帶（水）壓開采安全評價技術及其發(fā)展方向

摘要：隨著煤礦開采深度的不斷增加，將面臨高承壓水的嚴重威脅，帶壓開采已成為深部煤炭資源開發(fā)的主要開采方式，與此相適應，帶壓開采安全評價工作顯得尤為重要。面對深部煤炭資源開采中帶壓開采評價技術的挑戰(zhàn)，應該在完善雙系數（突水系數和帶壓系數）評價體系的基礎上，在帶壓安全開采可靠性分析、三維地質建模技術及其可視化、數據倉庫及數據挖掘技術與突水規(guī)則的知識獲取等方面發(fā)展帶壓開采安全評價技術，以期實現(xiàn)在奧灰高承壓水威脅下安全采煤和避免淹井事故發(fā)生的目標。
關鍵詞：帶壓開采；承壓水；安全評價；可靠性分析；可視化；數據挖掘；知識獲取
煤炭是我國今后相當長一段時期內主要的、不可替代的能源，大力發(fā)展煤炭工業(yè)，實施科技興煤戰(zhàn)略是煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根本所在。目前，煤礦安全嚴重地制約著能源工業(yè)的發(fā)展，成為其發(fā)展的“瓶頸”問題。當務之急，做好煤礦安全評價工作、基本杜絕惡性災害性事故成為煤礦安全生產中的一項首要任務。
安全評價就是從系統(tǒng)工程的觀點出發(fā)，對煤礦生產中潛在的危險進行預先識別、分析和評估，為制定基本的防災、減災措施提供科學依據。近年來，隨著以人為本管理理念的建立，逐漸確立了安全評價在生產中的重要地位，從而促進了安全技術的發(fā)展和完善。中國社會對于安全工作的重視程度達到了前所未有的高度，主要體現(xiàn)在以下方面：①國家安全生產監(jiān)督管理局升格為國家安全生產監(jiān)督管理總局；成立中國安全生產科學研究院（簡稱“安科院”）；開辦中國安全網專業(yè)網站；從2005年6月1日開始受理注冊安全工程師執(zhí)業(yè)資格的注冊申請；②中國礦業(yè)大學（北京）開辦資源與安全工程學院，下設安全工程系，計劃將在不遠的將來形成安全技術學科群；③直接以安全為主題的刊物多達3種，如《煤礦安全》、《礦業(yè)安全與環(huán)?！?、《礦山壓力與頂板管理》，其它礦業(yè)工程刊物上與各類安全工程相鏈接的文章更是不勝枚舉。
1 帶壓開采及其安全評價
帶（水）壓開采(簡稱“帶壓開采”) 技術，是指當煤層底板隔水層承受較高水壓時，在不進行或很少降低含水層水頭壓力的情況下，確定能否安全采煤的技術[1]。它是承壓水體上安全采煤的一項實用性技術，與深降強排技術相比，具有減少噸煤排水費用和保護水資源的雙重功效。通過與國內外同類技術對比后發(fā)現(xiàn)，帶壓開采屬安全技術范疇，帶壓開采評價技術從一開始就引起人們的極大興趣，這從對于其定量化分析的不斷創(chuàng)新中已經得到了印證。自20世紀70年代后期以來，在淄博、焦作、井陘、峰峰等煤礦應用帶壓開采技術在解放受水害威脅的煤炭資源方面發(fā)揮了重要的作用。我國大多數礦區(qū)，尤其是華北型煤田東部各煤礦區(qū)，在面臨淺部資源枯竭的條件下，為了實現(xiàn)各個能源基地的可持續(xù)發(fā)展，深部煤炭資源開發(fā)已經提到重要的議事日程上來，煤炭工業(yè)的發(fā)展和煤炭資源開發(fā)進入新的歷史發(fā)展階段。與此相適應，作為煤礦水害防治技術重要發(fā)展方向和深部煤炭資源技術支撐的帶壓開采評價技術面臨新的發(fā)展機遇和嚴峻挑戰(zhàn)。
