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论矿井水害防治的理论技术体系及其发展孙亚军中国矿业大学资源学院水文与水资源系主任水资源及水害防治研究所所长Tel:0516-83885913Email:[e-mail]2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军2主要内容1.引言2.传统的矿井水害防治理论与技术体系3.构建现代矿井水害的理论与技术体系的基本原则4.矿井水害防治理论体系的内容5.结论2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军31.引言1.1我国矿井水害的现状与分析•近年来，随着科学技术的进步，煤矿生产与建设过程中的装备、工艺、技术都有了极大的提高。•80年代后一度呈现出逐年减少的趋势，近年来，煤矿突水事故又频繁发生，危害程度甚至更加严重。•特别是2000年以来，造成重大人员伤亡的恶性事故屡屡发生，并引起全社会的广泛关注。•据不完全统计，从2000年到2005为止，共发生造成人员伤亡的各种煤矿水害事故352起，死亡1733人，（见表1）。2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军4表12001-2005年我国煤矿水害事故统计时间乡镇个体煤矿国有煤矿特大事故总计次数死亡人数次数死亡人数次数死亡人数次数死亡人数200130138838341381762002743011986710393387200374316181081118192424200455233621361612542005594309621131968492小计292141860315357053521733比例（%）82.9581.8217.0518.189.9440.68100.00100.002020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军51.引言1.1我国矿井水害的现状与分析•从上述统计数据可以看出，乡镇个体煤矿所发生的水害事故，无论在次数上还是死亡人数上，都占80%以上。•造成这一现状的原因是多方面的，有管理制度、安全观念、自然条件等各方面的原因，但是其中矿井水害防治的理论和技术体系不够完善、不能反映目前相关研究进展和水平、对矿井水害防治工作指导性差是重要原因之一.•因此，有必要在传统理论技术的基础上，总结新的研究成果和应用技术，发展和完善矿井水害防治的理论和技术体系。2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军61.引言1.2建立矿井水害防治理论技术体系的必要性•目的：–系统地总结和概括当前矿井水害防治研究进展，–规范矿井水害防治工作，–并为矿井安全生产提供理论和技术支持。2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军71.引言1.2建立矿井水害防治理论技术体系的必要性•必要性：1.原有理论技术体系不能较好地反映有关的研究进展和水平2.专业人才缺乏且对矿井水害防治理论技术整体性认识的不足3.矿井水害防治专门人才培养的知识结构滞后4.研究成果的推广与应用严重滞后2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军82.传统的矿井水害防治理论技术体系•据文献资料，我国的矿井水害防治理论体系源于1956年前苏联卡明斯基、克利门托夫等人提出的矿床水文地质学。•在此基础上，我国于60年代逐步形成较成熟的矿井水害防治的理论体系。•至2002年前后，最新修订的《煤矿安全规程》中所反映的基本上仍是这一理论体系的特点。2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军92.传统的矿井水害防治理论技术体系•主要构成如下：1.矿区（矿井）水文地质条件勘查2.矿井充水条件分析3.矿井突水预测预报4.矿井涌水量计算5.矿井防治水技术2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军103.构建现代矿井水害防治理论技术体系的原则•基本思路：–以理论为基础–以技术和方法为手段–以实践应用为目标。2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军113.构建现代矿井水害防治理论技术体系的原则•系统、完整的理论技术体系应该涵盖矿井生产的3个阶段：–建井前的矿区水文地质条件调查和评价–矿井生产阶段的水害预测预报和预防–灾后的应急反应和恢复治理•还应该包括两个重要的方面：–为矿井水害防治服务的软硬件、材料和装备的研发与应用–符合“资源与环境协调发展”观点的水资源保护技术2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军123.构建现代矿井水害防治理论技术体系的原则•构建现代矿井水害防治理论技术体系基本原则1.具有满足我国矿井水害防治的应用需求的针对性2.具有理论和技术上的完整性、先进性3.具有对未来可能取得突破的理论和技术的前瞻性4.具有多学科交叉性2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军134.现代矿井水害防治的理论技术体系1.矿井水文地质条件综合勘查技术2.渗流理论与矿井涌水量计算3.矿井水害的形成机制理论4.矿井突水的中长期预测预报5.矿井突水的临突预报技术6.矿井安全保障防水技术7.特殊条件下专门防水技术8.材料装备研发与应用技术9.矿井水害的灾后治理技术10.矿井防治水保障系统11.矿井水资源化与利用技术2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军14现代矿井水害防治理论技术体系结构和内容矿井水文地质综合勘查技术渗流理论及矿井涌水量计算矿井水害成因机制理论矿井突水的中长期预测预报矿井突水临突预报矿井安全保障防水技术特殊条件下防水专门技术材料装备研发与应用技术矿井水害的灾后治理技术矿井防治水保障系统矿井水资源化与利用技术水文地质测绘水文地质钻探水文地质试验水文地质物探水文地质化探水文地质遥感·········斯列萨列夫公式法突水系数法多元信息拟合法三图-双预测法模糊综合评判法灰色理论模型法神经元网络模型法·········斯列萨列夫理论下三带理论关键层理论工程地质力学理论优势面理论零位破坏与原位张裂理论·········大型水体下开采技术高承压水上开采技术保水开采技术·········超前探放水技术防水煤柱留设技术水闸门（墙）疏干降压技术注浆堵水技术含（隔）水层注浆改造技术·········高性能注浆材料钻探设备物探设备自动监控设备矿井排水设备·········突水水源快速判别技术突水水量估算方法高精度定位钻孔施工技术突水通道封堵技术·········数据管理系统矿井水害监测系统辅助决策支持系统应急反应指挥系统·········矿井水水质处理技术排供结合应用技术地下水转移存贮技术水资源联合调度技术·········地下水渗流理论•矿井正常涌水量计算•相关比拟法•解析法•水均衡法•数值法•矿井最大突水量计算传感器及布设技术数据采集技术模式识别技术临突预警发布技术·········2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军154.