我國礦井水防控與資源化利用研究現(xiàn)狀與展望

中國是世界上資源豐富的第三大目的地。它從21世紀(jì)起成為世界上最重要的煤炭產(chǎn)區(qū)。由于我國是一個(gè)由多個(gè)構(gòu)造板塊經(jīng)多序次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動拼接而成的陸地,故地質(zhì)構(gòu)造條件十分復(fù)雜,是世界上煤礦水害最為嚴(yán)重的國家之一。據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局統(tǒng)計(jì),水害在煤礦重、特大事故中是僅次于瓦斯爆炸的重大災(zāi)害。水害礦難不僅容易造成井下作業(yè)人員重大傷亡,而且在經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重程度、事故搶險(xiǎn)救援難度和恢復(fù)礦井生產(chǎn)所需時(shí)間等方面在煤礦災(zāi)害事故中最為突出。此外,水害事故發(fā)生面廣,凡涉及礦山開采特別是井工開采的各類礦種的礦山企業(yè)或涉及地下工程開挖的各類行業(yè)部門均普遍面臨該問題,故社會影響面廣,國內(nèi)外關(guān)注程度高。深部和下組煤煤炭資源開采的水害問題隨著淺部和上組煤易采資源儲量逐漸枯竭日益嚴(yán)重,礦井充水水文地質(zhì)條件日趨復(fù)雜,突水影響控制因素增多,突水機(jī)理和類型復(fù)雜多變。許多礦井不僅面臨頂板因淺部資源開采或關(guān)閉大量不具備安全生產(chǎn)的小煤礦形成的老空積水的透水威脅,而且面臨著底板高承壓碳酸鹽巖地下水的突水脅迫,同時(shí)煤層中還常伴隨有瓦斯等有害氣體爆炸或煤瓦斯與地下水等的突出,即煤層采掘環(huán)境處于水害的“頂威、底迫、中突”中。近年來我國在煤炭產(chǎn)量大幅增長、開采強(qiáng)度不斷加大情況下,煤礦水害控制形勢繼續(xù)保持總體穩(wěn)定、持續(xù)好轉(zhuǎn)的發(fā)展態(tài)勢。全國煤炭產(chǎn)量從2000年的近10億t增加到2013年的37億t,13a產(chǎn)量翻了3.7倍;與此同時(shí),我國煤礦水害事故發(fā)生總起數(shù)和總死亡人數(shù)分別從2000年的104次與351人下降至2013年的21次與89人,分別下降近80%與75%。根據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局2012年的調(diào)查統(tǒng)計(jì),近年全國煤礦每年實(shí)際排水量達(dá)71.7億m3,全國共有61處煤礦的礦井正常涌水量超過1000m3/h,礦井水資源化利用率逐年提高。這些數(shù)據(jù)說明,我國近年來在礦井水防控與資源化利用領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)展和研究成果。但由于我國煤田地質(zhì)條件類型多,構(gòu)造復(fù)雜,礦井突水隱蔽致災(zāi)因素與機(jī)理多變,特別是隨著深部資源的大規(guī)模開發(fā),水害防治形勢依然十分嚴(yán)峻,存在諸多難題,面臨眾多挑戰(zhàn),煤礦地下水控制與資源化利用仍將是我國煤礦安全生產(chǎn)和科學(xué)開采研究的一個(gè)重大科研課題。1研究的發(fā)展和成就1.1礦井水文地質(zhì)類型劃分的依據(jù)要求(1)完善了礦井防治水基本原則,提出了新的“十六字”防治水基本原則和與其配套的“防、堵、疏、排、截”五項(xiàng)水害綜合防治措施。我國原有的礦井防治水基本原則是“有疑必探、先探后掘”的“八字”方針?！鞍俗帧痹瓌t本身不存在任何問題,特別是隨著近年來國家對礦山生產(chǎn)安全的高度重視和所出臺的一系列政策法規(guī)與懲罰條例等、礦山企業(yè)在安全生產(chǎn)上的意識與管理水平大幅提高,以及采掘一線礦工自身對安全的重視,如果礦井生產(chǎn)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)了水患疑點(diǎn),現(xiàn)場工程技術(shù)人員和專職探放水工肯定會即刻進(jìn)行超前探放水,查清疑點(diǎn)或隱患后再進(jìn)行采掘。但現(xiàn)在的問題是如何發(fā)現(xiàn)水患疑點(diǎn)?如何提前判斷水害隱患?這是礦山企業(yè)和現(xiàn)場工程技術(shù)人員目前急需解決的重大難題。針對此難題,《煤礦防治水規(guī)定》第3條提出了我國礦井防治水的新的“十六字”基本原則,即“預(yù)測預(yù)報(bào)、有疑必探、先探后掘、先治后采”,即通過科學(xué)的預(yù)測預(yù)報(bào)方法和手段,首先發(fā)現(xiàn)礦井水患疑點(diǎn),對其疑點(diǎn)或隱患必須堅(jiān)持超期探放水,先探放后掘進(jìn),先治理后回采。這樣,“十六字”基本原則就對礦井水害防治工作概括形成了一個(gè)完整地閉合技術(shù)思路。另外,配合新的“十六字”原則,《煤礦防治水規(guī)定》第3條還提出了與其相配套的5項(xiàng)水害綜合防治措施,即“防、堵、疏、排、截”。(2)在系統(tǒng)總結(jié)與分析我國近年來礦井重特大水害案例特征基礎(chǔ)上,補(bǔ)充完善了礦井水文地質(zhì)類型劃分的基本原則和主要影響因素,提出了我國礦井水文地質(zhì)類型劃分依據(jù)的新方案。礦井水文地質(zhì)類型劃分的目的是分析礦井水文地質(zhì)條件,有針對性地指導(dǎo)礦井水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探和水害預(yù)防、控制和治理工作。由于我國礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜,受水害威脅的煤炭資源比重大,水害類型齊全,故水文地質(zhì)類型劃分對保障礦井安全生產(chǎn)意義重大?？紤]到我國老空積水分布范圍廣,大部分老空積水區(qū)具體范圍、位置與形狀不清,以及近年來連續(xù)發(fā)生多起由老空積水誘發(fā)的重特大透水礦難,同時(shí)考慮礦井在建設(shè)、生產(chǎn)過程中是否發(fā)生過突水事故和發(fā)生突水的突水量大小與礦井充水水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度相關(guān),在礦井水文地質(zhì)類型劃分原有4項(xiàng)依據(jù)基礎(chǔ)上,增補(bǔ)了“礦井及周邊老空水分布狀況”和“礦井突水量”這2項(xiàng)類型劃分的新依據(jù)。