键核心技 术与方法及发展前景。 关键词 矿井水防控与利用 ； 研 究进展 ； 存在的问题 ； 发展趋势 中图分类号 T D 7 4 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 ～ 9 9 9 3 2 0 1 4 0 5 0 7 9 5 0 1 1 Pr o g r e s s ， pr o b l e ms a nd pr o s p e c t s o f pr e v e n t i o n a n d c o n t r o l t e c hn o l o g y o f mi n e wa t e r a n d r e u t i l i z a t i 0 n i n Ch i n a wu Q i a n g S t a t e K e y L a b o r a t o r y o ／C o a f R e s o u r c e s a n d Mi n i n g ， C h i n a U n i v e r s i t y of Mi n i n gT e c h n o l o g y B e lti n g ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， c i n a Abs t r a c t Ba s e d o n t h e c o mp r e he n s i v e s umma r y o f t h e t h e o r y a n d me t h o d， a p p l i c a t i o n t e c h n o l o g y， p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g a n d t e c hn i c a l s t a n d a r d o f p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l t e c hn o l o g y o f mi n e wa t e r di s a s t e r a s we l l a s i t s r e u t i l i z a t i o n i n Ch i n a a t p r e s e nt ， t h i s pa p e r s y s t e ma t i c a l l y a n a l y z e d t h e l a t e s t r e s e a r c h p r o g r e s s a n d a c hi e v e me n t s o f b a s i c t h e o ry ， h y d r o g e o l o g y s u p p l e m e n t e x p l o r a t i o n ， a d v a n c e d d e t e c t i o n a n d m o n i t o r i n g a s w e l l a s e a r l y w a r n i n g i n o r d e r t o f u r t h e r p r o mo t e a p p l i c a t i o n o f c u r r e n t t e c h n o l o g i e s a nd d e v e l o p n e w t e c h n o l o g i e s a n d me t ho d s ． And p o i n t e d o u t t he c h a l l e n g e s a nd t he e x i s t i n g p r o bl e ms o f t he f i e l d， t h e g a p s wi t h r e q u i r e me n t s o f f