目前，隨著開采深度的不斷增加和開采層位的逐漸下移，對帶壓開采安全評價問題沒有統(tǒng)一和明確的規(guī)定，其原因是問題相對復雜，以前遇到的帶壓開采安全問題并不十分突出，在實際操作中，常常由水文地質工程師或采礦工程師在分析具體條件的基礎上，參考類似礦區(qū)的經驗，依照《礦井水文地質規(guī)程》所給定的臨界突水系數做出判斷。工程實踐中，對新設計采區(qū)或工作面進行帶壓開采安全評價常常采用的方法是：整體安全評價采用突水系數法，工作面回采時，采用帶壓系數進行復核驗證。隨著對于煤層底板突水機理認識的逐漸深入、地質分析工作的不斷深化以及物探技術方法的長足發(fā)展，可以給出需要加固處理的重點部位，從而建立起了目前為止較為完備的帶壓開采技術方法體系和工作思路，東龐煤礦9103工作面安全回采提供了這樣一個成功的范例。
然而，由于眾所周知的原因，依照突水系數法所得出的評價結果只能得出一個整體安全度，帶壓系數測試方法本身的缺陷，使得在審查其評價結果時，經常引來較大的爭議，需要借助突水監(jiān)測系統(tǒng)彌補評價方法上的某種不足。因此，帶壓開采的突水危險也就不言而喻地來自于這種安全評價的技術風險，在迫切需要解放受水害威脅的深部煤炭資源并且日益重視安全評價工作的今天，有必要探討帶壓開采安全評價技術及其相關問題。
帶壓開采技術措施及其安全評價技術是帶壓開采技術密不可分的兩個組成部分，二者的關系如圖1所示。

實際上，帶壓開采安全評價技術（有時簡稱帶壓開采評價技術）貫穿于煤炭資源開采的各個階段，隨著對水情、水害認識和研究程度的不斷深入，將逐漸修正前一階段的評價成果，從而使評價工作逐步趨于完善。可以看出，對應不同的工作階段，帶壓開采安全評價具有層次性和遞進性的特點。
2帶壓開采技術的適用性問題
從廣義上講，只要在水壓高出煤層以上的采掘環(huán)境中，煤炭開采均是帶壓的，只不過存在直接帶壓和間接帶壓的區(qū)別。以華北型煤田而言，下組煤開采奧陶系灰?guī)r作為（直接）帶壓含水層已是不難理解，而山西組2#煤以奧陶系灰?guī)r作為（間接）帶壓含水層已經為邢臺東龐礦2903工作面突水所證實。
無論是從理論還是從已經成功實施帶壓開采的煤田來講，帶壓開采的適用條件集中體現(xiàn)在以下兩個方面：
（1）煤層底板沒有全導入型通道，使得其在水壓作用下具有整體穩(wěn)定性，而不存在所謂的“突破口[2]”。“突破口”屬于煤層底板中存在的固有巖體缺陷，影響礦井的充水性質。對于“突破口”的搜索有兩種基本方法：一是通過物探方法，二是通過水文地質試驗方法。帶壓開采實踐中，對于全導入型通道一是通過留設安全防水煤柱采用繞避的方法，二是對其進行根治。
（2）煤層底板的巖性組合能夠阻抗目標含水層在一個水文周期內（或者為了安全評價的需要，按歷史最高水位考慮）最高水位所對應的水壓。在其巖性組合已經確定的前提下，這種阻水能力主要取決于既有采礦方式下對煤層底板的破壞深度、目標含水層頂板實際埋藏深度（如華北型煤田奧陶系灰?guī)r峰峰組由于古風化殼的存在，實際的含水層頂界有可能下移）以及灰?guī)r水的實際潛升高度。
3 帶壓開采評價技術現(xiàn)狀
帶壓開采評價技術主要包括如下四個方面：

（1）巖溶水流動系統(tǒng)的研究與評價[3,4]
存在突水通道并非必然發(fā)生突水，只是在具有突水水源的礦區(qū)才有可能發(fā)生突水，突水通道與突水水源共同構成突水條件，二者缺一不可。因此，應從查清礦區(qū)巖溶含水層的富水性入手，分析和評價突水條件及突水可能性。最好以水文地質單元作為評價區(qū)，分析巖溶水系統(tǒng)流動特征、徑流帶的展布情況、井田位于徑流帶和排泄帶的部位等。通過對含水介質水力聯(lián)系和水動力條件的研究，建立一個符合客觀實際的地下水流動系統(tǒng)模型。