(3)水體下和周邊不同條件下安全開采的技術(shù)要求和規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷完善。隨著我國煤炭資源開采強(qiáng)度增大和淺部資源逐漸殆盡,除了加大深部資源開發(fā)外,在過去技術(shù)條件下一般不宜開發(fā)的海、湖、河、水庫、老空積水區(qū)和強(qiáng)富水含水層等大型水體下與周圍的開采活動日益增多。對于有疏干條件的礦井,應(yīng)首先對威脅采掘工作面生產(chǎn)安全的各類水體進(jìn)行預(yù)先疏排,在排除積水、消除危險(xiǎn)隱患后方可進(jìn)行采掘工程活動;如因各種原因無法排除水體、但需在其下或附近開采傾斜、緩傾斜煤層的礦井,則必須查明充水水文地質(zhì)條件,按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中有關(guān)水體下開采規(guī)定,編制專項(xiàng)開采設(shè)計(jì),組織相關(guān)技術(shù)人員研究討論,確定安全可靠的防隔水煤(巖)柱和制定安全防范措施,由煤礦企業(yè)主要負(fù)責(zé)人審批后,可進(jìn)行采掘工程活動,但要密切加強(qiáng)動態(tài)監(jiān)測,如發(fā)現(xiàn)異常情況,立即停產(chǎn)撤人;對在水體下或附近開采急傾斜煤層的礦井,鑒于急傾斜煤層開采后誘發(fā)的抽冒機(jī)理、抽冒發(fā)育規(guī)律和發(fā)育高度預(yù)測以及抽冒控制等理論和工程技術(shù)問題目前仍未能得到有效解決,因此,嚴(yán)禁在水體下或附近開采急傾斜煤層。(4)剖析了突水系數(shù)計(jì)算公式演化歷史,明確了突水系數(shù)概念和水文地質(zhì)意義,提出了突水系數(shù)計(jì)算公式。突水系數(shù)計(jì)算公式T=p/M是我國在1964年焦作水文地質(zhì)大會戰(zhàn)期間借鑒匈牙利工程師韋格弗倫斯的相對隔水厚度(T=M/p)概念而提出,并依據(jù)焦作、峰峰、井陘、邯鄲、肥城和淄博等大水礦區(qū)出現(xiàn)的大量底板突水案例和基礎(chǔ)數(shù)據(jù),計(jì)算得出了正常地質(zhì)塊段臨界突水系數(shù)值為0.1MPa/m、構(gòu)造塊段為0.06MPa/m。相比韋格弗倫斯的相對隔水層厚度計(jì)算公式,顯然,我們提出的突水系數(shù)計(jì)算公式是他的倒數(shù)。這個(gè)倒數(shù)從數(shù)學(xué)上看似非常簡單,但本文認(rèn)為其水文地質(zhì)意義重大,因?yàn)橥凰禂?shù)反映了水文地質(zhì)學(xué)中地下水滲流最基本的規(guī)律———Darcy定律的核心思想,即煤層底板充水含水層地下水在水壓p的驅(qū)動條件下滲透通過煤層與充水含水層之間隔水段厚度M的距離、最終突入采掘場地時(shí)所消耗的能量,它描述了煤層底板突水的整個(gè)動力學(xué)過程。同時(shí),明確了突水系數(shù)計(jì)算公式中水壓(p)為煤層底板隔水層底界直接承受的水壓,而不是煤層底界承受的水壓。后期隨著人們對采掘工程活動誘發(fā)的煤層底板礦壓破壞現(xiàn)象、隔水段巖層巖性組合和底板承壓地下水原始導(dǎo)升發(fā)育現(xiàn)象等認(rèn)識的不斷深化,陸續(xù)出現(xiàn)了突水系數(shù)的不同計(jì)算公式,這些公式更加真實(shí)地描述了我國煤層底板突水的水文地質(zhì)物理概念模型,但所提出的臨界突水系數(shù)值仍然采用的是1964年未考慮這些現(xiàn)象時(shí)提出的臨界值。顯然,這是不妥的。因此,《煤礦防治水規(guī)定》編制本著還原歷史的原則,在目前尚未提出考慮這些現(xiàn)象的普遍可接受的新的臨界突水系數(shù)值之前,突水系數(shù)計(jì)算公式仍采用T=p/M,將來一旦提出能夠考慮這些現(xiàn)象的新的可接受的臨界突水系數(shù)值,突水系數(shù)計(jì)算公式還可重新修訂。(5)規(guī)定了生產(chǎn)礦井必須具備的最基本防治水資料。作為一個(gè)生產(chǎn)礦井,3個(gè)報(bào)告、5份圖件和15類臺帳是其必須具備的最基本的防治水基礎(chǔ)資料,其他有關(guān)防治水圖件和臺帳由礦井根據(jù)實(shí)際需求編制。圖件和臺帳每半年需修正1次。(6)礦井充水水文地質(zhì)條件三維可視化分析平臺建設(shè)取得了一定進(jìn)展。傳統(tǒng)的充水水文地質(zhì)條件分析方法是以點(diǎn)、線、平面、剖面等為基礎(chǔ),通過推算預(yù)測,形成對礦井充水水文地質(zhì)條件二維空間的了解與認(rèn)識。這些方法不能真實(shí)反映與刻畫自然界復(fù)雜的三維充水條件和現(xiàn)象,缺乏動態(tài)處理和時(shí)空分析能力,存在很大局限性。三維水文地質(zhì)可視化建模與模擬分析方法在一定程度上解決了這些問題,它可以提供統(tǒng)一的三維顯示通道,支持地面水文地質(zhì)勘探、試驗(yàn)和井下探測以及采掘工程揭露等數(shù)據(jù)的全方位、一體化顯示與管理;可進(jìn)行任意地層剖面分析,各種水文地質(zhì)參數(shù)查詢;可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變分析、地下水流模擬、突水危險(xiǎn)性評價(jià)、水量預(yù)測計(jì)算和防治水對策方案優(yōu)化比選等。礦井三維充水水文地質(zhì)條件可視化分析平臺將成為地面與井下水文地質(zhì)勘探與測試數(shù)據(jù)處理、充水條件物理概念模型分析、水流模擬評價(jià)、水害預(yù)測預(yù)報(bào)和防治水方案制定等的有效工具。1.2水文地質(zhì)及地震勘探的技術(shù)(1)礦井水文地質(zhì)補(bǔ)充調(diào)查與勘探理念和技術(shù)手段有所創(chuàng)新,勘探程度有所提高[2,3,4,5,6,13,14,15]。