a s t ， i n t e ns i v e， l a r g e s c a l e d e v e l o pme n t o f t he c o a l i n d u s t ry i n Ch i n a， a nd d i s c u s s e d t he d e v e l o p me n t t r e n d s， f ut u r e i mp o r t a n t s c i e n t i fic i n n o v a t i o n a nd k e y t e c h n o l o g i e s ． Th e p r o s p e c t s o f t h e i nd u s t ry a n d t e c h n o l o gy we r e a l s o f o r e c a s t ． Ke y wor d s p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l t e c h n o l o g y o f mi n e wa t e r ， r e u t i l i z a t i o n o f mi n e wa t e r； r e s e a r c h p r o g r e s s ； e x i s t i n g p r o bl e m ； d e v e l o p me n t t r e nd 我国在世界各国煤炭资源地质储量方面位居第 3 ， 但从 2 1 世纪开始已是世界上第 1 产煤大国。由于 我国是一个 由多个构造板块经多序次地质构造运动 拼接而成的陆地 ， 故地 质构造条件十分复杂 ， 是世界 上煤矿水害最为严重 的国家之一 。据国家安全生产 监督管理总局统计 ， 水害在煤矿重 、 特大事故 中是仅 次于瓦斯爆炸的重大灾害。水害矿难不仅容易造成 井下作业人员重大伤亡 ， 而且在经济损失严重程度、 收稿 日期 2 0 1 4 0 2 0 5 责任编辑 韩晋平 基金项 目 国家 自然科学基金 资助项 目 4 1 2 7 2 2 7 6 ， 5 1 1 7 4 2 8 9 ； 教育部创新 团队基金资助项 目 I R T 1 0 8 5 作者简 介 武强 1 9 5 9 一 ， 男 ， 内蒙古 呼和浩特人 ， 教授 ， 博士生导师。E- ma i l w u q c u mt b ． e d u ． c n 7 9 6 煤 炭 学 报 2 0 1 4 年第3 9 卷 事故抢险救援难度和恢 复矿井生产所需时间等方面 在煤矿灾害事故 中最为突出。此外 ， 水害事故发生面 广 ， 凡涉及矿山开采特别是井工开采的各类矿种的矿 山企业或涉及地下工程开挖 的各类行业部门均普遍 面临 该 问题 ， 故 社 会 影 响面 广 ， 国 内外 关 注 程 度 古[ 1 5 ] 同0 深部和下组煤煤炭资源开采 的水害问题 随着浅 部和上组煤易采资源储量逐渐枯竭 日益严重 ， 矿井充 水水文地质条件 日趋复杂 ， 突水影响控制因素增多 ， 突水机理和类型复杂多变 。许多矿井不仅面临顶板 因浅部资源开采或关 闭大量不具备安全生产的小煤 矿形成的老空积水 的透水威胁 ， 而且面临着底板高承 压碳酸盐岩地下水 的突水胁迫 ， 同时煤层 中还常伴随 有瓦斯等有害气体爆炸或煤瓦斯与地下水等的突出， 即煤层采掘环境处于水害的“ 顶威 、 底迫 、 中突” 中。 近年来我国在煤炭产量大幅增长、 开采强度不断 加大情况下 ， 煤矿水害控制形势继续保持总体稳定 、 持续好转的发展态势 。全 国煤炭产量从 2 0 0 0年的近 1 0亿 t 增加到 2 0 1 3年的 3 7亿 t ， 1 3 a产 量翻了 3 ． 7 倍 ； 与此同时 ， 我国煤矿水 害事故发生总起数 和总死 亡人数分别从 2 0 0 0年的 1 0 4次与 3 5 1人下降至 2 0 1 3 年的 2 1 次与 8 9人 ， 分别下降近 8 0 ％与 7 5 ％。