2008—2021年我国煤矿水害事故统计规律分析及预测研究

张培森，董宇航，张晓乐，许大强

(1.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590；2.山东科技大学 矿业工程国家级实验教学示范中心，山东 青岛 266590)

煤炭作为我国的主体能源，2021年的消费量占据了我国能源消费总量的56%[1]，为我国的国民经济与社会发展做出了卓越贡献。随着国民经济的快速发展，能源需求缺口进一步扩大，我国煤炭开采趋势逐步转向深部开采。然而我国地质构造受板块运动影响较大，深部开采所面临的水文地质条件更为复杂，突水影响因素增多，再加上我国煤层赋存条件中“水压煤”现象的普遍性[2，3]，致使近年来水害事故在矿井日常生产中时有发生。煤矿水害因其隐蔽性强、危害性大的特点已然成为威胁矿井安全生产的无形杀手之一，我国煤矿防治水任务十分艰巨。本文对国家及各省矿山安全监察局(原煤矿安全监察局)、煤矿安全生产网公布的2008—2021年我国煤矿水害事故数据进行统计。基于此，对煤矿水害事故发生规律进行分析并提出针对性建议，希冀可以对我国煤矿的安全高效发展有所帮助。

1 2008—2021年我国煤矿水害事故概况

据不完全统计，2008—2021年间我国(大陆地区，不含港澳地区，下同)煤矿共发生安全事故1177起，造成4956人死亡，其中，水害事故153起，死亡747人，分别占据了总事故起数的13.0%、总死亡人数的15.1%，煤矿水害逐年变化趋势如图1所示。

图1 2008—2021年我国水害事故变化趋势

由图1可知，事故起数在2008—2019年间总体呈起伏下降趋势，2008—2010年间事故起数骤增，在2010年达到了统计年间最高水平，2010—2019年间呈阶段式下降趋势且在2019年达到了统计年间最低谷，自2020年以来出现反弹趋势；死亡人数与事故起数变化趋势基本一致，不同之处在于2008与2009年、2010与2011年事故起数持平，但是死亡人数显现出不同程度的下降趋势。

从我国煤矿水害事故总体演变趋势可以看出统计年间我国在煤矿水害防治方面取得了一定成就。但是由于水害事故突发性强、预测性难的特点，目前煤矿水害无法被完全杜绝。因此，针对水害事故内在规律的研究具有时间上的紧迫性与阶段性，煤矿防治水工作任重而道远。

2 水害事故级别分析

图2 不同等级的水害事故逐年变化趋势

将2008—2021年我国煤矿水害事故数据按照事故等级划分如图2所示。由图2可知：2008—2021年间共发生3起特大水害事故，死亡106人，事故起数占据了总数的1.96%，死亡人数却达到了总数的14.2%，而且自2011年以来并无特大水害事故发生；重大水害事故共发生23起，死亡323人，分别占据了事故总数的15%与43.2%。事故起数在2012年之前缓慢爬升，2012—2019年间呈阶梯式下降，在2019年后回弹，死亡人数在2008—2010年呈逐年上升趋势，在2011年小幅回落后在2012年上升至峰值点，在2012-2017年间呈“振荡式”下降，在2019年后逐步回弹；较大水害事故共发生52起，死亡272人，分别占比34%与36.4%，在统计年间事故起数表现出明显的“减-增”交错变化趋势，死亡人数与事故起数呈现显著正相关关系；一般事故起数与死亡人数基数较低，危害程度相对较小，其事故起数发展趋势在2008—2012、2019—2021年间呈“增-减”振荡变化，在2012—2019年呈现相反规律，死亡人数与事故起数大致成正比。

由以上分析可知，特大与重大水害事故虽然事故起数占比较低，但是在其发生时伤亡巨大，影响较为恶劣，很难完全杜绝；较大事故起数基数较大，死亡人数占比相对较高，是影响煤矿安全生产的主要水害事故。故较大及以上等级事故是我国煤矿水害防治的工作重点[4]。

3 水害事故发生的空间规律及原因分析

将2008—2021年间煤矿水害事故数据按照省份划分如图3所示。由图3可知，水害事故起数居于前三的省份分别为山西、黑龙江、贵州，事故起数分别占事故总数的20.9%、11.8%、9.8%，死亡人数分别占比21.0%、12.7%、11.1%。3省份事故起数与死亡人数之和分别占据了事故总数的42.5%与44.8%，我国煤矿水害事故表现出明显的集聚性。

