水體下復(fù)合頂板厚煤層綜放安全開采關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

匯報人：高保彬河南理工大學(xué)2014年12月水體下復(fù)合頂板厚煤層綜放安全開采關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用2023/2/1提綱一、項目背景、來源二、采場覆巖內(nèi)裂隙動態(tài)發(fā)育規(guī)律的四維探測方法三、采場覆巖內(nèi)裂隙動態(tài)發(fā)育高度預(yù)測模型四、復(fù)合頂板厚煤層綜放安全開采關(guān)鍵技術(shù)和安全保障體系五、技術(shù)成果及工程應(yīng)用六、創(chuàng)新點及技術(shù)結(jié)論2023/2/1項目背景、來源12023/2/1

水體下采煤技術(shù)關(guān)鍵為導(dǎo)水裂縫帶不波及含水層突水水源隔水關(guān)鍵層天然構(gòu)造采動裂隙突水通道項目背景、來源2023/2/1

目前覆巖裂隙發(fā)育主要探測方法項目背景、來源2023/2/1

目前覆巖裂隙發(fā)育主要探測方法項目背景、來源2023/2/1

目前覆巖裂隙發(fā)育主要探測方法項目背景、來源存在問題鉆孔工程量大；工農(nóng)關(guān)系難處理；探測裂隙書目少；2023/2/1

采動裂隙直接導(dǎo)通含水層突水實例

例如：廣東興寧大興煤礦，下層煤開采時，采動裂隙擴展破壞了上層煤開采所留設(shè)的防水煤柱，導(dǎo)致特大突水，死亡123人。地表水或含水層上工作面下工作面煤柱采動裂隙2023/2/1

2000~2007年煤礦重特大突水死亡事故年份事故次數(shù)死亡及失蹤人數(shù)20009982001381762002933872003924242004612542005104593200638267200738423總計47326222023/2/1

地表水體下采煤特征突水水源隔水關(guān)鍵層天然構(gòu)造采動裂隙突水通道水體底面與煤層之間應(yīng)有相應(yīng)厚度的隔水關(guān)鍵層，才能實現(xiàn)水體下安全采煤，如果隔水層較差，開采上覆巖層變形和破壞后形成的“兩帶”高度對安全生產(chǎn)影響重大，一旦導(dǎo)水裂隙帶波及水體，水體將成為開采工作面的直接充水水源，增加礦井的排水壓力，甚至造成突水淹井事故。2023/2/1采場覆巖內(nèi)裂隙動態(tài)發(fā)育規(guī)律的四維探測方法22023/2/1通過鉆孔軌跡測量儀、鉆孔電視系統(tǒng)以及雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)觀測工作面在開采前、開采中、開采后、穩(wěn)定后的覆巖裂隙發(fā)育的時空上的動態(tài)規(guī)律。四維探測法概念四維探測法試驗工作面概況富水區(qū)富水區(qū)警戒線富水區(qū)地表河流切眼傾斜長300.21m，煤層平均厚度5.99m。工作面采用走向長壁、后退式大采高低位放頂煤全部垮落式綜合機械化采煤法。S1202工作面布置平面圖鉆場布置狀況（1）三鉆孔和巷道水平方向為35°（仰角），和巷道中心線夾角分別為90°、49°、31°；（2）鉆孔長度均為182m，進入煤層頂板垂直深度為100m；（3）孔口開口位置布置在巷道偏向工作面的頂板位置；（4）和巷道中心線夾角為90°的鉆孔需要全段地質(zhì)取芯，詳細記錄及蠟封；（5）成孔直徑為113mm，若不具備條件至少應(yīng)該在91mm之上。（6）本工作面的打鉆時間為工作面裝備完畢，準(zhǔn)備回采前（鉆場距離工作面內(nèi)切眼130m），否則鉆場前移至采動影響區(qū)域之外。2023/2/1開采層S1202回風(fēng)順槽S1202進風(fēng)順槽利用數(shù)字全景鉆孔彩色電視觀測系統(tǒng)、雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)、鉆孔軌跡測量儀系統(tǒng)，不僅能夠準(zhǔn)確把握覆巖破壞高度，而且可以對采動覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進行探測并定量化的數(shù)字化處理，且能夠提供裂隙參數(shù)的計算、統(tǒng)計與分析。模擬觀測過程2023/2/1利用數(shù)字全景鉆孔彩色電視觀測系統(tǒng)、雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)、鉆孔軌跡測量儀系統(tǒng)，不僅能夠準(zhǔn)確把握覆巖破壞高度，而且可以對采動覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進行探測并定量化的數(shù)字化處理，且能夠提供裂隙參數(shù)的計算、統(tǒng)計與分析。開采層S1202回風(fēng)順槽S1202進風(fēng)順槽模擬觀測過程2023/2/1開采層S1202回風(fēng)順槽S1202進風(fēng)順槽利用數(shù)字全景鉆孔彩色電視觀測系統(tǒng)、雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)、鉆孔軌跡測量儀系統(tǒng)，不僅能夠準(zhǔn)確把握覆巖破壞高度，而且可以對采動覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進行探測并定量化的數(shù)字化處理，且能夠提供裂隙參數(shù)的計算、統(tǒng)計與分析。模擬觀測過程2023/2/1開采層S1202回風(fēng)順槽S1202進風(fēng)順槽利用數(shù)字全景鉆孔彩色電視觀測系統(tǒng)、雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)、鉆孔軌跡測量儀系統(tǒng)，不僅能夠準(zhǔn)確把握覆巖破壞高度，而且可以對采動覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進行探測并定量化的數(shù)字化處理，且能夠提供裂隙參數(shù)的計算、統(tǒng)計與分析。模擬觀測過程2023/2/1技術(shù)原理示意圖開采層S1202回風(fēng)順槽S1202進風(fēng)順槽利用數(shù)字全景鉆孔彩色電視觀測系統(tǒng)、雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)、鉆孔軌跡測量儀系統(tǒng)，不僅能夠準(zhǔn)確把握覆巖破壞高度，而且可以對采動覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進行探測并定量化的數(shù)字化處理，且能夠提供裂隙參數(shù)的計算、統(tǒng)計與分析。模擬觀測過程2023/2/1裂隙圈開采層S1202回風(fēng)順槽S1202進風(fēng)順槽利用數(shù)字全景鉆孔彩色電視觀測系統(tǒng)、雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)、鉆孔軌跡測量儀系統(tǒng)，不僅能夠準(zhǔn)確把握覆巖破壞高度，而且可以對采動覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進行探測并定量化的數(shù)字化處理，且能夠提供裂隙參數(shù)的計算、統(tǒng)計與分析。模擬觀測過程2023/2/1分段注水部分觀測數(shù)據(jù)注水量前后明顯增多，說明鉆孔內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生了較多的裂隙；數(shù)據(jù)表顯示的注水量在20米與25米之間產(chǎn)生了較大的變化，說明此處可能是采空區(qū)上部與聯(lián)絡(luò)巷的分界點；在40米到55米之間的注水量最大，且相差甚小，而過了54.5-55.5米后注水量明顯下降，說明冒落帶與裂隙帶的分界點可能就在此54.5-55.5米左右。冒落帶在垂直方向上則在31.26-31.83之間；在通孔的過程中，當(dāng)通到50米左右時會有水流下，可能在50米產(chǎn)生了坍塌，堵住了水流，說明在50米處鉆孔變化比較嚴重，且注水量此處也比較高，說明此處的裂隙比較密集；原巖注水試驗直觀圖動態(tài)注水試驗直觀圖鉆孔電視部分觀測圖10~13m32~37m40~43m50~53m53~5665~68m55m65~68m70~76m78~80m85~88m鉆孔電視觀測部分數(shù)據(jù)分析在所統(tǒng)計的59條裂縫中，傾角小于30°的裂隙占12%，傾角為30°-39°的裂隙占11%，傾角為40°～49°的裂隙占34%，傾角為