根据 国家煤矿安全监察局 2 0 1 2年的调查统计 ， 近年全国 煤矿每年实际排水量达 7 1 ． 7亿 r n ， 全国共有 6 1处 煤矿的矿井正常涌水量超过 1 0 0 0 m ／ h ， 矿井水资源 化利用率逐年提高。这些数据说明， 我国近年来在矿 井水防控与资源化利用领域取得了巨大的进展和研 究成果 书 j 。但 由于我国煤 田地质条件类型多 ， 构造 复杂 ， 矿井突水隐蔽致灾 因素与机理 多变 ， 特别是 随 着深部资源的大规模开发， 水害防治形势依然十分严 峻， 存在诸多难题 ， 面临众多挑战 ， 煤矿地下水控制与 资源化利用仍将是我国煤矿安全生产和科学开采研 究的一个重大科研课题 。 1 研究进展和取得 的成 果 1 ． 1 基础 理 论 1 完善 了矿井 防治水基 本原则 ， 提 出 了新 的 “ 十六字” 防治水基本原则和与其配套的“ 防、 堵 、 疏 、 排 、 截” 五项水害综合防治措施 。我国原有 的矿 井防治水基本 原则是 “ 有疑必探 、 先探后 掘” 的 “ 八 字” 方针。“ 八字” 原则本身不存在任何问题 ， 特别是 随着近年来 国家对矿山生产安全 的高度重视和所 出 台的一系列政策法规与惩罚条例等 、 矿 山企业在安全 生产上的意识与管理水平大幅提高 ， 以及采掘一线矿 工 自身对安全的重视 ， 如果矿井生产现场发现了水患 疑点 ， 现场工程技术人员和专职探放水工肯定会 即刻 进行超前探放水 ， 查清疑点或隐患后再进行采掘。但 现在的问题是如何发现水患疑点如何提前判断水 害隐患这是矿山企业和现场工程技术人员 目前急 需解决 的重大 难题。针 对此难 题 ， 煤矿 防治水 规 定 第 3条提出了我 国矿井 防治水 的新 的“ 十六字” 基本原则 ， 即“ 预测预报 、 有 疑必探 、 先探后掘 、 先治 后采” ， 即通过科学 的预测 预报方法 和手段 ， 首先 发 现矿井水患疑点 ， 对其疑点或隐患必须坚持超期探放 水 ， 先探放后掘进 ， 先治理后 回采。这样 ， “ 十六字” 基本原则就对矿井水害防治工作概括形成 了一个完 整地闭合技术思路 。另外 ， 配合新 的“ 十六字 ” 原则 ， 煤矿防治水规定 第 3条还提 出了与其相配套 的 5 项水害综合防治措施 ， 即“ 防、 堵 、 疏 、 排 、 截” 。 2 在系统 总结与分析我 国近年来矿 井重特大 水害案例特征基础上 ， 补充完善 了矿井水文地质类型 划分的基本原则和主要影响因素 ， 提 出了我国矿井水 文地质类型划分依据的新方案 。矿井水文地质 类型划分的 目的是分析矿井水文地质条件 ， 有针对性 地指导矿井水文地质补充勘探和水害预防、 控制和治 理工作。由于我国矿井水文地质条件复杂 ， 受水害威 胁的煤炭资源 比重大 ， 水 害类型齐全 ， 故水文地质类 型划分对保障矿井安全生产意义重大。考虑到我 国 老空积水分布范围广 ， 大部分老空积水 区具体范 围、 位置与形状不清 ， 以及近年来连续发生多起由老空积 水诱发的重特大透水 矿难 ， 同时考虑矿井在建设 、 生 产过程 中是否发生过 突水事故和发生突水 的突水量 大小与矿井充水水文地质条件复杂程度相关 ， 在矿井 水文地质类型划分原有 4项依据基础上 ， 增补 了“ 矿 井及周边老空水分布状况 ” 和“ 矿井突水量 ” 这 2项 类 型划分的新依据。 3 水体下和周边不同条件下安全开采 的技术 要求和规定的技术标准不断完善 。随着我 国煤 炭资源开采强度增大和浅部资源逐渐殆尽 ， 除了加大 深部资源开发外 ， 在过去技术条件下一般不宜开发 的 海 、 湖 、 河 、 水库 、 老空积水 区和强富水含水层等大型 水体下与周围的开采活动 1 3 益增多。