尹尚先 ，徐 斌 ，尹慧超 ，曹 敏 ，丁瑩瑩 ，梁滿玉

（1.華北科技學(xué)院 河北省礦井災(zāi)害防治重點實驗室, 北京 101601；2.防災(zāi)科技學(xué)院 信息工程學(xué)院, 河北 廊坊 065201）

0 引 言

水具有兩面性，既能載舟，也能覆舟。相對于礦井水害，應(yīng)有礦井水利。在采礦的過程中，由于礦井水給安全開采帶來威脅，因此，受到了格外的重視。而在保障正常開采活動中，發(fā)揮水資源的自然屬性方面[1]，水還具有有利的一面，卻往往被忽視。所以在礦產(chǎn)開發(fā)領(lǐng)域，重點關(guān)注礦井水害，兼顧礦井水利。這與地面水文水資源領(lǐng)域常常所謂的水利形成了鮮明的對照。同樣是趨利避害，但在采礦和水文水資源兩個領(lǐng)域，關(guān)注點不同，同樣是水，一個為“害”另一個卻是“利”。事實上，礦井水的兩面性完全可以統(tǒng)一起來[2]。比如，礦井水綜合利用[3]、疏排供（疏水-排水-供水）一體化[4-5]、礦井水回灌[6]、綠色開采[7]、保水采煤[8]、地下水庫[9]、煤水共采[10]等。

礦井水防治是一門注重實踐和效果的學(xué)科。采礦需要應(yīng)對各種水害的挑戰(zhàn)，促進了水害防治技術(shù)的進步和發(fā)展。技術(shù)進步反過來推動理論的完善。目前，礦井水防治學(xué)科基礎(chǔ)薄弱，架構(gòu)尚未建立，體系尚未完善，內(nèi)涵并不清晰，亟待發(fā)展與創(chuàng)新。未來，完善的礦井水防治學(xué)科，為礦井水對采礦工程的威脅與水資源自然屬性的協(xié)調(diào)一致提供支撐，造福人類。

1 基本概念

1.1 礦井水及礦井水系統(tǒng)

對煤炭資源開發(fā)有影響的水資源統(tǒng)稱為礦井水。影響包括直接影響和間接影響。大多數(shù)教材或者文獻將礦井水定義為：采礦過程中涌入礦井巷道的水稱為礦井水[11]，或因采掘活動影響而匯入礦井的水。事實上，僅把匯入或涌入礦井的水視為礦井水是一種狹義理解。廣義理解，礦井水不僅指為采礦而匯入礦井的水，而受采掘活動影響且與礦井涌入關(guān)聯(lián)的各種水（體），大氣降水、地表水、地下水以及采空區(qū)水，作為礦井水的源，均可稱之為礦井水，這對于理解掌握礦井水的演化及行為特征更為重要。由此看來，礦井水可能涉及一個或者數(shù)個地表水流域及地下水泉域（系統(tǒng)）。

若將礦井水視為一個完整系統(tǒng)[12]，那么它應(yīng)該是與采礦活動相互互動耦合的那部分水文系統(tǒng)，可以與水文系統(tǒng)（大氣降水、地表水和地下水系統(tǒng)）并行或交叉，為復(fù)雜系統(tǒng)（圖1）。該系統(tǒng)的輸出，以涌水形式表現(xiàn)；系統(tǒng)輸入統(tǒng)一源于大氣降水或地表水補給；從水源補給到涌水排泄，系統(tǒng)完全可以跨越幾個水文系統(tǒng)或地下水系統(tǒng)；系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是瞬態(tài)流體穿越靜態(tài)地質(zhì)體的復(fù)雜耦合體；系統(tǒng)的運行，是采礦活動對系統(tǒng)的動態(tài)激發(fā)，系統(tǒng)以涌水形式表現(xiàn)出來的響應(yīng)。所以，只有以系統(tǒng)觀點廣義看待礦井水，才能深層次掌握理解其運行規(guī)律。

礦井水系統(tǒng)不同于自然狀態(tài)下的水文系統(tǒng)[12]。由于受到采礦擾動，巖體介質(zhì)和滲流場發(fā)生了重大變化，系統(tǒng)的內(nèi)涵外延、特征與運行機制，與天然系統(tǒng)完全不同。雖然部分仍可勉強沿用滲流基本理論，比如大井法預(yù)測礦井涌水量，通常宏觀地將垮落帶及裂隙帶的地下水滲流視為達西流態(tài)，事實上，其滲流規(guī)律已遠遠超出達西定律的范疇，是否可以用本構(gòu)關(guān)系來描述其規(guī)律都值得商榷。由此看出，水文系統(tǒng)是內(nèi)部結(jié)構(gòu)保持天然狀態(tài)的系統(tǒng)，而礦井水系統(tǒng)則不同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)由原巖狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴傻V擾動破壞狀態(tài)，為內(nèi)部介質(zhì)結(jié)構(gòu)時變系統(tǒng)，比自然系統(tǒng)復(fù)雜得多。

1.2 礦井充水和礦井水害及類型

1）礦井充水條件。來自不同水源的水經(jīng)過一定通道向采掘空間運移的過程稱之為充水；充水水源與導(dǎo)水通道、充水程度（數(shù)量）三者有機結(jié)合構(gòu)成礦井充水條件，稱為充水三要素[13]。

存在一定儲量的水（體）為充水的必要條件，而適當(dāng)?shù)膸r體結(jié)構(gòu)（地質(zhì)環(huán)境）為充水的充分條件。

2）突水、透水、潰水、涌水。①適當(dāng)?shù)牡刭|(zhì)環(huán)境條件，在一定時間內(nèi)潰入地下構(gòu)筑物內(nèi)一定水量并對礦井生產(chǎn)造成一定影響的突發(fā)事件（過程），稱之為突水；一定時間內(nèi)一定量以下的，對生產(chǎn)、生命、財產(chǎn)等不造成重大損失的出水過程，稱之為涌水。根據(jù)《煤礦防治水細則》[14]，水量小于30 m3/h 的為涌水，大于等于30 m3/h 即為突水；突水還可以細分為小、中等、大和特大突水點。②一般情況下，突水、透水及潰水的區(qū)別[15]，突水是指含水層水的突然涌出；透水是指老空水的突然涌出；潰水是指具有一定靜儲量的水體在水壓作用下煤巖壁潰決形成大量水的突然涌出。