針對我國大部分礦井或開拓延深區(qū)以往水文地質(zhì)勘探程度偏低和充水水文地質(zhì)條件不清等問題,特別是西北、東北和華北西部礦區(qū)的水文地質(zhì)勘探程度明顯滿足不了礦井高強(qiáng)度開發(fā)需求,《煤礦防治水規(guī)定》第29條規(guī)定了在7種情況下必須進(jìn)行礦井水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探。近年來在我國東北、西北和開拓延深區(qū)等礦井,水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探程度有所提高,勘探理念有所突破,勘探技術(shù)手段和方法有所創(chuàng)新,在地質(zhì)構(gòu)造、充水水源、導(dǎo)水通道、老空區(qū)探查和礦井涌水量預(yù)測等方面,取得了一定進(jìn)步,如地質(zhì)構(gòu)造勘探的地面高分辨率三維地震技術(shù);含水層富水性和充水通道水力性質(zhì)及導(dǎo)含水構(gòu)造勘探的地面瞬變電磁、高密度電法、頻率測深、可控源聲頻大地電磁測深(CSAMT)、磁偶源頻率測深和鉆孔無線電波透視等技術(shù);老空區(qū)和積水老空區(qū)勘探的地面高分辨率三維地震技術(shù)、地面電法勘探和充電法造影成像;水文地質(zhì)物理概念模型建立和水文地質(zhì)參數(shù)確定的單孔、多孔、群孔穩(wěn)定與非穩(wěn)定流抽(放)水試驗(yàn)、示蹤聯(lián)通試驗(yàn)和二者聯(lián)合試驗(yàn)、脈沖干擾試驗(yàn)等。(2)規(guī)定了作為水害預(yù)測預(yù)報(bào)重要內(nèi)容的井下突(透)水異常征兆信息的處置程序。井下采掘工作面或其他地點(diǎn)在接近或臨處于突(透)水極限平衡狀態(tài)前的不長時(shí)間段內(nèi),在其附近的滴淋水量水質(zhì)、煤層或圍巖應(yīng)力變形、水巖溫度或氣體理化性質(zhì)等均會顯現(xiàn)出不同程度的變化,即各種各樣的突(透)水征兆信息。這些信息的出現(xiàn)并不可怕,而且信息起始初值大小也不是關(guān)鍵,關(guān)鍵是要密切觀測征兆信息的動態(tài)變化特征。如征兆信息雖然起始初值不大,但其動態(tài)變化很快,顯然比較危險(xiǎn);反之,即使信息初值較大,但若其基本無變化或動態(tài)變化很緩,應(yīng)該問題不大,繼續(xù)加強(qiáng)動態(tài)監(jiān)測。一旦井下突(透)水異常征兆信息出現(xiàn),應(yīng)當(dāng)立即停止井下所有作業(yè),報(bào)告礦調(diào)度室,并發(fā)出警報(bào),撤出所有受水害威脅區(qū)域人員,組織專業(yè)技術(shù)人員分析原因,開展必要探測工作,做出科學(xué)判斷。在原因未查清、隱患未排除之前,不得進(jìn)行任何采掘工程活動。(3)礦井水害預(yù)測預(yù)報(bào)理論不斷完善,水害評價(jià)的完整技術(shù)方法體系日益成熟,不同水害類型預(yù)測評價(jià)技術(shù)得以更新?lián)Q代。水文地質(zhì)(補(bǔ)充)勘探工作為礦井構(gòu)造、主采煤層與含水層沉積結(jié)構(gòu)關(guān)系、充水水源、導(dǎo)水通道和老空區(qū)等提供了非常重要的原始地學(xué)信息。但這些有限信息是局部離散的,直接應(yīng)用這些信息分析水患規(guī)律是非常初淺的,無法充分發(fā)揮出水文地質(zhì)勘探成果所蘊(yùn)涵的價(jià)值。如果采用先進(jìn)科學(xué)的評價(jià)方法和模型將這些原始信息加以分析、統(tǒng)計(jì)、模擬與處理,得出的結(jié)果就可以系統(tǒng)整體的評價(jià)預(yù)測礦井在采掘生產(chǎn)過程中可能面臨的諸如頂板、底板、老空和構(gòu)造等水害威脅的分區(qū)特征和程度。根據(jù)預(yù)測預(yù)報(bào)成果,即可方便有效地制定出礦井不同類型水害的防治對策措施和建議。針對我國普遍面臨的煤層底板突水難題,在原有“突水系數(shù)法”評價(jià)方法基礎(chǔ)上,提出了可考慮更多影響因素的“脆弱性指數(shù)法”和“五圖雙系數(shù)法”等底板突水綜合評價(jià)方法;對于煤層頂板水害,提出了可以同時(shí)解決頂板充水水源、通道和強(qiáng)度三大關(guān)鍵技術(shù)難題的“三圖-雙預(yù)測法”。1.3井下地球物理超前探測技術(shù)應(yīng)用情況(1)井下采掘工作面超前探放水概念明確,其理論與技術(shù)不斷完善,探放水工作程序與步驟逐漸具體化,探放水工作須滿足“三?！币蟆ｋm然采掘工作面超前探放水是一項(xiàng)傳統(tǒng)的井下防治水技術(shù),但在地面工作無法查明礦井水文地質(zhì)條件和充水因素的情況下,它在預(yù)測和避免重特大水害事故突發(fā)中仍然具有十分重要的使用價(jià)值。一般采掘工作面超前探放水的手段包括物探、化探、鉆探和坑探等,物探和化探為無損性探測,而鉆探和坑探為擾動破壞性探測,物探和鉆探為主要常用手段。采掘工作面超前探放水的概念就是必須采用鉆探或坑探等直接手段進(jìn)行探放水,絕不允許應(yīng)用物探或化探等間接手段直接探水。探放水具體工作程序與步驟應(yīng)該首先采用廉價(jià)、快速、能夠?qū)φ麄€(gè)采掘工作面大范圍實(shí)施超前探測的物探手段進(jìn)行總體宏觀探測,然后必須應(yīng)用鉆探等直接手段檢查驗(yàn)證物探等間接手段的探測結(jié)果,并對含水體實(shí)施井下放水,決不允許將未經(jīng)鉆探檢驗(yàn)的物探間接探測成果直接作為采掘工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。超前探放水工作必須由專職探放水隊(duì)伍中的專業(yè)探放水工使用專用探放水鉆機(jī)進(jìn)行施工,即滿足“三?！币蟆?2)井下地球物理超前探測技術(shù)。經(jīng)過多年的基礎(chǔ)理論研究、現(xiàn)場試驗(yàn)、探測對比和分析提高,井下地球物理超前探測技術(shù)取得了長足發(fā)展,基本能夠覆蓋井下采掘工程的各個(gè)環(huán)節(jié),初步形成了一套較為完整的井下地球物理探測技術(shù)體系。在掘進(jìn)工作面超前探測方面,主要方法包括直流電法、瞬變電磁、瑞利波、激發(fā)極化、高分辨二維地震、地質(zhì)雷達(dá)和陸地聲納法等,但目前應(yīng)用效果較好的常用方法主要為直流電法和瞬變電磁法。