煤矿水害防治科技发展对策.docx
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煤矿水害防治科技发展对策
煤矿水害防治科技发展对策
（2014）
国家安全监管总局
国家煤矿安监局
2014年11月
一、我国煤矿水害及防治技术现状
1.1煤矿水害现状
1.1.1我国煤矿水害的分区特征
根据我国聚煤区的不同水文地质特征和自然地理条件，以及矿井水对生产的危害程度，可将全国煤矿水害划分为6个水害区，见图1-1。
（1）华北石炭二叠纪岩溶—裂隙水水害区
主要分布在河北、山东、山西、河南、陕西、江苏、安徽等省份。
煤矿突水较频繁，涌水量大或特大（1000～123180m3/h），水害主要致灾因素包括奥灰水、断层、陷落柱等。
（2）华南晚二叠世岩溶水水害区
位于我国淮阳古陆以南、川滇古陆以东的长江流域，包括苏南、皖南、江西、湖南、广东、广西、贵州、云南、四川等。
煤矿突水频繁，突水量大（2700～27000m3/h），容易造成淹井，矿井正常涌水量大（3000～8000m3/h）。
水害主要致灾因素包括岩溶水（岩溶管道）、地表水等。
（3）东北侏罗纪煤田裂隙水水害区
位于东北和内蒙古东部的新华夏系巨型沉降带内。
煤矿受山间谷地河流地表水和第四系松散层水影响严重。
水害主要致灾因素包括煤层顶板水和导水裂缝带等。
（4）西北侏罗纪煤田裂隙水水害区
位于昆仑—秦岭构造带以北，包括新疆、青海、甘肃、宁夏、陕西北部和内蒙古西南部广大地区。
该区顶板水害突出，第四系水害较严重。
水害主要致灾因素包括煤层顶板水和导水裂缝带等。
图1-1我国煤矿水害分布特征图
图中：
1.华北石炭二叠纪岩溶—裂隙水水害区；2.华南晚二叠世岩溶水水害区；
3.东北侏罗纪煤田裂隙水水害区；4.西北侏罗纪煤田裂隙水水害区；
5.西藏—滇西中生代煤田裂隙水水害区；6.台湾古近纪煤田裂隙—孔隙水水害区。
（5）西藏—滇西中生代煤田裂隙水水害区
该区主要分布在昆仑山以南，西昌—昆明以西的广大区域。
该区主要聚煤期为晚三叠世和早白垩世。
该区属于湿润—亚湿润气候区，年降雨量为300～600mm的地区约占55%，年降雨量为800～1000mm的地区约占35%，年降雨量为1000～2000mm的地区约占10%。
区内煤矿的特点是开采规模小，受水害威胁尚不严重。
（6）台湾古近纪煤田裂隙—孔隙水水害区
该区主要分布在台湾省区域。
该区属于湿润气候区，年降雨量为1800～4000mm的地区约占95%以上。
区内煤矿的特点是开采规模小，受水害威胁尚不严重。
综上所述，我国煤矿水害主要分布在华南、华北、东北和西北4大区域，据统计，近5年发生的水害事故均在上述4大区域见表1-1。
表1-1我国主要水害区近5年发生的水害事故及死亡人数统计表
年份
华北水害区
华南水害区
东北水害区
西北水害区
水害事故起数
死亡人数
水害事故起数
死亡人数
水害事故起数
死亡人数
水害事故起数
死亡人数
2009年
4
6
36
118
7
42
0
0
2010年
8
60
23
65
3
44
4
55
2011年
6
30
24
108
11
40
3
14
2012年
5
34
10
37
6
47
3
4
2013年
5
28
11
32
2
22
3
7
合计
28
158
104
360
29
195
13
80
1.1.2我国煤矿水害的主要类型
我国煤矿地质条件复杂，煤矿突水与地质构造、采矿活动、地应力、地下水水力特征等因素有关。
水害类型，按水源划分可以分为：
地表水、孔隙水、裂隙水、岩溶水、老空水；按导水通道划分可以分为：
断层水、裂隙水、陷落柱水、钻孔水；按与煤层的相对位置划分可以分为：
顶板水、底板水。
1.1.3我国煤矿的水文地质类型