3）礦井水害及類型。凡影響生產(chǎn)、威脅采掘工作面或礦井安全，增加噸煤成本，造成人員傷亡或財產(chǎn)損失的礦井水，均稱為礦井水害。

關(guān)于水害類型，不論是《煤礦防治水細則》[14]附錄三的10 種類型，還是“三區(qū)”管理辦法[16]中的5類重點水害類型，是混合分類，并未按照分類方法進行規(guī)范，規(guī)范的分類應(yīng)按照不同的影響因素或者表現(xiàn)特征等進行分類[17]。比如，按照構(gòu)造影響來分，斷層水，陷落柱水；按照含水層性質(zhì)分，可分為孔隙水、裂隙水和巖溶水；按照涌水部位分，可分為頂板水、底板水；按照水源來分，分為大氣降水、地表水、地下水、老空水；按照涌水通道分，有構(gòu)造水、裂隙帶水、鉆孔水；按照涌水量大小分，小、中、大、特大突（涌）水。當(dāng)然也可以按照涌水特征劃分為瞬間爆發(fā)、沖高回落、多峰周期、滯后型等；還可以將上述分類組合，形成復(fù)合類型，如底板陷落柱水，頂板砂巖裂隙水，特大型構(gòu)造水，等等。

從實用角度，5 類重點水害類型劃分較為合理，分別為地表水、頂板水（包含離層水）、底板水、老空水及構(gòu)造水[16]。當(dāng)然簡化為頂板水、底板水和老空水，更簡單明了。

1.3 礦井水防治

礦井防治水（Mine Water Management，prevention of Mine Water），為防止和治理地表水和地下水流入礦井、巷道、采區(qū)危害采礦工作所采取的措施，是1996 年公布的煤炭科學(xué)技術(shù)名詞[18]，屬于應(yīng)用學(xué)科，細分煤炭科技（一級學(xué)科）中煤礦安全（二級學(xué)科）的礦山災(zāi)害（三級學(xué)科）。

礦井防治水雖為規(guī)范用語，但筆者認(rèn)為并不科學(xué)，有口語或俗語之嫌。“礦井”作為主語，并不具備主體行為能力，它不能“防治”（謂語）“水”（賓語）；而如果用“礦井水防治”替代 “礦井防治水”，可能更科學(xué)合理，“礦井水”為名詞，其“防治”，不論從意思還是語言結(jié)構(gòu)，更容易為大同行或外行接受。所以，本文采用“礦井水防治”，或者“礦井水害防治”，可以簡稱“防治水”。

從學(xué)科分類來看，礦井水防治屬于學(xué)科方向。在國家基金委的學(xué)科體系中[19]，從礦業(yè)工程中的安全問題來理解，將防治水領(lǐng)域的研究放在了煤礦安全，防滅火（突水），以突水代替了礦井水防治；如果從地質(zhì)學(xué)大類申報，就要選擇水文地質(zhì)和水化學(xué)。從研究生培養(yǎng)體系即學(xué)科體系來看[20]，屬于地質(zhì)資源與地質(zhì)工程一級學(xué)科的礦井水害防治方向，或者礦業(yè)工程一級學(xué)科中煤礦安全的 “三下一上”采煤等方向；從本科的理工科專業(yè)來看[21]，水文地質(zhì)或者礦床水文地質(zhì)最為接近，現(xiàn)行的地質(zhì)工程專業(yè)涵蓋了防治水方向；但在煤礦的專業(yè)分工中，防治水與“一通三防”并列為安全技術(shù)，作為煤礦重大災(zāi)害中的一類災(zāi)害類型進行管理。

礦井水防治是以地學(xué)為基礎(chǔ)，研究開采過程中水文及水文地質(zhì)問題的一門學(xué)問，地質(zhì)學(xué)是基礎(chǔ)，采礦是目的，解決水文地質(zhì)問題是目標(biāo)。地質(zhì)學(xué)關(guān)注的是相對靜態(tài)的地質(zhì)體；水文地質(zhì)學(xué)所研究的，是流體在地質(zhì)體當(dāng)中的運動規(guī)律，其關(guān)注的是瞬態(tài)時變的流體在相對靜態(tài)的地質(zhì)介質(zhì)當(dāng)中的運移規(guī)律；而礦井水防治關(guān)注的不僅是靜態(tài)的地質(zhì)體和瞬態(tài)的流體，而且還要考慮動態(tài)的采礦活動對地質(zhì)體和流體的影響。由于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境、流體瞬態(tài)不均一以及開采動態(tài)擾動的多因素非線性不確定性耦合作用，使其具有偶發(fā)性、突發(fā)性及時變性等特點。

綜上所述，礦井水防治雖然主要依托水文地質(zhì)學(xué)，但它不同于傳統(tǒng)的地質(zhì)科學(xué)，是以地質(zhì)學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、水文學(xué)和采礦技術(shù)等為基礎(chǔ)的交叉科學(xué)。

2 礦井水防治學(xué)科發(fā)展簡史

新舊世紀(jì)交替之際，煤炭行業(yè)發(fā)生了深刻變化，強勁的能源需求以及科技進步的強力支撐，催生了煤炭開采技術(shù)的變革性突破，以綜采及綜采放頂煤為代表的整套技術(shù)，促進了煤炭產(chǎn)能的釋放，迎來了新世紀(jì)煤炭黃金十年高速發(fā)展期。因此，以2000 年為界，煤炭科技發(fā)展分為兩個大的階段。

在此大背景下，礦井水防治學(xué)科發(fā)展也相應(yīng)經(jīng)歷了這兩大階段。20 世紀(jì)，煤炭開發(fā)集中在華北和華南石炭二疊紀(jì)煤田以及東北侏羅白堊紀(jì)煤田，且以淺部開采為主，主要水害類型為老空水、地表水，以及底板灰?guī)r承壓水；進入21 世紀(jì)，隨著煤炭開發(fā)戰(zhàn)略向西部轉(zhuǎn)移以及向深部轉(zhuǎn)移，水害類型轉(zhuǎn)變?yōu)轫敯逅透叱袎旱装逅?，同時，大量出現(xiàn)離層水。

