二、我国煤矿水害防治的技术方法、手段及其应用
矿山水害与其形成的条件有直接对应关系。矿井充水条件包括充水水源、涌水通道和充水强度(涌水量)。这3个条件在特定条件下的不同组合决定了不同的矿井水害类型和灾害程度。也就是说，有什么样的充水条件就有什么样的水害类型，有什么样的涌水通道及充水强度就存在什么样的水害特征。因此，我国矿井水文地质工作者日复一日，年复一年的工作着眼点和全部工作内容就是矿井充水的3个条件，又称之为“矿井充水三要素”。
我国现行常用的煤矿水害防治(或者说针对矿井突水三要素所应用的)技术经过国内外矿井水文地质工作者60多年的不懈努力，取得了显著的成绩。特别是从20世纪60年代至今的40多年来，我国煤矿水文地质工作者通过了国家“六五”、“七五”等科技攻关项目、国家大型工业性试验、联合国资助项目等重大课题；在各类煤矿水害防治的基础理论、探测方法、预测预报方法、快速综合治理等技术研究和应用及新技术、新装备的开发和引进方面进行了大量的、有成效的工作，并取得了长足发展；形成了适合我国矿山水害不同阶段预测、评价与治理的较完整的理论体系及与之配套的技术方法，并在全国大部分矿区较好地推广和应用。特别是在华北地区，通过各方面的共同努力，数十亿吨受奥灰水害威胁的煤炭资源得以解放。
概括地讲，矿井水害防治技术包括矿井水文地质条件探查、水文地质类型及矿井水害评价、矿井水害治理等。
(一)矿井(区)水文地质探查技术
矿井(区)水文地质勘探的主要任务就是针对我国现阶段煤矿水害的主要类型和特点开展探查工作。其具体探查内容包括：采矿影响到的含水层及其富水性；隔水层及其阻水能力；构造及“不良地质体，，控水特征；老窑分布范围及其积水情况等。勘探范围包括区域、井田、采区及工作面。工作顺序应由面到点，由大到小，先区域后井田，先采区后工作面。
传统技术和手段在矿井水文地质勘探中发挥了极为重要的作用，随着科学技术的进步和发展，特别是电子技术、计算机技术的突飞猛进，使水文地质勘探技术和手段发生了质的飞跃。目前，物探、化探、钻探、测试与试验及模拟计算等技术方法和手段，特别是这些方法和手段的综合应用已能比较好地解决矿井水文地质勘探中的大部分问题。
1．水文地质试验技术
水文地质试验技术的基本方法是以水文地质理论为基础，以水文地质钻探、抽(放)水试验、底板岩石力学试验为主要手段，探查含水层及其富水性、主要含水层水文地质边界条件、各含水层之间的水力联系等，并获取建立水文地质概念模型的相关资料。同时，探查煤层底板隔水层岩性、厚度、结构及阻水能力。在钻探过程中测试承压水原始导升高度，通过采取岩芯测试岩石物理、力学性质等。
(1)抽(放)水试验。该试验是其中最核心的方法，它不仅能为水文地质计算提供资料，而且重要的是抽(放)水试验过程本身就能反映含水层的水文地质特性。因此，抽(放)水试验是水文地质勘探最为有效和首选的技术方法之一。但该方法的缺点是历时长、费用高。所以，近20年来又推出脉冲干扰试验法，在一定的条件下可以替代抽(放)水试验。
(2)脉冲干扰试验。该试验是一项新的水文地质连通测试技术，其原理是通过水文地质观测点对地下水流场进行脉冲激发，根据波的衍射、势叠加与消减等原理，计算水文地质参数，评价水文地质条件。该方法快捷、准确、工程量小、时间短、费用低，可弥补抽(放)水试验时因钻孔出水量小而不能反映水文地质条件的弊端。
2．地球物理勘探技术
地球物理勘探技术经过多年的发展，在地质、水文地质探查中的地位和作用越来越明显，越来越重要。加上该技术方便、快捷的优势，近几年在煤矿防治水领域得到了极大推广和应用，常用的效果比较好的方法有以下几种：
