我國煤礦水害事故現狀、預測及防治建議

孫文潔，李文杰，寧殿艷，任凌楓

(1.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077；2.中國礦業大學(北京) 國家煤礦水害防治工程技術研究中心，北京 100083；3.中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077)

我國的能源稟賦條件決定了當前和今后相當長時期煤炭在我國能源供應中仍將處于主體能源地位[1]，但由于煤炭資源分布廣泛，開采所面臨的水文地質條件復雜以及普遍存在的“水壓煤”現象使煤炭行業生產活動伴隨著煤礦水害事故[2]，尤其是近年來煤炭資源開采由淺部走向深部，煤炭資源需求進一步增加，開采中心向西部轉移，煤礦水害事故呈現“預測難、影響范圍廣、群死群傷”的特點[3-4]。

2022 年我國生產煤炭44.96 億t，同比增長9.5%，作為煤炭大國，我國高度重視煤炭能源創新發展，煤礦開采技術和裝備取得突破性進展，同時也加強了煤礦安全生產檢查工作，近幾十年來全國煤礦水害事故得到有效控制，煤礦水害事故發生起數和死亡人數整體呈下降趨勢[5]，但仍時有發生，易造成大量的人員傷亡和經濟損失。因此，開展煤礦水害事故統計和安全形勢研判對煤礦生產工作具有重要指導意義。國內諸多學者針對煤礦水害事故起數和死亡人數進行了大量研究，魏久傳等[6]從時間、區域、企業類型以及煤礦水害事故的突水水源、突水通道、突水地點等特征對2001?2013 年的煤礦水害事故進行統計分析，以此提出了有效的防治措施和建議；吳金隨等[7]以2001?2020 年全國煤礦水害事故為統計對象，對水害事故類型和等級進行研究，歸納了不同類型水害事故比例以及不同等級水害事故的發展趨勢；景國勛等[8]認為煤礦水害事故受到突水水源、地域、時間和煤礦所有制的影響，根據不同類型的水害事故提出了具體的技術防治路線；張培森等[9]對2008?2021 年全國煤礦水害事故的發生規律進行了詳細分析，并建立向量自回歸(Vector Autoregressive，VAR) 模型對水害事故百萬噸死亡率進行預測；徐斌等[10]總結了近20 a 全國煤礦水害事故特征規律，結合不同水害事故發生的原因，提出了相應的防治對策。目前研究主要集中在煤礦水害事故起數統計與發生規律分析，對于煤礦水害事故演變趨勢方面的研判和煤礦水害事故與具體水害區的關聯性研究較少。

基于此，筆者通過煤礦安全生產網、國家以及各省礦山安全監察局(原國家煤礦安全監察局)搜集統計了2001?2022 年全國煤礦水害事故數據和煤炭產量，從事故發生年份、事故發生區域、事故級別和死亡人數以及水害事故的影響因素方面進行研究，并建立LSTM 模型，對2023、2024 年我國煤礦水害事故百萬噸死亡率進行預測，以期為煤礦安全生產目標和控制煤礦水害事故死亡人數提供參考依據。

1 我國煤礦水害事故統計分析

1.1 事故年份

2001?2022 年我國共發生煤礦安全事故33 546起，造成56 224 人死亡，其中水害事故共1 103 起，死亡人數4 667 人，其分別占煤礦總事故起數的3.29%和總煤礦事故死亡人數的8%，近20 a 我國煤礦水害事故統計見表1。

表1 2001?2022 年全國煤礦水害事故情況統計Table 1 Statistics of coal mine water hazard accidents in China from 2001 to 2022

從表1 可以看出，2002 年我國發生的煤礦水害事故起數最多，占全國煤礦水害事故總起數的14.45%；2019 年發生的水害事故起數最少，占總事故起數的0.27%，2005 年我國煤礦水害事故造成的死亡人數最多，死亡605 人；2019 年煤礦水害事故死亡人數最少，占總水害事故死亡人數0.22%。整體來看，我國煤礦水害事故起數以及水害事故造成的死亡人數有明顯的下降趨勢，2001 年到2022 年水害事故和死亡人數分別下降了93.57%和96.06%，煤礦水害事故發生起數和煤礦水害事故死亡人數高度相關，變化趨勢一致(圖1)。