2.1 起步發(fā)展期

20 世紀(jì)的防治水學(xué)科，又可以分為3 個階段：起步階段、停滯階段、基本技術(shù)初步形成及推廣應(yīng)用階段。

1）起步階段。新中國成立初期，“一五”“二五”是我國煤炭工業(yè)的起步期，煤炭部和地礦部相繼成立專業(yè)研究機構(gòu)，高校院系調(diào)整，煤炭及地質(zhì)等行業(yè)院校獨立辦學(xué)，為煤炭開發(fā)奠定了人才及科技支撐基礎(chǔ)。這一階段，初步涉及了老空水、地表水防治的研究，催生了中國固體礦床水文地質(zhì)分類[22]等一批標(biāo)志性成果。此時煤礦水害事故低位頻發(fā)期，特重大水害事故時有發(fā)生。

2）停滯階段。20 世紀(jì)六七十年代，前期發(fā)展勢頭良好，標(biāo)志性事件，如1964 年焦作礦區(qū)水文地質(zhì)會戰(zhàn)[23]，提出了“突水系數(shù)”法，水文物探化探方法豐富了勘探手段；1962 年，地質(zhì)部與煤炭工業(yè)部制定了《礦區(qū)水文地質(zhì)工作規(guī)范》（暫行）（第一分冊 煤及油頁巖）。后期受大躍進和文革影響，剛有起色的煤炭工業(yè)受到?jīng)_擊，煤礦管理混亂、亂采濫挖、設(shè)備失修，煤炭科技事業(yè)受到重創(chuàng)，法規(guī)形同虛設(shè)，管理混亂，事故多發(fā)頻發(fā)。

3）基本體系初步形成及推廣應(yīng)用階段。20 世紀(jì)八九十年代以來，改革開放，煤炭工業(yè)重新步入正軌，重新確立“安全第一”的方針，科技日新月異，《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》《煤礦防治水條例》《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》等法規(guī)[15]相繼出臺，底板加固、頂板和采空疏放水開始示范應(yīng)用，豐富完善了防治水技術(shù)手段，基本體系初步成型。后期受“有水快流”政策影響，小煤礦大量涌現(xiàn)，監(jiān)管薄弱，煤礦事故高位波動。國有煤礦水害安全形勢穩(wěn)步好轉(zhuǎn)。

2.2 成長成熟期

進入新世紀(jì)，經(jīng)濟快速發(fā)展對能源需求強勁，迎來了煤炭工業(yè)黃金十年的高速發(fā)展期，煤炭生產(chǎn)格局及安全保障發(fā)生了深刻變化。長期高強度開采，導(dǎo)致東北地區(qū)資源逐步枯竭，華北區(qū)域淺部資源消耗殆盡，煤炭開發(fā)戰(zhàn)略不得不向西部、向深部轉(zhuǎn)移，西部開發(fā)，防治水主要面臨頂板水（突水潰砂以及離層水）的威脅和地下水資源保護[24-25]，深部轉(zhuǎn)移，則主要面對深部帶壓開采的問題[26]。

1）黃金十年成長階段。強勁的能源需求，促進了煤炭產(chǎn)能的不斷攀升，促成了綜采或綜采放頂煤開采工藝的廣泛應(yīng)用，而高強度開采強烈擾動帶來了系列安全問題[27]，頂板覆巖垂向劇烈?guī)r移溝通地表或第四系松散層富水帶，以及頂板巨厚砂巖含水層，導(dǎo)致瞬時涌水突增甚至突水潰沙，給防治水工作帶來新的挑戰(zhàn)[28]，如神東礦區(qū)淺埋薄基巖突水潰沙，威脅高產(chǎn)高效工作面；探放水等防治水工作滯后于快速掘進，成為高產(chǎn)高效的瓶頸環(huán)節(jié)；深部帶壓開采，從形成機制到表現(xiàn)形式完全區(qū)別于淺部[26]，高承壓突水威脅深部和下組煤的開發(fā)?？偨Y(jié)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移中水害防治的重大理論進展和實踐經(jīng)驗，以《礦井水文地質(zhì)規(guī)程》《煤礦防治水條例》為基礎(chǔ)，2009 年出臺《煤礦防治水規(guī)定》[29]，確立了“預(yù)測預(yù)報、有疑必探、先探后掘、先治后采”防治水十六字方針，新理論及部分行之有效的新技術(shù)新工藝新方法得到法規(guī)層面上的規(guī)范和確認(rèn)[15]。

為應(yīng)對深部帶壓開采出現(xiàn)的新情況，解決井下超前探放水制約采掘銜接，消除井下探放高承壓水帶來的人為風(fēng)險，提出了地面區(qū)域探查治理的新理念[30]，定向鉆進技術(shù)的引進，使該構(gòu)想迅速落地生根，地面超前區(qū)域探查治理技術(shù)開始示范應(yīng)用[31]，效果良好。

西部礦區(qū)頂板巨厚洛河組、直羅組等含水層擾動，導(dǎo)致單一工作面伴隨涌水量超過2 000 m3/h，嚴(yán)重影響采掘作業(yè)，給高產(chǎn)高效工作面帶來重大挑戰(zhàn)[32]。

2）穩(wěn)定成熟期。2010 年以來，隨著煤炭戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移向縱深發(fā)展，西部開發(fā)戰(zhàn)略的實施以及深部煤炭資源的開發(fā)利用，推動了理論探索和針對部分關(guān)鍵安全問題，開展了卓有成效的研究，取得了部分成果，為防治水工作奠定了良好的基礎(chǔ)。實踐過程中，一些新情況，新問題帶動了理論探索和工程實踐的進步，也催生了一些新的技術(shù)，新的方法和新的理論，促進了頂板水防治以及深部帶壓開采理論及技術(shù)的成熟。一批示范成果在生產(chǎn)中得以推廣應(yīng)用，防治水工作體系逐步成熟，并寫入《煤礦防治水細則》[14]。

