謝世平 楊柱 羅舸旋子3

（1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室；3.湖南省礦山地質(zhì)災(zāi)害防治與環(huán)境再造工程技術(shù)研究中心）

水害是金屬礦山建設(shè)生產(chǎn)過程中的主要安全災(zāi)害之一，其破壞性大，突發(fā)性強(qiáng)，往往導(dǎo)致大量的人員傷亡，給人民生命和國家財產(chǎn)造成無法挽回的損失，開展金屬礦山水害監(jiān)測預(yù)警研究是保障礦山安全的一項重要任務(wù)。隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)，以及現(xiàn)代化儀器和監(jiān)測手段的快速發(fā)展，礦山水害監(jiān)測預(yù)警也得到不斷地創(chuàng)新與升級［1］。

目前礦山水害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)主要在煤礦應(yīng)用居多，監(jiān)測方法也比較多［2-8］，已成為煤礦水害防治的重要手段之一［9］。而金屬礦山水害監(jiān)測預(yù)警研究較少，已有的監(jiān)測系統(tǒng)也主要針對鉆孔水位、礦坑排水量以及水倉水位等參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，且大多數(shù)還不具備對礦山突水危險預(yù)測預(yù)報的功能，無法滿足礦山安全生產(chǎn)的需求。本文簡要分析了金屬礦山的水害形成因素，對目前金屬礦山水害監(jiān)測預(yù)警的研究應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)和評述，并結(jié)合煤礦領(lǐng)域已成功應(yīng)用的水害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，探討了金屬礦山水害監(jiān)測預(yù)警的發(fā)展趨勢，旨在推廣應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)，也為開發(fā)適用于金屬礦山水害監(jiān)測預(yù)警的新方法提供思路。

1 水害形成因素分析

礦山水害的形成主要有3個重要因素，即突水水源、突水通道和突水強(qiáng)度。其中，突水水源是礦山水害發(fā)生的根源。但只有水源也未必會發(fā)生水害，還需要有突水通道，如果對突水通道進(jìn)行封堵或采取其他措施，使突水水源無法進(jìn)入礦坑，那么也不會發(fā)生突水事故。即使同時具備了突水水源和突水通道，而突水強(qiáng)度較小，礦山自身的排水能力足夠，那么也不會發(fā)生水害事故；如果突水強(qiáng)度超過了礦山的排水能力，則會造成水害事故，嚴(yán)重時甚至?xí)蜎]整個礦坑，從而導(dǎo)致人員傷亡和財產(chǎn)損失［10］。

從大水金屬礦床的賦存條件分析，其突水水源一般為頂、底板承壓含水層，部分埋藏較淺的礦山在采動影響下可能波及到地表水體。存在老空區(qū)的礦山還有老窿突水的風(fēng)險，此時老空區(qū)也為突水水源之一。金屬礦床的突水通道多為巖溶、斷層或破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造，某種情況下老空區(qū)或是封閉不良的鉆孔等也可以作為人工突水通道溝通含水層或是地表水體。因此，從金屬礦山的充水因素分析，主要存在頂?shù)装逋凰?dǎo)水構(gòu)造突水、老空區(qū)突水和不良鉆孔突水等。

頂板突水［7］是一個多因素、非線性的巖體力學(xué)作用過程，與礦山采動覆巖移動破壞規(guī)律密切相關(guān)，覆巖移動破壞規(guī)律是頂板突水機(jī)理研究的基礎(chǔ)及關(guān)鍵，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了較為深入的研究，并取得可喜的成果。

導(dǎo)水構(gòu)造突水主要為礦床范圍內(nèi)發(fā)育的巖溶、斷層、破碎帶等導(dǎo)水構(gòu)造或者原始狀態(tài)下的非導(dǎo)水構(gòu)造，在采動影響下發(fā)生突水，即構(gòu)造活化。大量工程實(shí)例也表明：在原始地質(zhì)條件下，構(gòu)造與含水層直接溝通，構(gòu)成導(dǎo)水通道的突水事故比例較??；大多數(shù)是原始地質(zhì)條件下的非導(dǎo)水構(gòu)造，在采動影響下通過活化，轉(zhuǎn)化為導(dǎo)水性構(gòu)造發(fā)生突水［11］。國內(nèi)外許多專家、學(xué)者主要對斷層的突水機(jī)理展開了大量研究，從斷層的發(fā)育特征、空間位置，以及從力學(xué)機(jī)理等方面分析斷層的突水判據(jù)［12］。還有其他一些學(xué)者運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計、相似模擬等方法對斷層等導(dǎo)水構(gòu)造影響下的水害機(jī)理進(jìn)行了研究。