圖1 2001?2022 年全國煤礦水害事故變化趨勢Fig.1 Trend of coal mine water hazard accidents in China from 2001 to 2022

由于煤礦水害事故易出現群死群傷的特點，致使煤礦水害事故死亡人數的變化大于水害事故起數，從2016 年開始我國煤礦水害事故起數下降至個位數，煤礦水害事故死亡人數控制在每年50 人以內，并穩步減少，隨著我國煤炭資源開發加速西移以及煤炭資源開采深度的逐年加深，煤礦水害事故起數和死亡人數又有所反彈，說明我國的水害防治工作面臨新的風險和挑戰。

1.2 事故發生區域

我國煤炭資源分布具有天然的地域分異性，結合不同地域地質條件以及煤礦水害的發生情況，可將我國煤礦區劃分為六大礦井水害區[11]，包括華南晚二疊世煤田的巖溶水害區、華北石炭?二疊紀煤田的巖溶?裂隙水害區、臺灣古近紀煤田的裂隙水害區、西藏?滇西中生代煤田的裂隙水害區、西北侏羅紀煤田的裂隙水害區和東北侏羅紀煤田的裂隙水害區。將2001?2022 年煤礦水害事故數據按照水害區劃分如圖2 所示，圖2a 顯示煤礦水害事故在不同水害區的分布，圖2b顯示水害事故死亡人數在不同水害區的分布?？梢钥吹?，目前我國的煤礦水害事故主要發生在華北、華南和東北水害區，表現出明顯的空間集聚性。由于2001年后臺灣省已無煤礦生產活動，所以在此不做論述。雖然西北、西藏?滇西水害區水害事故較少，但在“十四五”規劃下優化我國煤炭生產的開發布局，煤炭資源開發中心向西部轉移[12]，近兩年發生在西北水害區的煤礦水害事故占近兩年總起數的36.36%，死亡人數占比高達74.24%，因此，西北、西藏?滇西水害區的水害防治也是目前需要關注的重點。

圖2 不同水害區水害事故起數和死亡人數分布統計Fig.2 Distribution of water hazard accidents and death toll in different water hazard areas

1.3 事故等級

根據事故死亡人數對統計的煤礦水害事故進行分類，分為特別重大水害事故(死亡人數30 人以上)，重大水害事故(死亡人數10 人以上30 人以下)，較大水害事故(死亡人數3 人以上10 人以下)，一般水害事故(死亡人數3 人以內)[4]，分類結果如圖3 所示。

圖3 不同等級水害事故的分布情況Fig.3 Distribution of water hazard accidents in different levels

從圖3a 和圖3b 可以看出，2001?2022 年煤礦水害事故規模整體控制較好，我國特別重大煤礦水害事故從2011 年開始清零，重大水害事故波動下降后在近兩年又有反彈趨勢，較大和一般水害事故發生起數和傷亡人數明顯降低。圖3c 和圖3d 顯示2001?2022年較大和一般的水害事故數量最多，占總事故起數的91.21%，造成死亡人數達2 693 人，占事故總死亡人數的57.70%；我國特別重大煤礦水害事故和重大煤礦水害事故占比較少，分別為1%和7.79%，死亡人數分別占總死亡人數的13.84%和28.46%。

雖然在事故發生起數和死亡人數方面，特別重大煤礦水害事故和重大煤礦水害事故所占比例少，但其出現會造成嚴重的經濟損失和社會影響，例如2021 年新疆昌吉州呼圖壁縣白楊溝豐源煤礦重大透水事故、2021 年青海省海北藏族自治州剛察縣柴達爾煤礦重大透水事故等，兩起事故分別造成了21 和20 人死亡以及7 067.2 萬元和5 391.02 萬元的經濟損失，為防止水害事故演變為重大或特別重大水害事故，需要加強對礦井防治水重要性的認識。

