煤坚硬顶板的裂隙发育规律及三带分布研究项目论证方案

1、项目论证项目论证15#15#煤坚硬顶板的裂隙发育规律及三带分布研究煤坚硬顶板的裂隙发育规律及三带分布研究 晋城矿业集团公司古书院矿晋城矿业集团公司古书院矿 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学2011.3李胜李胜 副院长，教授副院长，教授五、项目进度安排五、项目进度安排5一、项目立项背景一、项目立项背景 1二、技术开发方案二、技术开发方案2四、项目的经费预算四、项目的经费预算 4三、三、井下施工设计井下施工设计 3一、项目立项背景一、项目立项背景1、基本情况、基本情况 古书院矿是山西省晋城煤业集团所属的一座大型现代化矿井，地处晋城市城区北环路，年产煤量330万t是晋煤集团传统三大矿之一。 古书院矿

2、15#煤已开始回采，煤层倾角平均3.5，煤层直接顶为K1灰岩， 属坚硬型顶板。老顶为砂质泥岩，坚硬细密。15#煤与9#煤间距约30 m。15#煤顶板上方为9#煤采空区，15#煤与9#煤煤层间距小，需要加强对15#煤顶板裂隙的研究，观察导水裂隙的发育程度及三带高度的划分，进而论证15#煤建立抽放系统的可能行，加强对15#煤的瓦斯管理。 煤层的开采必将引起上覆岩层的移动与破断，并在覆岩中形成采动裂隙。随着开采的不断扰动与破坏，覆岩中的采动裂隙将进一步发生变化，从而影响地下水的运移、瓦斯等有害气体的流动。因此，为保证煤矿开采的安全，防止矿井瓦斯异常涌出与煤与瓦斯突出等事故的发生，有必要对覆岩采动裂隙

3、场演化规律进行研究。3、国内外现有技术、国内外现有技术 当使用长壁式全垮落采煤方法开采近水平或缓倾斜煤层时，采空区上覆岩层的移动稳定后，在垂直方向由下往上形成垮落带、裂隙带、弯曲下沉带，岩层的三带分布（图1）。在水平方向形成应力升高区，应力降低区和应力正常区。EDCAIIIIIIB 图1 采场上覆岩层结构分区 A-原始应力区；B-煤壁支撑区；C-离层区；D-重新压实区；E-稳定区；I-垮落带；II-裂隙带；III-弯曲下沉带 目前对裂隙带高度研究所采用的探测方法主要有：钻孔窥视法、注水实验法、高密度电阻率法、超声成像法、声波CT层析成像法、钻孔深部基点法及电法等。 4、目前存在的问题、目前存在

4、的问题 传统的裂隙带发育的方法主要有理论计算法和经验公式计算法。理论计算主要是指建立在固体力学基础上的解析法，由于其模型建立过于理想化，因此，用理论计算法获得的裂高人为影响因素较大。经验公式计算法是在准确地分析判断矿区覆岩结构类型的基础上，利用建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程中的经验公式进行计算的一种方法。但在利用公式计算时，由于在考虑煤层顶板覆岩内的岩性是按顶板分类中的软或硬这一模糊指标来衡量的，有时不容易确定，此时公式选择有难度，计算的结果是否准确可靠，尚有待于现场进一步实测验证。5、研究目的、研究目的 利用数值计算和钻孔窥视方法对151307工作面15#煤层导水裂隙进行

5、研究，分析151307工作面15#煤层的导水裂隙带稳定高度。通过对151305和152307工作面15#煤层导水裂隙进行研究，编制矿井冒落带和导水裂隙带高度的等值线图。确定15#煤层的导水裂隙带最大发育高度，预测在15#煤层回采过程中，9#煤层采空区积水下渗的可能性。划分三带高度，根据裂隙发育情况，结合顶板岩性，论证15号煤建立抽放系统治理瓦斯的可能性。1、项目达到的技术指标、项目达到的技术指标 1）15#煤层导水裂隙最大发育高度预测； 2）15#煤层导水裂隙变化规律预测； 3）绘制古书院矿的稳定导水裂隙带高度分布图； 4）预测采动过程中9#煤层积水下渗的可能性。 5）三带高度的划分；2、研究

6、内容、研究内容 1）15#煤层的导水裂隙带高度井下探测； 2）15#煤层导水裂隙带的最大高度预测； 3）在15煤层回采过程中，9煤层采空区积水下渗的可能性预测； 4）三带高度的预测； 二、技术开发方案二、技术开发方案理论计算钻孔窥视技术数字图像处理岩石力学采矿学数理统计理论计算计算机数值计算 数值 计算 现场 实测裂隙带稳定高度预测矿井地质条件和开采条件导水裂隙变化规律预测 15#煤裂隙带高度等值线图9#煤采空区积水下渗的可能性预测3、项目实施方案、现场工作布置、技术关键、项目实施方案、现场工作布置、技术关键图2 项目实施的技术路线1）项目实施步骤：收集和整理古书院矿15#煤层以及151307