(1)地震勘探。它包括二维和三维地震勘探，是弹性波地面探查构造及“不良地质体”的最有效方法。它主要应用的8个方面为：查明潜水面埋藏深度；查明落差大于5 m的断层；查明区内幅度大于5 m的褶曲；查明区内直径大于20 m的陷落柱；探明区内煤系地层底部奥陶系灰岩顶界面及岩溶的发育程度；探测采空区和岩浆侵入体；查明基岩起伏形态、古河道、古冲沟的延伸方向；了解基岩风化带厚度。
(2)瞬变电磁(TEM)探测技术。TEM法探测的是二次场，因此对低阻体特别灵敏。该技术是地面(已有人尝试井下使用)探测含水层及其富水性、构造及其含水情况、老窑及其积水多少的主要手段。
(3)高密度高分辨率电阻率法探测技术。它是使用单极一偶极装置，通过连续密集地采集测线的电响应数据，实现了地下分辨单元的多次覆盖测量，具有压制静态效应及电磁干扰的能力，对施工现场适应性强。该技术使直流电法在探测小体积孤立异常体方面取得了突破。可准确直观地展现地下异常体的赋存形态，是地面、井下探测岩溶、老窑及其他地下洞体的首选方法。
(4)直流电法探测技术。它属于全空问电法勘探，可在地面及井下使用。它主要应用的4个方面为：巷道底板富水区的探测；底板隔水层厚度、原始导高的探测；掘进工作面和侧帮的超前探测，导水构造的探测；潜在突水点、老窑积水区、陷落柱的探测。
(5)音频电穿透探测技术。由于探测深度的限制，该技术一般只应用于井下。它的主要作用为：①采煤工作面内及底板下100 m内的含水构造及其富水区域平面分布范围的探测，富水块段深度的探测。②工作面顶板老窑、陷落柱、松散层孔隙内含水情况及平面分布范围的探测。③掘进巷前方导水、含水构造的探测。④注浆效果的检查。
(6)瑞利波探测。其探测对象是：断层、陷落柱、岩浆岩侵入体等构造和地质异常体，以及煤层厚度、相邻巷道、采空区等，探测距离为80~100 米。其优点是：可进行井下全方位超前探测。
(7)钻孔雷达探测技术。它通过钻孔(单孔或多孔)探查岩体中的导水构造和富水带等。
(8)地震槽波探测技术。它可用于：①探明煤层内小断层的位置及延伸展布方向。②探查陷落柱的位置及大小。③探查煤层变薄带的分布。④进行井下高分辨率二维地震勘探，探测隔水层厚度、煤层小构造及导水断裂等。
另外，还有其他一些地球物理勘探方法，如超前机载雷达、建场法多道遥测探测技术等。
3．地球化学勘探技术
该勘探技术主要通过水质化验、示踪试验等方法，利用不同时间、不同含水层的水质差异，确定突水水源，评价含水层水文地质条件，确定各含水层之间的水力联系。其主要的技术方法包括：①水化学快速检测技术。它用于井下出水点、钻孔水样水质的快速检测。②透(突)水水源快速识(判)别技术。它通过水化学数据库，利用水质判别模型快速判别突水水源。③连通试验。它是查明含水层内部、含水层之间、地下水与地表水之问相互联系的一种见效快、成本低的试验手段；它对判断矿井充水水源、分析含水层之间的水力联系等都具有很重要的意义，通常在放水试验过程中使用。
4．钻探技术
最进十几年来，国内外钻探技术飞速发展。从适合地面、井下探放水，探构造及不良地质体(陷落柱：岩溶塌洞)到水文地质勘察、注浆堵水成孔等用途的地面钻机、坑道钻机，其能力和性能均有极大加强、同时定向钻进技术随着钻孔测斜技术的提高也逐步走向成熟。现在，无论是地面用钻机，还是井下坑道钻机均可实现“随钻测斜，自动纠偏”。可以说，现有钻探技术已能很好地满足水文地质探查中对钻探手段的技术要求。
5．监测测试技术