前者的優(yōu)點(diǎn)是無探測盲區(qū),且為接觸型探測,但不足之處是在井下巷道空間只能向掘進(jìn)前方單方向探測,探測距離較短(60~80m),且體積效應(yīng)相對大;后者的優(yōu)點(diǎn)是在井下巷道可多方向探測,探測距離相對較長(80~120m),體積效應(yīng)相對較小,但他的不足之處是探測成果存在20m左右盲區(qū),且為非接觸型探測。在回采工作面超前探測方面,音頻電透視、瞬變電磁、無線電透視CT(坑透)、槽波地震和彈性波CT層析成像等為主要探測方法,其中音頻電透視和瞬變電磁法主要探測煤層頂?shù)装搴畬印儙r的富水性和老空積水區(qū)分布以及含導(dǎo)水構(gòu)造等,無線電透視CT(坑透)、槽波地震和彈性波CT層析成像法主要探測煤層構(gòu)造、煤厚變化、巖漿巖和火燒區(qū)等。目前井下應(yīng)用新的地球物理探測技術(shù)還包括鉆孔窺視、孔巷透視、鉆孔測斜、孔深探測和開孔定向等。(3)井下定向鉆進(jìn)、分支造孔技術(shù)和采掘工作面超前定向鉆孔探放水技術(shù)。鉆孔超前探放水是我國傳統(tǒng)但在目前仍被廣泛應(yīng)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鉆孔探放水均為直孔,按照煤礦防治水有關(guān)技術(shù)規(guī)定,一個(gè)掘進(jìn)工作面如僅需探測煤層底板水,至少需打3個(gè)直孔以上;如探測頂、底板水,所需探放直孔數(shù)量就更多了。大量的超前鉆探工作量嚴(yán)重影響了掘進(jìn)工作面掘進(jìn)速度,超前探放水與掘進(jìn)速度相互間產(chǎn)生了尖銳矛盾,這種矛盾嚴(yán)重影響了井下超前鉆孔探放水技術(shù)的推廣應(yīng)用。因此,在保證超前探放水質(zhì)量和效果前提下如何減少探放水鉆孔數(shù)量的技術(shù)變革就顯的尤為重要。由于超前定向鉆孔探放水技術(shù)具有人為定向和鉆孔鉆進(jìn)軌跡可按照預(yù)先設(shè)計(jì)要求延伸到達(dá)預(yù)定目標(biāo)等功能,一個(gè)定向鉆孔探放水效果可代替多個(gè)直孔,可大大減少掘進(jìn)工作面超前探放水鉆孔數(shù)量,而且可將定向探放水鉆孔開孔位置放在掘進(jìn)工作面后部,這樣就能解決鉆孔超前探放水與掘進(jìn)工作面掘進(jìn)速度相互間的沖突和矛盾。這種井下定向探放水鉆孔具有開孔密度小、鉆進(jìn)軌跡可控性高、一孔多方位、無效進(jìn)尺少、可與掘井同時(shí)平行作業(yè)互不影響、探測目標(biāo)點(diǎn)準(zhǔn)確和排水效率高等諸多優(yōu)點(diǎn),他是對傳統(tǒng)井下探放水技術(shù)裝備的一次革命。此外,由于井下定向鉆進(jìn)和分支造孔技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢,在回采工作面底板定向注漿加固隔水層與改造充水含水層、在超前預(yù)探放頂?shù)装宄渌畬拥叵滤屠峡账?、在地質(zhì)構(gòu)造和煤厚變化等不良地質(zhì)異常體探測與治理方面,具有好的應(yīng)用前景。(4)基于水文地球化學(xué)、水壓和水溫等多源信息的井下涌(突)水源快速綜合判識技術(shù)。井下采掘工程的任一涌(突)水點(diǎn),往往均是由于接受了諸如大氣降水、地表水、地下水或老空水等不同類型水源的補(bǔ)給、經(jīng)徑流后排泄于井下而形成,由于不同類型水源在其形成、徑流和排泄等過程中受到不同地質(zhì)環(huán)境和人為因素等影響與干擾,其水源的水文地球化學(xué)背景特征、水溫和水位(壓)各不相同。這些在礦井現(xiàn)場收集到的在水化學(xué)、水溫和水壓(位)等方面不同的大量樣本點(diǎn),可為井下涌(突)水點(diǎn)補(bǔ)給來源的快速判識數(shù)學(xué)模型建立提供極其重要的水源樣品和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。根據(jù)井下涌(突)水點(diǎn)水壓(位)、水溫實(shí)測值和水樣水化學(xué)分析結(jié)果,應(yīng)用基于大量實(shí)測數(shù)據(jù)所建立的判識數(shù)學(xué)模型和信息系統(tǒng),即可快速準(zhǔn)確地判識出井下任一涌(突)水點(diǎn)的補(bǔ)給水源。(5)采動條件下礦井地質(zhì)構(gòu)造活化、煤層頂?shù)装迤屏迅叨群退ΡO(jiān)測與預(yù)警技術(shù)。在采動條件下,礦井水害的形成和發(fā)生都有一個(gè)從孕育、發(fā)展到發(fā)生的演變過程,在這一過程的不同階段,在應(yīng)力應(yīng)變(特別是地質(zhì)構(gòu)造部位)、水壓(水位)、涌水量、水化學(xué)和水溫等方面均會釋放出對應(yīng)的突(透)水征兆,及時(shí)、準(zhǔn)確、有效地監(jiān)測這些征兆信息,建立一個(gè)集礦井水害監(jiān)測、判識和預(yù)警技術(shù)于一體的完整體系,對于預(yù)防重特大水害事故發(fā)生具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。目前在采動條件下能夠?qū)崟r(shí)、動態(tài)、面狀診斷并立體顯示煤層頂?shù)装遄冃纹茐倪^程和斷層與陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造活化強(qiáng)度、烈度以及相關(guān)時(shí)空參數(shù)的高精度微震監(jiān)測技術(shù),在我國應(yīng)用效果較好。中國煤炭科工集團(tuán)西安研究院采用水壓(位)、水溫和三分量應(yīng)變光柵類傳感器,應(yīng)用光纖光柵通信技術(shù)研發(fā)的多參數(shù)點(diǎn)狀礦井水害監(jiān)測預(yù)警技術(shù),在我國許多礦山也得到應(yīng)用。1.4注漿與機(jī)械化充填采煤技術(shù)(1)煤層底板注漿加固和含水層注漿改造以及注漿封堵導(dǎo)水通道技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)是我國在20世紀(jì)80年代中后期自主研發(fā)并逐漸應(yīng)用于煤層底板突水預(yù)防處理的一項(xiàng)注漿防水方法。當(dāng)煤層底板充水含水層富水性強(qiáng)、水頭壓力高、且煤層隔水底板厚度薄、或遇構(gòu)造破碎帶和導(dǎo)水?dāng)嗔褞?