7、、151305、152307工作面的地质资料。应用理论分析计算三带的高度。 应用岩石力学、采矿学和数学分析的理论，预测15#煤层导水裂隙带的稳定高度；15#煤顶板坚硬，所以理论计算三代高度时应按照坚硬处理。 煤层顶板覆岩内为坚硬顶板时的跨落带高度计算公式： 5 . 2161 . 2100MMHm注： 累计采厚，单层采厚13 m，累计采厚不超过15 m， 号项为中误差煤层顶板覆岩内为坚硬时， 裂隙带最大高度可按以下公式计算：9 . 80 . 22 . 11001MMHi1030MHli（1）（2）（3）MiH1注： 累计采厚，公式应用范围，单层采厚13 m，累计采厚不超过15 m， 号项为中误差

8、。根据上述计算方法，分别计算古书院矿矿15#煤层顶板跨落带高度为5.5510.55m；裂隙带高度为31.2649.06m。M图3采空区上方岩层划分为三带 弯曲下沉带的高度就是采深范围中自压力拱拱顶部位(裂隙带上部)开始一直到地表的所有岩层，计算公式为: zlxhcmmHm（4） 其中， 为弯曲下沉带高度（m），H为工作面采深（m）； 为裂隙带高度（m）; 为跨落带高度（m）。hcmlxmzm裂隙带高度井下实测。 YTJ20型岩层探测记录仪，利用在岩(煤)体中的探测钻孔，用微型摄像机摄录探测钻孔内岩(煤)体的实时状况，由电缆把信号传输到显示器，可实时显示、存储并转存到计算机内作进一步的分析处理，

9、可准确揭示地下工程围岩状态。主要用途如下：(1) 探测煤岩层厚度、岩性；(2) 探测岩层的原始地质构造；(3) 探测岩体变形、破坏及变化情况；(4) 探测地下工程围岩支护和加固效果；(5) 探测采场顶板垮冒、稳定状况；(6) 探测采场三带高度；(7) 探测原岩主应力、采动影响主应力的方向；(8) 探测并预报突水点区域。图4 YTJ20型岩层探测记录仪 利用井下钻孔窥视技术在151307工作面1513072巷进行探测，在钻孔过程中，通过观测是否掉钻、卡钻，孔口水位变化情况，进尺速度快慢，判断“三带”的钻探特征，完成15#煤层的导水裂隙带的稳定高度井下实测。 2010年7月铁法晓明矿岩层探测仪探测

10、到得煤层顶板裂隙的图片。晓明矿N2709回顺顶板 3000mm处横向裂隙 晓明矿N2709运顺顶板 3500mm处离层晓明矿N2709运顺顶板测孔1500mm处完好区 裂隙带动态变化井下实测。利用井下钻孔窥视技术在151305工作面151307工作面进行探测，完成15#煤层的导水裂隙带的动态变化井下实测；钻孔窥视图像的全孔壁成像处理，实现流程是： 图像增强，根据钻孔窥视技术采集孔壁四周360图像，在二维平面以环带图像记录孔壁三维信息，通过光照补偿来获得质量较为理想的原始图像。 原始图像进行初始展开，根据方位角的变化沿着北方向对一定半径的圆周进行360展开成一条直线，以它作为参照，对内外半径之间

11、的圆环展开，得到矩形图。(a)采集的环形图像 （b）展开后的矩形图 图5 环形图像展开图 预测抽放层位的导水裂隙变化规律。 应用数理统计、回归分析等数学手段，结合151305工作面的实测数据，预测预计抽放层位的导水裂隙随时间的变化规律； 三带数值模拟过程与分析。 在煤岩物理力学参数测试的基础上，应用RFPA2D数值计算软件对151307工作面、151305工作面和152307工作面进行覆岩运动规律数值分析，研究导水裂隙带发育高度及其动态演化，预测导水裂隙带稳定高度 ； 运用数值模拟软件RFPA2D模拟综放采动覆岩的冒落过程，得到了采动覆岩的破断垮落规律和采空区支承压力的动态分布规律；通过FLA

12、C3D模拟采动后应力场和位移场变化情况、塑性区的分布范围，分析煤层开采后煤岩体采动裂隙的分布规律；利用RFPA2D对充分采动全过程覆岩随工作面推进时的变形、冒落情况进行了数值模拟，并得出与现场实测结果相吻合的覆岩裂隙高度。图6 RFPA软件系统 等值线图绘制。 根据实测数据和分析结果，结合矿井的实际地质和开采条件，绘制矿井导水裂隙带高度的等值线图； 预测9#煤层采空区积水下渗的可能性。 根据导水裂隙带的发展规律预测成果，结合9#煤层与15#煤层的层间距等值线，预测9#煤层采空区积水下渗的可能性。 三、井下施工设计三、井下施工设计 (1) 现场工作布置 对于151307工作面监测稳定导水裂隙带高