(1)基本水文地质监测。其主要仪器设备包括水位水压遥测系统、水位水压自记仪和水量监测仪(电磁流量仪)。其主要监测内容有：①矿井各含水层和积水区水位水压变化情况。②矿井所在地区降水量、矿井不同区域涌水量及其变化情况。③矿井受水害威胁区水文地质动态变化情况。④矿井防排水设施运行情况。⑤地面钻孔水位、水温监测等。
(2)煤层底板或防水煤(岩)柱突水监测。其主要设备为底板突水监测仪，其监测方法为：通过理设在钻孔中的应力、应变、水压、水温传感器，监测工作面回采过程中应力、应变、水压、水温的变化情况，将数据传送到地面中心站后，再利用专门的数据处理软件判断能否发生突水。该技术主要应用于具有底板突水危险的工作面回采过程中的突水监测。
(3)原位地应力测试。其主要设备是原位应力测试仪，它是一种以套筒致裂原理为基础的原位地应力测试仪器。通过该技术监测工作面回采前、回采过程中的地应力变化，再应用专门数据处理软件判断是否发生突水。该技术主要用于底板突水监测。
(4)岩体渗透性测试。其主要设备是多功能三轴渗透仪。该技术通过调节岩体的三向应力状态，测试不同应力状态下的水压、水量变化，反映岩体渗透性随应力的变化规律。
(二)矿井水害评价理论及技术
1．矿井充水类型评价
按充水水源类型划分，矿井充水类型可分为岩溶充水、裂隙充水、孔隙充水和老空充水。按水文地质条件的复杂程度划分，矿井充水类型可分为简单、中等、复杂和极复杂4种类型。
2．突水机理及预测预报技术
(1)突水预测理论包括：①经验理论，即突水系数理论、“下三带”理论、递进导升理论。②以力学模型为基础的突水机理与预测理论，即薄板结构理论、关键层理论、强渗通道说和岩水应力关系说等。
(2)突水预测预报方法包括：五图双系数法、三图双预测法、模糊综合评判法和人工神经网络法等。
3．涌水量的计算与评价
矿井涌水量的预测方法可分为3种：①建立在地下水渗流理论基础之上的解析法和数值法。②建立在回归分析等数理统计理论之上的经验公式法、比拟法、Q—S曲线外推法。③建立在质量守恒定律基础上的水均衡法。其中，解析法和数值法一般应用于严格按稳定流、非稳定流标准观测的抽(放)水试验后预测涌水量；经验公式法、比拟法、Q—S曲线外推法应用于有大量统计资料的矿区；水均衡理论应用于输人输出水量容易观测计算的矿区。由于各种方法对资料和相关条件的要求不尽相同，可选择适合本矿实际的计算方法。综合比较，数值法建立在严格的数据观测基础上，充分地考虑了含水层的非均质性、各向异性和水文地质系统的边界条件等，计算结果比较准确，已得到广泛应用。
(三)煤矿水害防治技术
1．综合防治技术
煤矿水害防治工作要以“预防为主，防治结合”为基本方针，以“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”为基本原则，并根据矿井水害实际情况制订相应的“防、堵、疏、排、截”综合防治措施。
“预测预报”就是要在查清矿井水文地质条件的基础上，对矿井的水文地质类型、水害隐患、严重程度进行分析研究，并通过相应的水文地质工作对矿井水文地质条件进行分采区、分工作面评价圈定安全区、临界危险区和危险区，并标注于相关图纸上，以排除开采活动的盲目性。“有疑必探”是指在预测预报工作的基础上，对没有把握的区域或块段采用物探、化探、钻探等方法和手段进行综合探查，以探明水害疑点或可疑作业区域。“先探后掘”是指在综合探查的基础上，在确保巷道掘进或(和)工作面回采没有水患威胁时，可实施掘进及回采作业。“先治后采”是指在综合探查的基础上对于有水害隐患的区域，必须采取有针对性的措施，直到完全消除水害威胁后才能组织正常作业。