無法采用疏水降壓方法保障安全開采,或疏排水費(fèi)用太高、浪費(fèi)地下水資源且經(jīng)濟(jì)上不合理時(shí),采用底板隔水層加固和含水層改造及局部封堵導(dǎo)水通道的注漿防水方法實(shí)屬上策。該項(xiàng)技術(shù)主要針對煤層底板水害的預(yù)防問題,利用回采工作面已掘出的上通風(fēng)巷道和下運(yùn)輸巷道,應(yīng)用地球物理勘探和鉆探等手段,探查工作面范圍煤層底板隔水巖層裂隙發(fā)育規(guī)律和含水層富水性狀況,確定裂隙發(fā)育和富水段,采用注漿措施加固底板隔水層并同時(shí)改造含水層富水性,進(jìn)一步提高其隔水強(qiáng)度并使其富水性大幅降低。該項(xiàng)技術(shù)采用人為注漿工程手段,解決了在自然條件下無法保障安全開采,或采用人為疏降水措施無法實(shí)施安全開采的我國普遍面臨的煤層底板突水難題。但應(yīng)該清醒認(rèn)識到,目前這項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用在井下單工作面回采前的煤系薄層灰?guī)r含水層的注漿加固和改造方面。隨著華北型煤田下組煤和深部開采規(guī)模逐漸擴(kuò)大,如何將煤層底板從一工作面一治理轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)域治理、從回采工作面形成后再治理轉(zhuǎn)變?yōu)樾纬汕暗念A(yù)先主動治理、從以井下治理為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐缘孛嬷卫頌橹?、從以煤系薄層灰?guī)r含水層作為主要治理對象轉(zhuǎn)變延伸到以奧灰含水層頂部作為主要治理對象?這些問題是該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)一步研發(fā)解決的方向和內(nèi)容。(2)注漿技術(shù)。隨著采深加大和下組煤開采,礦井水害事故頻發(fā),潛在水患加劇,地面和井下整體或局部注漿技術(shù)在快速封堵治理突水災(zāi)害、消除潛在水害隱患方面,顯示出了明顯的優(yōu)勢,例如帷幕截流注漿在礦井地下水集中補(bǔ)給帶和地下水排泄區(qū)強(qiáng)徑流帶等水害隱患處的封堵截流,局部預(yù)注漿改造充水含水層富水性和封堵導(dǎo)水通道,地面定向注漿在巖溶陷落柱上部建造“堵水塞”切斷深部奧灰補(bǔ)給水源通道,地面綜合注漿工藝和技術(shù)在充水巷道建立“阻水墻”等,這些成套的配合注漿技術(shù)實(shí)施的快速定向鉆進(jìn)及分支造孔技術(shù)、不同工藝和方法的地面與井下注漿技術(shù)、各種注漿堵水效果評判方法和準(zhǔn)則等,為礦井水害預(yù)防與治理提供了強(qiáng)大的技術(shù)保障。(3)綜合機(jī)械化充填采煤技術(shù)。該技術(shù)利用煤壁、支架和充填體對直接頂?shù)牟婚g斷接力支護(hù),限制直接頂變形,使直接頂轉(zhuǎn)變?yōu)榛卷?改變了礦山壓力巖梁傳遞作用巖層,控制了礦壓顯現(xiàn),穩(wěn)定了煤層頂?shù)装搴畬咏Y(jié)構(gòu),從而達(dá)到了預(yù)防控制煤層頂?shù)装逅Φ哪康?。此?綜合機(jī)械化充填采煤技術(shù)在控制地表沉降、消除礦井地面矸石山、杜絕采空區(qū)瓦斯積聚、根除煤層自然發(fā)火隱患和減少礦山環(huán)境地質(zhì)問題等方面,也具有重要的意義。(4)大功率、高揚(yáng)程、大流量礦用潛水電泵技術(shù)。過去一直依賴于進(jìn)口的礦用潛水電泵由于價(jià)格高昂等原因,有限數(shù)量的進(jìn)口潛水電泵一直只能應(yīng)用于突(透)水事故發(fā)生后應(yīng)急搶險(xiǎn)救援的排水,但隨著我國科學(xué)技術(shù)進(jìn)步,具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大功率、高揚(yáng)程、大流量潛水電泵技術(shù)已逐漸成熟,大量物美價(jià)廉、性價(jià)比高的國產(chǎn)礦用潛水電泵為我國礦山水害預(yù)防與治理的普遍使用提供了物質(zhì)保障,為圓滿解決水文地質(zhì)條件復(fù)雜和極復(fù)雜礦井井底車場周圍設(shè)置防水閘門困難與國家原來剛性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的相互沖突難題提供了技術(shù)支撐,為確實(shí)不具備建設(shè)防水閘門條件的水文地質(zhì)條件復(fù)雜、極復(fù)雜礦井提供了一個(gè)替代技術(shù)的選擇。2小型隱蔽性致災(zāi)通道的水害探測和防治技術(shù)應(yīng)用技術(shù)(1)礦井防治水基礎(chǔ)工作薄弱,水文地質(zhì)調(diào)查和勘探程度偏低,嚴(yán)重滯后礦井建設(shè)速度和生產(chǎn)強(qiáng)度。礦井防治水必備的基礎(chǔ)資料、圖紙和臺帳不健全,礦井及周邊廢棄關(guān)閉小煤礦的古空與采空區(qū)范圍不準(zhǔn),積水區(qū)域不明,充水水文地質(zhì)條件不清,充水含水層水文地質(zhì)參數(shù)缺乏,致災(zāi)通道特別是隱蔽致災(zāi)通道不明,制定的防治水措施缺乏針對性,水害預(yù)測預(yù)報(bào)與水患排查治理制度不落實(shí),水害隱患心中無數(shù)。(2)礦井突水機(jī)理認(rèn)識不足,缺乏大型相似材料物理再現(xiàn)實(shí)境模擬。隨著采深加大和下組煤大規(guī)模開發(fā),高地應(yīng)力、高水溫、高水壓和高瓦斯壓力等“四高”問題逐漸顯現(xiàn),影響礦井突水因素隨之增多,突水類型呈復(fù)雜多樣化特征,延遲滯后突水或離層水突水等淺部少見的突水現(xiàn)象逐漸增多。研究方法過分依賴數(shù)學(xué)模擬,忽視了物理模擬,缺乏從多因素、多場耦合和多種模擬手段等方面開展綜合研究。(3)相對落后的探測和防治水技術(shù)手段未能完全滿足高強(qiáng)度快速采掘工程和生產(chǎn)的要求,特別是小型隱蔽性致災(zāi)通道的超前精細(xì)探測定位技術(shù)與裝備有待進(jìn)一步提高。