对于有疏干条 件的矿井 ， 应首先对威胁采掘工作面生产安全的各类 水体进行预先疏排 ， 在排除积水 、 消除危险隐患后方 可进行采掘工程活动； 如因各种原因无法排除水体、 但需在其下或附近开采倾斜 、 缓倾斜 煤层 的矿井 ， 则 必须查明充水水文地质条件 ， 按照 建筑物 、 水体 、 铁 路及主要井巷煤柱 留设与压煤开采 规程中有 关水 体下开采规定 ， 编制专项 开采设计 ， 组织相关技术人 员研究讨论 ， 确定 安全可靠 的防隔水煤 岩 柱和制 第 5期 武强 我 国矿井水 防控与资源化利用 的研究进展 、 问题 和展望 7 9 7 定安全防范措施 ， 由煤矿企业主要负责人 审批后 ， 可 进行采掘工程活动， 但 要密切加强动态监测 ， 如发现 异常情况 ， 立 即停产撤人； 对在水体下或附近开采急 倾斜煤层的矿井 ， 鉴于急倾斜煤层开采后诱发的抽冒 机理 、 抽 冒发育规律和发育高度预测以及抽 冒控制等 理论和工程技 术问题 目前仍 未能得到有效解决 ， 因 此 ， 严禁在水体下或附近开采急倾斜煤层。 4 剖析了突水系数计算公式演化历史 ， 明确 了 突水系数概念和水文地质意义 ， 提出了突水系数计算 公式。突水系数计算公式 p ／ M 是我 国在 1 9 6 4年 焦作水文地质大会战期间借鉴匈牙利工程师韦格弗 伦斯的相对隔水厚度 M／ p 概念而提出， 并依据 焦作 、 峰峰、 井陉 、 邯郸 、 肥城和淄博等大水矿区 出现 的大量底板突水案例和基础数据 ， 计算得出了正常地 质块段临界突水 系数值 为 0 ． 1 MP a ／ m、 构造块段 为 0 ． 0 6 MP a ／ m。相 比韦格弗伦斯的相对隔水层厚度计 算公式 ， 显然 ， 我们提出的突水系数计算公式是他的 倒数 。这个倒数从数学上看似非常简单 ， 但本文认为 其水文地质意义重大 ， 因为突水系数反映了水文地质 学中地下水 渗流最基本 的规 律D a r c y定律 的核 心思想 ， 即煤层底板充水含水层地下水在水压 P的驱 动条件下渗透通过煤层与充水含水层之问隔水段厚 度 的距离 、 最终突人采掘场地时所消耗 的能量 ， 它 描述 了煤层底板突水的整个动力学过程。同时 ， 明确 了突水系数计算公式 中水压 P 为煤层底板 隔水层 底界直接承受的水压 ， 而不是煤层底界承受的水压。 后期随着人们对采掘工程活动诱发 的煤层底板 矿压破坏现象 、 隔水段岩层岩性组合和底板承压地下 水原始导升发育现象等认识 的不断深化 ， 陆续出现了 突水系数的不同计算公式 ， 这些公式更加真实地描述 了我国煤层底板突水的水文地质物理概念模型 ， 但所 提出的临界突水系数值仍然采用的是 1 9 6 4年未考虑 这些现象时提 出的临界值 。显然 ， 这是 不妥的。因 此 ， 煤矿防治水规定 编制本着还原历史的原则 ， 在 目前尚未提 出考虑这些现象的普遍可接受的新 的临 界突水系数值之前 ， 突水系数计算公式仍采用 p ／ ，将来一旦提出能够考虑这些现象 的新 的可接受 的 临界突水系数值 ， 突水系数计算公式还可重新修订。 5 规定 了生产矿井必须具备的最基本 防治水 资料 。作为一个生产矿井， 3个报告 、 5份图件和 1 5类台帐是其 必须具 备的最基本 的防治水基 础资 料 ， 其他有关防治水 图件和台帐由矿井根据实际需求 编制。图件和台帐每半年需修正 1 次。 6 矿井充水水文地质条件三维可视化分析平 台建设取得了一定进展 。传统的充水水文地质条 件分析方法是以点 、 线 、 平面 、 剖 面等为基础 ， 通过推 算预测 ， 形成对矿井充水水文地质条件二维空间的了 解与认识 。这些方法不能真实反映与刻画 自然界复 杂的三维充水条件和现象 ， 缺乏动态处理和时空分析 能力 ， 存在很大局限性 。三维水文地质可视化建模与 模拟分析方法在一定程度上解决 了这些问题 ， 它可以 提供统一 的三维显示通道 ， 支持地面水文地质勘探 、 试验和井下探测以及采掘工程揭露等数据的全方位 、 一 体化显示与管理 ； 可进行任意地层剖面分析 ， 各种 水文地质参数查询 ； 可实现应力应变分析 、 地下水流 模拟 、 突水危险性评 价、 水量预测计算和防治水对策 方案优化 比选等。