（2） 直通式導水通道的探查與評價
對于已經圈定具有突水傾向性的井田，進一步的工作是對直通式導水通道做出探測和評價。按照發(fā)生突水的通道性質，煤層底板突水可分為兩種類型，即通道型突水與滲透型突水，許學漢、王杰等人[3]將前者稱為原生強滲通道，對于這種通道的探查與評價，奧灰?guī)r溶水綜合防治工業(yè)性試驗[5]期間以焦作礦區(qū)作為試驗點提出了垂向越導通道綜合探測配套技術；以開灤礦區(qū)為例，形成了導水陷落柱井上、下綜合立體探測技術，目前仍處于上述配套技術的試驗驗證和完善階段；
（3）中、小型斷層作為突水通道的探查與評價
與陷落柱作為導水通道的突水樣本相比，斷層作為導水通道則是大量的且具有代表性，一定規(guī)模的斷層就可以成為溝通不同含水層之間水力聯(lián)系的通道，對斷層的水文地質評價首先應基于構造分析原理對不同級別和不同序次的斷層進行構造解析，對斷層展布特點做出分析并盡可能以采區(qū)、井田為單元做出構造預測，結合物探方法和井巷工程揭露情況進行探、預、采對照；其次，應探討并評價斷層發(fā)育方向和斷層內部結構對突水的控制作用、斷裂構造突水機制、斷層的活化及其滯后突水現(xiàn)象等。目前，依托各類防治水項目，在上述方面已開展了一定的工作，但就這一問題應有的深度而言，差距仍然很大。
（4）節(jié)理裂隙型巖體突水條件探查與評價
對于節(jié)理裂隙型巖體而言，其突水類型為滲透型突水，即與礦壓顯現(xiàn)、承壓水的水力擴容作用密切相關，這種類型的突水首先應在煤層底板巖體強度力學校核的基礎上做出穩(wěn)定性評價；其次，應采用底板突水監(jiān)測技術對采掘過程中裂隙水的潛升過程做出動態(tài)觀測和評價。
帶壓開采安全評價技術所形成的綜合成果可以用如圖2所示的評價體系及工作內容圖示。
4煤層底板巖體抗水壓能力的巖體水力學模擬與校核
采礦條件下，煤層底板巖體的主要功能是承受工作狀態(tài)下的礦山壓力和下伏承壓水壓力。底板突水的實質在于巖體的抗?jié)B阻力低于下伏承壓水的滲流動力，巖體的抗?jié)B透能力評價一方面在模擬原巖應力條件下，通過室內試驗測試；另一方面通過井下原位水壓致裂方法測試。
承壓水與底板巖體相互作用而導致的失穩(wěn)問題，包括地下水對巖體節(jié)理裂隙的水力擴容作用而導致的物理弱化效應以及巖體由于應力狀態(tài)、結構面力學性質改變引起結構面（節(jié)理、裂隙）開度的變化，從而影響節(jié)理、裂隙巖體滲透性及水動力學條件的改變，滲流場與應力場的相互耦合作用是其重要特征，研究煤層底板突水機理屬于巖體水力學研究范疇，這一問題的關鍵在于對原巖應力條件下底板巖體抗水壓能力做出力學校核，其研究內容包括：（1）巖體數學—力學模型的系統(tǒng)分析；（2）巖體力學本構關系研究；（3）巖體應力場與滲流場耦合分析；（4）水力擴容機理的實驗分析與模擬；（5）基于水力擴容機理的突水預測計算機仿真分析。
5帶壓開采評價技術的發(fā)展方向
縱觀帶壓開采評價技術研究現(xiàn)狀，結合相關學科發(fā)展趨勢，預計帶壓開采安全評價技術將會在如下方面取得進展：
5.1帶壓安全開采可靠性分析[6,7,8]