小型隱蔽性致災(zāi)通道是指無明顯地表或井下出露和顯現(xiàn)特征、發(fā)育于巖層內(nèi)部規(guī)模有限的地質(zhì)構(gòu)造,主要包括自然的隱伏斷層、裂隙密集帶、局部構(gòu)造破碎帶、巖溶陷落柱、巖溶塌落洞和人為的冒裂帶、抽冒帶、切冒帶、封閉不良鉆孔等,他們是溝通礦井充水水源與其采掘工程之間水力聯(lián)系的主要導(dǎo)水通道。近年來,煤礦的采深、采高和采掘工作面尺度均在不斷加大,井巷工程掘進(jìn)和工作面回采速度不斷提高,水害誘發(fā)條件、形成機(jī)理以及威脅程度都在發(fā)生變化。然而,針對復(fù)雜的水文地質(zhì)背景、大尺度的采掘工程和高強(qiáng)度的生產(chǎn)要求,我國目前的水害探測和防治水技術(shù)手段以及小型隱蔽性致災(zāi)通道的超前精細(xì)探測定位技術(shù)與裝備仍無法完全滿足工程實(shí)踐要求,缺乏對水情的高精度實(shí)時(shí)探測預(yù)報(bào)和水害的有效監(jiān)測預(yù)警,現(xiàn)代高新技術(shù)在煤礦水害探測和防治方面應(yīng)用有待提高,許多探測和防治技術(shù)問題未能得到根本解決。(4)尚未形成一套完整有效的老空區(qū)和積水老空區(qū)探測與定位技術(shù)方法體系。老空水害是老空區(qū)積水突入礦坑造成的災(zāi)害,是近年來我國煤礦發(fā)生重特大水害事故的主要類型。老空水害的發(fā)生主要是老空區(qū)的防水煤(巖)柱被采掘工程擾動破壞后不足以抵抗老空積水水壓所致。破壞原因:一是積水老空區(qū)位置和底界面標(biāo)高不準(zhǔn),積水范圍不清,水位和水量不知,又不做有效的超前探放水工作,采掘時(shí)誤入積水老空區(qū)所致;二是開采積水老空區(qū)煤柱,許多資源枯竭煤礦以開采廢棄煤柱延長礦井服務(wù)年限,開采時(shí)對其相鄰煤礦的積水老空區(qū)位置不清,缺乏有效監(jiān)測和保護(hù)措施,釀成透水災(zāi)害。因此,老空區(qū)和積水老空區(qū)成套有效探查、定位技術(shù)方法的研究與開發(fā)意義重大。(5)采煤、控水、保生態(tài)3者優(yōu)化結(jié)合的管理理論和成套技術(shù)方法尚未建立與形成。我國西北和華北型煤田西部早中侏羅紀(jì)煤田地處干旱半干旱氣候區(qū),年降水量僅有250~450mm,自然生態(tài)環(huán)境十分脆弱,該地區(qū)煤層厚,埋藏淺,地質(zhì)構(gòu)造條件相對簡單,大采高條件下的控水、保地質(zhì)環(huán)境、保生態(tài)系統(tǒng)的“一控、二保”約束壓力非常大;我國中東部礦區(qū)受底板奧灰承壓巖溶裂隙水威脅嚴(yán)重,水壓大,富水性強(qiáng),導(dǎo)水通道隱蔽復(fù)雜,底板突水時(shí)有發(fā)生,另外,淺部和上組煤開采遺留的資料不清的大量采空積水區(qū),也是威脅我國中東部礦區(qū)安全生產(chǎn)的重大危險(xiǎn)源隱患。因此,如何破解煤礦區(qū)采煤、控水、保生態(tài)3者之間的尖銳矛盾與沖突問題?如何實(shí)施煤礦區(qū)地下水控制、利用、生態(tài)環(huán)保3者優(yōu)化結(jié)合?變水害為水利,變廢為寶。(6)專業(yè)技術(shù)人員短缺,人才培養(yǎng)與培訓(xùn)缺乏組織和長期規(guī)劃,科技治水能力不足,煤炭企業(yè)的產(chǎn)、學(xué)、研、用結(jié)合程度不夠,缺少防治水專項(xiàng)資金支撐。目前,煤礦地質(zhì)、水文地質(zhì)和測量等一線專業(yè)技術(shù)人才嚴(yán)重匱乏,特別是大學(xué)本科以上高端學(xué)術(shù)人才更為缺乏。從業(yè)人員技術(shù)培訓(xùn)無長期規(guī)劃,已有知識嚴(yán)重過期老化,缺乏新知識、新方法和新技術(shù)的不斷更新,科學(xué)技術(shù)研究資金有限且研發(fā)水平低,研發(fā)能力不足。由于從業(yè)人員防治水整體素質(zhì)和專業(yè)知識有限,許多井下突水預(yù)兆信息甚至明顯的突水預(yù)兆信息無法及時(shí)捕捉并加以準(zhǔn)確判識,違章指揮和違規(guī)施工現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,釀造了許多本應(yīng)該可以避免的水害事故。3地下水開采帶的地質(zhì)特征及技術(shù)研發(fā)(1)完善精細(xì)智能化的煤礦安全高效開采地質(zhì)保障系統(tǒng)研發(fā)。煤礦地質(zhì)安全保障系統(tǒng)應(yīng)包括兩大部分,即生產(chǎn)地質(zhì)保障子系統(tǒng)和安全地質(zhì)保障子系統(tǒng)。無論礦井生產(chǎn)還是安全,基礎(chǔ)地質(zhì)保障系統(tǒng)是先決條件?；A(chǔ)地質(zhì)保障是一個(gè)宏大的系統(tǒng)工程,主要包括水文地質(zhì)調(diào)查與勘探、水情與水害的預(yù)測預(yù)報(bào)、地質(zhì)構(gòu)造特別是隱蔽性致災(zāi)地質(zhì)構(gòu)造和充水含水層富水性的高精度精細(xì)綜合探測定位技術(shù)與裝備、礦井水害快速有效治理和搶險(xiǎn)救援的鉆探施工技術(shù)與裝備、礦井充水水文地質(zhì)條件和采動效應(yīng)的動態(tài)監(jiān)測與預(yù)警等內(nèi)容,他們是一個(gè)有機(jī)結(jié)合的整體,需要根據(jù)大系統(tǒng)工程理論和方法開展研究,是保障煤礦安全生產(chǎn)的重大基礎(chǔ)科學(xué)問題。(2)深部和下組煤開采條件下礦井水害防治基礎(chǔ)理論與技術(shù)方法。隨著我國東部礦區(qū)淺部和上組煤煤炭資源逐漸枯竭、西部豐富煤炭資源因受交通運(yùn)輸和脆弱生態(tài)環(huán)境約束等外部條件限制,加大中、東部礦區(qū)深部和下組煤煤炭資源開發(fā)和生產(chǎn)強(qiáng)度,是滿足我國國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對能源需求的必然選擇。可以預(yù)計(jì),在未來20年我國東部礦區(qū)許多礦井將逐步開采1000~1500m深度的煤炭資源。