截至2012年6月30日，全国共有11504个矿井开展了水文地质类型划分。
其中极复杂型矿井78个，占总数的0.68%；复杂型矿井827个，占7.19%；中等型矿井4141个，占36%；简单型矿井6458个，占56.14%，见图1-2。
图1-2全国11504个矿井水文地质类型划分结果对比图
水文地质类型复杂、极复杂煤矿共有905个，主要分布在：
山西、黑龙江、安徽、山东、河南、湖南、重庆、四川、贵州、甘肃、河北、陕西、江西等地区，见图1-3。
这些地区常发生重特大透水事故，是煤矿水害防治工作重点监管监察的地区（注：
由于尚未对各矿井上报的水文地质类型划分结果开展复审工作，部分矿井的划分结果可能不完全符实，有待进一步审核确认）。
图1-3我国各省份矿井水文地质类型为复杂、极复杂煤矿数量分布图
1.1.4我国大水煤矿分布特征
大水煤矿指矿井正常涌水量超过1000m3/h的煤矿。
根据国家煤矿安监局2012年统计资料，全国共有61个大水煤矿。
其中井工矿涌水量最大的是陕西的锦界煤矿，正常涌水量为4900m3/h，最大涌水量为5499m3/h；露天矿涌水量最大的是内蒙古元宝山煤矿，正常涌水量为11250m3/h，最大涌水量为12500m3/h。
全国各省份大水煤矿统计数据见表1-2和图1-4。
可以看出，全国大水煤矿主要集中在河南、河北、山东、内蒙古、黑龙江等地区，水害类型主要为老空水、岩溶水、地表水、顶板水等。
表1-2全国各省份大水煤矿统计数据一览表
地区
大水矿井数量（个）
矿井涌水量（m3/h）
主要水害类型
正常涌水量
最大涌水量
河北
11
1050～1999
1348～2550
岩溶水、老空水、构造水
山西
2
1400～1800
1500～2000
岩溶水、老空水、顶板水
内蒙
6
1140～11250
1358～12500
岩溶水、地表水、裂隙水
辽宁
1
1015
1134
老空水、顶板水
黑龙江
5
1034～2300
1540～2811
老空水、顶板水、地表水
江苏
1
1200
1500
岩溶水、老空水
安徽
1
1000
1157
岩溶水、老空水、地表水
江西
1
1000
6870
岩溶水、老空水、地表水
山东
7
1001～2045
1560～2700
岩溶水、老空水、地表水
河南
18
1033～4500
1057～5940
岩溶水、老空水、地表水
广西
2
1500～1860
1800～11500
岩溶水、老空水、地表水
四川
3
1270～1810
1763～3000
岩溶水、老空水
陕西
3
1050～4900
1200～5499
顶板水、老空水、地表水
注：
1.大水煤矿指矿井正常涌水量超过1000m3/h的煤矿。
2.随着煤矿生产条件的变化，其矿井涌水量大小也在不断变化，表中各省份大水煤矿的数量为2012年统计结果，仅供参考，各个煤矿具体涌水量数据以实时观测结果为准。
图1-4全国各省份大水煤矿数量对比图
1.1.5近年来煤矿水害事故特征
近年来水害事故特征主要表现在以下几个方面：
一是重大事故仍然多发，甚至出现反弹。
2011年，全国煤矿发生水害事故44起，同比上升15.8%。
其中较大水害事故16起，死亡78人，同比分别上升23.1%和30%。
2013年，全国煤矿共发生水害事故21起，死亡89人。
较大水害事故10起，死亡47人。
重大水害事故2起，死亡28人。
2009~2013年事故起数和死亡人数对比情况见图1-5。
图1-52009~2013年水害事故起数和死亡人数对比图
二是较大以上事故所占比例大。
2012年较大水害事故占全国煤矿较大事故总数的11.3%；重大水害事故占全国煤矿重大事故总数的31.3%；2013年较大事故占全国煤矿较大事故总数的21.7%，重大水害事故占全国煤矿重大事故总数的14.3%。