1.4 事故相關性

在我國煤炭資源開發重心轉移的背景下進一步研究煤炭產量與我國煤礦水害事故之間的關聯性，對提高我國煤礦安全生產水平具有重要意義。通過分析2001?2022 年我國煤炭產量數據發現，我國的煤炭產量整體呈顯著上升趨勢，2001?2022 年全國原煤產量及死亡人數統計數據如圖4 所示。

圖4 原煤產量與全國煤礦水害事故死亡人數趨勢對比Fig.4 Comparison of raw coal production with death toll trend of coal mine water hazard accidents in China

煤炭產量從2001 年的14.7 億t 增長到2022 年的44.96 億t，增長了205.85%，多年平均增長率為5.66%，年變化幅度為0.931 億t。由圖4 可知，煤炭產量除2014?2016 年為負增長外，其余年份均呈增長趨勢，最大增長率在2003 年，同比增長18.06%。

從數據統計可以得到煤礦水害事故死亡人數與煤炭產量存在一定的相關性。2001?2005 年煤礦水害事故死亡人數與煤炭產量呈正相關關系，煤礦水害事故死亡人數在2005 年達到峰值后快速下降，與煤炭產量開始呈負相關關系，這說明我國煤炭行業在政策調整以及煤炭開采技術、裝備、煤礦企業管理水平等提升的背景下安全生產形勢趨于穩定。但隨著傳統煤炭產區資源枯竭，煤炭資源開發大規模轉向富煤的西部地區，在煤炭產量穩步遞增的情況下帶來不確定性水害致災風險的提高，如2021 年我國煤炭資源增長率為4.36%，而煤礦水害事故的死亡人數同比增加了92%，其中西部地區死亡人數占比達95.83%，說明就目前煤炭行業的開發格局而言，煤炭產量仍是影響煤礦安全生產的重要因素，在進行煤炭資源開采時需進一步加強煤礦水害致災因素的探測與治理，保障煤炭產量的同時，從事故源頭對煤礦水害進行有效遏制。

2 百萬噸死亡率預測

目前，國內學者提出了多種煤礦事故預測方法，包括向量自回歸模型[9]、三次指數平滑分析法[13]、灰色模型[14]、馬爾可夫模型[15]等，這些預測方法往往對時間序列數據的依存關系考慮較少，在模型應用上還存在時間跨度短、樣本數據較少等問題，而長短期記憶神經網絡(Long Short-Term Memory，LSTM)模型可以用來處理時間序列數據問題，對信息進行篩選與整合，更好地抓取數據中長距離的依存特征，非常適合進行時序數據的預測研究。百萬噸死亡率是衡量煤礦安全生產狀況的一個綜合指標，同時也是國家統計和量化考核煤礦安全生產形勢的重要指標，因此，為科學研判我國煤礦水害事故的演變趨勢，本文采用LSTM 模型對2023、2024 年我國煤礦水害事故百萬噸死亡率進行預測，選取如下具體指標：當年我國煤礦水害事故百萬噸死亡率，該指標是預測的核心數據；我國煤炭產量，該指標代表我國原煤產量的變化。

灰色模型在我國煤礦事故預測研究中應用較廣，為防止過去數據對預測結果的影響，在傳統灰色模型基礎上進行優化，得到等維新息灰色模型，其預測性能在煤礦事故預測研究中表現更好?；诖?，本文以等維新息灰色模型作為基準模型，進一步驗證構建的模型在煤礦水害事故方面預測的適用性，驗證模型的預測能力。等維新息灰色GM(1,1)模型的具體構建過程參考文獻[14-15]。

2.1 模型構建

2.1.1 長短期記憶神經網絡(LSTM)

1997 年提出的LSTM 模型，是帶有長短期記憶單元的循環神經網絡(RNN) 的一種變體，在RNN 原有基礎上增加了保存序列數據歷史信息的能力，同時解決了數據梯度爆炸和梯度消失的問題[16]，可以更好地用來處理時間序列問題。LSTM 網絡結構與循環神經網絡整體結構基本相同，如圖5 所示。

