基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計方法

許家林中國礦業(yè)大學(xué)二○一一年十二月十一日基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計方法匯報提綱1.問題的提出2.關(guān)鍵層位置對導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的影響3.基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計方法4.在頂板突水災(zāi)害防治中的應(yīng)用5.簡要結(jié)論松散含水層下采煤示意圖導(dǎo)水裂隙帶高度1.問題的提出《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》頂板導(dǎo)水裂隙高度預(yù)計公式注：∑M——累計采厚；公式應(yīng)用范圍：單層采厚1～3m，累計采厚不超過15m；±號項為中誤差。1.問題的提出工作面煤層采厚

/m基巖厚度

/m頂板導(dǎo)水裂隙高度/m突水情況計算實測補連塔煤礦314014.4≥12036～52140～154突水祁東煤礦32222.5≥6327～42—突水祁東煤礦71143.0≥7030～4562～102突水松散含水層下采煤異常突水案例

1.問題的提出S21鉆孔沖洗液漏失量變化曲線S19鉆孔沖洗液漏失量變化曲線

補連塔煤礦31401工作面頂板導(dǎo)水裂隙高度工程探測鉆孔布置圖2.關(guān)鍵層位置對導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的影響鉆孔錄像觀測結(jié)果2.關(guān)鍵層位置對導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的影響補連塔煤礦31401面頂板導(dǎo)水裂隙高度實測結(jié)果孔號觀測孔滯后工作面距離/m采厚/m導(dǎo)水裂隙高度/m基巖柱垂高/m實測《規(guī)程》預(yù)計S199314.4153.9552122.5S2110194.4140.5052119.6(a)突水區(qū)域覆巖柱狀33.81m95.16m（b）未突水區(qū)域覆巖柱狀2.關(guān)鍵層位置對導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的影響祁東煤礦7114工作面導(dǎo)水裂隙高度探測結(jié)果

孔號觀測孔滯后工作面推進(jìn)速度m/月采厚/m導(dǎo)水裂隙高度/m距離/m時間

/d實測《規(guī)程》預(yù)計D110078503.062.045D216789503.0102.3457114工作面導(dǎo)水裂隙高度探測方案

7114工作面導(dǎo)水裂隙探測結(jié)果

2.關(guān)鍵層位置對導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的影響覆巖主關(guān)鍵層位置影響導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的對比實驗結(jié)果

（a）主關(guān)鍵層距煤層近（b）主關(guān)鍵層距煤層遠(yuǎn)2.關(guān)鍵層位置對導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的影響

兩帶高度探測孔位置D5兩帶探測孔柱狀29.512.關(guān)鍵層位置對導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的影響

兩帶高度探測孔位置D6兩帶探測孔柱狀28.512.關(guān)鍵層位置對導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的影響亞關(guān)鍵層位置影響導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的實驗方案與結(jié)果

(c)模型IIIKS1KS2KS3PKSKS1KS2KS3PKSKS1KS2KS3PKS模型I模型II模型III2.關(guān)鍵層位置對導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的影響H，關(guān)鍵層破斷裂縫貫通的臨界高度，m；L，第i層關(guān)鍵層破斷塊體長度，m；h，第i層關(guān)鍵層厚度，m；K，第i層關(guān)鍵層破斷裂縫貫通時的張開度，m；