50°～59°的裂隙占

16%，傾角為

60°～69°的裂隙占

18%，傾角為

70°～79°的裂隙占

5%，傾角為80°～90°的裂隙占

4%。在所統(tǒng)計的59條裂縫中，裂隙的寬度主要為小于20mm的，其中小于20mm的裂隙占總數(shù)的69%，20-25mm的占總數(shù)的12%，25-30mm的占總數(shù)的9%，30-35mm為6%，35-50mm的為4%。2023/2/1采場覆巖內(nèi)裂隙動態(tài)發(fā)育高度預(yù)測模型32023/2/1現(xiàn)有經(jīng)驗公式及存在問題目前并沒有相關(guān)的綜放開采覆巖裂隙帶計算公式，且經(jīng)驗公式中往往都用誤差(±3~8m)的形式來反映所在條件下的不確定情況，這本身就存在著一個誤差問題，其原因就在于我國地質(zhì)條件差異大，覆巖分類不細，巖體結(jié)構(gòu)特征，工作面生產(chǎn)技術(shù)條件等沒有完全反映在預(yù)計公式中，加之受當(dāng)時觀測手段和觀測方法的影響，因而，此法往往只能作為解決實際問題的參考。2023/2/1相似模擬模型設(shè)計直接頂垮落老頂垮落后裂隙分布2023/2/1工作面推進90m工作面推進170m工作面推進210m工作面推進300m裂隙的平面分布曲線2023/2/1相似模擬結(jié)果分析（1）當(dāng)工作面推進20m時，采空區(qū)上方直接頂垮落，此時采空區(qū)內(nèi)部孔裂隙度最高。（2）當(dāng)工作面推進至55m