因此,應(yīng)深入開展:深部和下組煤開采條件下的煤層賦存規(guī)律、高地應(yīng)力、高水壓、高水溫和高瓦斯壓力的“四高”特征與分布規(guī)律,以及深部巖石在“四高”環(huán)境下的力學(xué)行為演化特征,充水水文地質(zhì)條件補(bǔ)充勘探、深部巖溶水補(bǔ)、徑、排特征和底板巖溶水突出機(jī)理、采動巖體裂隙動態(tài)演化規(guī)律、深部礦井突水動力災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理和觸發(fā)條件、經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行的深部隱伏地質(zhì)構(gòu)造精細(xì)探測定位技術(shù)與方法、煤炭資源開發(fā)的多種地質(zhì)災(zāi)害耦合互饋鏈?zhǔn)椒磻?yīng)效應(yīng)、突水災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)理論和治理技術(shù)及監(jiān)測監(jiān)控預(yù)警方法等。(3)加強(qiáng)“煤-水”雙資源型礦井建設(shè)和開發(fā)理論與技術(shù)研究,以及“控水采煤”核心技術(shù)研發(fā)。我國大水礦區(qū)普遍面臨一個(gè)采煤(排水)、控水(供水)、生態(tài)環(huán)保3者之間的矛盾與沖突問題,“煤-水”雙資源型礦井建設(shè)和“控水采煤”技術(shù)研發(fā)是解決3者矛盾與沖突問題的有效方法和具體途徑。該方法核心支撐技術(shù)主要包括:①對于具備可疏性礦井,亦采用礦井排水、供水、生態(tài)環(huán)?！叭灰惑w”優(yōu)化結(jié)合方法。排水措施可以實(shí)施地面排水,也可井下放水,有時(shí)可2者相互結(jié)合,井下放水最好采用清污分流的排水系統(tǒng),這樣可大大減少礦井水的處理成本。②對于可疏性差礦井,亦采用礦井地下水控制、利用、生態(tài)環(huán)?！叭灰惑w”優(yōu)化結(jié)合方法。地下水控制措施包括:煤層底板注漿加固與含水層改造;注漿封堵導(dǎo)水通道;改變走向長壁采煤方法,實(shí)施諸如充填開采法或房柱式開采法等,優(yōu)化開采工藝;在第四系強(qiáng)富水含水層下對煤層覆巖實(shí)施局部輕微爆破松散,抑制斷裂帶發(fā)育高度;局部限制采用對煤層頂?shù)装鍞_動破壞大的一次性采全高或放頂煤等開采工藝;應(yīng)用“三圖法”對研究區(qū)實(shí)施開采適宜性評價(jià),進(jìn)行開采適宜性分區(qū),圈定不宜開采地段;建立地面淺排水源地,預(yù)先截取補(bǔ)給礦井的地下水流;預(yù)先疏排諸如強(qiáng)徑流帶等地下水強(qiáng)富水地段等。在對補(bǔ)給礦坑地下水實(shí)施最大限度控制、最大限度減小礦井涌水量的基礎(chǔ)上,將有限的礦井排水分質(zhì)處理后最大化加以利用。通過對礦井水實(shí)施有效控制與利用,保護(hù)了礦區(qū)地下水資源,防止了地下水水位大幅下降,避免了礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和地質(zhì)環(huán)境的惡化,維護(hù)了礦區(qū)原始生態(tài)地質(zhì)環(huán)境。③對于具備回灌條件的礦井,可采用礦井水控制、處理、利用、回灌、生態(tài)環(huán)?！拔逦灰惑w”優(yōu)化結(jié)合模式和方法,首先通過采取各種防治水的有效措施后,將有限的礦井水進(jìn)行井下和地面的水質(zhì)處理,最大限度地在井下生產(chǎn)環(huán)節(jié)和地面供水環(huán)節(jié)利用礦井水,最后剩余的礦井水經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后回灌地下,達(dá)到礦井水在地面的零排放目標(biāo),實(shí)現(xiàn)我國煤炭資源開發(fā)與水資源和生態(tài)環(huán)境保護(hù)統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的最終目標(biāo)。④管理層面的組織協(xié)調(diào)。由于“三位一體”或“五位一體”優(yōu)化結(jié)合系統(tǒng)涉及礦山、水務(wù)、環(huán)保3個(gè)相互獨(dú)立的不同部門,如能使3者實(shí)施無縫有效的成功結(jié)合,不同層次的政府出面組織協(xié)調(diào)三部門相互關(guān)系是非常重要的保障。(4)“煤-水-氣-熱”多資源型礦井建設(shè)與開發(fā)理論與技術(shù)。我國相當(dāng)一部分煤礦同時(shí)遭受水害、氣害(瓦斯)、熱害等災(zāi)害的威脅,礦井開發(fā)過程中,不僅面臨煤層頂?shù)装搴屠峡諈^(qū)積水突(透)水問題,而且瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出和高水溫、高巖(煤)溫等災(zāi)害難題也同時(shí)并存,特別位于地?zé)岙惓Ш蜕畈块_采的礦井,三大災(zāi)害問題同時(shí)并存。因此,針對這類涌水量大、瓦斯豐富、地溫高的礦井,在煤炭資源安全、高效、綠色、健康地開發(fā)過程中,將傳統(tǒng)被認(rèn)為災(zāi)害源的礦井水、瓦斯、地溫能實(shí)施預(yù)先抽放或采用地源熱泵等技術(shù)加以綜合利用,將其作為煤炭資源開發(fā)過程中的共伴生資源加以開發(fā),應(yīng)用大系統(tǒng)工程理論,使煤炭資源開發(fā)與水、氣、熱資源化利用作為一個(gè)完整系統(tǒng)加以綜合研究,建設(shè)“煤-水-氣-熱”多資源型礦井,是現(xiàn)代煤炭工業(yè)實(shí)現(xiàn)和諧可持續(xù)發(fā)展的必然途徑。(5)進(jìn)一步加強(qiáng)廢棄礦井閉坑管理機(jī)制與可操作措施研究?？紤]到大量關(guān)閉廢棄礦井對周圍環(huán)境造成的不穩(wěn)定影響和對周圍礦井生產(chǎn)形成的重大安全隱患,特別是廢棄積水礦井,已構(gòu)成對周圍煤礦安全生產(chǎn)的嚴(yán)重威脅,近年來已發(fā)生了多起嚴(yán)重的重特大透水事故。據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局統(tǒng)計(jì)資料,2006年共發(fā)生水害事故99起,其中一次死亡人數(shù)超過3人以上的45起水害事故均為老空透水事故。為了從根本上解決這個(gè)問題,《煤礦防治水規(guī)定》第18條對廢棄礦井應(yīng)當(dāng)提交閉坑報(bào)告和報(bào)告內(nèi)容等做了專門規(guī)定。