我国矿井水防控与资源化利用的研究进展问题和展望

　第39卷第5期煤　　炭　　学　　报Vol.39　No.5　　2014年5月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYMay　2014　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,2014,39(5):795-805.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0478WuQiang.Progress,problemsandprospectsofpreventionandcontroltechnologyofminewaterandreutilizationinChina[J].JournalofChinaCoalSociety,2014,39(5):795-805.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0478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　100083)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:TD74　　　文献标志码:A　　　文章编号:0253-9993(2014)05-0795-011收稿日期:2014-02-05　　责任编辑:韩晋平　　基金项目:国家自然科学基金资助项目(41272276,51174289);教育部创新团队基金资助项目(IRT1085)　　作者简介:武　强(1959—),男,内蒙古呼和浩特人,教授,博士生导师。E-mail:[e-mail],problemsandprospectsofpreventionandcontroltechnologyofminewaterandreutilizationinChinaWUQiang(StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing　100083,China)Abstract:Basedonthecomprehensivesummaryofthetheoryandmethod,applicationtechnology,practicalengineer-ingandtechnicalstandardofpreventionandcontroltechnologyofminewaterdisasteraswellasitsreutilizationinChinaatpresent,thispapersystematicallyanalyzedthelatestresearchprogressandachievementsofbasictheory,hydrogeology(supplement)exploration,advanceddetectionandmonitoringaswellasearlywarninginordertofurtherpromoteapplicationofcurrenttechnologiesanddevelopnewtechnologiesandmethods.Andpointedoutthechallengesandtheexistingproblemsofthefield,thegapswithrequirementsoffast,intensive,large-scaledevelopmentofthecoalindustryinChina,anddiscussedthedevelopmenttrends,futureimportantscientificinnovationandkeytechnologies.Theprospectsoftheindustryandtechnologywerealsoforecast.Keywords:preventionandcontroltechnologyofminewater,reutilizationofminewater;researchprogress;existingproblem;developmenttrend　　我国在世界各国煤炭资源地质储量方面位居第3,但从21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、煤　　炭　　学　　报2014年第39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,国内外关注程度高[1-5]。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2000年的近10亿t增加到2013年的37亿t,13a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2000年的104次与351人下降至2013年的21次与89人,分别下降近80%与75%。根据国家煤矿安全监察局2012年的调查统计,近年全国煤矿每年实际排水量达71．7亿m3,全国共有61处煤矿的矿井正常涌水量超过1000m3/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[6-8]。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[9-10]。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[9-11]。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[9-10]。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日益增多。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697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T=p/M是我国在1964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(T=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0．1MPa/m、构造块段为0．06MPa/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———Darcy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间隔水段厚度M的距离、最终突入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1964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