13、度，应选择可以监测到稳定的位置，拟定在1513072巷尾部。对于151305和152307工作面因为监测的冒落带和导水裂隙带高度处于不断地变化中，因此监测点的位置根据回采推进速度拟选定在1513053巷和1523073巷距切眼150米处和停采线处。 图7 151307工作面探测孔布置平面图 图8 151307工作面探测孔布置剖面图 151307215130731513071 (2) 探测孔布置 冒落带和导水裂隙带高度探测在1513072巷进行：设计1个钻场，布置3个钻孔，1个采前原始探测孔，2个采后探测孔。原始探测孔在尚未受到开采影响的煤层覆岩中进行探测；而采后探测孔应在采后覆岩移动基本稳定以

14、后开始钻孔并进行探测。采后探测孔的方位指向采空区的斜上方，倾角3040(1020)，钻孔深度43m，45.5m（37.8m, 38.6m）（图7、图8）。 冒落带和导水裂隙带高度探测在151305和152307工作面进行：在151305和152307工作面各设计2个钻场，钻场布置若干个探测孔，钻孔数量初步定为每个钻场各6个，其中各有一个采前对比孔和5个采动影响探测孔，钻孔仰角分别为17、27、37、47和57，深度分别是10m、22m、41.5m、47.9m、59.6m（图9、图10）。图9 151305工作面和152307工作面探测孔布置平面图图10 151305工作面和152307工作面

15、探测孔布置剖面图 推进方向停采线 (3) 监测工作量 对于1513072巷的监测孔，在钻孔完成后立即进行探测，每1米测一个数据。 在151305和152307工作面的每个钻孔完成后立即立即进行探测，每1米测一个数据，以后每隔1015天探测一次。 (4) 工程工作量 在选定的监测点位置，应在采空区外围的巷道中开凿专门的探测钻场；施工足够数量的钻孔。 具体需要施工：3.7m2.5m3.2m钻场5个；2832mm钻孔27个，约649m。 (5）技术关键： 导水裂隙带高度探测资料的解释； 导水裂隙带高度分布规律预测； 导水裂隙带高度动态变化规律预测。 研究开发经费和报酬总额为： 68.00万元（陆拾捌

16、万元整）其中：1、调研费、交通费 5.00万元2、井探测设计费 7.00万元3、井下探测实施费 11.00万元4、导水裂隙带发育规律数值分析费 10.00万元5、探测成果解译费 10.00万元6、图件绘制 6.00万元7、编制报告 5.00万元8、项目验收费 2.00万元9、科研管理费 7.00万元10、验收、鉴定费 5.00万元 四、项目的经费预算四、项目的经费预算 1) 项目启动，现场条件准备，人员协调，探测设备到位 2011.3.1-2011.3.20 2) 151305工作面探测准备 2011.3.20-2011.4.20 3) 151305工作面探测 2011.4.20-2011.5

17、.20 4) 152307巷探测准备 2011.3.20-2011.4.15 5) 152307巷探测 2011.4.15-2011.5.20 6) 1513072工作面探测准备 2011.4.20-2011.5.20 7) 1513072工作面探测 2011.5.20-2011.6.20 8) 室内研究，预测规律 2011.6.20-2011.7.05 9) 绘制矿井预测图，编制研究报告 2011.7.05-2011.9.20 10) 提交研究成果，项目验收，结题 2011.9.20-2011.12.31 五、项目进度安排五、项目进度安排 多年来，辽宁工程技术大学在煤矿开采方法、矿山岩层力学

18、与控制理论、矿井动力灾害防治等方面进行了大量的研究工作，形成了具有特色的研究方向。承担国家“八五”、“九五”、“十五”、“十一五”攻关项目、国家“973计划”项目和国家自然科学基金。在开采方法与支护技术方面，课题组先后与沈阳煤业（集团）公司、阜新矿业（集团）公司单位合作完成了“昌汉沟煤矿千万吨综采工作面围岩活动与矿山压力规律研究”、“金源里井工矿一采区矿井水预测及防治方案研究”、“开滦矿区近距离煤层群上行安全开采理论与实践”、“红阳三矿深部开采矿压与支护技术研究”、“露天矿边坡下特厚煤层复采技术研究”、“坚硬复合顶板不稳定煤层开采技术研究”等课题，取得了明显的社会和经济效益。获得了煤炭工业科技进步一等奖3项和辽宁省科技进步二等奖2项。 在多年研究工作的基础上，课题组出版了地质动力区划、矿区绿色开采技术等专著、高校教材等多部，在煤炭学报、岩石力学与工程学报等刊物上发表学术论文140余篇。通过多年的科研和研究生培养，已经形成了一支以博士导师为带头人的在矿井开采理论与方法、矿山压力与控制和矿井灾害防治等方面具有较高科研水平和实践经验的研究队伍。附件附件1、合作单位基本情况表、合作单位基本情况表 辽宁工程技术采矿工程重点实验室始建于20世纪50年代，于1994年被原煤炭工业部定为国家煤炭工业重点实验室，2004年被确定为辽宁省重点实验室（时为矿物资源开发与综合利用重点