封閉不良鉆孔作為一種重要的人工導(dǎo)水通道，由于其規(guī)模小，隱蔽性強(qiáng)，并沒有引起足夠的重視，常引發(fā)突水事故。目前對封閉不良鉆孔突水的研究，主要集中在其安全性評估方法、管理信息系統(tǒng)設(shè)計、可視化探測方法以及涌水量預(yù)測及治理技術(shù)，對其突水機(jī)理的研究不多，劉德民等［13］利用摩爾庫侖理論和厚壁圓筒理論建立了封閉不良鉆孔側(cè)壁突水力學(xué)模型，求出了突水判據(jù)。

老空區(qū)作為主要的人工導(dǎo)水通道及突水水源，對礦山生產(chǎn)安全威脅巨大，其水害事故多為突然發(fā)生，且瞬時水量大，具強(qiáng)大破壞力，在水量大、水壓高、工作面位置低時常造成傷亡事故，是礦山水害中造成傷亡事故最多的水害［7］。國內(nèi)外學(xué)者通過理論分析及經(jīng)驗計算，在其突水機(jī)理方面取得了較多的研究成果。

2 水害監(jiān)測預(yù)警研究現(xiàn)狀

2.1 水害監(jiān)測指標(biāo)

根據(jù)礦山水害形成因素分析，要達(dá)到對水害有效的監(jiān)測預(yù)警，主要是對與礦坑突水水源、突水通道與突水強(qiáng)度3 個主要因素相關(guān)的指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)目前國內(nèi)外礦山監(jiān)測指標(biāo)體系研究現(xiàn)狀［14］，監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)常用的監(jiān)測指標(biāo)主要包括水溫、水位、水壓、水化學(xué)、流量、巖石力學(xué)（應(yīng)力、應(yīng)變、微震等）、視電阻率等。其中，針對突水水源的監(jiān)測主要有水位、水溫、水化學(xué)等指標(biāo)；突水通道的監(jiān)測主要有水壓、巖石力學(xué)、視電阻率等指標(biāo)；突水強(qiáng)度的監(jiān)測主要有涌水量等指標(biāo)。

目前金屬礦山已有的水害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)［15-19］主要對水溫、水位、水化學(xué)、涌水量和電磁波等指標(biāo)展開了監(jiān)測技術(shù)研究，通過各單指標(biāo)監(jiān)測情況，然后對礦山水害風(fēng)險進(jìn)行綜合分析判斷。其中，水溫、水位、水化學(xué)、涌水量等傳統(tǒng)監(jiān)測指標(biāo)，已具備成熟的監(jiān)測技術(shù)，也是目前應(yīng)用最為廣泛的反映礦山地下水特征的基本因素。近年來，地球物理方法逐步被應(yīng)用于礦山水害監(jiān)測領(lǐng)域，有效地提高了捕捉突水活動本質(zhì)信息和感知遠(yuǎn)區(qū)突水活動的能力。黃采倫等［15］通過大量的試驗發(fā)現(xiàn)，地下水流動系統(tǒng)大部分在地磁場作用下切割磁力線形成地下磁流體，在其周圍形成感應(yīng)電磁場，且通過連續(xù)不斷地磁場干擾形成向地面發(fā)射的特殊電磁波；該電磁波在穿過不同巖層、裂隙時包含不同的特征信息。地下磁流體在地磁場中持續(xù)運(yùn)動反饋到地面的電磁波是動態(tài)信息，而固體礦產(chǎn)及巖層反饋到地面的物理量是靜態(tài)信息；這就從理論上解決了區(qū)別地下水與固態(tài)地質(zhì)體的機(jī)理。