3 基本構(gòu)架及內(nèi)涵

以減少礦井水影響、防止水害事故、減輕環(huán)境影響為目標(biāo)，以源頭預(yù)防、區(qū)域治理、井上下結(jié)合工程治理、治保結(jié)合先進理念為引導(dǎo)，以致災(zāi)機理、條件評價、預(yù)測預(yù)報為理論基礎(chǔ)，以條件探查、預(yù)防治理、地質(zhì)保障為技術(shù)依托，以探水、防水、堵水、疏水、排水、截水、水情監(jiān)測等7 類工程為措施支撐，按照“預(yù)測預(yù)報、有疑必探、先探后掘、先治后采”十六字總體思路，建設(shè)理念先進，基礎(chǔ)扎實，勘探清楚，科技攻關(guān)，綜合治理，效果評價及應(yīng)急救援“七位一體”水害防治工作體系[14]，逐步構(gòu)建由理論技術(shù)體系及技術(shù)管理體系等兩大核心體系構(gòu)成的礦井水防治基本架構(gòu)（圖2）。

圖2 礦井水防治學(xué)科基本架構(gòu)Fig.2 Basic structure of mine water prevention and control

3.1 理論技術(shù)體系

礦井水致災(zāi)機理（機理）、危險性評價（評價）、災(zāi)變預(yù)測（預(yù)測），構(gòu)成礦井水防治理論體系；礦井充水條件探查（探查）、水害隱患預(yù)防治理（防治）、地質(zhì)保障（保障），即構(gòu)成了礦井水防治技術(shù)體系；探水、防水、堵水、疏水、排水、截水、監(jiān)水等7 類工程，組成了礦井水防治工程體系；3 項理論、3 項技術(shù)和7 類工程直接為采礦服務(wù)，構(gòu)成了礦井水防治理論技術(shù)體系。

3.1.1 理論體系

1）致災(zāi)機理。描述礦井水災(zāi)害形成成因。不均質(zhì)各向異性地質(zhì)體及流動水的耦合，由于采礦動態(tài)擾動而致災(zāi)，其千差萬別的成因用統(tǒng)一機理是不現(xiàn)實的[31]。但不論何種情形突（涌）水，采礦的擾動以及水動力的作用，甚至二者耦合，是致災(zāi)的基本面，而在復(fù)雜地質(zhì)體中探索流固耦合的具體作用機制是描述致災(zāi)機理的途徑。

2）危險性評價。分析礦井各要素受水害威脅程度，從防治水角度判斷是否具備安全生產(chǎn)條件?？梢栽u價的對象非常廣泛[33]，如，防治水基本管理保障評價，基本資料評價，基本地質(zhì)工作評價，工程評價，防排水系統(tǒng)及地質(zhì)保障評價，應(yīng)急保障評價，回采工作面評價，掘進工作面評價，結(jié)果或者效果評價，等。但不管是何種評價，針對何種對象評價，均涉及到評價方法。如果致災(zāi)機制清晰，可以用精確方法描述水災(zāi)的形成過程，建立本構(gòu)方程，給定水災(zāi)發(fā)生與否的判別臨界值（式）。但不幸的是，由于開采和水的雙重動態(tài)因素疊加，而地質(zhì)體又非均質(zhì)各向異性，導(dǎo)致獲得確定性評價結(jié)果絕非易事。目前定量評價方法較少，多數(shù)為半定量的統(tǒng)計方法[34]。

目前，常用的評價方法有：①查閱資料評估和現(xiàn)場調(diào)查相結(jié)合的方法[35]，如老空隱蔽致災(zāi)因素的評價；②標(biāo)準(zhǔn)對比評價方法[36]，如礦井排水系統(tǒng)評價，按照規(guī)程規(guī)范給定的水泵、管路、水倉及電源標(biāo)準(zhǔn)進行評價；③統(tǒng)計學(xué)評價方法[37]，依據(jù)大量實踐經(jīng)驗，采用統(tǒng)計方法設(shè)置閾值開展評價，如帶壓開采的突水系數(shù)法；④模擬評價方法[38]，采用物理模擬或數(shù)值模擬進行評價，如圍巖運移規(guī)律的相似材料模擬，復(fù)雜圍巖環(huán)境下礦井水運移規(guī)律的數(shù)值模擬；⑤理論分析評價方法[39]，采用滲流的理論，獲得礦井水預(yù)測結(jié)果進行評價，如大井法評價礦井涌水量，作為排水系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)；⑥現(xiàn)場實踐評價方法[40]，工程質(zhì)量如何，現(xiàn)場實施物探、鉆探等工程，評價檢驗工程質(zhì)量和效果。

3）災(zāi)變預(yù)測。包括水災(zāi)范圍、位置、時間及水量的預(yù)測，回答在哪里、何時突水，水量大小。就目前的理論技術(shù)水平，其精確預(yù)測尚不太可能[41]，理論上，復(fù)雜介質(zhì)地質(zhì)體和水流的復(fù)合體，尚無精確本構(gòu)模型，無解析解或解的精度很難滿足生產(chǎn)需要。

3.1.2 技術(shù)體系

1）探查技術(shù)。包括井田條件勘查和采場條件探查（探水）。井田條件探查，即地質(zhì)勘探以及水文地質(zhì)（補充）勘探，應(yīng)查明系統(tǒng)（單元）條件；采場條件探查，即探水，包括掘進階段的探水以及回采階段的探查，達成查“疑”明晰隱患之目標(biāo)。

2）防治技術(shù)。包括預(yù)防和治理技術(shù)。預(yù)防技術(shù)，在采掘前對可預(yù)見的隱患進行必要處置，達成消“疑”解除后患之目標(biāo)，防止采掘過程中出現(xiàn)危險，主動預(yù)防包括疏（放）水降壓技術(shù)、注漿加固或注漿改造技術(shù)，疏（放）水降壓技術(shù)可分為采空區(qū)放水、頂板疏放水以及底板疏水降壓；注漿加固或注漿改造技術(shù)包含底板加固、含水層改造、構(gòu)造加固改造；被動預(yù)防主要從采礦技術(shù)角度，如分層開采、限高開采、充填開采等；治理技術(shù)，如隱患治理、隱患活化治理、涌水治理、閉坑治理，分為排水及堵水技術(shù)。

