“水害是威脅煤礦安全生產的主要災害之一。近年來，我國煤礦水害防治工作取得積極進展，各項政策法規逐步完善，技術裝備方面取得較大進步，水害防治水平不斷提高。”近日，在國家礦山安全監察局組織開展的“礦山安全科技進新疆”活動中，全國政協委員、中國工程院院士武強圍繞礦井水防治和資源化利用作了專題報告。

據介紹，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，區域差異明顯。侏羅系煤礦區以頂板水害為主，石炭—二疊系煤礦區底板巖溶水害較為常見。

武強指出，我國是世界上煤礦水文地質類型最多的國家之一，煤礦充水條件極為復雜，煤礦水害防治工作仍然任重道遠。

水害呈現新特點

“隨著我國煤炭工業的快速發展，東部煤礦采掘深度與層位，中西部煤礦開采規模和強度、采掘方法與工藝、采掘環境、充水水文地質條件等均發生了明顯變化，煤礦水害呈現新特點。”武強說。

隨著西北煤田和華北型煤田西部礦井增多、開采規模擴大和強度增加，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。

“大規模開發前，我們認為，地處干旱半干旱且缺少大江大河補給的西部礦區充水水文地質條件應該簡單，但隨著開采礦井增多、開采規模擴大和強度增加，西部礦井和礦區充水水文地質條件已經或正在復雜化。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煤礦，就是典型實例。”

武強指出，內蒙古、陜西接壤地區單體礦井范圍大，開采面積和采區或盤區面積逐漸增大，相鄰采區或盤區之間的距離、各采區或盤區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。“對采用傳統單一集中排水系統的礦井而言，井下排水需多級泵站，成本大幅提高，管理復雜。”武強直言。

在他看來，東部煤礦高水壓、高地應力、高溫和強擾動“三高一強”特征正在逐漸顯現。

“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，而煤層底板同時又受到高承壓水威脅。”武強說，這種井下作業環境可被描述為“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，礦井充水水文地質條件日趨復雜，突水影響控制因素增多，突水機理和類型復雜多變。”武強指出，如煤層底板突水，不僅與水壓和厚度兩個因素有關，還與含水層富水性、隔水層巖性組成和結構、斷裂構造、巖溶陷落柱、礦壓破壞帶、原始導升高度等因素相關。

值得欣慰的是，隨著科技不斷進步，礦井防治水理念、工作體系、評價預測預報方法、水害超前探測和長期動態監測、預警技術和儀器裝備、排水技術和裝備、防治水工程等均有長足進步。

“例如，地面三維精細地震、瞬變電磁、可控源大地電磁法等勘探手段，井下掘進巷道隨鉆鉆孔物探超前探放水技術與裝備，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測預警技術，高揚程大流量潛水電泵國產化，基于現代信息技術的礦井水害防控與智能應急管理系統等，都為煤礦水害防治提供了有力支撐。”武強說。

預測預報是基礎

《煤礦防治水細則》明確，煤礦防治水工作應當堅持“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的基本原則，根據不同水文地質條件，采取探、防、堵、疏、排、截、監等綜合防治措施。其中，預測預報是基礎。

武強指出：“煤礦防治水基本原則的核心體現在兩個方面：地面預測預報(補勘)是基礎，是第一道防線;井下超前探放水是關鍵，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，導致頂板突水。這已經成為我國大部分礦區普遍面臨的一大水害難題。

武強表示，推行“三圖雙預測法”很有必要。他解釋，“三圖”即頂板冒裂安全性分區圖、頂板含水層富水性分區圖、頂板突水條件綜合評價分區圖，“雙預測”即天然狀態下工作面涌水量預測、人為改造狀態下工作面涌水量預測。

“我們用‘三圖’可以把煤礦水害危險區定位出來，用‘雙預測’來確定危險區域的危險程度，進而采取相應的防治水配套措施。”武強說。

煤層底板突水是我國大部分煤礦在開發過程中普遍面臨的工程技術難題。以往解決這個問題的方法，無論是煤礦企業，還是科研院所，甚至在大學專業課本中，唯一的方法是突水系數法。