目前在帶壓開采評價中常用的方法均為定值法—突水系數法。突水系數法是經過長期實踐證明的一種較為有效的評價方法，但這種方法的最大缺點是沒有考慮實際存在的不確定性的影響。因此，在實際采煤中，按定值法算出的突水系數是足夠的，而實際上卻發(fā)生了突水，這正是不少礦床水文地質工作者對突水系數提出質疑的原因所在。
在承壓水的作用下，保護層的失效模式主要是結構強度的失效，即由于保護層本身厚度不足、巖層組合梁的力學強度不夠或上述兩種因素同時存在的結果。理論上，由超靜定梁所推導的安全水頭計算公式可以作為可靠性分析的依據，即В.Д.斯列薩列夫安全水頭計算公式：

將巖體參數 、 看作隨機變量，并假定其服從正態(tài)分布，如果巖層有 層，則共有 個隨機變量，選用斯列薩列夫安全水頭模型進行可靠度分析，引入可靠度評價函數對帶壓開采安全性做出可靠性分析，采用一般的“R—S” （荷載—抗力模式），則煤層底板保護層的極限狀態(tài)方程為：

顯然，當 時，帶壓開采處于可靠狀態(tài)； 時，保護層失效。在計算隨機變量偏導數、解算非線性方程組基礎上，可求得可靠性指標 值，則失效概率由下式確定：

以失效概率表示的煤層底板突水狀態(tài)，更接近于實際情況，避免了單純依據閾值作為突水判據的某些不合理性，如以臨界突水系數0.06MPa/m為例，當突水系數為0.061MPa/m發(fā)生突水，當突水系數為0.059MPa/m不發(fā)生突水，顯然是不盡合理的。
5.2 三維地質建模技術及其可視化在帶壓開采安全評價中的應用[9，10]
三維地質建模及其可視化技術為帶壓開采安全評價掀開了嶄新的一頁，地質信息的三維可視化是指以適當的數據結構建立地質特征的數學模型，采用計算機圖形技術將數學描述以3D真實感圖像予以表現(xiàn)。三維可視化模型能夠將所研究的實體以及物理過程形象直觀地表達出來，因而三維可視化研究是地學界的一個重要研究課題。在礦井水文地質各項研究中，最重要的莫過于對礦井水文地質條件的正確認識，尤其是對于地下水流動系統(tǒng)的準確描述。令人遺憾的是絕大多數井田地下水位動態(tài)監(jiān)測孔不但數量少，而且從整個井田范圍來看，分布很不合理，地下水位監(jiān)測網極不完善，水文地質條件的認識上存在諸多盲區(qū)。面對這一現(xiàn)狀，首先應建立與完善井上、下地下水位動態(tài)監(jiān)測網，在此基礎上，利用三維可視化技術，直接感知井田地下水的運動規(guī)律及其動態(tài)特征，如降壓漏斗的空間分布、研究區(qū)域任意鉆孔及任意剖切顯示、柵狀圖形顯示、水害數據集成及鏈接等。可以斷言，三維地質建模技術及其可視化在帶壓開采安全評價中的應用研究具有廣闊的發(fā)展前景和巨大潛力。
5.3 數據倉庫及數據挖掘技術與突水規(guī)則的知識獲取
由于帶壓開采安全評價中涉及大量的數據，如鉆孔結構、地質構造、水位等，傳統(tǒng)數據庫的處理方式與決策分析中的數據需求不對稱，為滿足帶壓開采安全評價和防治水決策分析的需要，要求在傳統(tǒng)數據庫的基礎上產生適應決策分析的數據環(huán)境—數據倉庫（DW, Data Warehouse）。
1989年8月，在第11屆國際人工智能聯(lián)合會議的專題研討會上首次提出了基于數據庫的知識發(fā)現(xiàn)（KDD, Knowledge Discovery in Database）技術[11]，該技術涉及到機器學習、模式識別、統(tǒng)計學、智能數據庫、知識獲取、專家系統(tǒng)、科學計算可視化等領域。1995年，在美國計算機年會（ACM）上，提出了數據挖掘（DM, Data Mining）的概念，即通過從數據庫中抽取隱含的、未知的、具有潛在價值信息的過程。