但由于歷史原因,過去已遺留的廢棄礦井無法提交正規(guī)閉坑報(bào)告,只能根據(jù)后期需花費(fèi)大量人力、物力和資金的專門勘探和評估等工作來彌補(bǔ);但現(xiàn)在應(yīng)該是立即采取管理變革措施的時(shí)刻了,絕不允許把現(xiàn)在正在廢棄的礦井和采空區(qū)、特別是積水礦井和采空區(qū)在不編制任何正規(guī)閉坑報(bào)告情況下不負(fù)責(zé)任地遺留下來,堅(jiān)決防止并杜絕把廢棄礦井的類似問題留給我們的子孫后代。(6)大采高綜合機(jī)械化采煤或一次性采全高放頂煤開采條件下的頂板超高導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ш偷装宄畹V壓擾動破壞帶的預(yù)測評價(jià)理論和現(xiàn)場實(shí)測技術(shù)方法研究。從20世紀(jì)90年代開始,我國大部分大型煤礦陸續(xù)采用大采高綜合機(jī)械化采煤或一次性采全高放頂煤開采方法實(shí)施回采,這些采煤方法在創(chuàng)建高產(chǎn)高效礦井的同時(shí)也帶來了新的水文地質(zhì)問題,這就是超高頂板冒裂帶高度和超深底板礦壓破壞深度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)分層開采所造成的高度和深度,使得在傳統(tǒng)開采誘發(fā)的擾動破壞帶以外、對礦井安全生產(chǎn)本不構(gòu)成威脅的頂?shù)装宄渌崔D(zhuǎn)變?yōu)椴蓜悠茐膸?nèi),對煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成了充水威脅。這些采煤方法所誘發(fā)的煤層頂、底板異常擾動破壞帶增加了采掘工程觸及煤層頂、底板含水層或老空水或地表水體的概率,增大了礦井突水的可能。因此,大采高綜合機(jī)械化采煤或一次性采全高放頂煤開采條件下的頂?shù)装瀹惓_動破壞帶完全有別于分層開采情況,需要從基礎(chǔ)理論和現(xiàn)場實(shí)測技術(shù)兩個(gè)方面開展深入研究。(7)礦井正常排水系統(tǒng)的潛水電泵研發(fā)技術(shù)。由于潛水電泵具有地面可控制和泵房淹沒后仍能正常工作等諸多優(yōu)點(diǎn),高揚(yáng)程大流量潛水電泵已在我國煤礦使用。但由于缺少長期穩(wěn)定運(yùn)行的工程實(shí)踐,目前主要用于礦井短期抗災(zāi)強(qiáng)排或應(yīng)急搶險(xiǎn)救援使用,在礦井正常排水系統(tǒng)中應(yīng)用極少。對于水文地質(zhì)條件復(fù)雜或極復(fù)雜、涌水量大、有突水危險(xiǎn)的礦井,特別是采用傳統(tǒng)的吸入式礦用多級離心水泵不能滿足吸水高度或泵站硐室溫度不能滿足要求或泵站噪聲超標(biāo)等情況下,研發(fā)應(yīng)用于礦井正常排水系統(tǒng)的潛水電泵設(shè)備和配套裝備意義重大。(8)鉆物探無縫一體化的采掘工作面隨鉆超前探放水技術(shù)研究。井下采掘工作面超前探放水一般主要采用鉆探和地球物理勘探兩種手段,他們各有優(yōu)缺點(diǎn)。鉆探手段優(yōu)點(diǎn)是直觀明了,只要鉆孔觸及到含水體,即可探明其確切位置并實(shí)施放水,達(dá)到超前探放水目的;但其缺點(diǎn)是一孔之見,控制范圍有限,存在勘探盲區(qū),所需工期長,投資大,即如觸及不到含水體,僅僅證明在直徑細(xì)小探放水鉆孔位置不存在含水體,如想探測清楚采掘工作面整個(gè)范圍的含水體分布,必須設(shè)計(jì)多個(gè)鉆孔。地球物理勘探手段的缺點(diǎn)是多解,探測精度受探測范圍增大急速下降(體積效應(yīng)),受探測環(huán)境影響大,無論何種方法均存在這些問題;優(yōu)點(diǎn)是在較小投資情況下能快速對整個(gè)采掘工作面大范圍實(shí)施超前探測,且在探測范圍較小情況下,其精度較好。鑒于上述優(yōu)缺點(diǎn)分析,目前井下通常采用先物探后鉆探驗(yàn)證的探放水方案,但二者的結(jié)合是屬于一種有縫的配合,無法達(dá)到真正意義上的鉆物探無縫一體化探測。近些年來所研發(fā)的先鉆探后物探的鉆物探一體化探測技術(shù)是真正意義上的無縫結(jié)合,這些技術(shù)充分吸收了二者各自優(yōu)點(diǎn),克服了各自不足,在鉆探完成后或過程中實(shí)施隨鉆物探探測,將其物探探頭置于鉆孔內(nèi),探頭的網(wǎng)口通過網(wǎng)線電纜與現(xiàn)場主機(jī)網(wǎng)口相連接。這種鉆物探無縫一體化隨鉆超前探測方法目前主要包括鉆孔激發(fā)極化法和鉆孔電磁波層析成像法等。(9)具有采動變形和突(透)水潛勢監(jiān)測功能于一體的礦井水害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系研發(fā)。突(透)水災(zāi)害的發(fā)生必須同時(shí)存在3個(gè)條件,即補(bǔ)給水源、導(dǎo)水通道并具有一定強(qiáng)度,如缺少任一條件,均不可能發(fā)生。目前微震監(jiān)測技術(shù)雖然能夠?qū)?dǎo)水通道在采動變形過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)、面狀、高精度定位和三維展示與分析,可以確定通道類型、通道時(shí)空位置和變形尺度等,但他本身無法探測并判斷采動過程中不斷變形的通道是否充水或含水,即微震自身無法監(jiān)測并預(yù)警突(透)水潛勢。因?yàn)椴蓜幼冃卧俅?如無水源補(bǔ)給,也不會導(dǎo)致突(透)災(zāi)害。中煤科工集團(tuán)西安研究院研發(fā)的基于光纖光柵通信技術(shù)的多參數(shù)(應(yīng)變、水壓、水溫)煤層底板突水監(jiān)測系統(tǒng),目前雖然不但能夠監(jiān)測采動變形,而且可通過監(jiān)測水壓和水溫來探測判斷是否充水,但多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)只能進(jìn)行點(diǎn)監(jiān)測,無法覆蓋整個(gè)工作面。因此,研發(fā)同時(shí)能夠面狀監(jiān)測采動變形和充水含水兩大特征的礦井水害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系,是今后水害監(jiān)測預(yù)警領(lǐng)域的另一個(gè)重要研發(fā)方向。