3）保障技術(shù)。即回采過程的安全保障，包括技術(shù)保障和管理保障。技術(shù)保障如防排水系統(tǒng)、監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)等；管理保障如機構(gòu)人員、設(shè)備、物資等條件，責(zé)任制等規(guī)章制度，應(yīng)急預(yù)案和逃生路線及演練等[42]。

3.1.3 工程體系

按照“十六字”方針“七項”措施，煤礦防治水工程可分為探水、防水、堵水、疏水、排水、截水、監(jiān)水等七類。應(yīng)按照設(shè)計、施工、檢驗、評價、驗收進行流程管理，應(yīng)滿足工程施工及管理有關(guān)規(guī)定?！疤剿卑碧焦こ毯吞椒潘こ蹋弧胺浪卑簬r柱、防水閘門或防水墻工程；“堵水”涵蓋帷幕截流、注漿加固或注漿改造工程；“疏水”意指疏水降壓及疏放水工程；“排水”即輸排水系統(tǒng)工程；“截水”指地表截流改道及填埋防滲工程；“水情監(jiān)測”為監(jiān)測保障工程。

1）“探”水工程?！疤剿卑碧焦こ毯吞椒潘こ?。①勘探工程。根據(jù)有關(guān)規(guī)程規(guī)范要求，當(dāng)勘探工程量不足，隱患未查清，開采條件變化時，應(yīng)進行礦井水文地質(zhì)補充勘探。工程設(shè)計、施工、評價、驗收應(yīng)符合相關(guān)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)[43]要求。②探放水工程。探放水，是指包括探水和放水的總稱。探水是指采礦過程中用超前勘探方法，查明采掘工作面頂?shù)装?、?cè)幫和前方等水體的具體空間位置和狀況等情況。放水是指為了預(yù)防水害事故，在探明情況后采用施工鉆孔等安全方法將水體放出。

工程實施可分為6 個步驟[44]：

第一步，查疑。開展水害預(yù)測預(yù)報和隱患排查工作，查找“疑問”點。針對“疑問”點或區(qū)域，實施“有‘疑’必探”。

第二部，設(shè)計。針對“疑問”，編制探放水設(shè)計及施工安全技術(shù)措施。

第三步，施工。按照施工組織設(shè)計，探放水施工前的準(zhǔn)備工作，鉆機安裝，套管及閘閥安裝固結(jié)，施工過程管控，遇異常情況的特殊管控，工程驗收等，可參考有關(guān)規(guī)程規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。嚴(yán)格執(zhí)行井下探放水“三專”“兩探”要求。

第四步，評價。探水工作完成后，地測部門應(yīng)當(dāng)提出水文地質(zhì)情況分析報告和水害防治措施，確認(rèn)探放水效果。

第五步，疏放。疏放水工程應(yīng)當(dāng)由防治水機構(gòu)編制專項設(shè)計，按規(guī)定審批后施工。疏放水應(yīng)堅持“放凈”原則。工程完成后應(yīng)開展放水效果評價。

第六步，驗證。疏放效果驗證應(yīng)堅持“驗準(zhǔn)”原則。應(yīng)采用物探、鉆探、巷探、化探等方法進行放水效果驗證。經(jīng)驗證沒有達到疏放要求時，必須采取補充措施和工程，并再次驗證，直到疏干放凈。

2）“防”水工程。“防水”包含煤巖柱、防水閘門或防水墻工程。①煤巖柱留設(shè)工程。防隔水煤（巖）柱，是指為確保近水體安全采煤而留設(shè)的煤層開采上（下）限至水體底（頂）界面之間的煤巖層區(qū)段。在需要分區(qū)的地方，根據(jù)有關(guān)要求設(shè)置防隔水煤（巖）柱。應(yīng)當(dāng)由礦井地測部門組織編制專門設(shè)計，防隔水煤（巖）柱的尺寸要求見《煤礦防治水細則》附錄六[14]，最小尺寸不得小于20 m。一旦設(shè)定不能隨意變動；經(jīng)煤炭企業(yè)總工程師組織有關(guān)單位審批后實施。②防水閘門及防水閘墻。在需要分區(qū)的區(qū)域，根據(jù)實際情況設(shè)置防水閘門防水閘墻。建筑防水閘門的設(shè)計、施工、試驗、驗收，日常維護管理，關(guān)閉和開啟（參見《煤礦防治水細則》第98 條）[14]。

3）“堵”水工程。“堵水”涵蓋帷幕截流，注漿加固或注漿改造工程，局部注漿工程。①帷幕截流工程。可選擇地下連續(xù)墻、帷幕注漿段等方案，隔離控制水源對采掘場所穩(wěn)定補給。②注漿加固或注漿改造工程。井下施工條件差，水壓較高時存在風(fēng)險，地面施工投資大，受環(huán)境制約。根據(jù)礦井實際，采取地面區(qū)域治理、井下注漿加固底板或者改造含水層或者井上下相結(jié)合的治理工程，消除水害威脅。③局部注漿工程。通道封堵工程，導(dǎo)水?dāng)鄬印⒘严睹芗瘞Ш蛶r溶陷落柱等導(dǎo)水通道封堵工程；具體目標(biāo)體封堵工程，井筒預(yù)注漿工程、突水點封堵工程及巷道超前預(yù)注漿工程（參見《煤礦防治水細則》第101 條、102 條及103 條）[14]。

4）“疏”水工程?！笆杷币庵甘杷祲杭笆璺潘こ?。①疏水降壓工程。針對煤層底板承壓含水層，將水頭值降到安全水頭值以下，實現(xiàn)帶壓開采。具備疏水降壓條件，可采用鉆孔、專用疏水巷或泄水巷進行疏水。②疏放水工程。按照查全、探清、放凈、驗準(zhǔn)流程實施老空水疏放工程；頂板水疏放工程，疏放水前，開展可疏性評價，編制區(qū)域疏放水方案，做到過程可控，效果驗證。

5）“排”水工程。礦井建設(shè)生產(chǎn)應(yīng)優(yōu)先建立排水系統(tǒng)。排水系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)重視水泵、排水管路、水倉、配電設(shè)備、電源等設(shè)施相互匹配，各設(shè)施應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求[14]。