矿井三维充水水文地质 条件可视 化分析平 台将成为地面与井下水文地质勘探 与测试 数据处理 、 充水条件物理概念模型分析 、 水 流模拟评 价 、 水害预测预报和防治水方案制定等的有效工具 。 1 ． 2水文地质 补充 勘探与水害预测预报 1 矿井水文地质补充调查 与勘探 理念和技术 手段有所创新 ， 勘探程度有所提高 ’ 。针对我 国大部分矿井或开拓延深 区以往水文地质勘探程度 偏低和充水水文地质条件不清等 问题 ， 特别是西北 、 东北和华北西部矿区的水文地质勘探程度 明显满足 不了矿井高强度开发需求 ， 煤矿 防治水规定 第 2 9 条规定 了在 7种情况下必须进行矿井水文地质补充 勘探。近年来在我 国东北 、 西北 和开拓延深 区等矿 井 ， 水文地质补充勘探程度有所提高 ， 勘探理念有所 突破 ， 勘探技术手段和方法有所创新 ， 在地质构造 、 充 水水源、 导水通道、 老空区探查和矿井 涌水量预测等 方面 ， 取得了一定进步 ， 如地质构造勘探 的地面高分 辨率三维地震技术 ； 含水层 富水性和充水通道水力性 质及导含水构造勘探的地 面瞬变 电磁 、 高密度 电法 、 频率测深 、 可控源声频大地电磁测深 C S A MT 、 磁偶 源频率测深和钻孑 L 无线电波透视等技术 ； 老空 区和积 水老空区勘探的地面高分辨率三维地震技术 、 地面电 法勘探和充 电法造影成像 ； 水文地质物理概念模型建 立和水文地质参数确定 的单孔 、 多孔 、 群孑 L 稳定与非 稳定流抽 放 水试验 、 示 踪联通试验 和二者联合试 验、 脉冲干扰试验等。 2 规定 了作 为水害预测预报重要 内容的井下 突 透 水异常征兆信息的处置程序 。井下采掘工 作面或其他地点在接近或临处 于突 透 水极 限平衡 状态前的不长时间段 内， 在其 附近的滴淋水量水质 、 煤层或围岩应力变形 、 水岩温度或气体理化性质等均 会显现出不 同程度 的变化 ， 即各种各样 的突 透 水 征兆信息。这些信息的出现并不可怕， 而且信息起始 初值大小也不是关键 ， 关键是要密切观测征兆信息的 7 9 8 煤 炭 学 报 2 0 1 4 年第3 9 卷 动态变化特征。如征兆信息虽然起始初值不大， 但其 动态变化很快 ， 显然比较危险 ； 反之 ， 即使信息初值较 大 ， 但若其基本无变化或动态变化很缓 ， 应该问题不 大 ， 继续加强动态监测。一旦井下突 透 水 异常征 兆信息出现 ， 应当立即停止井下所有作业 ， 报告矿调 度室 ， 并发出警报 ， 撤出所有受水害威胁区域人员 ， 组 织专业技术人员分析原因， 开展必要探测工作 ， 做 出 科学判断。在原因未查清、 隐患未排除之前 ， 不得进 行任何采掘工程活动 。 3 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 ， 不同水害类型预测评 价技术得以更新换代 卜 加 J 。水文地质 补充 勘探工 作为矿井构造 、 主采煤层与含水层沉积结构关 系、 充 水水源、 导水通道和老空区等提供了非常重要的原始 地学信息。但这些有限信息是局部离散的 ， 直接应用 这些信息分析水患规律是非常初浅的 ， 无法充分发挥 出水文地质勘探成果所蕴涵的价值 。如果采用先进 科学的评价方法和模型将这些原始信息加以分析 、 统 计 、 模拟与处理 ， 得出的结果就可以系统整体 的评价 预测矿井在采掘生产过程 中可能面临的诸如顶板 、 底 板 、 老空和构造等水害威胁 的分区特征和程度 。根据 预测预报成果 ， 即可方便有效地制定 出矿井不 同类型 水害的防治对策措施和建议 。针对我国普遍面 临的 煤层底板突水难题 ， 在原 有“ 突水系数法” 评 价方法 基础上 ， 提出了可考虑更多影响因素的“ 脆弱性指数 法” 和“ 五图双系数法” 等底板突水综合评价方法 ； 对 于煤层顶板水害 ， 提 出了可以同时解决顶板 充水水 源 、 通道和强度 三大关键技术难题 的“ 三图一 双预测 法 ” 。 