任何事故的發(fā)生都是有原因的，對事故的發(fā)生規(guī)律是可以認識的。如果將歷年發(fā)生的事故資料通過定性和定量的分析，就可以找出引起事故的共性因素及其規(guī)律性，帶壓安全開采也不例外。帶壓開采過程中，所發(fā)生的煤層底板突水現(xiàn)象是受內在隨機性作用規(guī)律支配的，井田在巖溶水徑流系統(tǒng)中的位置、井田內巖溶發(fā)育程度、隔水層的阻水抗壓能力、承壓水的潛越高度在不同礦區(qū)具有各自不同的特點，實踐中應以數據倉庫及數據挖掘技術作為工具，從突水樣本中完成自學習和他學習過程，從而實現(xiàn)帶壓開采安全評價工作質的飛躍。
6 結論
從以上分析中可以得出如下結論：
（1）隨著煤炭資源開采的縱深化方向發(fā)展，將面臨高承壓水的嚴重威脅，深降強排由于增加噸煤排水費用并破壞日趨緊張的水資源，限制其進一步推廣、應用，被認為是基本不符合我國國情的防治水方法。因此，帶壓開采已成為深部煤炭資源開發(fā)的技術依托而引起廣泛關注。在煤炭工業(yè)發(fā)展新的歷史階段，對帶壓開采安全評價技術做出回顧和前瞻具有重要的意義。
（2）帶壓開采評價技術的基本工作思路為：在常規(guī)地質、水文地質條件分析的基礎上，重視煤層底板保護層的“三測”（探測、預測、監(jiān)測）工作，分析可能的突水類型（通道型突水與滲透型突水），針對不同的突水類型，采取相應的防治水對策（預注漿加固、底板改造、留設防水煤柱），即從查清突水條件開始到有效地進行預防和對不利的水文地質條件做人工改造處理等，最后達到能夠在奧灰水的威脅下安全采煤和最大限度地減少礦井涌水量及避免淹井事故的發(fā)生。
（3）面對深部煤炭資源開采中帶壓開采評價技術的挑戰(zhàn)，應該在完善雙系數（突水系數和帶壓系數）技術的基礎上，在帶壓安全開采可靠性分析、三維地質建模技術及其可視化、數據倉庫及數據挖掘技術與突水規(guī)則的知識獲取等方面發(fā)展帶壓開采安全評價技術。

主要參考文獻：
1.靳德武，我國煤層底板突水問題的研究現(xiàn)狀及展望[J]，煤炭科學技術 2002：30（6）：1~4
2.尚彥軍，楊志法，劉英等，關于地質工程設計中突破口預測方法的研究[J]，工程地質學報，1996，4（4）：15~24
3許學漢、王杰，煤礦突水預報研究[M]，2~14，北京：地質出版社，1991年11月
4煤炭科學研究總院西安分院等，華北型煤礦奧灰水防治研究[M]，267~275，西安：陜西人民出版社，1990年4月
5國家工業(yè)性試驗項目：華北型煤田奧灰?guī)r溶水綜合防治工業(yè)性試驗二期工程研究成果總報告[M]，45~72，煤炭科學研究總院西安分院，1995 年10月
6 韓玉芳、劉德輔、董勝，邊坡整體穩(wěn)定的可靠性分析方法[J]，海岸工程 2001，20（4）：7~13
7 常方強、涂帆，加筋土擋墻的可靠性分析[J]，工業(yè)建筑 2005，35（1）：53~55
8 潘元伯 關于安全水頭公式的推導 中國地質學會全國礦床水文地質學術討論會論文選[M]，183~187，北京：地質出版社，1988年6月
9 曹代勇、余志偉、趙揚等，數字礦山及其關鍵技術探討[J]，銅業(yè)工程，2005（1）：10~12
10 王秋明、甘三才、胡瑞華等，三維地質建模技術及其在工程中的應用[J]，人民長江，2005，36（3）：60~62
11 邵峰晶，于忠清 編著 數據挖掘原理與算法[M]，2~30，北京：中國水利水電出版社，2003年8月