圖5 LSTM 神經網絡結構Fig.5 Neural structure of LSTM network

通過圖5 可以觀察到循環神經網絡的神經元在接受當前輸入的向量的同時還會接受上一時刻的隱藏向量。LSTM 對隱含層進行了處理，結構包含一系列循環記憶模塊，這些模塊連接在一起，在原RNN 基礎上增加了自己連接的細胞(cell)狀態，用來保存歷史信息，同時還有控制信息流動。3 個門限單元系統如圖6所示。

圖6 LSTM 單元結構[17]Fig.6 LSTM unit structure [17]

LSTM 工作過程包括前向傳播和利用梯度下降法進行的反向傳播，在工作過程中更新ft、it、at、Ct、ot以及ht，運算過程如下：

式中：t為時刻；ft為遺忘門(forget gate)，用來控制上一細胞狀態Ct?1傳入過來的信息量；it、at分別為輸入門(input gate)，控制當前輸入的新信息量；Ct為更新之后的新信息量；ot為輸出門(output gate)基于當前細胞狀態Ct計算輸出；ht為當前的隱含層向量；ht-1為上一時刻輸出的隱含層向量；Whf、Whi、Wha、Who、Uxf、Uxi、Uxa、Uxo為權重矩陣；bf、bi、ba、bo為偏置向量；tanh()為雙曲正切函數；σ()為激活函數。輸入門和遺忘門用來處理單元內部狀態，輸出門主要決定LSTM 單元的內部狀態對整個系統的影響[18]。LSTM 不僅可以進行單元之間的外部循環還可以進行細胞內部的自循環，可以更好地處理時間序列數據的歷史信息[19-20]。概而言之，LSTM 神經網絡的輸出不只由當前的輸入決定，還會考慮之前的輸入。

2.1.2 模型結構

本文建立的LSTM 模型由一個輸入層、兩個LSTM層、兩個Dropout 層、一個全連接層以及一個輸出層組成，共7 層結構，建立的預測模型采用滾動預測法進行預測。為獲得先驗信息將第1 期和第2 期的序列數據作為初始樣本對下一期數據進行預測，同時將第3期的真實值加入樣本區間并剔除第1 期數據，開始新一輪的預測，滾動向前進行預測，在指標時序數據的真實值缺少時，將模型在前一個時間步所做的預測結果當做真實值輸入，模型預測過程中先分別調用煤礦水害事故百萬噸死亡率、煤炭產量時序數據，放入LSTM模型中進行預測，獲得兩項指標未來的預測值。然后將多元時間序列數據輸入模型進行煤礦水害事故百萬噸死亡率的預測，建立的模型對于煤礦水害事故百萬噸死亡率預測的實現過程如圖7 所示。

圖7 模型預測實現過程Fig.7 Model prediction implementation process

2.1.3 數據歸一化處理

本文將處理過的2001?2022 年的煤炭產量數據以及水害事故百萬噸死亡率作為原始輸入值輸入LSTM模型，為了使神經網絡對輸入與輸出變得更為敏感從而加速收斂，改善模型性能，本文通過min-max 標準化對數據進行統一處理，使數據可以快速分布到激活函數的非飽和區，將輸入的煤炭產量時序數據轉化到[0,1]內，min-max 公式如下：

式中：xscaled為歸一化之后的數據；x為輸入的原始數據；xmin為數據中的最小值；xmax為數據中的最大值。

2.1.4 參數說明

本文利用交叉驗證法來進行模型各個參數的優化，劃分前75% 的時序數據為訓練集，后25% 數據為驗證集，調整不同參數組合進行預測，并與驗證集通過遞增窗口進行對比，找出最佳的參數組合。將驗證集分為3 折，每一折包含n期樣本，以訓練集預測的n1結果與真實值進行對比，計算均方根誤差(ERMS1)，然后訓練集增加n1期樣本預測n2，計算均方根誤差(ERMS2)，然后訓練集增加n2期樣本預測n3，計算均方根誤差(ERMS3)，最終通過3 次驗證集的模型訓練結果計算出平均的均方根誤差，選取預測過程中性能表現最好的模型參數。