“目前，突水系數法已經無法滿足深部帶壓開采和現代采煤方法提出的要求。我們提出了煤層底板突水預測預報的新方法——脆弱性指數法。”武強說。

脆弱性指數法采用的基本模型是將可確定底板突水多種主控因素權重系數的信息進行融合，與具有強大空間信息分析處理功能的GIS耦合于一體的評價模型。

老空水害是煤礦主要水害，一般具有隱蔽性、突發性、強破壞性、腐蝕性、有害氣體傷人等特點。武強指出，老空水預測預報的有效方法是分區管理法。

他表示，老空水預測預報可分四步進行。

第一步，查明煤礦和周邊200米范圍老空立體空間分布規律、形成時間、范圍、層位、積水、補給來源等情況。

第二步，制定老空水防治方案和具體措施。

第三步，根據老空水查明情況和防治措施落實程度，對受老空水威脅的煤層按程度編制分區管理設計，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到位的區域劃為可采區，否則劃為緩采區。緩采區由煤礦地測部門編制老空水探查設計，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到位后，方可轉為可采區，若探查和采取措施后仍不能保證安全開采的區域劃為禁采區。

“針對老空和積水情況不明的區域，必須采取井上井下結合的鉆探、物探、化探等綜合勘探技術手段進行探查，編制礦井老空水害評價報告。”武強強調。

武強指出，“探、防、堵、疏、排、截、監”七項防治水綜合配套措施是煤礦水害防治的主要技術方法。

“探”包括地面和井下兩部分。地面探指地面的水文地質(補充)調查、觀測、勘探，井下探指水文地質補充勘探、采掘工作面探測、局部防治水工程勘探等。

“防”指合理留設各類防隔水煤(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底板充水含水層，或導水斷層、裂隙和陷落柱等局部通道，或注漿帷幕封堵導水邊界等。

“疏”指疏放老空水、充水含水層預疏水降壓等。

“排”指完善礦井排水系統，包括排水水泵、管路、水倉和供電系統等。

“截”指加強地表水(河流、水庫等)的截流治理。

“監”指建立地下水和擾動巖土體的動態監測系統，對井田范圍內主要充水含水層水位、水溫、水質，礦井局部采區涌水量，采掘、注漿擾動破壞巖土體的應力與應變等進行長期動態監測與預警。

推進煤水資源協調開采

“煤水雙資源礦井協調建設與開發是我國煤炭工業綠色轉型和可持續高質量發展的必由之路，也是綠色礦山建設和綠色礦業發展的基本要求。”武強強調。

“煤礦水害防治的重要意義不僅在于減少水害事故、削弱水的災害屬性，而且能保護地下水資源、維系生態系統平衡、減少水環境污染、提升水的資源屬性等。”武強直言。

今年，國家發展改革委、水利部、自然資源部等八部門聯合印發的《關于加強礦井水保護和利用的指導意見》提出，到2025年，全國礦井水利用量持續增大，利用率不斷提升，其中黃河流域力爭達到68%以上。

武強指出，根據不同礦井不同充水水文地質條件，應用多位一體優化結合模式，采取“一礦一策”措施，協同解決煤炭資源安全開采、水資源保護利用、生態環保之間的尖銳矛盾和沖突。

“對具備可疏性且有需水用戶的礦井，可采用礦井排水、供水、生態環保‘三位一體’優化結合模式，如開灤集團趙各莊煤礦就采用這種模式。”武強解釋。

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

他表示，對于可疏性差且有需水用戶的礦井，可采用礦井水控制、利用、生態環保“三位一體”優化結合模式。其中，礦井水控制措施主要包括兩個方面：一是自然充水水文地質條件下通過調整開采方法與工藝的控制，二是人為干預充水水文地質條件的控制。

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

人為干預方面，例如，在地面或井下煤層底板采前預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隔水層，帷幕注漿封堵面狀導水邊界，局部注漿封堵集中補給通道，局部注漿改造充水含水層富水地段等。陜煤集團曹家灘煤礦和神東煤炭公司錦界煤礦就是其中的典型。

對于具備回灌條件的礦井，武強認為，適宜采用礦井水控制、處理、利用、回灌、生態環保“五位一體”優化結合模式。