三是老空水、灰岩水和地表水为主要水害水源。
近5年来，63起较大水害事故中，老空水58起，占92%；灰岩水3起，占4.8%；地表水2起，占3.2%。
23起重大事故中，老空水18起，占78.3%；灰岩水2起，占8.7%，地表水3起，占13%，见表1-3、图1-6和图1-7。
表1-3近5年水害事故水源情况表
年份
较大事故
重大以上事故
老空水
灰岩水
地表水（洪水、河流溃水等）
老空水
灰岩水
地表水（洪水、河流溃水等）
2009年
14
1
1
3
1
0
2010年
12
1
0
4
1
1
2011年
15
1
0
5
0
1
2012年
8
0
0
4
0
1
2013年
9
0
1
2
0
0
合计
58
3
2
18
2
3
图1-6近5年较大水害事故水源统计柱形图
图1-7近5年重大以上水害事故水源统计柱形图
四是乡镇煤矿水害事故最为严重。
近5年来全国煤矿发生水害事故按所有制统计情况见表1-4、图1-8和图1-9。
表1-4近5年来全国煤矿发生水害事故按所有制统计表
年份
国有重点煤矿
国有地方煤矿
乡镇煤矿
起数
人数
起数
人数
起数
人数
2009年
2
2
5
12
40
152
2010年
7
82
5
12
26
130
2011年
8
30
4
6
32
156
2012年
3
8
3
23
18
91
2013年
6
37
4
12
11
40
合计
26
159
21
65
127
569
图1-8近5年全国煤矿发生水害事故数量按所有制对比图
图1-9近5年全国煤矿水害事故死亡人数按所有制对比图
五是掘进工作面为主要透水部位。
近5年来，较大透水事故和重大及以上透水事故中，在掘进工作面发生的事故数分别占总数的63.49%和69.57%。
相关统计情况见表1-5，图1-10，图1-11，图1-12和图1-13。
表1-5近5年来水害事故发生部位统计表
年份
较大事故矿井
重大及以上事故矿井
掘进工作面
采煤工作面
其他
掘进工作面
采煤工作面
其他
2009年
10
1
5
3
1
0
2010年
9
1
3
5
0
1
2011年
9
5
2
4
1
1
2012年
6
1
1
3
2
0
2013年
6
3
1
1
1
0
合计
40
11
12
16
5
2
图1-10近5年来全国煤矿较大透水事故发生部位分布图
图1-11近5年来全国煤矿重大及以上透水事故发生部位分布图
图1-12近5年全国煤矿较大透水事故发生部位对比图
图1-13近5年全国煤矿重大及以上透水事故发生部位对比图
1.2煤矿水害防治技术现状
煤矿水害防治技术分为预防与治理两个方面。
水害预防技术包括探测、预测、监测技术等，其中探测技术手段有物探、钻探、化探等;水害治理技术是根据具体的矿井水文地质条件和水害类型与特点，通过专门的水害防治设备和工程，对水害进行治理的技术方法。
1.2.1煤矿水害防治探测技术与装备发展现状
（1）物探技术与装备
目前，地面物探技术手段包括二维和三维地震勘探、瞬变电磁法、高密度电法、直流电法、可控源音频大地电磁测深、地质雷达、瑞利波和孔间透视等，其中：
三维地震勘探是煤矿隐伏地质构造、不良地质体探查的最佳手段，地面瞬变电磁法在探测地下含水低阻地质体方面具有独特优势，如充水采空区、含水陷落柱等。
井下物探技术手段包括无线电波透视、瞬变电磁法、直流电法，高密度电法、便携式探水CT、地质雷达、音频电透视等电磁波探测技术以及槽波地震、MSP（矿井地震）、微震监测、瑞利波勘探、多分量地震探测等弹性波探测技术。
上述方法手段中，直流电法、瞬变电磁法、地质雷达法、瑞利波勘探、矿井地震探测技术与装备的应用较广。
（2）钻探技术与装备
用于煤矿水害防治的钻探技术包括井下和地面两种类型，使用的钻探技术有常规回转钻进和定向钻进技术。
