金属矿山水害监测预警研究现状与展望

谢世平 杨柱 罗舸旋子3

（1.长沙矿山研究院有限责任公司；2.金属矿山安全技术国家重点实验室；3.湖南省矿山地质灾害防治与环境再造工程技术研究中心）

水害是金属矿山建设生产过程中的主要安全灾害之一，其破坏性大，突发性强，往往导致大量的人员伤亡，给人民生命和国家财产造成无法挽回的损失，开展金属矿山水害监测预警研究是保障矿山安全的一项重要任务。随着云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术，以及现代化仪器和监测手段的快速发展，矿山水害监测预警也得到不断地创新与升级［1］。

目前矿山水害监测预警技术主要在煤矿应用居多，监测方法也比较多［2-8］，已成为煤矿水害防治的重要手段之一［9］。而金属矿山水害监测预警研究较少，已有的监测系统也主要针对钻孔水位、矿坑排水量以及水仓水位等参数指标进行实时监测，且大多数还不具备对矿山突水危险预测预报的功能，无法满足矿山安全生产的需求。本文简要分析了金属矿山的水害形成因素，对目前金属矿山水害监测预警的研究应用现状进行总结和评述，并结合煤矿领域已成功应用的水害监测预警技术，探讨了金属矿山水害监测预警的发展趋势，旨在推广应用现有技术，也为开发适用于金属矿山水害监测预警的新方法提供思路。

1 水害形成因素分析

矿山水害的形成主要有3个重要因素，即突水水源、突水通道和突水强度。其中，突水水源是矿山水害发生的根源。但只有水源也未必会发生水害，还需要有突水通道，如果对突水通道进行封堵或采取其他措施，使突水水源无法进入矿坑，那么也不会发生突水事故。即使同时具备了突水水源和突水通道，而突水强度较小，矿山自身的排水能力足够，那么也不会发生水害事故；如果突水强度超过了矿山的排水能力，则会造成水害事故，严重时甚至会淹没整个矿坑，从而导致人员伤亡和财产损失［10］。

从大水金属矿床的赋存条件分析，其突水水源一般为顶、底板承压含水层，部分埋藏较浅的矿山在采动影响下可能波及到地表水体。存在老空区的矿山还有老窿突水的风险，此时老空区也为突水水源之一。金属矿床的突水通道多为岩溶、断层或破碎带等地质构造，某种情况下老空区或是封闭不良的钻孔等也可以作为人工突水通道沟通含水层或是地表水体。因此，从金属矿山的充水因素分析，主要存在顶底板突水、导水构造突水、老空区突水和不良钻孔突水等。

顶板突水［7］是一个多因素、非线性的岩体力学作用过程，与矿山采动覆岩移动破坏规律密切相关，覆岩移动破坏规律是顶板突水机理研究的基础及关键，国内外学者对其进行了较为深入的研究，并取得可喜的成果。

导水构造突水主要为矿床范围内发育的岩溶、断层、破碎带等导水构造或者原始状态下的非导水构造，在采动影响下发生突水，即构造活化。大量工程实例也表明：在原始地质条件下，构造与含水层直接沟通，构成导水通道的突水事故比例较小；大多数是原始地质条件下的非导水构造，在采动影响下通过活化，转化为导水性构造发生突水［11］。国内外许多专家、学者主要对断层的突水机理展开了大量研究，从断层的发育特征、空间位置，以及从力学机理等方面分析断层的突水判据［12］。还有其他一些学者运用数理统计、相似模拟等方法对断层等导水构造影响下的水害机理进行了研究。

封闭不良钻孔作为一种重要的人工导水通道，由于其规模小，隐蔽性强，并没有引起足够的重视，常引发突水事故。目前对封闭不良钻孔突水的研究，主要集中在其安全性评估方法、管理信息系统设计、可视化探测方法以及涌水量预测及治理技术，对其突水机理的研究不多，刘德民等［13］利用摩尔库仑理论和厚壁圆筒理论建立了封闭不良钻孔侧壁突水力学模型，求出了突水判据。

