一、概述

　　近年来，虽然国家十分重视煤矿水害防治工作，煤矿也加大了治理力度，但是受煤矿突水理论不完善、矿井超设计能力开采、安全防护投入不足、煤矿区水文地质工作和研究有所削弱以及开采深度不断增加等诸多因素的影响，矿井突水事故频繁发生，扼制矿井水害的发生已成为煤矿区亟待解决的问题。

　　煤矿突水按照突水位置可分为顶板、底板、侧帮、掘进头突水；按照水源可分为大气降水、地表水、老空水和地下水，其中地下水又分为孔隙水、裂隙水及岩溶水；按照突水通道可分为断裂、钻孔、裂隙、陷落柱、塌陷、天窗突水等。

　　在所有的突水水源中发生频率最高的是老空水，实际上只要按照煤矿安全规程，大气降水、地表水、老空水等突水事故和灾害是完全可以避免的。而最难预测及防治的是地下水，尤其是小断裂（断距小于3m）导通，底部水压高、储水量大的厚层灰岩、岩溶含水层危害最大。

　　二、地下水害特征

　　我国是煤矿突水灾害的多发国家，突水之频繁、突水量之大、淹井事故之多、伤亡之惨重，都达到了极其严重的地步。煤矿水文地质条件之复杂，在世界上也只有匈牙利、俄罗斯、赞比亚等极少数国家达到这种程度。按照水文地质条件      的差异及复杂程度，我国共 划分为6个水害区,最为严重的煤矿水害主要分布在华北和华南区，其中以华北区尤为突出。

　　华北型煤矿区面积约110多万km2，年产煤炭约13亿吨，产量占全国原煤产量的60％以上，其主要的水害特征是：

　　1、矿井突水频繁突水量大且威胁严重

　　华北型煤矿区目前开采的主要是石炭二叠系煤层，在煤系地层中分布有数层石炭系薄层灰岩，其下为巨厚的奥陶系灰岩或寒武系灰岩（以下分别简称薄灰、厚灰）。由于厚灰含水层富水性极强，加上构造复杂、断裂及裂隙发育，从而导致厚灰与薄灰间有密切的水力联系，使得煤层回采过程中时刻受到岩溶水的严重威胁。

　　据统计，华北型煤矿区从1956年到2008年共突水2260余次，淹井近300次，死亡3000多人，直接经济损失上百亿元。同时，随着矿井开采水平的不断加深和开采范围的不断扩大，突水频率增长257％，淹井频率增长96％，一次突水量由每分钟5至20m3，猛增至每分钟54m3（邯郸）、200m3（渭北）、320m3（焦作）、2053m3（开滦），水害已经成了华北型煤矿区各矿区发展生产的严重障碍。

　　2、水害压煤数量大

　　我国是煤矿水害“压煤”最多的国家，全国统配煤矿共601处，受水威胁的矿井285处，占47.5％。受水害威胁导致不能开采的煤炭上百亿吨，占总储量的20％以上， “压煤”数量巨大。在华北型煤矿区中的一些大水矿区，如河北省的开滦、峰峰、邢台、邯郸，山东省的淄博、肥城，陕西省的澄合、韩城，河南省的焦作、永城、郑州、平顶山等矿区，受水威胁的煤炭储量竟高达矿井总储量的40%以上。

　　未来，随着开采深度的加深，矿井水压力将越来越大，水文地质条件将越来越复杂，本来突水威胁就已十分严重的形势将进一步加剧，受水威胁的矿井数目将增加。如不及时解决水害问题，将导致这些矿区的产量逐年下降，甚至一些老井不得不提前关闭。

　　3、经常性涌水量大、排水费用高

　　华北型煤矿区各大水矿区经常性涌水量一直居高不下，由此导致排水量大、排水费用高。不但提升了煤炭成本，而且浪费了宝贵洁净的地下水资源。全国每年用于排水的费用高达50多亿元，河南省年排水费用也高达3亿多元，焦作矿区年排水费用为6000万元。此外，经常性大流量排水使矿井排水系统处于极限运行状态，时刻威胁着矿井和矿工生命的安全。

　　突水、淹井、经常性用水量过大和水害压煤等，既限制着煤炭的可采储量也阻碍着矿井开采能力的提高，同时也使煤炭生产成本过高而在市场上失去竞争力。

　　三、水害预测技术及存在问题

　　目前，防治矿井水害主要采取的技术及工程有：‘疏’（疏水降压）、‘堵’（注浆堵水、水闸墙堵水、注浆截流、底板含水层改造）、‘防’（修建防水墙和防水闸门、留设防水煤柱）和‘排’（矿井排水）等技术和工程措施。这些措施的设计、施工及能否起到预期的效果，主要决定于对地下水运动规律的认识和突水的预测以及突水水源的识别是否符合实际。

　　目前，研究煤矿地下水运移机理主要采用地质、水文地质、水文地球化学、地球物理勘探相结合的方法；巷道掘进和工作面回采过程中，突水可能性的预测主要采用传统的平面岩体静力学法和突水系数经验公式法；突水量的预测多采用以Darcy流为基础的孔隙介质理论或双重介质理论；识别突水水源的方法主要有地质水文地质分析法、突水点位置和出水形态分析法、突水携出物分析法、水动力场法和水文地球化学法等。