6）“截”水工程?！敖厮敝傅乇斫亓鞲牡兰疤盥穹罎B工程。①地表防排水工程。建立地面疏水、防水和排水系統(tǒng)。對坡面匯水應(yīng)修挖防洪溝截住山洪，防止內(nèi)侵或通過露頭滲入礦井，封堵地面水滲入井下的塌陷裂縫和塌陷洞等通道；漏水的溝渠和河流應(yīng)整鋪河底或改道；加強地面在用鉆孔及封閉不良鉆孔的管理。②填埋防滲工程。地面裂縫和塌陷地點應(yīng)當(dāng)及時填塞。存在滑坡等地質(zhì)災(zāi)害危險地段，必須采取除險加固措施。

7）“監(jiān)”水工程。“水情監(jiān)測”為監(jiān)測保障工程。

礦井應(yīng)當(dāng)建立地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對井田范圍內(nèi)主要充水含水層的水位、水溫、水質(zhì)等進行長期動態(tài)觀測，對礦井涌水量進行動態(tài)監(jiān)測。受底板承壓水威脅的水文地質(zhì)類型復(fù)雜、極復(fù)雜礦井，應(yīng)當(dāng)采用微震、微震與電法耦合等科學(xué)有效的監(jiān)測技術(shù)，建立突水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，探測水體及導(dǎo)水通道，評估注漿等工程治理效果，監(jiān)測導(dǎo)水通道受采動影響變化情況[45]。

應(yīng)開展采掘工程的實時動態(tài)監(jiān)測，應(yīng)用現(xiàn)代采集傳輸及數(shù)據(jù)分析手段，實現(xiàn)水文動態(tài)的預(yù)測預(yù)報，保障采掘安全[46]。

3.2 技術(shù)管理體系

貫徹執(zhí)行防治水十六字基本原則、七項防治水綜合配套措施、五大防治水轉(zhuǎn)變理念、七位一體水害防治工作體系和八項強化防治水工作，完善防治水技術(shù)管理體系[14]。

3.2.1 總體思想

防治水十六字基本原則科學(xué)地闡述了水害防治工作的總體思想和具體操作程序。“預(yù)測預(yù)報”，運用預(yù)測預(yù)報理論和方法，科學(xué)分析判斷和評價水害風(fēng)險和隱患，查找“疑”點；“有疑必探”，針對“疑”點，采用綜合探測技術(shù)手段，查明或排除水害隱患；“先探后掘”，先探清查明，再掘進施工；“先治后采”，先治理水害隱患，再安排回采作業(yè)。總體思想科學(xué)，邏輯關(guān)系清晰，具體操作程序流暢，環(huán)環(huán)相扣，相得益彰。部分地區(qū)執(zhí)行“有掘必探”，一字之差，導(dǎo)致總體思想混亂，如果“有掘必探”，那“預(yù)測預(yù)報”就失去了必要性；“有掘必探”必然導(dǎo)致盲目探查，重復(fù)探查，探查量擴大化，在生產(chǎn)銜接緊張時容易出現(xiàn)造假，還可能造成探放水疲勞癥，大多數(shù)正常情況長期處于緊張狀態(tài)，忽視了真正異常時的重點關(guān)注，反而易引發(fā)事故。

3.2.2 先進理念

采用先進理念，以取代傳統(tǒng)的防治水方式[27]，從而提高防治水的效率和質(zhì)量，引領(lǐng)防治水工作上水平上臺階。

1）水害防治逐漸由過程治理為主向源頭預(yù)防為主轉(zhuǎn)變。從已發(fā)生水害過程的治理，如排水、封堵突（涌）水等措施，轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅貜脑搭^上預(yù)防水害的發(fā)生，如加強煤礦地質(zhì)勘探、合理開采、區(qū)域治理、科學(xué)排水等措施，以減少或避免水害的發(fā)生。過去的過程治理雖然能夠解決當(dāng)前的水害問題，但是難以根本解決水害的根源，而且治理成本高、效果難以保證。而源頭預(yù)防則能夠從根本上減少水害的發(fā)生，降低治理成本，提高防治效果。因此，由過程治理向源頭預(yù)防的轉(zhuǎn)變，是礦井水防治的一種重要進步。

2）由局部治理為主向區(qū)域治理為主轉(zhuǎn)變。過去井下局部治理存在缺陷，如煤層底板注漿加固，突水點封堵等，與生產(chǎn)交叉，影響采掘接續(xù)，效率低，危險性高，高承壓水難以施工；區(qū)域治理具有顯著優(yōu)勢，不影響井下作業(yè)，治理與全面探查水文地質(zhì)條件同時推進，可以加固隔水層也可以改造含水層，堵源治本，效率高危險程度低；此轉(zhuǎn)變將扭轉(zhuǎn)只治標(biāo)不治本的不利局面。

3）由井下治理為主向井上、下結(jié)合治理為主轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的井下治理，缺點明顯，井上下結(jié)合，靈活多樣，如地面區(qū)域治理與井下驗證結(jié)合，實現(xiàn)了取長補短，規(guī)避了風(fēng)險提高了效率。

4）由措施防范為主向工程治理為主轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)理念主要是通過采取一系列的措施來防范水害事故，如加強巡查、加強排水、加強監(jiān)測等，主要針對水災(zāi)的后果進行治理，而未從根本上解決問題；工程手段，可以治理源頭，切斷通道，是根治水災(zāi)的有效辦法，如探放水工程、注漿封堵工程、疏放水工程等。措施治標(biāo)工程治本。

5）由治水為主向治保結(jié)合為主轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)理念主要著眼水害防治，而現(xiàn)代理念轉(zhuǎn)變則強調(diào)了治理水害和保水開采的結(jié)合，即在保障安全生產(chǎn)的同時，有效地控制和利用煤礦水資源，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。這種理念轉(zhuǎn)變不僅可以提高煤礦生產(chǎn)的效率和經(jīng)濟效益，還可以保護環(huán)境和生態(tài)，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

3.2.3 工作體系

以先進理念為引導(dǎo)，打牢防治水基礎(chǔ)，查清水文地質(zhì)條件，攻克重大難題，強化水害綜合治理及效果評價，加強水害應(yīng)急救援管理，構(gòu)建“七位一體”水害防治工作體系。