建立的LSTM 模型的LSTM 層數為兩層，每一層隱藏的神經元數為100，Droupt 層規則參數為0.2，即在預測過程中隨機丟棄20%的神經元防止模型過擬合，模型的損失函數為平均絕對誤差(MAE)，模型學習率設置為0.026，在訓練過程中通過Adam 算法對模型進行優化，更新網絡模型參數，最后通過全連接層將提取到的特征信息映射為煤礦水害事故百萬噸死亡率，輸出層所用的激活函數為Linear，本文建立模型的參數見表2。

表2 LSTM 模型參數設定Table 2 LSTM model parameter setting

輸入時，選取輸入特征維度input_size=2，輸入步長input_window=2，輸出步長output_window=2，同時設置訓練集數據迭代800 次，即epochs=800，單次輸入模型的樣本點數量batch_size=64。

2.2 實證結果

建立的LSTM 模型在經過驗證后對2003?2024年的煤礦水害事故百萬噸死亡率進行預測?；诘染S新息灰色建模原理得到的等維新息灰色全國煤礦水害事故百萬噸死亡率預測模型作為本文的基準模型，以2001?2022 年的多元時序數據為原始數據進行預測，對比分析等維新息灰色模型、LSTM 模型的預測結果，均顯示我國煤礦水害事故百萬噸死亡率總體呈下降趨勢，2 種模型的預測結果如圖8 所示。

圖8 2 種模型預測與實際結果對比Fig.8 Comparison of the prediction results of two models with the actual data

為不同模型之間形成統一的衡量標準，通過對比2 種模型的平均絕對誤差(EMA)、均方根誤差(ERMS)以及決定系數(R2) 的值來衡量模型預測精度[21]，ERMS、EMA反映預測值與真實值之間的誤差，值越小，預測精度越高，R2則反映模型預測的整體擬合程度，值越大，模型擬合程度越大，2 種模型在水害事故百萬噸死亡率的EMA、ERMS和R2見表3。

表3 2 種模型預測結果對比Table 3 Comparison of prediction results of the two models

通過與作為基準模型的等維新息灰色模型對比，LSTM 模型的模擬效果要優于等維新息灰色模型，平均絕對誤差EMA、均方根誤差ERMS分別下降了13.68%和29.39%，決定系數R2值更大，為0.929 0，擬合程度更好。對比模型預測曲線，總體來說LSTM 模型預測值與實際煤礦水害事故百萬噸死亡率接近，沒有出現異常的預測值，LSTM 模型可以較好地用于煤礦事故方面的預測。利用建立的等維新息灰色模型、LSTM模型對未來兩年全國煤礦水害事故百萬噸死亡率進行預測，預測結果見表4。

表4 未來兩年煤礦水害事故百萬噸死亡率預測Table 4 Prediction of fatality rate per million tonnes of water hazard accidents in the next two years

預測結果符合我國目前煤礦水害事故死亡人數逐年降低的趨勢，表明我國安全生產形勢穩定，但由于煤炭開采深度不斷加大，煤炭資源開發重心轉移，不確定性水害致災風險增加以及水害事故“群死群傷”的本質特點，仍需加強煤礦水害事故防控，保障我國煤炭工業安全生產。

3 防治對策

根據目前煤礦水害事故的發生特點，針對《煤炭工業“十四五”高質量發展指導意見》中提出的優化煤炭資源開發布局目標，結合煤炭行業發展面臨的問題[22-23]，提出以下水害防治對策。