图3 水害事故省份划分

我国煤炭资源十分丰富，但是在地理分布上极其不均匀，总体呈现“北多南少，西多东少”的分布特点，煤炭资源主要集中在华北、东北、西南地区[5]。山西、黑龙江、贵州分别占华北、东北、西南地区煤炭储量的62.3%、52%、67%[6]。多数煤矿分布于煤炭资源富集区，致使水害事故起数居高不下。

从地质因素角度分析，华北型煤田主采煤层为石炭——二叠系地层，水害事故多为太原群薄层灰岩复合含水层组与奥陶系灰岩水诱发的底板突水事故[7-9]。其中太原群薄层灰岩复合含水层组多受第四系松散含水层补给，富水性较强，其彼此间的补给关系错综复杂[10]，奥陶系灰岩水常处于高承压状态。二者之间常通过断层、陷落柱等导水地质构造形成水力联系[11-13]，威胁矿井安全生产。东北地区主采侏罗系煤层，煤层整体埋藏较浅[14]，煤层上方覆有第四系松散层。其中的孔隙含水层较为发育，多与地表水存在补给关系[15]。松散层内最下部的孔隙含水层与侏罗系煤层距离较近，在采动影响下孔隙水与裂隙水易通过采动裂隙涌入工作面采空区造成顶板突水事故[16，17]。西南地区以褶皱、断层为主的山地构造盘根错节，岩溶地貌发育且构造复杂[18，19]。煤炭资源主要分布于二叠系煤层，顶、底板被以长兴灰岩为代表的厚层灰岩所覆盖[20，21]，煤层整体较薄。水害事故多为主采工作面周边废弃小煤窑中囤积的砂岩裂隙水、灰岩水沿采动裂隙等导水通道涌入上部回采工作面采空区所致的老空水害[22-24]。同时由于该区处于强烈上升构造带，南方汛期雨季降水充沛对地下水进行补充，水动力循环加强侵蚀灰岩裂隙发育带与断层带[14]，致使岩溶暗河管道发育，对矿井基建工程、巷道系统造成严重威胁[10]。由以上分析可知，水害事故多发于煤炭资源富集且地质构造较为复杂的华北、东北、西南地区。

4 水害事故发生的时间规律及原因分析

4.1 不同月份水害事故发生规律及原因分析

将2008—2021年水害事故数据按照月份划分如图4所示。由图4可知，事故起数在局部月份间波动较大，2月至3月急速攀升，在4月达到全年峰值，5月大幅回落后又在6月小幅回升，在6—11月之间呈相对稳定的“波动形”增减交替变化，其中在7—8月达到次高峰，在12月较大幅度下降，12月至次年2月间一直处于较低水平。死亡人数变化基本与事故起数趋于一致，较为明显的异常月份是在6月至7月间，事故起数小幅下降，死亡人数却呈大幅上升趋势。

图4 2008—2021年我国煤矿水害事故月份划分

通过计算事故起数与死亡人数的月比率，可以更为精确地确定统计年间水害事故的高频率月份和高死亡月份，计算过程如式(1)—式(7)所示[25]。

Ma=Y×12

(1)

式中，Ma为统计年间月份总数，个；Y为统计总年数，年。

式中，Ts为平均同月事故起数，起；TMX为同月事故发生总起数，起；Ds为同月事故死亡人数，人；DMX为同月事故总死亡人数，人。

式中，Tk为事故起数月比率；Dk为死亡人数月比率。

事故起数与死亡人数月比率逐年变化趋势如图5所示，水害事故的高频率月份与高死亡月份均为3—4月、7—8月。究其原因，我国雨季受东亚夏季风北推和南撤的影响，在时间上南北地区存在差异性，间接影响到汛期旱涝布局与演变[26]。我国汛期主要集中在3—8月，南方地区首先接受暖湿气流影响，汛期开始较早并随着时间推移逐渐北上[27]，充裕的降水对地表水进行足量补充并通过构造断裂带、导水岩溶陷落柱等导水地质构造对松散岩孔隙水、基岩裂隙水和可溶岩岩溶水等矿井充水水源进行补充[28]。此外，每年的3—4月、7—8月分别对应煤矿集中复工期与煤炭需求高峰期，企业为追求产量容易忽略对矿工安全意识强化，为水害事故的发生埋下了隐患[29]。