2.2 水害監(jiān)測預(yù)警模型

礦山水害研究工作者針對煤礦水害致災(zāi)機(jī)理及評價模型開展了大量的工作，而對金屬礦山水害預(yù)測評價理論研究不多。中南大學(xué)王益?zhèn)サ龋?6］通過開展大水礦山地下水環(huán)境系統(tǒng)失效致災(zāi)機(jī)理研究，建立了大水礦山地下水致災(zāi)評價指標(biāo)模型。評價體系共分為3個層次，概括了組成大水礦山地下水系統(tǒng)的孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體和致災(zāi)因子。分別采用模糊層次分析法和遺傳投影尋蹤聚類算法建立了大水礦山地下水致災(zāi)可能性評價模型。實(shí)際應(yīng)用表明，2 種模型均能有效實(shí)現(xiàn)對大水礦山地下水致災(zāi)可能等級的分析評價，遺傳投影尋蹤聚類模型分類結(jié)果離散性強(qiáng)，評價等級清晰，模糊層次分析模型分類結(jié)果離散性相對較弱，結(jié)果趨于均值化。因此遺傳投影尋蹤聚類模型在評價中確定等級上具有優(yōu)勢，以此建立的水害評價模型可用于水害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，通過對各致災(zāi)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，利用評價模型進(jìn)行地下水害致災(zāi)可能性評價，從而實(shí)現(xiàn)礦山水害的預(yù)警功能。

2.3 水害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

王寧濤［17-18］以福建省龍巖市馬坑鐵礦為對象，依據(jù)礦區(qū)現(xiàn)有水文地質(zhì)資料，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)分析，以數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為核心，利用現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)手段和方法，建立了馬坑鐵礦“礦區(qū)地下水監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)”，提出了系統(tǒng)構(gòu)架和建設(shè)思路，并結(jié)合軟件工程理論，詳細(xì)闡述了對水文氣象數(shù)據(jù)的監(jiān)測，并著重探討了地下水水位突變的監(jiān)測和預(yù)警工作的方法和技術(shù)。該系統(tǒng)可以根據(jù)不同時間的生產(chǎn)狀況，設(shè)定各地下水監(jiān)測站的水位突變預(yù)警域值，可在一定程度上滿足礦山水害監(jiān)測預(yù)警需要。

廣東省凡口鉛鋅礦礦區(qū)帷幕截流工程建成后，地下水流場發(fā)生了根本變化，開采帷幕附近的礦體時，面臨幕外高水頭區(qū)的安全風(fēng)險。為及時掌握地下水動態(tài)，預(yù)防突水事故，礦山開發(fā)了地下水自動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)［19］。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集傳輸、數(shù)據(jù)處理分析、地下水動態(tài)預(yù)警和三維可視化4 個部分組成。其中，地下水監(jiān)測預(yù)警主要通過降雨量、鉆孔水位、地下水水質(zhì)、井下巷道及水倉流量等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與自動統(tǒng)計，并實(shí)現(xiàn)各參數(shù)的自動聯(lián)動分析與處理，對災(zāi)害的發(fā)生提前進(jìn)行預(yù)防、判斷；然后通過設(shè)定各指標(biāo)參數(shù)的預(yù)警閾值，實(shí)現(xiàn)礦山突水預(yù)警。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了礦山水害多指標(biāo)參數(shù)的同時預(yù)警，提升了金屬礦山的地下水防治監(jiān)測水平。

張海龍等［20］應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)射頻識別技術(shù)（RFID），研發(fā)物聯(lián)網(wǎng)井下涌水智能監(jiān)測報警平臺，在已有測流堰的基礎(chǔ)上，通過選擇并設(shè)置合適的傳感器，監(jiān)測測流偃的水頭高度、水倉的水位高度，自動識別水的溫度、毒性、酸堿度、鐵的氧化物或硫化礦物化學(xué)成分，以及周圍的有害氣體等屬性，創(chuàng)建水位高度、流速、監(jiān)測點(diǎn)位置、監(jiān)測點(diǎn)周圍水信號的毒性、化學(xué)成分、有害氣體等數(shù)據(jù)庫，并對其所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，然后通過報警子網(wǎng)絡(luò)設(shè)置合理的報警設(shè)計值，使該系統(tǒng)平臺可以達(dá)到對井下涌水量的全天候?qū)崟r監(jiān)測預(yù)警。