1 ． 3 井下水害超前探测 放 与监测预警 1 井下采掘工作面超前探放水概念 明确 ， 其理 论与技术不断完善 ， 探放水工作程序与步骤逐渐具体 化 ， 探放水工作须 满足“ 三专” 要求 。虽 然采掘 工作面超前探放水是一项传统 的井下防治水技术 ， 但 在地面工作无法查明矿井水文地质条件和充水 因素 的情况下 ， 它在预测和避免重特大水害事故突发中仍 然具有十分重要 的使用价值。一般采掘工作面超前 探放水的手段包括物探 、 化探 、 钻探和坑探等 ， 物探和 化探为无损 性探测 ， 而钻探 和坑探为扰动破 坏性探 测 ， 物探和钻探为主要常用手段。采掘工作面超前探 放水的概念就是必须采用钻探或坑探等直接手段进 行探放水 ， 绝不允许应用物探或化探等间接手段直接 探水。探放水具体工作程序与步骤应该首先采用廉 价 、 快速、 能够对整个 采掘工作面大范围实施超前探 测的物探手段进行总体宏观探测 ， 然后必须应用钻探 等直接手段检查验证物探等间接手段 的探测结果 ， 并 对含水体实施井下放水 ， 决不允许将未经钻探检验 的 物探间接探测成果直接作为采掘工 程设计 的依 据。 超前探放水工作必须由专职探放水队伍 中的专业探 放水工使用 专用探放 水钻机 进行施 工 ， 即满 足 “ 三 专” 要求 。 2 井下地球物理超前探测技术 J 。经过多年 的基础理论研究 、 现场试验 、 探测对 比和分析提高 ， 井 下地球物理超前探测技术取得 了长足发展 ， 基本能够 覆盖井下采掘工程的各个环节 ， 初步形成 了一套较为 完整的井下地球物理探测技术体 系。在掘进工作面 超前探测方面 ， 主要方法包括直流电法 、 瞬变电磁 、 瑞 利波 、 激发极化 、 高分辨二维地震 、 地质雷达和陆地声 纳法等 ， 但 目前应用效果较好的常用方法主要为直流 电法和瞬变 电磁法。前者的优点是无探测盲区 ， 且为 接触型探测 ， 但不足之处是在井下巷道空间只能向掘 进前方单方 向探测 ， 探测距离较短 6 0～8 0 m ， 且体 积效应相对大 ； 后者的优点是在井下巷道可多方 向探 测 ， 探测距离相对较长 8 0～1 2 0 m ， 体 积效应相对 较小 ， 但他的不足之处是探测成果存 在 2 0 m左右盲 区， 且为非接触 型探 测。在 回采工作面超 前探测方 面， 音频 电透视 、 瞬变电磁 、 无线 电透视 C T 坑透 、 槽波地震和弹性波 C T层析成像等为主要探测方法 ， 其 中音频电透视和瞬变 电磁法主要探测煤层顶底板 含水层 、 烧变岩的富水性和老空积水 区分布以及含导 水构造等 ， 无 线电透视 C T 坑透 、 槽 波地震和 弹性 波 C T层析成像法 主要探测 煤层构造 、 煤厚 变化 、 岩 浆岩和火烧区等。 目前井下应用新的地球物理探测 技术还包括钻孔窥视 、 孔巷透视、 钻孔测斜 、 孔深探测 和开孔定向等。 3 井下定向钻进 、 分支造孔技术和采掘工作面 超前定 向钻孑 L 探放水技术 。钻孔超前探放水是我 国传统但在 目前仍被广泛应用的井下防治水 的最重 要最有效方法之一 ， 但 由于 目前井下超前钻孔探放水 均为直孔 ， 按照煤矿 防治水有关 技术规定 ， 一个掘进 工作面如仅需探测煤层底板水 ， 至少需打 3个直孔 以 上； 如探测顶 、 底板水 ， 所需探放直孔数量就更多 了。 大量的超前钻探工作量严重影响 了掘进工作 面掘进 速度 ， 超前探放水与掘进 速度相互 问产 生了尖锐 矛 盾 ， 这种矛盾严重影响了井下超前钻孔探放水技术的 推广应用。因此 ， 在保证超前探放水质量和效果前提 下如何减少探放水钻孔数量 的技术变革就显的尤为 重要。