图5 事故起数与死亡人数月比率变化

4.2 不同时段水害事故发生规律及原因分析

将水害事故按照时段进行划分如图6所示。由图6可知，水害事故高发的四个时段为23∶00—1∶00，7∶00—9∶00，15∶00—17∶00，17∶00—19∶00，不同时段之间事故起数差异明显，事故起数的最高峰为15∶00—17∶00和23∶00—1∶00，均各有17起事故发生，单时段占全天比例11.1%；13∶00—15∶00时段死亡人数处于全天的最高峰，共死亡109人，占全天事故总死亡人数的14.5%。

图6 2008—2021年水害事故按时段划分

针对以上数据分析结果，以上时段水害高发的原因可以归纳为以下几点：这些时段多处于我国煤矿广泛采用的“三八制”、“四六制”轮班制度交班节点，矿工易受下班时间影响，安全意识松懈致使事故发生几率骤增[29]；人体体温是影响身体机能的重要因素，体温在一天之中随着空气温度和湿度改变处于动态变化中，而7∶00—9∶00，17∶00—19∶00，23∶00—1∶00处于外界温度和湿度显著变化时间点，人体体温受到较大影响致使机能进入调整期，思维反应较为迟钝，影响到正常工作状态；从生物节律角度分析，人的正常作息时间为21∶00—23∶00，深度睡眠时间为24∶00—3∶00，以实行“三八制”轮班制的煤矿为例，许多一线矿工由于长时间的轮班，生物钟长期处于紊乱状态，睡眠质量与时间均达不到正常水平。对于中班和夜班的井下作业人员来说，在凌晨1∶00—4∶00时段内疲劳指数已然大于临界值20[30]，存在极大的安全风险。

5 水害事故发生的矿井规模规律及原因分析

2008—2021年全国煤矿水害事故按矿井规模划分见表1。由表1可知，大中小型矿井事故起数分别占比17.6%、20.3%、58.9%，死亡人数分别占比19.3%、16.2%、62.0%。由此可知小型矿井是水害高发的重灾区，不同规模的合法矿井事故对比如图7所示。

表1 2008—2021年水害事故按矿井规模划分

图7 按矿井规模将水害事故划分

究其原因，小型煤矿大多散布于国有煤矿边界断层的边缘地带，煤层埋藏较浅，导水地质构造较为发育[31]；小型煤矿技术力量较为薄弱，缺乏专业水文地质勘测人员和探放水队伍，在勘测水文地质数据时存在照搬周边大型煤矿资料的现象，缺乏理论依据[32]；小型煤矿更为注重产量，对井下作业人员缺乏必要的安全培训，整体从业人员素质较差，对于生产设备和专业救援设备资金投入也凸显出不足[33]；小型矿井的煤炭资源较为有限，为了经济利益往往存在越界开采、盗采的现象，存在极大的安全风险[34]。随着我国能源结构改革，淘汰落后产能，大部分污染与灾害严重的小煤矿将会被逐步整合与关闭，煤炭工业安全形式逐步转好。

6 百万吨死亡率与原煤产量关系分析及预测

煤炭工业的发展与煤矿生产及安全状况密不可分，而百万吨死亡率作为煤矿生产及安全状况一个量化的综合指标，对指导煤炭工业发展具有极其重要的意义。原煤产量是影响百万吨死亡率的主要客观因素，对国家统计局公布的2008—2021年间各年份煤矿百万吨死亡率与原煤产量数据进行统计，结果见表2。根据表2数据，使用Stata统计软件建立var模型[35]，分析时间序列下原煤产量对百万吨死亡率的影响，对2022年与2023年百万吨死亡率进行了预测，预测结果可为“十四五”期间我国煤炭工业安全发展提供参考，建模流程如图8所示。

表2 2008—2021年我国原煤产量与百万吨死亡率

图8 var 模型建模流程

前期为避免回归分析出现伪回归，对数据差分处理使其平稳，以百万吨死亡率m为因变量，原煤产量p为自变量进行回归分析，回归结果见表3。由表3可知，回归方程反映了百万吨死亡率与原煤产量之间存在长期的均衡关系，R2值为回归平方和与总平方和的比值，反映了自变量对因变量的可解释比例，当前R2值说明了回归模型具有较好的解释能力。对模型进行协整检验分析可知[36]，百万吨死亡率与原煤产量存在长期的负相关协整关系，随着原煤产量增加，百万吨死亡率呈持续走低趋势，基于二者之间平稳的协整关系对2022与2023年的百万吨死亡率进行预测，预测值分别为0.041与0.030。

