防治煤矿水害 促进“煤水共赢”——中国工程院院士武强谈矿井水防治和资源化利用

“水害是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一。近年来，我国煤矿水害防治工作取得积极进展，各项政策法规逐步完善，技术装备方面取得较大进步，水害防治水平不断提高。”近日，在国家矿山安全监察局组织开展的“矿山安全科技进新疆”活动中，全国政协委员、中国工程院院士武强围绕矿井水防治和资源化利用作了专题报告。

据介绍，煤矿水害主要包括顶板突水、底板突水、老空水害、岩溶水害等。水害具有不同特征，区域差异明显。侏罗系煤矿区以顶板水害为主，石炭—二叠系煤矿区底板岩溶水害较为常见。

武强指出，我国是世界上煤矿水文地质类型最多的国家之一，煤矿充水条件极为复杂，煤矿水害防治工作仍然任重道远。

水害呈现新特点

“随着我国煤炭工业的快速发展，东部煤矿采掘深度与层位，中西部煤矿开采规模和强度、采掘方法与工艺、采掘环境、充水水文地质条件等均发生了明显变化，煤矿水害呈现新特点。”武强说。

随着西北煤田和华北型煤田西部矿井增多、开采规模扩大和强度增加，大水矿井逐渐增多，许多矿井正常涌水量和突水量逐渐逼近甚至超过中东部矿井水量。

“大规模开发前，我们认为，地处干旱半干旱且缺少大江大河补给的西部矿区充水水文地质条件应该简单，但随着开采矿井增多、开采规模扩大和强度增加，西部矿井和矿区充水水文地质条件已经或正在复杂化。例如地处鄂尔多斯盆地的锦界煤矿、高家堡煤矿、大海则煤矿，新疆哈密大南湖矿区煤矿，就是典型实例。”

武强指出，内蒙古、陕西接壤地区单体矿井范围大，开采面积和采区或盘区面积逐渐增大，相邻采区或盘区之间的距离、各采区或盘区超前疏放水量和正常涌水量均在增加，且煤层近似水平，矿井水井下自流条件差。“对采用传统单一集中排水系统的矿井而言，井下排水需多级泵站，成本大幅提高，管理复杂。”武强直言。

在他看来，东部煤矿高水压、高地应力、高温和强扰动“三高一强”特征正在逐渐显现。

“许多矿井面临因浅部或上组煤开采形成的顶板或同层老空积水威胁，而煤层底板同时又受到高承压水威胁。”武强说，这种井下作业环境可被描述为“头顶一盆水，脚站在船上，中间有水或毒气突出”。

“随着开采深度不断增加，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。”武强指出，如煤层底板突水，不仅与水压和厚度两个因素有关，还与含水层富水性、隔水层岩性组成和结构、断裂构造、岩溶陷落柱、矿压破坏带、原始导升高度等因素相关。

值得欣慰的是，随着科技不断进步，矿井防治水理念、工作体系、评价预测预报方法、水害超前探测和长期动态监测、预警技术和仪器装备、排水技术和装备、防治水工程等均有长足进步。

“例如，地面三维精细地震、瞬变电磁、可控源大地电磁法等勘探手段，井下掘进巷道随钻钻孔物探超前探放水技术与装备，井下回采工作面坑透、音频电视透、槽波勘探，井下微震、微震与电法耦合等监测预警技术，高扬程大流量潜水电泵国产化，基于现代信息技术的矿井水害防控与智能应急管理系统等，都为煤矿水害防治提供了有力支撑。”武强说。

预测预报是基础

《煤矿防治水细则》明确，煤矿防治水工作应当坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的基本原则，根据不同水文地质条件，采取探、防、堵、疏、排、截、监等综合防治措施。其中，预测预报是基础。

武强指出：“煤矿防治水基本原则的核心体现在两个方面：地面预测预报(补勘)是基础，是第一道防线;井下超前探放水是关键，是第二道防线。”

由于煤层顶板上方普遍沉积中厚层砂岩裂隙或薄层岩溶裂隙，或松散孔隙充水含水层，采掘过程中极易造成其顶板覆岩冒裂损失，导致顶板突水。这已经成为我国大部分矿区普遍面临的一大水害难题。

武强表示，推行“三图双预测法”很有必要。他解释，“三图”即顶板冒裂安全性分区图、顶板含水层富水性分区图、顶板突水条件综合评价分区图，“双预测”即天然状态下工作面涌水量预测、人为改造状态下工作面涌水量预测。

“我们用‘三图’可以把煤矿水害危险区定位出来，用‘双预测’来确定危险区域的危险程度，进而采取相应的防治水配套措施。”武强说。

煤层底板突水是我国大部分煤矿在开发过程中普遍面临的工程技术难题。以往解决这个问题的方法，无论是煤矿企业，还是科研院所，甚至在大学专业课本中，唯一的方法是突水系数法。