“防、堵、疏、排、截”5字综合治理措施，简单地讲，“防”，就是对于矿井边界、导水断层、高压强含水层、导水陷落柱等一定要采取留设防水煤(岩)柱或通过改变采煤方法来预防，并对其他可能诱发矿井水害的水源、通道实施加固、隔离、阻断等措施；“堵”，即针对有安全隐患的矿井充水水源、涌水通道，必须超前进行注浆封堵，或对强含水层、隔水层进行注浆封闭或加固处理；“疏”．主要指能疏干的充水源要坚决疏干，不能疏干的(如华北型奥灰水)要结合安全带压开采上限要求．采用疏水降压等措施实现安全作业；“排”，既指排水供水相结合，使矿区水资源得到综合利用，又括建立安全可靠的矿井排水系统；“截”，即通过开挖沟渠，修筑堤坝、防水帷幕等截流措施，拦截地表河流、水库等地表水及松散层孔隙水。
值得注意的是，煤矿水害防治技术中的疏水降(水)压和注浆封堵技术，经过多年的探索已取得长足发展，疏水降(水)压技术可以根据不同的水害类型和疏降目的采取有针对性的方式和类型；注浆封堵技术不但在工艺上有大的改进(如“立体注浆”技术，“导流”、“引流”注浆技术等)，同时，一些封堵效果好、成本低廉的注浆新材料也相继推出，如水泥黏土浆、粉煤灰浆等。在“动水”条件下的注浆封堵也有许多新办法，而且效果都不错。
2．水害防治的基本技术路线
在矿井开发的不同阶段，由于任务不同，相应的防治水要求也不一样，一般的水害防治技术路线如下：
(1)在矿井建设中或建井前，应进行矿井水文地质综合勘探，查清矿井的水文地质条件；预测评价矿井涌水量，进行矿井防排水系统的设计。在此基础上，根据矿井的未来(如5 a)采掘计划制订矿井的总体防治水规划，确定不同阶段防治水项目。
(2)在开采过程中，应建立水害安全保障体系(包括物探探测仪器、钻探、注浆设备、排水设施、水闸门、水闸墙、防治水组织结构和安全避灾路线等)、巷道掘进前方的超前探测、采区采煤工作面的精细探查，以查清掘进工作面、采区及工作面的水文地质条件，并对有突水危险的工作面进行突水监测，根据监测结果及时调整优化防治水方案，编写抢险救灾预案。
(3)在闭井前或采矿完成后，要对矿井闭井安全条件进行评价，制订矿井关闭过程中的安全措施，监测拟关闭废井与邻近矿井的水情水况，制订废弃矿井水的防范措施，并将废弃矿井采空区准确地标绘在地质图、采掘工程平面图等图纸上，同时将相关资料报送上级管理部门进行备案。
3．水害防治技术的应用
(1)综合水文地质条件的探查。例如，山东临沂黄河北煤田邱集煤矿10号、11号煤层受到四灰、五灰及徐家庄灰岩(简称徐灰)、奥灰承压水的严重威胁，受水威胁的煤炭资源所占比重达87％。通过四灰、五灰的放水试验、示踪试验、水化学和同位素测试，查明了井田主要补给边界，四灰、五灰与徐灰、奥灰的水力联系等，采用有限单元法计算四灰、五灰疏干水量，制订了疏干方案，明确了11煤层的开采方案。
(2)底板水害的防治，包括以下内容：
探查水源和通道。用瞬变电磁法、高密度电阻率方法探测底板潜在突水通道，如皖北刘桥一矿断层的探查、邢台东庞9103工作面陷落柱的探查等。
带压开采分区。对于底板下伏高承压含水层的煤层，如果隔水层厚度足够，一般采用带压开采方法。利用改进的突水系数理论，选择合适的临界突水系数进行带压开采分区，如神东煤炭公司孙家沟井田13煤层的带压开采分区。
堵水复矿，指断层或陷落柱治理。例如，峰峰牛儿庄矿、邢台东庞矿、皖北任楼矿、开滦范各庄矿等灾后成功复矿。