1）理念先進。防治水理念五大轉(zhuǎn)變確立了理念引領(lǐng)作用。

2）基礎(chǔ)扎實。地質(zhì)調(diào)查、觀測、探測及地質(zhì)預(yù)報等水文地質(zhì)基礎(chǔ)工作扎實，基礎(chǔ)資料可靠完整，責(zé)任制和制度完善，機構(gòu)人員裝備齊全。

3）勘探清楚?？碧竭^程階段完整，工程量充足，滿足規(guī)范要求，結(jié)論可靠明確，隱患已查清?！翱碧角宄庇迷~并不準(zhǔn)確，從其意思來看，修改為“條件清楚”為好。

4）科技攻關(guān)?？萍紕?chuàng)新驅(qū)動，攻克企業(yè)重大技術(shù)難題。

5）綜合治理。綜合考慮各類水災(zāi)甚至各種災(zāi)害，多種措施綜合防治，代替單一類型水災(zāi)防治，體現(xiàn)綜合治理協(xié)同防控理念。

6）效果評價。分析礦井各要素受水害威脅程度，從防治水角度判斷是否具備安全生產(chǎn)條件。由于評價的對象非常廣泛，這里所述的效果評價，主要是指工程技術(shù)方案或措施實施效果如何，是否達到安全采掘的目標(biāo)。

7）應(yīng)急救援。編制水害事故應(yīng)急預(yù)案，雨季前進行演練。當(dāng)暴雨、洪水等極端天氣，或滑坡泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，威脅礦井時，啟動預(yù)案，緊急撤人；當(dāng)井下出現(xiàn)突水征兆，或監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)報警時，應(yīng)停止作業(yè)，撤離人員，啟動預(yù)案，及時處置。發(fā)生事故時，應(yīng)第一時間啟動應(yīng)急預(yù)案，按照流程開展事故處置及救援工作。

“七位一體”水害防治工作體系雖初步建立，但在防治水工作全流程、內(nèi)容全覆蓋、邏輯關(guān)系更清晰等方面仍有提升空間[47]。

3.2.4 工程案例

山東黃河北煤田某礦，計劃開發(fā)7 采區(qū)下組煤11 和13 煤。平面上，該采區(qū)附近無大構(gòu)造，可視為無窮遠邊界；剖面上（圖3），11 煤直接頂為四五灰?guī)r，13 煤下伏有徐灰和奧灰，經(jīng)評價，如果疏放四五灰?guī)r，放水量約1 300 m3/h，11 和13 煤徐灰突水系數(shù)分別為0.13 和0.16 MPa/m，奧灰突水系數(shù)分別為0.084和0.096 MPa/m；11 和13 煤開采受到頂板和底板灰?guī)r水的雙重夾擊，下組煤開發(fā)水害威脅嚴(yán)重。

圖3 某礦采區(qū)下組煤開采探治工程布置示意Fig.3 Schematic of the exploration and treatment project for the mining area

四、五灰平均間距4.09 m，總厚度一般10 m 左右，可視為一個含水層，富水性中等。作為11 煤直接頂板，其動靜儲量直接威脅采掘活動，必須采取措施。如果直接疏放，四五灰涌水量達1 300 m2/h，技術(shù)可行但經(jīng)濟上不合理。為此，采取“截流堵源”的治理思路，在開采范圍周邊，采用帷幕注漿方法，截斷四五灰水的橫向（順層）補給來源；采取徐灰改造的方法，截斷奧灰垂向補給通道，薄層灰?guī)r靜儲量很快即可疏干。

在徐灰中開展地面區(qū)域治理，全面布置順層水平定向孔，水平分支孔間距50 m，構(gòu)造探查和注漿治理一體化操作。

協(xié)調(diào)水資源保護和煤礦安全，制定了“四五灰水以疏為主，輔以治理；徐灰水以治為主，輔以疏降；奧灰水以防為主，輔以查治”的水害防治總體思路，開展綜合治理。

按照總體防治水思路，采取帷幕截流與底板注漿改造相結(jié)合，注漿改造與疏水降壓相結(jié)合，生產(chǎn)管理與落實各項防治水措施相結(jié)合，探查與治理相結(jié)合的綜合探查治理措施，實施含水層注漿改造與隔水層注漿加固、帷幕注漿截流、疏水降壓、排水系統(tǒng)增建擴容、建立隔離設(shè)施、留設(shè)煤柱以及建立地質(zhì)保障系統(tǒng)等工程，解放了下組煤資源，達成了安全開采與保水開采的目標(biāo)，為華北煤田解放下組煤創(chuàng)出了一條新路。

4 展 望

我國水害事故發(fā)生的原因，由兩方面因素決定[47]，一是客觀條件，整體上煤田地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜，疊加老空區(qū)破壞，條件更趨復(fù)雜化；二是主觀因素，主要表現(xiàn)為思想認(rèn)識上重視程度不夠，導(dǎo)致投入不足，專門專業(yè)技術(shù)人才匱乏。

當(dāng)技術(shù)不再“卡脖子”，管理不再容錯，水害事故可防可控將不再是遙不可及的夢想。未來管理措施仍是預(yù)防水害事故的重要手段，夯實企業(yè)主體責(zé)任、政府監(jiān)管責(zé)任及行業(yè)監(jiān)察責(zé)任，建立健全防治水管理體系，照章辦事，杜絕違章，才能保障技術(shù)措施充分發(fā)揮作用。

4.1 未來理論發(fā)展趨勢

基礎(chǔ)理論的進展是技術(shù)突破的根基。未來防治水理論在兩個方向上發(fā)力，尋求突破：一是沿傳統(tǒng)確定性理論方向繼續(xù)攻關(guān)，攻克水害發(fā)生機制的傳統(tǒng)理論基礎(chǔ)[48]，進而實現(xiàn)以災(zāi)害發(fā)生機理為主線的評價方法、預(yù)測預(yù)報理論研究的全面開花；二是另辟蹊徑，避開內(nèi)在機理的難點，借鑒深度學(xué)習(xí)機器學(xué)習(xí)等非確定性方法[49]，提取多維多模態(tài)輸入和輸出表象信息的特征，探尋二者之間非線性逼近，建立可靠的映射關(guān)系。同樣可以解決評價和預(yù)測的理論問題。