现代矿井水害防治的理论技术体系4.1.矿井水文地质条件综合勘查技术（1）多种探查手段的综合应用：较成功的模式是以震法查构造、以电法查富水性异常、以化探查含水层间或不同水体之间的水力联系，以钻探进行验证和确认。（2）以定向钻进技术为代表的高精度钻孔成孔技术：对于导水通道和突水点封堵具有十分重要的应用意义。（3）基于现代高精度分析仪器的水力联系判别：如电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP）可在3min内测72项指标。2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军164.现代矿井水害防治的理论技术体系4.2.渗流理论及矿井涌水量计算（1）在传统渗流理论的基础上，各种数学方法被大量应用到矿井涌水量计算中，但大多不够成熟。（2）2D和3D数值模拟法是目前矿井涌水量计算应用的最高水平；（3）理论与实际应用严重脱节，许多矿区仍主要采用比较粗略的水文地质比拟法。2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军174.现代矿井水害防治的理论技术体系4.3矿井水害形成机制理论–矿井突水形成的必要条件：突水水源和导水通道–矿井突水的影响因素：影响突水水量和动态变化水源通道影响条件①大气降水②地表水③地下水④老空水①断裂构造②陷落柱③采动裂隙④构造或地震裂隙⑤天窗及岩溶塌陷⑥导水钻孔①含水层富水性②边界条件③隔水层④地质构造（褶曲形态）⑤地形条件⑥人工疏干场2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军184.现代矿井水害防治的理论技术体系4.3矿井水害形成机制理论•不断深化对矿井水害形成机制的认识，特别是对底板突水机理和控制性影响因素的认识，是矿井水害防治的重要理论基础，也是研究的热点之一。•上世纪80年代以后，许多学者或者从不同的角度、或者针对不同矿区的实际条件，提出了大量的对矿井突水机制的认识，使得这一研究领域十分活跃。其中影响较大的理论有：“下三带”理论（李白英）、“关键层”理论（钱鸣高）、工程地质力学理论（许学汉）、“优势面”理论（罗国煜）、“零位破坏与原位张裂”（王作宇）等等。2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军194.现代矿井水害防治的理论技术体系4.3矿井水害形成机制理论这一领域的研究和发展的特点是：(1)大量研究成果的出现对深化矿井水害形成机制的认识具有积极意义，在矿井防治水实践中也发挥了重要作用。(2)由于我国矿井水害类型复杂、不同地区的水文地质条件差别较大、研究者的理论基础和水平不尽相同，所以现有研究成果中认识深刻、或具有普遍意义的较少。(3)绝大部分研究成果只定性、不定量或半定量，难以作为矿井突水预测或评价的理论基础和依据。2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军204.现代矿井水害防治的理论技术体系4.4.矿井突水的中长期预测预报技术•如果能够准确预测可能发生的突水事故，矿井防治水工作将发生革命性的变化。•上世纪50年代从前苏联引入的斯列萨列夫理论是我国矿井突水预测的最早应用。•60年代我国矿井水文地质工作者提出的突水系数法是具有里程碑意义的重要成果，对指导我国矿井防治水工作发挥了不可替代的作用。2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军214.现代矿井水害防治的理论技术体系4.4.矿井突水的中长期预测预报技术•80年代以后，随着一些新技术、新方法的引入，矿井突水预测预报有了较大发展，出现了许多依据不同原理的突水预测预报方法。如:–基于GIS技术的多元信息拟合法（孙亚军，1989）–三图—双预测法（武强，1999）–模糊综合评判法（王树元，1989）–灰色理论法（许延春，1996）–神经元网络模型法（张璟，1995）等等。2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军224.现代矿井水害防治的理论技术体系4.4.矿井突水的中长期预测预报技术矿井突水预测预报研究和发展的特点是：(1)目前取得的研究成果主要是将计算机技术、各种数学方法或其它方法应用于矿井突水预测预报，其中一些方法取得了较好应用效果，而有些可以认为是尝试性研究。(2)矿井突水预测预报方法实质上可以分为两类，一类是统计规律法，以定性为主；另一类是多因素模型法，在一定程度上具有半定量的特点。(3)由于我国的矿井突水受断裂构造（特别是小构造）影响较大，现有的以成因机制或统计规律为依据预测预报方法能够对某一区域或块段是否存在发生突水的可能性作出判断，并作出突水危险程度分级，但是不能预测突水的位置和时间，因此称之为中长期预报。2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军234.现代矿井水害防治的理论技术体系4.5矿井突水的临突预报技术–所谓临突预报是指在突水即将发生前有限的时间内对突水作出预报。–笔者认为，依据传统的研究思路（即以矿井突水的形成机制和统计规律为基础）进行临突预报，在短时间内难以取得重大突破。–大量研究和分析表明，实现临突预报的思路应该是应用自动监测技术。–这方面的研究在近期内取得突破性进展是有可能的。2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军244.现代矿井水害防治的理论技术体系4.6.矿井安全保障防水技术（略）4.7.特殊条件下矿井防治水专门技术(1)大型水体下安全开采防治水技术(2)高承压水上安全开采防治水技术(3)保水采煤技术：2020/7/14中国矿业大学资源学院孙亚军254.现代矿井水害防治的理论技术体系4.8.矿井水害防治材料及装备研发与应用技术•矿井水害防治过程中所需的材料、仪器、设备的研发和应用对提高矿井水害防治水平有重要意义。•有些材料和装备的研制、应用近几年已取得较大进展例如：–高性能化学注浆材料