实现“双碳”目标必须立足于我国“富煤贫油少气”的能源现状，坚持循序渐进，我国以煤为主的能源结构在短期内很难根本改变。自“十一五”规划以来，随着国家推进煤炭资源整合，进行小矿井技改，引导煤矿企业兼并重组为大型煤炭企业[37]，持续修订煤炭行业相关法律，保障了煤炭行业平稳健康发展。此外，随着国家政策的调整，煤炭企业在生产及救援设备上投入不断加大，更加重视员工安全培训，显著提升了企业管理水平。在此背景下，我国煤矿安全形势不断转好，百万吨死亡率呈连年降低趋势，符合百万吨死亡率的预测结果，说明了预测结果的可靠性。2008—2023年的百万吨死亡率如图9所示，我国煤炭工业安全形势整体转好，这将对经济社会发展绿色转型起到积极的推动作用。

表3 回归分析结果

图9 2008—2023年百万吨死亡率(含预测结果)

7 水害事故防治措施及建议

1)针对奥灰水害严重的矿区，煤矿应对煤层底板与奥灰水之间的含水层进行技术处理，通过增大奥灰隔水层厚度有效抑制底板突水风险[38，39]；对于受第四含水层及孔隙含水层威胁的矿区，煤矿应优化井下排水系统，通过建立临时大容量水仓、完善排水管道布置、加强回采过程中顶板水文情况监控等措施提升矿井防灾抗灾能力[40]；对于岩溶暗河管道发育、降水丰富的矿区，煤矿应加强矿区内水文地质勘探，明确矿区内岩溶侵蚀情况，因地制宜采取雨季防范洪水倒灌的技术措施，做好气象观测工作，严防暴雨等极端天气引发泥石流等次生灾害。

2)中小矿山企业应组织高级技术人员成立专业探放水队伍，加强水文地质勘探工作。深入贯彻“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原则，依托钻探、物探等技术手段[41]，定期进行矿区内隐蔽水害因素勘探，明确矿区内导水地质构造、含水层空间分布情况。同时加强探放水队伍人才建设，引入优秀地质工作人才，保障好井下探放水工作质量。

3)大型矿山企业本着资金实力雄厚的优势应大力推动智慧矿山建设，利用互联网、物联网、大数据、人工智能、5G等尖端技术构建智能化水害防治平台[42]。通过对井下生产过程实时感知，实现“人、机、环、管”不安定因素的有效控制，将大大降低水害事故的危险程度，对于构建绿色矿山管理体系有着积极的推动作用。

4)政府安全监管部门应加强监管力度，建立健全问责制度。责令存在生产安全隐患的煤矿立即停产整改，待其采取措施确认隐患解除后方可按要求恢复生产；对于已发生安全事故的煤矿，在完成事故救援后及时启动追责机制，将安全责任落实到个人；同时提高执法者职业素养，严格杜绝钱权交易等腐败问题，做好煤矿安全生产的监督工作。

8 结 论

1)2008—2021年间我国煤矿共发生水害事故153起，死亡747人，分别占总事故数据的13.0%与15.1%。较大及以上等级的水害事故是我国煤矿防治水工作的重点，近年来较大及以上等级水害事故呈现反弹趋势，需要对其保持密切关注，采取有效措施加以抑制。

2)水害事故在空间上高发于煤炭资源丰富而地质条件、气候条件较为复杂的华北、东北、西南地区；在时间上高发于每年的3—4月、7—8月，每天的23∶00—1∶00，7∶00—9∶00，15∶00—17∶00，17∶00—19∶00；在矿井规模上高发于地质条件复杂，管理水平、技术装备较为落后的小型矿井。

3)通过分析Stata中建立的数学模型可知百万吨死亡率与原煤产量之间存在长期的负相关协整关系，基于此关系对2022年、2023年百万吨死亡率进行了预测，预测值分别为0.041与0.030。

4)针对水害事故的时空规律，从突水机理角度分别对高发地区的煤矿提出了水害防治建议；依据不同等级的矿山企业本身特点提出了企业水害防治发展意见。