老空区作为主要的人工导水通道及突水水源，对矿山生产安全威胁巨大，其水害事故多为突然发生，且瞬时水量大，具强大破坏力，在水量大、水压高、工作面位置低时常造成伤亡事故，是矿山水害中造成伤亡事故最多的水害［7］。国内外学者通过理论分析及经验计算，在其突水机理方面取得了较多的研究成果。

2 水害监测预警研究现状

2.1 水害监测指标

根据矿山水害形成因素分析，要达到对水害有效的监测预警，主要是对与矿坑突水水源、突水通道与突水强度3 个主要因素相关的指标进行监测。根据目前国内外矿山监测指标体系研究现状［14］，监测预警系统常用的监测指标主要包括水温、水位、水压、水化学、流量、岩石力学（应力、应变、微震等）、视电阻率等。其中，针对突水水源的监测主要有水位、水温、水化学等指标；突水通道的监测主要有水压、岩石力学、视电阻率等指标；突水强度的监测主要有涌水量等指标。

目前金属矿山已有的水害监测预警系统［15-19］主要对水温、水位、水化学、涌水量和电磁波等指标展开了监测技术研究，通过各单指标监测情况，然后对矿山水害风险进行综合分析判断。其中，水温、水位、水化学、涌水量等传统监测指标，已具备成熟的监测技术，也是目前应用最为广泛的反映矿山地下水特征的基本因素。近年来，地球物理方法逐步被应用于矿山水害监测领域，有效地提高了捕捉突水活动本质信息和感知远区突水活动的能力。黄采伦等［15］通过大量的试验发现，地下水流动系统大部分在地磁场作用下切割磁力线形成地下磁流体，在其周围形成感应电磁场，且通过连续不断地磁场干扰形成向地面发射的特殊电磁波；该电磁波在穿过不同岩层、裂隙时包含不同的特征信息。地下磁流体在地磁场中持续运动反馈到地面的电磁波是动态信息，而固体矿产及岩层反馈到地面的物理量是静态信息；这就从理论上解决了区别地下水与固态地质体的机理。

2.2 水害监测预警模型

矿山水害研究工作者针对煤矿水害致灾机理及评价模型开展了大量的工作，而对金属矿山水害预测评价理论研究不多。中南大学王益伟等［16］通过开展大水矿山地下水环境系统失效致灾机理研究，建立了大水矿山地下水致灾评价指标模型。评价体系共分为3个层次，概括了组成大水矿山地下水系统的孕灾环境、承灾体和致灾因子。分别采用模糊层次分析法和遗传投影寻踪聚类算法建立了大水矿山地下水致灾可能性评价模型。实际应用表明，2 种模型均能有效实现对大水矿山地下水致灾可能等级的分析评价，遗传投影寻踪聚类模型分类结果离散性强，评价等级清晰，模糊层次分析模型分类结果离散性相对较弱，结果趋于均值化。因此遗传投影寻踪聚类模型在评价中确定等级上具有优势，以此建立的水害评价模型可用于水害监测预警系统，通过对各致灾指标进行监测，利用评价模型进行地下水害致灾可能性评价，从而实现矿山水害的预警功能。

2.3 水害监测预警系统

王宁涛［17-18］以福建省龙岩市马坑铁矿为对象，依据矿区现有水文地质资料，结合历史数据分析，以数据库管理系统为核心，利用现代监测技术手段和方法，建立了马坑铁矿“矿区地下水监测与预警系统”，提出了系统构架和建设思路，并结合软件工程理论，详细阐述了对水文气象数据的监测，并着重探讨了地下水水位突变的监测和预警工作的方法和技术。该系统可以根据不同时间的生产状况，设定各地下水监测站的水位突变预警域值，可在一定程度上满足矿山水害监测预警需要。

广东省凡口铅锌矿矿区帷幕截流工程建成后，地下水流场发生了根本变化，开采帷幕附近的矿体时，面临幕外高水头区的安全风险。为及时掌握地下水动态，预防突水事故，矿山开发了地下水自动监测预警系统［19］。该系统由数据采集传输、数据处理分析、地下水动态预警和三维可视化4 个部分组成。其中，地下水监测预警主要通过降雨量、钻孔水位、地下水水质、井下巷道及水仓流量等参数进行实时监测与自动统计，并实现各参数的自动联动分析与处理，对灾害的发生提前进行预防、判断；然后通过设定各指标参数的预警阈值，实现矿山突水预警。该系统实现了矿山水害多指标参数的同时预警，提升了金属矿山的地下水防治监测水平。