近年来取得较大进展的钻探技术有精确定位与造斜分支钻探技术、井下长距离近水平定向钻探技术、地面大口径定向钻探技术等。
定向钻进技术以先进的随钻测控技术为依托，可对钻孔轨迹进行实时测量和精确控制，使钻孔在目的层位延伸或精确中靶。
（3）化探技术与装备
水文地球化学探测技术是矿井水害防治工作中的一种重要手段，在矿井突水水源判别方面效果显著，是一种快速、经济、实用的方法。
多年来的理论研究和实践表明，水化学和同位素方法是探查地下水成因、赋存条件、分布特征、运移规律等的重要方法。
常规水化学分析主要从离子含量、矿化度、硬度、碱度、pH值、Eh值等进行分析。
利用离子含量分析可以大概得出地下水的运移情况、水交替强度、水力联系强弱等。
除了常规水化学分析外，应用同位素理论与方法可以解决许多有关地下水的渗流问题，如：
测定地下水年龄，研究地下水起源、形成与分布规律，示踪地下水的运动，测定水文地质参数，研究地下水化学组分的来源。
目前应用最多的环境同位素有2H、3H、18O以及13C、14C等。
1.2.2煤矿水害预测技术发展现状
目前煤矿水害预测技术主要包括矿井涌水量预测和顶、底板突水预测。
矿井涌水量预测计算方法主要有经验公式法、解析法、数值法、人工智能法，其中经验公式法、解析法、数值法在现场实际工作中应用较为广泛。
常用突水预测方法包括：
顶板透水“三图—双预测”法、底板突水“脆弱性指数”法、“突水系数”法、“五图—双系数”法等。
1.2.3煤矿水害监测预警技术与装备发展现状
突水监测工作是实现水体上或水体下安全采煤的前提条件。
根据监测环境不同，顶板或底板水的监测可分为地面监测和井下监测；根据监测对象不同，可分为地下水动态监测和突水监测；根据监测条件不同，可分为自然条件下监测和采矿条件下监测。
在国内，已开发了一系列突水监测数据采集系统、数据处理技术和相关软件。
此外，在监测方法上，提出了监测中间指示层地下水位方法、实时监测含水层富水性物探方法；在监测指标上，常用的预警指标有水量、水压、水温、水质和视电阻率等。
1.2.4煤矿水害治理技术与装备发展现状
煤矿水害治理技术可分为水害隐患治理技术和灾后治理技术两个方面。
其中，应用较广的隐患治理技术包括煤层底板注浆加固与改造技术、井筒预注浆技术、构造预注浆技术及帷幕注浆技术等；近年来取得较大发展的灾后治理技术有灾害治理前期的导水通道综合物探探查技术、导水通道定向导斜与分支钻探技术，以及后期的巷道阻水墙和陷落柱止水塞建造技术。
1.2.5煤矿水害应急救援技术与装备发展现状
近年来，国内水害应急救援技术的发展主要集中在大型潜水泵追排水技术、快速钻进技术、大口径救援钻孔技术、快速注浆封堵救援技术、突水水源快速检测与识别技术等。
国外水害应急救援技术优势主要在救援孔作业方面，有美国雪姆T系列车载移动钻机、阿特拉斯公司的RD系列钻机、宝峨公司的RB系列钻机和土力公司的G系列钻机等。
我国中煤科工集团西安研究院现已研制出与国外钻机功能接近的应急救援钻机。
二、我国煤矿水害防治存在的主要问题
2.1煤矿水害防治基础理论存在的主要问题
2.1.1老空水害隐患探查的地球物理基础研究不足
目前，针对不同深度、不同尺寸、冒落或未冒落、充水或未充水等不同赋存状态的老空区，其地球物理特征的基础研究严重不足；对于老空区地球物理探测技术与装备的有效探测距离、探测精度等，理论分析、数值模拟、物理模拟以及实物验证等基础研究均严重滞后。
2.1.2深部煤层底板突水机理认识和研究不足
随着煤矿向深部延伸开采，煤矿开采的水文地质条件变得越来越复杂，水害隐患越来越严重，以往对煤层底板突水机理的认识已不能满足深部煤层开采水害防治工作的需求。
2.1.3顶板含水层透水机理认识和研究不足
西北侏罗纪煤田裂隙水水害区位于干旱半干旱气候区，但是在干旱少雨的情况下一些矿井却水害不断，时常发生水害事故。