由于超前定 向钻孔探放水技术具有人为定 向 和钻孔钻进轨迹可按照预先设计要求延伸到达预定 目标等功能 ， 一个定 向钻孔探放水效果可代替多个直 第 5期 武强 我 国矿井水 防控 与资源化利 用的研究 进展 、 问题和展望 7 9 9 孔 ， 可大大减少掘进工作面超前探放水钻孔数量 ， 而 且可将定向探放水钻孔开孑 L 位置放在掘进工作面后 部 ， 这样就能解决钻孔超前探放水与掘进工作面掘进 速度相互间的冲突和矛盾 。这种井下定 向探放水钻 孔具有开孑 L 密度小 、 钻进轨迹可控性高、 一孑 L 多方位 、 无效进尺少 、 可与掘井同时平行作业互 不影 响、 探测 目标点准确和排水效率高等诸多优点 ， 他是对传统井 下探放水技术装备的一次革命。此外 ， 由于井下定向 钻进和分支造孔技术的独特优势 ， 在 回采工作面底板 定 向注浆加固隔水层与改造充水含水层 、 在超前预探 放顶底板充水含水层地下水和老空水 、 在地质构造和 煤厚变化等不良地质异常体探测与治理方面， 具有好 的应用前景。 4 基于水文地球化学 、 水压和水温等多源信息 的井下涌 突 水源快速综合判识技术。井下采掘工 程的任一涌 突 水点 ， 往往均是 由于接受 了诸如大 气降水 、 地表水 、 地下水或老空水等不同类型水源 的 补给 、 经径流后排泄于井下而形成 ， 由于不同类型水 源在其形成 、 径流和排泄等过程中受到不同地质环境 和人为因素等影响与干扰 ， 其水源的水文地球化学背 景特征 、 水温和水位 压 各不相 同。这些在矿井现 场收集到的在水化学 、 水温和水压 位 等方面不 同 的大量样本点 ， 可为井下涌 突 水点补给来 源的快 速判识数学模型建立提供极其重要的水 源样 品和基 础数据库 。根据井下涌 突 水点水压 位 、 水温实 测值和水样水化学分析结果 ， 应用基于大量实测数据 所建立的判识数学模型和信息系统 ， 即可快速准确地 判识 出井下任一涌 突 水点的补给水源 。 5 采动条件下矿井地质 构造活化 、 煤层顶底板 破裂高度和水 害监测 与预警技术 。 。在采 动条 件下 ， 矿井水害的形成和发生都有一个从孕育、 发展 到发生的演变过程 ， 在这一过程的不 同阶段 ， 在应力 应变 特别是地质构造部位 、 水压 水位 、 涌水量 、 水化学和水温等方面均会释放出对应的突 透 水征 兆 ， 及时 、 准确 、 有效地监测这些征兆信息 ， 建立一个 集矿井水害监测 、 判识 和预警技术 于一体 的完整体 系 ， 对于预防重特大水害事故发生具有重要 的理论意 义和实用价值。 目前在采动条件下能够 实时、 动态 、 面状诊断并立体显示煤层顶底板 变形破坏过程和断 层与陷落柱等地质构造活化强度 、 烈度以及相关时空 参数的高精度微震监测技术 ， 在我 国应用效果较好。 中国煤炭科工集 团西安研究院采用水压 位 、 水温 和三分量应变光栅类传感器 ， 应用光纤光栅通信技术 研发的多参数点状矿井水害监测预警技术 ， 在我 国许 多矿山也得到应用。 1 ． 4矿井水害主要预防与治理技术 1 煤层底板注浆加 固和含水层注浆改造 以及 注浆封堵导水通道技术。这项技术是我 国在 2 0世纪 8 0年代中后期 自主研发并逐渐应用于煤层底板 突水 预防处理的一项注浆 防水方法。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， 或疏排水费用太高 、 浪费地下水资 源且经济上不合理时， 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 防水方法实属上策 。 该项技术主要针对煤层底板水害的预防问题 ， 利用 回 采工作面已掘出的上通风巷道和下运输巷道 ， 应用地 球物理勘探和钻探等手段 ， 探查工作面范围煤层底板 隔水岩层裂隙发育规律和含水层 富水性状况 ， 确定裂 隙发育和富水段 ， 采用注浆措施加固底板隔水层并同 时改造含水层 富水性 ， 进一步提高其隔水强度并使其 富水性大幅降低 。