张海龙等［20］应用物联网射频识别技术（RFID），研发物联网井下涌水智能监测报警平台，在已有测流堰的基础上，通过选择并设置合适的传感器，监测测流偃的水头高度、水仓的水位高度，自动识别水的温度、毒性、酸碱度、铁的氧化物或硫化矿物化学成分，以及周围的有害气体等属性，创建水位高度、流速、监测点位置、监测点周围水信号的毒性、化学成分、有害气体等数据库，并对其所获得的数据进行分析和处理，然后通过报警子网络设置合理的报警设计值，使该系统平台可以达到对井下涌水量的全天候实时监测预警。

黄采伦［15］团队利用地下水通过地下磁流体产生不同的电磁波的原理，研发了一套包含信号探测、地下磁流体信息提取与转换、数据处理三部分的矿区水害监测预警系统，通过探针接收地球内部向地表发射的电磁波，应用现代信号分析处理等技术提取地下水动态信息、裂隙信息，有效解决矿区导水断层、老空区的探测和定性定量分析问题，也为矿区水害的监测预警提供了一种可靠的新方法。湖南省黄沙坪铅锌矿利用该矿区水害监测预警系统，开展了矿区采空区的监测，主要是根据矿区的地质条件，在矿区内布置多条测线进行探测，所得数据可以反映测线间地下水动态信息及地质体物性变化，数据准确可靠，在监测采空区的同时也监测地下水的分布情况，取得了较好的效果。

3 水害监测预警研究展望

3.1 水害机理深入研究

我国矿山水害研究领域科研工作者，在煤矿水害机理研究过程中，取得了较多的成果，诸如华北型煤田底板奥灰岩突水机理［7］、煤矿顶板离层水害形成机制［21］、构造突水机理等。目前金属矿山水害分析主要还是借鉴上述突水理论研究成果，但在应用过程中，还是因围岩条件、矿体赋存形态、矿床主要充水层等多方面条件存在差异，影响水害评价效果。因此，有必要在已有矿山水害机理研究的基础上，结合金属矿山自身的水文、工程地质特征，针对矿床顶板含水层、断裂构造、采矿活动等导致的水害开展致灾机理深入研究，也可为后续建立水害监测指标体系，构建水害监测预警模型提供更准确的依据。

3.2 水害监测预警模型研究

水害监测预警系统的主要目的是对未知可能发生的突水水害进行预警预报，矿山突水灾害的监测不能只针对涌水量、水位、水压力等表象特征，需在研究突水的本质机制和前兆规律以及岩层破坏导水通道的形成基础上，加强突水过程中岩层应力、应变以及岩层破坏微震活动等相关规律及定位的监测分析。因此，有必要在原有监测指标的基础上开发确认其他与矿山水害有密切影响的指标因素，并确定各新指标的影响阈值，构建更加全面与完善的金属矿山水害指标评价体系，结合矿山水害评价模型研究，建立多指标动态预警模型。

3.3 新方法、新设备的研究与应用

由于金属矿山水害监测预警理论相关研究不足，目前已采用的水害监测方法也相对较少，监测设备也相对简单。因此，有必要利用渗流耦合力学理论方法、物探、5G网络、大数据与人工智能等经典理论或新技术，开展矿山水害监测新方法、新设备的研究应用。例如在煤矿水害监测领域广泛应用的微震监测技术，在金属矿山主要用来开展地下岩石应力监测，今后可以考虑利用其已有的应用经验，结合金属矿山水害与岩层破坏微震活动之间的相关规律，开发出适用的水害监测预警新方法，或通过适用性研究，实现其在金属矿山的有效应用。此外，还可以利用智能感知技术，推动水害监测方法的创新。随着机器人观测与控制、智能化信息处理与管理、智能水害监测预警专家系统的实现，矿山水害的数据采集、处理与分析手段也将更加安全、丰富、准确、高效，矿山水害监测预警系统也将逐步向智能化快速发展。