说明对顶板含水层透水机理认识和研究不足，需要进一步强化顶板含水层透水机理的研究，为西北侏罗纪煤田的安全高效开采提供可靠的理论基础。
2.2现有煤矿水害防治技术与装备存在的主要问题
2.2.1探测技术与装备存在的主要问题
（1）物探技术与装备
井下物探技术尽管现有技术与装备种类繁多，但是由于煤矿井下特有的非半空间、非全空间条件下物探技术的基础理论研究比较薄弱，且煤矿井下存在较为严重的电磁干扰环境等，导致煤矿井下电磁法勘探存在多解性、漏报率与误报率偏高等问题。
地面物探技术受探测距离、地形影响等，探测精度相对较低。
例如，三维地震技术可以查明落差大于5m的断层、长轴直径30m以上的陷落柱、老窑采空区的范围，但该技术受地质条件的制约较大，随着探测深度增加其探测精度相应降低，对小型陷落柱、小断层、采掘巷道等探测精度仍然不够；地面瞬变电磁技术由于受地形影响大、深度定位精度低以及低阻屏蔽等问题的存在，同样难以实现对小型陷落柱、奥灰顶部富水性等精确探测。
（2）探放水技术与装备
探放水技术与装备方面，无论是常规回转钻进技术与装备，还是近年来发展较快的定向钻进技术与装备，都存在高水压含水层钻进困难、坚硬地层钻进效率低、松软破碎地层无法成孔以及探测目标层控制范围小等问题。
（3）化探技术与装备
水化学探查技术近年来在水质数据分析和水源快速判别理论方面取得了一定的进展，但部分矿区尚未建立充水水源水化学特征数据库，无法满足突水水源快速判别的需求。
此外，利用常规水化学分析方法对某些类型突水水源判别仍存在较大偏差。
2.2.2监测预警技术与装备存在的主要问题
煤矿水害监测监控技术在数据采集系统、数据处理技术、可视化技术等方面仍然面临一些技术难题。
如：
突水监测预警阈值难以确定；老空透水、隐伏导水陷落柱、断层突水等重大突水灾害在掘进、回采过程中难以精确监测等。
2.2.3治理技术与装备存在的主要问题
注浆封堵技术在煤矿突水事故的抢险救灾及突水点治理过程中发挥了至关重要的作用。
然而，目前对动水条件下浆液的扩散与固结规律研究不足，对不同水动力条件下的注浆堵水工艺尚缺乏系统的实验研究。
2.2.4应急救援技术与装备存在的主要问题
目前地面大直径救援钻孔快速施工技术及配套钻具与救援装备需进一步发展完善，对突水水源的现场快速检测与识别技术装备还需进一步推广应用。
此外，地面与井下被困人员之间的通信问题尚未有效解决。
2.3平台建设存在的主要问题
平台建设是推进煤矿水害防治技术创新及专业资源社会共享的重要基础。
然而，目前尚未成立由国家安全监管总局授权、国内水害防治专业机构承担（或牵头）的煤矿水害防治工程技术中心，缺乏从矿井、矿业集团、驻地煤矿安监机构到国家煤矿安监局的水害综合信息管理平台，在水害防治国家重点实验室和工程示范基地建设方面还存在不足。
2.4煤矿水害防治管理工作存在的主要问题
2.4.1部分煤矿企业重视程度不够，水害防治安全投入不足
部分煤矿企业存在着“重生产轻安全”的现象，没有把煤矿安全发展摆到应有高度，对煤矿水患抱有侥幸心理，对国家煤矿水害防治工作部署贯彻落实不力，对非生产性投入积极性不高，缺乏有效的煤矿水害防治的投入保障机制。
据统计，全国有水害的煤炭企业共设立水害防治专业机构10559个，仍有945个未设水害防治专业机构。
其中，广西、陕西的水害防治专业机构不到70%。
全国水害防治专业机构设立情况见图2-1。
图2-1我国各省份水害防治专业机构设立情况对比图
全国煤炭企业装备探放水钻机共有23828台，平均每个矿井约2台。
其中北京、河北、山西和江苏等地，每个矿井配备钻机超过4台；广西、甘肃等地平均每个矿井不到1台，全国探放水钻机配置情况见图2-2。
此外，在物探及化探装备方面，目前仅有部分大中型煤矿配备。