该项技术采用人为注浆工程手段 ， 解决了在 自然条件下无法保 障安全开采 ， 或采用人为 疏降水措施无法实施安全开采的我国普遍面临的煤 层底板突水难题。但应该清醒认识到， 目前这项技术 主要应用在井下单工作面 回采前 的煤 系薄层灰岩含 水层的注浆加 固和改造方 面。随着华北型煤 田下组 煤和深部开采规模逐渐扩大， 如何将煤层底板从一工 作面一治理转变为区域治理 、 从 回采工作面形成后再 治理转变为形成前 的预先主动治理 、 从 以井下治理为 主转变为以地面治理为主 、 从 以煤系薄层灰岩含水层 作为主要治理对象转变延伸到以奥灰含水层顶部 作 为主要治理对象这些问题是该项技术进一步研 发 解决 的方向和内容。 2 注浆技术 I 2 。随着采 深加大 和下组煤 开 采 ， 矿井水害事故频发 ， 潜在水患加剧 ， 地面和井下整 体或局部注浆技术在快速封堵治理突水灾害 、 消除潜 在水害隐患方面 ， 显示 出了明显 的优势 ， 例如帷幕 截 流注浆在矿井地下水集 中补给带和地下水排泄区强 径流带等水害隐患处的封堵截流 ， 局部预注浆改造充 水含水层富水性和封堵导水通道 ， 地面定向注浆在岩 溶陷落柱上部建造“ 堵水塞” 切断深部 奥灰补给水 源 通道 ， 地面综合注浆工艺和技术在充水巷道建立“ 阻 水墙 ” 等 ， 这些成套 的配合 注浆技术实施 的快速定 向 钻进及分支造孔技术 、 不 同工艺和方法的地面与井下 注浆技术 、 各种注浆堵水效果评判方法和准则等 ， 为 矿井水害预防与治理提供了强大的技术保障。 3 综合机械化充填采煤技术 0 。该技术利 用煤壁、 支架和充填体对直接顶的不 问断接力支护 ， 限制直接顶变形 ， 使直接顶转变为基本顶 ， 改变 了矿 8 0 0 煤 炭 学 报 2 0 1 4 年第3 9 卷 山压力岩梁传递作用岩层 ， 控制了矿压显现 ， 稳定 了 煤层顶底板含水层结构 ， 从而达到了预防控制煤层顶 底板水害的 目的。此外 ， 综合机械化充填采煤技术在 控制地表沉降、 消除矿井地面矸石山 、 杜绝采空 区瓦 斯积聚、 根除煤层 自然发火隐患和减少矿山环境地质 问题等方面 ， 也具有重要的意义 。 4 大功率 、 高扬程 、 大流量矿用潜水 电泵技术。 过去一直依赖于进 口的矿用潜水电泵 由于价格高昂 等原因， 有限数量 的进 口潜水电泵一直只能应用于突 透 水事故 发生后 应急抢 险救援 的排水 ， 但 随着我 国科学技术进步 ， 具有 自主知识产权 的大功率 、 高扬 程、 大流量潜水 电泵技术 已逐渐成熟 ， 大量物美价廉 、 性价 比高的国产矿用潜水 电泵为我国矿山水害预防 与治理的普遍使用提供了物质保障， 为圆满解决水文 地质条件复杂和极复杂矿井井底车场周围设置防水 闸门困难与国家原来刚性技术标准要求的相互 冲突 难题提供了技术支撑 ， 为确实不具备建设 防水闸门条 件的水文地质条件复杂 、 极复杂矿井提供了一个替代 技术 的选择。 2 面临的挑战与存在的主要问题 1 矿井防治水基础工作薄弱， 水文地质调查 和 勘探程度偏低 ， 严重滞 后矿井建设速度和生产强度 。 矿井防治水必备的基础资料 、 图纸和台帐不健全 ， 矿 井及周边废弃关闭小煤矿的古空与采空区范围不准 ， 积水区域不明 ， 充水水文地质条件不清 ， 充水含水层 水文地质参数缺乏 ， 致灾通道特别是隐蔽致灾通道不 明， 制定的防治水措施缺乏针对性 ， 水 害预测预报 与 水患排查治理制度不落实 ， 水害隐患心中无数 。 2 矿井突水机理认识不足， 缺乏大型相似材料 物理再现实境模拟 卜 邪 J 。随着采深加大和下组煤大 规模开发 ， 高地应力 、 高水温 、 高水压和高瓦斯压力等 “ 四高” 问题逐渐显现， 影响矿井突水因素随之增多， 突水类型呈复杂多样化特征 ， 延迟滞后突水或离层水 突水等浅部少见 的突水现象逐渐增多。研究方法过 分依赖数学模拟 ， 忽视了物理模拟 ， 缺乏从多因素 、 多 场耦合和多种模拟手段等方面开展综合研究。 3 相对落后的探测