水体下复合顶板厚煤层综放安全开采关键技术及应用

1、汇报人：高汇报人：高 保保 彬彬河南理工大学河南理工大学20142014年年1212月月水体下复合顶板厚煤层综放安全开采关键技水体下复合顶板厚煤层综放安全开采关键技术及应用术及应用2022-6-2提提 纲纲一、项目背景、来源一、项目背景、来源二、采场覆岩内裂隙动态发育规律的四维探测方法二、采场覆岩内裂隙动态发育规律的四维探测方法三、采场覆岩内裂隙动态发育高度预测模型三、采场覆岩内裂隙动态发育高度预测模型四、复合顶板厚煤层综放安全开采关键技术和安全保障体系四、复合顶板厚煤层综放安全开采关键技术和安全保障体系五、技术成果及工程应用五、技术成果及工程应用六、创新点及技术结论六、创新点及技术结论202

2、2-6-2项目背景、来源项目背景、来源1 12022-6-2v 水体下采煤技术关键为水体下采煤技术关键为导水裂缝带不波及含水层导水裂缝带不波及含水层地表水松散含水层基岩含水层基岩面突水水源隔水关键层天然构造采动裂隙突水通道u项目背景、来源项目背景、来源表土层微小开裂区冒落带严重断裂区一般开裂区弯曲带导水裂隙带高度导水裂隙带2022-6-2v 目前覆岩裂隙发育主要探测方法目前覆岩裂隙发育主要探测方法u项目背景、来源项目背景、来源2022-6-2v 目前覆岩裂隙发育主要探测方法目前覆岩裂隙发育主要探测方法u项目背景、来源项目背景、来源2022-6-2v 目前覆岩裂隙发育主要探测方法目前覆岩裂隙发育

3、主要探测方法u项目背景、来源项目背景、来源冲积层基岩u钻孔工程量大；钻孔工程量大；u工农关系难处理；工农关系难处理；u探测裂隙书目少；探测裂隙书目少；2022-6-2v 采动裂隙直接导通含水层突水实例采动裂隙直接导通含水层突水实例 例如：例如： 广东兴宁大兴煤矿，下层煤开采时，广东兴宁大兴煤矿，下层煤开采时，采动裂隙扩展破坏了上层煤开采所留设的防水采动裂隙扩展破坏了上层煤开采所留设的防水煤柱，导致煤柱，导致特大突水特大突水，死亡，死亡123人。人。地表水或含水层上工作面下工作面煤柱采动裂隙2022-6-2 20002007年煤矿重特大突水死亡事故年煤矿重特大突水死亡事故年份事故次数死亡及失踪人

4、数20009982001381762002933872003924242004612542005104593200638267200738423总计47326222022-6-2地表水松散含水层基岩含水层基岩面v 地表水体下采煤特征地表水体下采煤特征突水水源隔水关键层天然构造采动裂隙突水通道水体底面与煤层之间应有相应厚度的水体底面与煤层之间应有相应厚度的隔水关键层隔水关键层，才能实现水体下，才能实现水体下安全采煤安全采煤，如果隔水层较差，开采上覆岩层变形和破如果隔水层较差，开采上覆岩层变形和破坏后形成的坏后形成的“两带两带”高度对安全生产影响高度对安全生产影响重大，一旦重大，一旦导水裂隙带导水

5、裂隙带波及水体，水体将波及水体，水体将成为开采工作面的成为开采工作面的直接充水水源直接充水水源，增加矿，增加矿井的排水压力，甚至造成突水井的排水压力，甚至造成突水淹井事故淹井事故。2022-6-2采场覆岩内裂隙动态发育采场覆岩内裂隙动态发育规律的四维探测方法规律的四维探测方法2 22022-6-2通过通过钻孔轨迹测量仪钻孔轨迹测量仪、钻孔电视系统钻孔电视系统以及以及双端封堵压水侧双端封堵压水侧漏系统漏系统观测工作面在观测工作面在开采前开采前、开采中开采中、开采后开采后、稳定后稳定后的覆岩的覆岩裂隙发育的裂隙发育的时空时空上的动态规律上的动态规律。四维探测法概念四维探测法概念四四维维探探测测法法