由于装备数量不足，无法保障安全需要。
图2-2我国各省份探放水钻机配置情况对比图
2.4.2煤矿企业水害防治专业人员不足
煤矿水害防治工作是理论、技术和实践性很强的工作，要求从业人员具有一定理论知识和熟悉水害防治技能，还要有丰富的地质实践知识和较强的实践经验。
因此，专业人才的培养周期较长，同时受煤炭地质勘查、煤矿生产现场条件艰苦、收入待遇低等因素影响，吸引不了人才、留不住人才，造成了专业技术人才严重不足的尴尬状况。
据统计，全国现有水害防治专业技术人员共18748名，平均每个矿井1.63名。
其中，辽宁、湖北、广西地区每个矿井平均不到1人（见图2-3），远远满足不了煤矿水害防治工作的需要。
图2-3我国各省份煤矿专业水害防治人员配备情况
另外，全国现有持证探放水工共42181名，平均每个矿井有3.67名。
其中，福建、江西、湖北、湖南、四川、云南、甘肃、青海、新疆及新疆生产建设兵团平均每矿不到2名（见图2-4）。
图2-4我国各省份煤矿持证探放水工配备情况
三、我国煤矿水害防治科技发展对策
3.1我国煤矿水害防治总体发展思路
煤矿水害防治应坚持“安全第一，预防为主，综合治理”的方针，按照“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”的水害防治原则，认真落实“防、堵、疏、排、截”综合治理措施。
紧扣“两个”煤矿水害防治重点，加强“两类”水害防治技术的推广与研发，采取“四项”煤矿水害防治科技发展对策，为实现煤矿安全形势持续、稳定好转奠定坚实的科技基础。
3.2我国煤矿水害防治科技发展对策
3.2.1紧扣“两个”煤矿水害防治重点
一是以老空水、灰岩水突（透）水水源为防治重点；二是以垂向导水断层和陷落柱突水通道为防治重点。
要在全面加强水害防治工作的基础上，有针对性地加强老空水、灰岩水、断层水和陷落柱水害的探查、监测、预测及治理研究。
老空水、灰岩水突水水源，导水断层、陷落柱突水通道，均属隐蔽致灾因素。
必须对受水害威胁严重的煤矿开展隐蔽致灾因素普查，有针对性地制定水害防治措施，并将防治措施报当地煤监机构审查备案，督促落实。
针对以上“两个”煤矿水害防治重点。
老空水可采取的防治措施包括老空区调查和探查、积水量估算、老空水疏放、防隔水煤（岩）柱留设、防水闸墙设置等。
灰岩水可采取的防治措施包括灰岩水文地质条件多手段综合探查与试验、带（水）压开采、防隔水煤（岩）柱留设、底板隔水层加固或含水层改造等。
导水断层可采取的防治措施包括多手段综合探查、超前预注浆、防隔水煤（岩）柱留设等。
导水陷落柱可采取的防治措施包括多手段综合探查、中间指示层放水试验探查、超前预注浆、防隔水煤（岩）柱留设等。
3.2.2加强“两类”水害防治技术的推广与研发
一是推广现有先进成熟的水害防治技术与装备，全面提升矿井水害防治能力（见表3-1，表3-2）；二是加强水害防治亟需技术的研究，引领技术与装备的发展方向（见表3-3）。
表3-14大主要水害区可推广的成熟水害防治技术与装备一览表
水害区
主要水害问题
可推广应用的成熟技术
可推广应用的成熟装备
华北石炭二叠系岩溶—裂隙水水害区
奥灰水、断层、陷落柱
三维地震勘探技术
ARISE数字地震勘探仪；408、428系列地震仪；GeovecteurPlus地震数据处理系统
地面及井下电法勘探技术
TerraTEM瞬变电磁仪；YD32（A）矿用高分辨直流电法仪；YTS625矿用本安型探水CT
地面及井下超前钻探与注浆技术
美国雪姆T130XD、T200XD系列车载钻机；MDY-60型全液压车载钻机；ZDY系列探放水钻机；多功能注浆站
水文地质条件综合探查与带压开采配套技术
突水水
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