1) 因地制宜開展煤礦水害致災風險普查

不同水害區水文地質條件、煤炭資源儲量、開采深度等的不同，致使如今較難探明不同區域煤礦水害的致災風險。隨著我國煤炭資源開發向西部轉移，煤礦開采深度逐年加深，煤炭資源開發布局進入新階段，為保障原煤產量供應的同時避免由于煤礦水害事故造成人員傷亡和經濟損失，需進一步加強不同區域煤礦水害致災風險的普查研究，提升勘查技術水平，進一步推動水文地質基礎工作與物探技術相結合，探明礦井水文地質條件，將電法、磁法、地震等勘探技術運用到煤炭資源開發的實際工作中[24]。在開發重心轉移的背景下采用三維地震探測技術可以適應復雜的地面條件如戈壁、荒漠、山地陡坡等進行持續探測，降低開采時的人力物力消耗，同時可以補充電磁勘探技術，從地表向下輸入電流，根據獲得的電磁波磁場分析具體的水文地質情況，在勘查程度較低的西部可以將三維地震勘探和電磁勘探技術結合，降低施工的盲目性，為之后煤炭開采提供安全保障。煤炭資源開采深度的逐漸加大導致勘探難度和危害程度成倍遞增，單一的物探方法難以取得較好的探測效果，采用綜合物探技術將三維地震探測技術、鉆探、測井、水文地質試驗等相結合，進一步保障深部煤層開采防治水安全。對不同區域水害致災風險各要素進行精細化分析，從煤礦水害事故的源頭出發遏制事故的發生。

2) 水害分區精準防治

結合我國目前煤炭資源的開發格局，針對重點區域水害提出相應防治技術手段。我國西北侏羅紀煤田是現階段煤炭資源的主要供應區，開發過程中出現了不同程度的頂板砂巖含水層水害事故，針對這一區域的水害防治應以“疏”為主，可以采用地面鉆孔疏放離層積水技術、井下泄水巷集中排水技術和減水開采技術等進行水害防治[25]；中東部礦區部分礦井開采深度不斷加大，突水危險性高，可以采用注漿加固防治技術，根據具體礦井的水文地質條件以及探查的致災風險，采前全面加固，開采過程中對于致災風險較高的區域重點加固，同時在采后對于發生過水害事故的薄弱區域開展補強加固，降低深部煤炭資源開采的水害致災風險。

3) 落實法律法規與市場監管機制

我國煤礦水害防治制度自1984 年起步，原煤炭工業部頒布了《礦井水文地質規程》和《煤礦防治水工作條例》，兩項技術標準對我國煤礦初期的水害防治工作起到了重要作用，隨著煤炭產業發展形勢的變化，為適應新形勢下煤礦水害防治新任務的要求，不斷完善煤礦水害防治制度體系，從2018 年修訂《煤礦防治水細則》到2021 年開始實施《礦區水文地質工程地質勘查規范》標志著我國煤礦水害防治制度體系基本成形，煤礦水害防治相關的技術標準和法律法規的修改完善說明我國十分重視煤礦的水害防治工作。水害防治意識淡漠，致災因素排查不全是造成水害事故發生的主觀原因，因此仍需加強監管和問責制度，通過“國家監察、地方監管、企業負責”，將責任落實到煤礦企業，強化企業的管理責任。同時煤礦企業需加強對從事煤礦行業人員的專業技能和基礎理論培訓，嚴格落實煤礦水害防治的各項規章制度，提高煤礦安全生產水平，減少水害事故的發生。

4 結論

a.2001?2022 年我國煤礦水害事故規模整體控制較好，水害事故主要發生在華北、華南和東北水害區，表現出明顯的集聚性。在目前煤炭資源的開發格局下，煤炭產量穩步遞增帶來不確定性水害致災風險的提高。

b.對比等維新息灰色模型、LSTM 模型的平均絕對誤差EMA、均方根誤差ERMS和決定系數R2，結果表明：LSTM 模型的預測精度更高，模擬效果優于等維新息灰色模型，2 種模型的預測結果均表明我國未來煤礦水害事故百萬噸死亡率呈下降趨勢，煤礦安全生產形勢穩定。

c.未來煤礦水害防治工作應重點加強水害致災風險的普查、重點區域水害防控以及煤礦企業的管理工作，嚴格落實煤礦水害防治各項法律法規，進一步鞏固水害防治工作取得的成果。