“目前，突水系数法已经无法满足深部带压开采和现代采煤方法提出的要求。我们提出了煤层底板突水预测预报的新方法——脆弱性指数法。”武强说。

脆弱性指数法采用的基本模型是将可确定底板突水多种主控因素权重系数的信息进行融合，与具有强大空间信息分析处理功能的GIS耦合于一体的评价模型。

老空水害是煤矿主要水害，一般具有隐蔽性、突发性、强破坏性、腐蚀性、有害气体伤人等特点。武强指出，老空水预测预报的有效方法是分区管理法。

他表示，老空水预测预报可分四步进行。

第一步，查明煤矿和周边200米范围老空立体空间分布规律、形成时间、范围、层位、积水、补给来源等情况。

第二步，制定老空水防治方案和具体措施。

第三步，根据老空水查明情况和防治措施落实程度，对受老空水威胁的煤层按程度编制分区管理设计，并由煤矿总工程师组织审批。

第四步，老空积水情况清楚且防治措施落实到位的区域划为可采区，否则划为缓采区。缓采区由煤矿地测部门编制老空水探查设计，通过井上井下探查手段查明老空积水情况，制定的防治措施落实到位后，方可转为可采区，若探查和采取措施后仍不能保证安全开采的区域划为禁采区。

“针对老空和积水情况不明的区域，必须采取井上井下结合的钻探、物探、化探等综合勘探技术手段进行探查，编制矿井老空水害评价报告。”武强强调。

武强指出，“探、防、堵、疏、排、截、监”七项防治水综合配套措施是煤矿水害防治的主要技术方法。

“探”包括地面和井下两部分。地面探指地面的水文地质(补充)调查、观测、勘探，井下探指水文地质补充勘探、采掘工作面探测、局部防治水工程勘探等。

“防”指合理留设各类防隔水煤(岩)柱和修建各类防水闸门或防水墙等，防隔水煤(岩)柱一旦确定，不得随意开采破坏。

“堵”指注浆封堵具有突水威胁的顶底板充水含水层，或导水断层、裂隙和陷落柱等局部通道，或注浆帷幕封堵导水边界等。

“疏”指疏放老空水、充水含水层预疏水降压等。

“排”指完善矿井排水系统，包括排水水泵、管路、水仓和供电系统等。

“截”指加强地表水(河流、水库等)的截流治理。

“监”指建立地下水和扰动岩土体的动态监测系统，对井田范围内主要充水含水层水位、水温、水质，矿井局部采区涌水量，采掘、注浆扰动破坏岩土体的应力与应变等进行长期动态监测与预警。

推进煤水资源协调开采

“煤水双资源矿井协调建设与开发是我国煤炭工业绿色转型和可持续高质量发展的必由之路，也是绿色矿山建设和绿色矿业发展的基本要求。”武强强调。

“煤矿水害防治的重要意义不仅在于减少水害事故、削弱水的灾害属性，而且能保护地下水资源、维系生态系统平衡、减少水环境污染、提升水的资源属性等。”武强直言。

今年，国家发展改革委、水利部、自然资源部等八部门联合印发的《关于加强矿井水保护和利用的指导意见》提出，到2025年，全国矿井水利用量持续增大，利用率不断提升，其中黄河流域力争达到68%以上。

武强指出，根据不同矿井不同充水水文地质条件，应用多位一体优化结合模式，采取“一矿一策”措施，协同解决煤炭资源安全开采、水资源保护利用、生态环保之间的尖锐矛盾和冲突。

“对具备可疏性且有需水用户的矿井，可采用矿井排水、供水、生态环保‘三位一体’优化结合模式，如开滦集团赵各庄煤矿就采用这种模式。”武强解释。

“井下疏放水最好采用清污分流分排的排水系统，可以大大降低矿井水处理成本。在国内，这方面做得比较好的有陕煤集团红柳林煤矿、伊泰集团酸刺沟煤矿。”武强说。

他表示，对于可疏性差且有需水用户的矿井，可采用矿井水控制、利用、生态环保“三位一体”优化结合模式。其中，矿井水控制措施主要包括两个方面：一是自然充水水文地质条件下通过调整开采方法与工艺的控制，二是人为干预充水水文地质条件的控制。

调整开采方法方面，武强举例说，采用充填开采法，改变走向长壁采煤方法，房柱式、条带式、短壁开采法等，应用分层开采或局部限制采高等开采工艺，充分利用天然古风化壳隔水性能等。

人为干预方面，例如，在地面或井下煤层底板采前预注浆加固隔水层和含水层改造，在地面或井下煤层顶板采前预注浆加固隔水层，在地面或井下煤层顶板采后注浆重建或再造修复隔水层，帷幕注浆封堵面状导水边界，局部注浆封堵集中补给通道，局部注浆改造充水含水层富水地段等。陕煤集团曹家滩煤矿和神东煤炭公司锦界煤矿就是其中的典型。

对于具备回灌条件的矿井，武强认为，适宜采用矿井水控制、处理、利用、回灌、生态环保“五位一体”优化结合模式。