改造底板，指改造含水层或导水裂隙。例如，2005年永城煤电公司共完成底板注浆改造工作面29个，投入资金3973万元，取得了良好效果，各矿均没有发生突水事故，保证了矿井的安全和稳定高产。2006年，全公司底板注浆改造工作面计划33个，预计投入防治水工程专项资金6509万元。另外，肥城、淮北、焦作等都有多年的成功经验。邢台葛泉矿已开始应用该方法并取得初步成效。
帷幕截流，指沿集中补给边界，通过注浆方法建造人工“阻水墙”，截断地下水流。例如，肥城国家庄煤矿首创了井下“长距离，大规模”帷幕截流技术应用研究。通过地面勘探、放水试验、连通试验、电算模拟及搜集有关技术资料，综合分析了矿井的地质构造特征和水文地质条件，发现井田呈“三面阻水，一面进水”的水文地质单元特征，阻水边界为隐伏露头及隔水断层，进水边界为断层接触式的奥灰集中补给边界。根据岩溶率、浆液扩散半径、注浆段厚度、注浆压力等，合理确定了帷幕带的宽度和注浆孔的孔距、方位、施工序次等参数；选择了以黏土水泥浆为主、单液水泥浆为辅的注是材料和注浆参数；因地制宜地采取了单孔注浆与群孔注浆、引流注浆与控压注浆、连续注浆与间歇主浆等相结合的综合注浆工艺，解放储量358万t，目前已安全采出140万t。
突水监测。例如，对邢台东庞煤矿9103工作面的突水监测试验。9103工作面位于井田南翼靠近奥灰隐伏露头区，矿区奥灰水位标高为+45 m～+75 m，工作面底板承受的奥灰水压力为2．15～2．60 MPa，隔水层厚度为30 m左右。利用底板突水监测系统对回采过程中的应力、应变、水压、水温进行了监测。结合具体的水文地质条件，设计了监测工程的布置方案及钻孔内传感器的埋设方案；结合应力、应变、水压、水温的监测结果，经综合分析，判断9103工作面不会发生底板灰岩突水，事后证明，在实际回采中确实是安全的。
(3)顶板水害的防治。例如，黄陵矿区一号井2号煤层顶板上方80 m范围内，为延安组砂岩裂隙含水层和直罗组下段砂岩裂隙含水层，含水层底板距2号煤层顶板分别为45～55 m和74～82 m，是导致矿井突水频发的主要含水层，威胁矿井安全。300工作面地面电法勘探采用以TEM法查明顶板含水层的富水性分布，预先施工8个探放水孔，超前预疏放顶板水，水压降至3 kg／cm。回采，实现了矿井安全开采。
(4)老空水害的防治。例如，黄陵矿业集团有限责任公司一号井，因小窑采空区的水位不断抬升，冲毁了一号井主平硐876 m处的巷道，造成突水事故。老窑水是直接透水水源，补给水源为沮水河；涌水通道为上游小窑及邻近矿采空区。其治理方案包括：①3条平硐井筒里侧各设2道挡水墙。②在矿井突水点地面对应位置分别进行物探、钻探等工作，准确查明了导水通道的具体位置，确定了地面注浆堵水方案。③采用沿主平硐外侧施工3排注浆孔，充填空隙与裂隙，封堵导水通道。
(5)地表水体的防治。例如，龙口北皂煤矿地表水体的防治，解放了海下煤炭资源儿667万t，延长了矿井服务年限12 a。其采用的防治水技术为：①运用海域地震三维勘探，查明了海域地质条件。②借鉴国内外海(水)下采煤经验，利用“上三带”理论，初步预测了采动后导水裂隙带发育的高度。③在海下采煤水文地质资料不全的情况下，借鉴陆地开采经验，运用比拟法，同时采用水化学分析技术，初步研究了海下各含水层的水力联系情况。④合理地运用水文地质物探技术，实现了采掘过程中的超前探测，以物探指导钻探，实现了物探钻探结合，查明了生产过程中的水文地质条件，确保了安全生产。⑤采用地下水海陆联合水情在线监测技术，实现了开采过程中的水情实时监则，为研究地下水赋存及运移规律提供了科学依据。