1）致災(zāi)機理。①總結(jié)突水模式，分析致災(zāi)機理，建立數(shù)學(xué)動力學(xué)模型，評價突水危險性，提出突水判據(jù)，預(yù)測突水行為[48]。②由于地質(zhì)體的復(fù)雜性，流體的瞬態(tài)性，開采的動態(tài)性，提出確定性理論模式非常困難，采用輸入輸出黑匣子或黃匣子，機器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)[49]，不再拘泥災(zāi)變物理機理，而采用大量案例經(jīng)驗統(tǒng)計獲得結(jié)果。物聯(lián)網(wǎng)萬物互聯(lián)是解決獲取數(shù)據(jù)信息的有效方法[50]。

2）危險性評價。無論采用何種評價方法，由定性評價到定量評價是發(fā)展的大趨勢；各種評價方法中，大數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)及人工智能等方法的應(yīng)用，是未來發(fā)展趨勢。

3）災(zāi)變預(yù)測?，F(xiàn)階段，采用確定性理論解決水害事故災(zāi)變預(yù)測，被認(rèn)為可行性較小[49]。因此，災(zāi)變預(yù)測應(yīng)尋求新理論的突破。人工智能分析大量水災(zāi)案例，總結(jié)規(guī)律，預(yù)測各種實際采掘工況的災(zāi)變可能性。

4.2 未來技術(shù)突破

技術(shù)上，對地質(zhì)體(介質(zhì)加流體)的探查技術(shù)依然是解決礦井水害問題的瓶頸。研發(fā)清晰表達“三維透明地質(zhì)體”及其屬性(應(yīng)力場、流場、溫度場等多屬性)的探測技術(shù)裝備，是未來攻關(guān)重點。未來應(yīng)大力發(fā)展定向鉆探的隨鉆物探、化探技術(shù)，充分發(fā)揮三者耦合、近探、交互校驗的優(yōu)勢，實現(xiàn)三維精細動態(tài)勘探；在現(xiàn)有防控治理技術(shù)的基礎(chǔ)上，完善全時空立體超前區(qū)域探查治理深部底板水(包括構(gòu)造水)技術(shù)及帷幕截流技術(shù)，發(fā)展頂板巨厚砂巖水精準(zhǔn)超前疏放技術(shù)，開發(fā)定向鉆探精準(zhǔn)探查治理離層及頂板水技術(shù)，推廣應(yīng)用定向鉆探探查治理老空水技術(shù)。

1）探查技術(shù)。野外測繪及調(diào)查將大量采用遙測技術(shù)；物探技術(shù)，圍繞多解性、分辨率、降噪，地質(zhì)體及其屬性精細解釋等攻關(guān)；鉆探技術(shù)，改進定向和隨鉆測試；化探技術(shù)，注重新的測試技術(shù)的應(yīng)用，特殊元素或組合對特定條件的辨識，人工智能和深度學(xué)習(xí)等新的辨識方法；試驗技術(shù)，開展原位試驗，模擬，微觀與宏觀多尺度測試及尺度關(guān)聯(lián)等新方法新技術(shù)的應(yīng)用；發(fā)展井下隨鉆探測測試，隨掘隨采探測測試。

2）防治技術(shù)。隱患排查技術(shù)，疏（放）水降壓技術(shù)，注漿加固或注漿改造技術(shù)，排水及堵水技術(shù)等，為未來重點攻關(guān)技術(shù)方向。

3）保障技術(shù)。智能監(jiān)測預(yù)警技術(shù)與智慧應(yīng)急專家輔助決策技術(shù)等為重點發(fā)展方向。

4.3 未來工程措施攻關(guān)方向

1）探水工程主攻方向，地面定向鉆探，配合隨鉆物探、化探；井下隨鉆物探化探技術(shù)，隨掘隨采探測技術(shù)及快速智能成像技術(shù)，動態(tài)三維展示。

2）防水工程主攻方向，可移動快速隔離技術(shù)及裝備，快速隔離建造技術(shù)及材料。

3）堵水工程主攻方向，快速鉆進技術(shù)，適合不同工況的堵水材料及注漿工藝。

4）疏水工程主攻方向，基于三維透明地質(zhì)的采煤擾動自適應(yīng)精準(zhǔn)疏放水技術(shù)。

5）排水工程主攻方向，大流量高揚程排水系統(tǒng)；快速搶險排水泵及管路。

6）截水工程主攻方向，地面塌陷回填，裂縫充填平整，地表水體隔離。

7）監(jiān)測工程主攻方向，礦井作業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，采集動態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)礦井互聯(lián)互通，大數(shù)據(jù)人工智能辨識異常，實現(xiàn)災(zāi)害提前預(yù)警。

4.4 未來愿景

未來，人的感觀定性感知識別向機器智能精準(zhǔn)感知辨識過渡，萬物互聯(lián)，海量信息通過大數(shù)據(jù)甄別，人工智能助推水害智慧預(yù)警及應(yīng)急；精確表達地質(zhì)體及其屬性的三維透明地質(zhì)模型將成為信息集成展示以及智能化礦井的基礎(chǔ)平臺；以三維透明地質(zhì)模型為基礎(chǔ)的模擬技術(shù)高度發(fā)達，各種工況均可實現(xiàn)精確模擬預(yù)測；大口徑快速定向鉆探裝備、排水設(shè)備、救援機器人等成熟可靠；遙感技術(shù)、水化學(xué)技術(shù)、新型物探及測井技術(shù)、水源識別技術(shù)、野外試驗技術(shù)、監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)、注漿技術(shù)以及礦井綜合利用技術(shù)等，空前發(fā)達，助力礦井水可防可控目標(biāo)的達成。

架構(gòu)已確立，理念已明晰，體系已建立，加強科學(xué)技術(shù)攻關(guān)，其成果支撐從防治水理論、技術(shù)、工程措施以及技術(shù)管理等各環(huán)節(jié)的各個擊破，推動礦井水防治學(xué)科體系的整體進步。