時，下位亞關(guān)鍵層垮落而主關(guān)鍵層未垮落，采空區(qū)內(nèi)部孔裂隙度最高。（3）工作面繼續(xù)推進至100m

時，上位主、亞關(guān)鍵層全部垮落，采空區(qū)中部被壓實，采空區(qū)中部孔隙度開始變小。（4）

當(dāng)工作面推進至120m時，采空區(qū)內(nèi)部壓實程度進一步增加，采空區(qū)中部裂隙度增量逐漸降低，但是，采空區(qū)靠近工作面煤壁側(cè)和靠近開切眼側(cè)受邊界懸頂與支架的支撐作用，出現(xiàn)裂隙度增量區(qū)。2023/2/1相似模擬破斷裂隙分布規(guī)律覆巖裂隙密度分布規(guī)律孔隙度和應(yīng)力分布及其演化2023/2/1結(jié)合四維探測結(jié)果以及相似模擬試驗等方法，得到裂隙寬度與裂隙比例關(guān)系。裂隙寬度與裂隙比例關(guān)系2023/2/1裂隙發(fā)育與鉆孔深度關(guān)系結(jié)合四維探測結(jié)果以及相似模擬試驗等方法，得到裂隙動態(tài)發(fā)育狀況與鉆孔深度關(guān)系。采動前采動后復(fù)合頂板厚煤層綜放安全開采關(guān)鍵技術(shù)和安全保障體系42023/2/1S1202工作面開始回采時，在S1202工作面上布置三條觀測線，即兩條走向線和一條傾向線地表移動特征2023/2/1主要觀測站情況地表裂縫示意圖觀測點埋深情況2010年12月21日開始至2012年7月4日兩年時間內(nèi)，分別對走向觀測線和傾向觀測線進行了15次的觀測，獲取了相對較完善的地表移動變形觀測數(shù)據(jù)，為地表移動變形規(guī)律的分析和地表移動變形參數(shù)的獲取提供了必要的數(shù)據(jù)保障。2023/2/1主要觀測站情況名稱走向（°）下山（°）上山（°）綜合移動角687074移動角707278綜合邊界角657076邊界角677379充分采動角65最大下沉角85開采影響傳播角90°－0.7煤層傾角

拐點偏距－0.1開采邊界采高

地表移動角值參數(shù)反映了地下開采對地表移動的影響程度、大小及范圍。角值參數(shù)與開采方法、巖石物理力學(xué)性質(zhì)、煤層傾角、開采厚度、開采深度、采動次數(shù)、采空區(qū)尺寸大小、地形、地貌及松散層厚度等有關(guān)。根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析和計算，綜合移動角、綜合邊界角、考慮松散層移動角（按45°計算）的移動角和邊界角、開采影響傳播角及拐點偏距的計算結(jié)果。2023/2/1根據(jù)余吾煤業(yè)上覆巖層的特點及試采工作面地表移動觀測研究的成果，參考周邊礦井的經(jīng)驗，本次預(yù)計采用概率積分法、MATLAB、suffer進行。依據(jù)河區(qū)首采工作面的開采范圍、傾角變化、煤層實際厚度等情況，按上節(jié)內(nèi)容所求得的地表巖移參數(shù)，運用MATLAB軟件對S1206工作面全采垮落法開采后地表變形值，并采用surfer軟件繪制了各種變形等值線圖。通過相關(guān)軟件對S1206工作面地表移動變形預(yù)計，得出S1206工作面的最下沉值、最大傾斜值、最大曲率、最大水平移動、最大水平變形、工作面下沉面積如表所示。地表移動工程應(yīng)用最大下沉值最大傾斜值最大曲率最大水動最大水平變形下沉面積4500mm20mm/m0.14mm/m31100mm11mm/m729349m22023/2/1礦井工作面預(yù)計下沉等值線圖2023/2/1其它安全保障體系其它安全保障體系2023/2/1技術(shù)成果及工程應(yīng)用52023/2/1技術(shù)成果[1]高保彬,王曉蕾,朱明禮,周建偉.復(fù)合頂板高瓦斯厚煤層綜放工作面覆巖“兩帶”動態(tài)發(fā)

育特征[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2012,S1:3444-3451.[2]高保彬,李林,李回貴,于水軍.綜合物探技術(shù)在礦井工作面底板含水構(gòu)造探測中的應(yīng)用[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2014,07:87-92.[3]高保彬,劉云鵬,潘家宇,袁恬.水體下采煤中導(dǎo)水裂隙帶高度的探測與分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2014,S1:3384-3390.[4]高保彬,王曉蕾,李回貴,孫曉艷,劉云鵬.水體下綜放開采可行性分析[J].水資源與水工程學(xué)報,2013,01:35-39+44.[5]高保彬,高佳佳,袁東升.基于UDEC的大采高覆巖破裂的模擬與分析[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,02:1-6.[6]高保彬,劉云鵬,袁東升.下保護層開采上覆煤巖卸壓增透機理研究與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2013,07:67-70+74.[7]高保彬,李回貴,王洪磊.UDEC下保護層開采裂隙演化及瓦斯?jié)B流規(guī)律[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,05:518-522.[8]高保彬,李回貴,于水軍.改進的灰色馬爾可夫模型在采煤工作面涌水量預(yù)測中的應(yīng)用[J].礦業(yè)研究與開發(fā),20