，第i層關(guān)鍵層破斷塊體回轉(zhuǎn)角，度；

，第i層關(guān)鍵層破斷裂縫張開角，度；

S，第i層關(guān)鍵層破斷塊體回轉(zhuǎn)下沉量，m；m，煤層采厚，m；kp，第i層關(guān)鍵層破斷后下部巖層綜合碎脹系數(shù)。關(guān)鍵層破斷裂縫貫通的臨界高度結(jié)構(gòu)模型2.關(guān)鍵層位置對導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的影響3.基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計方法基巖頂界面基巖頂界面導(dǎo)高≥基巖厚度主關(guān)鍵層位于（7～10）M以內(nèi)？收集工作面鉆孔柱狀資料判別覆巖關(guān)鍵層位置計算關(guān)鍵層距煤層高度否是導(dǎo)高＝（7~10）M以外最近的關(guān)鍵層距煤層高度導(dǎo)水裂隙帶高度導(dǎo)水裂隙帶高度11（7~10）MM（7~10）MM基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計方法流程祁東7130工作面D6鉆孔導(dǎo)水裂隙帶高度祁東7121工作面D9鉆孔導(dǎo)水裂隙帶高度祁東7130工作面D5鉆孔祁東7121工作面D8鉆孔導(dǎo)水裂隙帶高度導(dǎo)水裂隙帶高度基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)高預(yù)計實例工作面鉆孔采高/m主關(guān)鍵層高度/m基巖厚/m按《規(guī)程》預(yù)計結(jié)果/m按關(guān)鍵層預(yù)計結(jié)果/m實測結(jié)果/m按《規(guī)程》預(yù)計結(jié)果誤差/m按關(guān)鍵層預(yù)計結(jié)果的誤差/m補連塔31401S214.433.8119.651.9119.6140.5088.623.23補連塔31401S194.433.8122.551.9122.5153.95102.0536.68祁東7114D13.03.4878.044.678.0062.0017.4-16祁東7114D23.03.48116.044.6116.00102.3057.7-13.7祁東7130D52.8531.8858.3343.731.8829.51-14.19-2.37祁東7130D62.8330.4663.3143.730.4628.51-15.19-1.95祁東6130D81.931.9767.5237.531.9732.22-5.280.25祁東7121D92.37.4989.1640.389.1666.4826.18-22.68祁東7121D102.33.4580.8540.380.8566.8126.51-14.04興隆莊2308帶22.8108.4134.5743.576.3572.128.6-4.25導(dǎo)水裂隙帶高度不同預(yù)計方法的結(jié)果對比

3.基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計方法與我國現(xiàn)有《規(guī)程》中的統(tǒng)計經(jīng)驗公式相比:新的預(yù)計方法充分體現(xiàn)了覆巖關(guān)鍵層位置對導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的影響規(guī)律，彌補了將頂板巖性統(tǒng)計均化為堅硬、中硬、軟弱進(jìn)行導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計的不足。尤其是當(dāng)覆巖主關(guān)鍵層位于臨界高度（7～10）M以內(nèi)時，新預(yù)計方法可以對導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育至基巖頂部的異常情況作出判別，避免頂板突水事故的發(fā)生。新預(yù)計方法能適應(yīng)不同采厚條件下的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計。3.基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計方法4.在頂板突水災(zāi)害防治中的應(yīng)用利用提出的新預(yù)計方法，合理解釋了補連塔煤礦和祁東煤礦異常頂板突水災(zāi)害發(fā)生機理，都是由于主關(guān)鍵層位置處于臨界高度（7～10）M以內(nèi)而導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至基巖頂部，遠(yuǎn)大于按《規(guī)程》中的經(jīng)驗公式預(yù)計結(jié)果。補連塔煤礦四盤區(qū)31401綜采面出水位置與出水量序號出水時間距開切眼距離/m兩次出水間距/m出水量m3/h兩次出水間隔時間/d推進(jìn)速度m/d12月18日1650—200——23月2日175810830012933月7日18085025051044月8日21643564003211.1354月30日24202562002211.6465月4日248565200416.2575月7日255267120322.334.在頂板突水災(zāi)害防治中的應(yīng)用補連塔煤礦四盤區(qū)內(nèi)各鉆孔主關(guān)鍵層位置與突水危險性評價

補連塔煤礦四盤區(qū)1-2煤突水危險區(qū)域預(yù)測結(jié)果突水危險區(qū)域預(yù)測結(jié)果指導(dǎo)了四盤區(qū)突水災(zāi)害防治實踐。31401工作面避免了一次拆面搬家，不僅節(jié)約了搬家費用，消除了跳采煤柱損失，保證了工作面正?；夭桑〉昧孙@著的經(jīng)濟效益。4.在頂板突水災(zāi)害防治中的應(yīng)用鄰近松散含水層開采示意圖祁東礦基巖頂部松散承壓含水層（俗稱“四含”，厚40m，水壓3.8MPa)松散承壓含水層鄰近松散承壓含水層采煤壓架突水機理4.在頂板突水災(zāi)害防治中的應(yīng)用案例1：祁東煤礦3222工作面壓架突水