　　但是上述地下水运移机理的研究、突水预测及水源识别也存在许多问题。首先，目前矿井水探测中应用的探测技术有物探和化探技术。尽管物探技术中的直流电法、瞬变电磁和三维地震等多种技术已在部分矿井成功应用，且由地面物探向井下物探应用领域扩展，探测深度和精度也在不断提高，应用范围也在不断扩大；而化探技术也已在地下水流速的计算、深大断裂性质的确定、地质找矿等方面成功应用。但受水文地质条件复杂、环境干扰及解译水平等许多因素的影响，仍存在隐伏导水构造（尤其是小构造）及富水带位置、地下水流速定位不准和解译不清甚至于错误的现象，以至于以此为基础采取的防治水工程难以达到预期效果或出现浪费人力、物力及财力的现象。

　　其次，突水位置预测所采用的平面岩体静力学法未考虑空间变化及时间动态变化，突水系数经验公式是浅中部煤炭资源在小尺度工作面开采过程中总结出的经验理论，而深部开采的围岩应力条件、矿压扰动和开采破坏条件、地下水赋存条件都与浅中部有很大的差异，如继续沿用原有的突水系数经验理论来指导大埋深、高水压、高地应力、综合机械化（或放顶煤）开采条件下的矿井水害防治工作，必然会给生产和安全带来误导。

　　另外，突水量预测所采用的理论只适合于均匀介质且流速较小的孔隙地下水流动，而实际上基岩裂隙水的分布及运移规律与孔隙水有本质的区别：①基岩裂隙水常以集中形态分布在溶孔、溶隙和间隙之中，分布极不均匀，不能用“含水层”的概念来表达；②无统一的地下水连续水面，等水位线图无意义；③分布区整体上的 平均值无代表意义，孔隙水中的平均流速和渗透系数不适用；④基岩裂隙水运移具有选择性，选择流动遵循的原则是：低阻优先、低压优先和连通优先；⑤地下水运移速度和雷诺数都远远大于孔隙水，如实验室测得6mm宽的裂隙中地下水平均流速达1267.59m/min，焦作矿区九里山矿井下一二皮带上山突水点取样化验，测得地下水最高流速达533m/min，以紊流状态流动而超过了Darcy定律的应用范围（层流状态，雷诺数1～10）；⑥水流的局部流向和整体流向不一致。因此，建立在均质各向同性的松散孔隙介质基础上的Darcy定律不完全适于岩溶裂隙水运移规律的研究，如一味地采用以Darcy流为基础的水量计算模型将导致涌水量预测结果与实际偏差较大。

　　再者，目前的突水水源识别方法以定性或半定量的分析为主，虽在矿井突水水源识别中得到普遍应用，但受资料和方法本身的限制，突水水源难以及时准确识别、突水地点难以准确确定、突水量往往靠估算，无法迅速采取有效的防治措施，只能靠强排水来避免淹井、伤亡等灾害性事故的发生，致使救援无的放矢，耽误抢救时间。 

　　总之，突水的预测、突水水源的识别、富水带和岩层中构造的定位，地下水流速的确定、注浆参数的选择等是否准确合理，是防治水技术及工程措施能否达到预期效果的关键，否则将造成了巨大的经济损失和人员伤亡。

　　四、研究方向

　　1、 突水探测技术

　　针对超前探测技术仍存在定位不准和解译不清甚至于错误的现象，利用综合性的探测技术及抽放水资料，结合煤层采掘过程中揭露的相关信息，开展超前探测技术的可靠性研究，分析其使用条件和工艺流程，确定隐伏导水构造（尤其是小构造）和富水带位置及地下水流速。

　　2、突水位置确定

　　新兴的岩体水力学考虑了水――岩的耦合作用和时空变化规律，可模拟新的采矿条件下围岩地质体的扰动规律及底板灰岩水的突出机理，为突水点位置的确定及突水的三维仿真模拟奠定了理论基础。以华北型煤矿区已有的突水资料和研究成果为基础，根据区域地质、工程地质和水文地质条件，依据理论及室内和现场实验研究确定的突水预测参数及技术指标体系，按照岩体水力学和裂隙网络系统理论，系统研究煤层底板灰岩水的突出机理，建立描述采探空间施工过程中围岩变形与岩溶裂隙水相互作用的数学模型。应用三维数值计算技术并结合有关理论，分析扰动条件下岩体应力场、应变场与渗流场的时空变化规律及相互作用关系，预测可能突水的位置。

　　3、 突水量预测

　　上世纪80年代以来提出的以Darcy流为基础的裂隙――孔隙渗流理论、裂隙网络系统渗流理论和以Chezy公式为基础的裂隙网络系统理论，为涌水量的准确预测提供了保证；尤其是当代三维数值计算技术及地理信息系统与上述新理论的结合，使得矿井突水三维仿真模拟及准确预测成为可能；利用室内试验和现场试验资料给定判断岩溶裂隙流态的临界雷诺数，依据水动力场及化探结果确定地下水流速、识别地下水流态，选择切合实际的预测突水量及突水水压变化的三维数学模型，利用数值计算技术研究水压和流量之间的关系，预测突水量的大小，并通过控放水实验进行验证。

　　4、突水水源识别

　　近年来，基于水质化验（含同位素）结果的各种数学方法（模糊聚类法、灰色关联度法、频谱分析法、神经网络法）的应用大大提高了突水水源识别的准确度，也使得突水水源的定量识别成为可能。根据煤层采掘过程中揭露的与构造密切相关的煤层综合信息，结合矿井构造条件和物探、化探及钻探成果，使得隐伏导水构造（尤其是小构造）及富水带位置、地下水流速的快速准确定位成为可能。

　　（感谢刘小满、张良、赵丽、王林海等老师给予的大力帮助、支持）