黃采倫［15］團(tuán)隊利用地下水通過地下磁流體產(chǎn)生不同的電磁波的原理，研發(fā)了一套包含信號探測、地下磁流體信息提取與轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理三部分的礦區(qū)水害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，通過探針接收地球內(nèi)部向地表發(fā)射的電磁波，應(yīng)用現(xiàn)代信號分析處理等技術(shù)提取地下水動態(tài)信息、裂隙信息，有效解決礦區(qū)導(dǎo)水?dāng)鄬印⒗峡諈^(qū)的探測和定性定量分析問題，也為礦區(qū)水害的監(jiān)測預(yù)警提供了一種可靠的新方法。湖南省黃沙坪鉛鋅礦利用該礦區(qū)水害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，開展了礦區(qū)采空區(qū)的監(jiān)測，主要是根據(jù)礦區(qū)的地質(zhì)條件，在礦區(qū)內(nèi)布置多條測線進(jìn)行探測，所得數(shù)據(jù)可以反映測線間地下水動態(tài)信息及地質(zhì)體物性變化，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，在監(jiān)測采空區(qū)的同時也監(jiān)測地下水的分布情況，取得了較好的效果。

3 水害監(jiān)測預(yù)警研究展望

3.1 水害機(jī)理深入研究

我國礦山水害研究領(lǐng)域科研工作者，在煤礦水害機(jī)理研究過程中，取得了較多的成果，諸如華北型煤田底板奧灰?guī)r突水機(jī)理［7］、煤礦頂板離層水害形成機(jī)制［21］、構(gòu)造突水機(jī)理等。目前金屬礦山水害分析主要還是借鑒上述突水理論研究成果，但在應(yīng)用過程中，還是因圍巖條件、礦體賦存形態(tài)、礦床主要充水層等多方面條件存在差異，影響水害評價效果。因此，有必要在已有礦山水害機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合金屬礦山自身的水文、工程地質(zhì)特征，針對礦床頂板含水層、斷裂構(gòu)造、采礦活動等導(dǎo)致的水害開展致災(zāi)機(jī)理深入研究，也可為后續(xù)建立水害監(jiān)測指標(biāo)體系，構(gòu)建水害監(jiān)測預(yù)警模型提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。

3.2 水害監(jiān)測預(yù)警模型研究

水害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的主要目的是對未知可能發(fā)生的突水水害進(jìn)行預(yù)警預(yù)報，礦山突水災(zāi)害的監(jiān)測不能只針對涌水量、水位、水壓力等表象特征，需在研究突水的本質(zhì)機(jī)制和前兆規(guī)律以及巖層破壞導(dǎo)水通道的形成基礎(chǔ)上，加強(qiáng)突水過程中巖層應(yīng)力、應(yīng)變以及巖層破壞微震活動等相關(guān)規(guī)律及定位的監(jiān)測分析。因此，有必要在原有監(jiān)測指標(biāo)的基礎(chǔ)上開發(fā)確認(rèn)其他與礦山水害有密切影響的指標(biāo)因素，并確定各新指標(biāo)的影響閾值，構(gòu)建更加全面與完善的金屬礦山水害指標(biāo)評價體系，結(jié)合礦山水害評價模型研究，建立多指標(biāo)動態(tài)預(yù)警模型。

3.3 新方法、新設(shè)備的研究與應(yīng)用

由于金屬礦山水害監(jiān)測預(yù)警理論相關(guān)研究不足，目前已采用的水害監(jiān)測方法也相對較少，監(jiān)測設(shè)備也相對簡單。因此，有必要利用滲流耦合力學(xué)理論方法、物探、5G網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)與人工智能等經(jīng)典理論或新技術(shù)，開展礦山水害監(jiān)測新方法、新設(shè)備的研究應(yīng)用。例如在煤礦水害監(jiān)測領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的微震監(jiān)測技術(shù)，在金屬礦山主要用來開展地下巖石應(yīng)力監(jiān)測，今后可以考慮利用其已有的應(yīng)用經(jīng)驗，結(jié)合金屬礦山水害與巖層破壞微震活動之間的相關(guān)規(guī)律，開發(fā)出適用的水害監(jiān)測預(yù)警新方法，或通過適用性研究，實(shí)現(xiàn)其在金屬礦山的有效應(yīng)用。此外，還可以利用智能感知技術(shù)，推動水害監(jiān)測方法的創(chuàng)新。隨著機(jī)器人觀測與控制、智能化信息處理與管理、智能水害監(jiān)測預(yù)警專家系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，礦山水害的數(shù)據(jù)采集、處理與分析手段也將更加安全、豐富、準(zhǔn)確、高效，礦山水害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)也將逐步向智能化快速發(fā)展。