3222工作面寬150m，工作面推進(jìn)42m時，老頂來壓強烈，工作面中部50~60架支柱活塞被壓死，卡環(huán)壓裂，3個半小時內(nèi)水量由10m3/h增大到80m3/h，最大水量達(dá)1

670m3/h，終因礦井排水能力不足，水泵房進(jìn)水，礦井被淹。由此造成直接經(jīng)濟損失3648.56萬元，礦井恢復(fù)生產(chǎn)費用近1億。煤層厚度平均2.5m，最小防水煤巖柱厚度63m，預(yù)計導(dǎo)水裂隙高度為42m。4.在頂板突水災(zāi)害防治中的應(yīng)用案例2：祁東煤礦7114工作面壓架突水事故

7114工作面寬176m，煤層厚度平均2.8m，最小防水煤巖柱厚度為70m，預(yù)計導(dǎo)水裂隙高度45m。工作面推進(jìn)44m時，頂板來壓強烈，壓死支架74架，頂板涌水量由15m3/h逐步增大到60m3/h

。此次采場壓架突水事故造成了近千萬元的直接經(jīng)濟損失，嚴(yán)重影響了礦井的正常生產(chǎn)計劃。

最小防水煤巖柱厚度70m，預(yù)計導(dǎo)水裂隙高度為45m。4.在頂板突水災(zāi)害防治中的應(yīng)用主關(guān)鍵層亞關(guān)鍵層主關(guān)鍵層松散承壓含水層載荷傳遞作用下關(guān)鍵層復(fù)合破斷機理由于松散承壓含水層的載荷傳遞作用，導(dǎo)致一定覆巖條件下關(guān)鍵層易產(chǎn)生復(fù)合破斷，使得主關(guān)鍵層位置下移至臨界高度（7~10M）以下，頂板導(dǎo)水裂隙發(fā)育到基巖頂部，溝通松散含水層，引發(fā)突水災(zāi)害。高水壓作用無水壓作用4.在頂板突水災(zāi)害防治中的應(yīng)用松散承壓含水層載荷傳遞作用的實驗方案

松散承壓含水層載荷傳遞作用的實驗結(jié)果4.在頂板突水災(zāi)害防治中的應(yīng)用有松散承壓含水層無松散承壓含水層

松散承壓含水層對關(guān)鍵層復(fù)合破斷影響的實驗結(jié)果

松散承壓含水層關(guān)鍵層1關(guān)鍵層2松散承壓含水層關(guān)鍵層1關(guān)鍵層2關(guān)鍵層復(fù)合破斷對導(dǎo)水裂隙發(fā)育影響的實驗結(jié)果有松散承壓含水層無松散承壓含水層4.在頂板突水災(zāi)害防治中的應(yīng)用4.在頂板突水災(zāi)害防治中的應(yīng)用突水祁東煤礦71煤開采壓架突水危險區(qū)域預(yù)測圖

4.在頂板突水災(zāi)害防治中的應(yīng)用預(yù)爆破鉆孔設(shè)計祁東煤礦7121工作面壓架突水災(zāi)害防治頂板覆巖柱狀頂板預(yù)裂爆破長觀孔水位預(yù)警工作面支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測推進(jìn)速度調(diào)控實現(xiàn)了7121工作面的安全開采，回收煤炭資源約28.8萬t，實現(xiàn)直接經(jīng)濟效益約7748萬元。基于長觀孔水位突水預(yù)警4.在頂板突水災(zāi)害防治中的應(yīng)用（1）揭示了覆巖關(guān)鍵層位置對導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的影響規(guī)律。只有當(dāng)關(guān)鍵層距開采煤層小于某一臨界高度時，關(guān)鍵層破斷裂縫才會貫通成為導(dǎo)水裂隙，且受其控