6、试验工作面概况试验工作面概况 富水区富水区 富水区警戒线富水区警戒线 富水区富水区 地表河流地表河流切眼倾斜长切眼倾斜长300.21m，煤层平均厚度，煤层平均厚度5.99m。工作面采用走向长壁、后退式大采高低位放顶煤全部垮落式综合机械化采煤法工作面采用走向长壁、后退式大采高低位放顶煤全部垮落式综合机械化采煤法。S1202工作面工作面布置平面图布置平面图钻场布置状况钻场布置状况（1）三钻孔和巷道水平方向为35（仰角），和巷道中心线夹角分别为90、49、31；（2）钻孔长度均为182m，进入煤层顶板垂直深度为100m；（3）孔口开口位置布置在巷道偏向工作面的顶板位置；（4）和巷道中心线夹角为90的

7、钻孔需要全段地质取芯，详细记录及蜡封；（5）成孔直径为113mm，若不具备条件至少应该在91mm之上。（6）本工作面的打钻时间为工作面装备完毕，准备回采前（钻场距离工作面内切眼130m）， 否则钻场前移至采动影响区域之外。2022-6-2开采层开采层S1202回风顺槽回风顺槽S1202进风顺槽进风顺槽利用利用数字全景钻孔彩色电视观测系统数字全景钻孔彩色电视观测系统、双端封堵压水侧漏系统双端封堵压水侧漏系统、钻孔钻孔轨迹测量仪系统轨迹测量仪系统，不仅能够准确把握，不仅能够准确把握覆岩破坏高度覆岩破坏高度，而且可以对采动覆岩，而且可以对采动覆岩的的裂隙产状裂隙产状、裂隙宽度裂隙宽度等参数进行探测并

8、定量化的数字化处理，且能够提等参数进行探测并定量化的数字化处理，且能够提供裂隙参数的计算、统计与分析。供裂隙参数的计算、统计与分析。模拟观测过程模拟观测过程2022-6-2利用利用数字全景钻孔彩色电视观测系统数字全景钻孔彩色电视观测系统、双端封堵压水侧漏系统双端封堵压水侧漏系统、钻孔钻孔轨迹测量仪系统轨迹测量仪系统，不仅能够准确把握，不仅能够准确把握覆岩破坏高度覆岩破坏高度，而且可以对采动覆岩，而且可以对采动覆岩的的裂隙产状裂隙产状、裂隙宽度裂隙宽度等参数进行探测并定量化的数字化处理，且能够提等参数进行探测并定量化的数字化处理，且能够提供裂隙参数的计算、统计与分析。供裂隙参数的计算、统计与分析

9、。开采层开采层S1202回风顺槽回风顺槽S1202进风顺槽进风顺槽模拟观测过程模拟观测过程2022-6-2开采层开采层S1202回风顺槽回风顺槽S1202进风顺槽进风顺槽利用利用数字全景钻孔彩色电视观测系统数字全景钻孔彩色电视观测系统、双端封堵压水侧漏系统双端封堵压水侧漏系统、钻孔钻孔轨迹测量仪系统轨迹测量仪系统，不仅能够准确把握，不仅能够准确把握覆岩破坏高度覆岩破坏高度，而且可以对采动覆岩，而且可以对采动覆岩的的裂隙产状裂隙产状、裂隙宽度裂隙宽度等参数进行探测并定量化的数字化处理，且能够提等参数进行探测并定量化的数字化处理，且能够提供裂隙参数的计算、统计与分析。供裂隙参数的计算、统计与分析。

10、模拟观测过程模拟观测过程2022-6-2开采层开采层S1202回风顺槽回风顺槽S1202进风顺槽进风顺槽利用利用数字全景钻孔彩色电视观测系统数字全景钻孔彩色电视观测系统、双端封堵压水侧漏系统双端封堵压水侧漏系统、钻孔钻孔轨迹测量仪系统轨迹测量仪系统，不仅能够准确把握，不仅能够准确把握覆岩破坏高度覆岩破坏高度，而且可以对采动覆岩，而且可以对采动覆岩的的裂隙产状裂隙产状、裂隙宽度裂隙宽度等参数进行探测并定量化的数字化处理，且能够提等参数进行探测并定量化的数字化处理，且能够提供裂隙参数的计算、统计与分析。供裂隙参数的计算、统计与分析。模拟观测过程模拟观测过程2022-6-2技术原理示意图开采层开采层

11、S1202回风顺槽回风顺槽S1202进风顺槽进风顺槽利用利用数字全景钻孔彩色电视观测系统数字全景钻孔彩色电视观测系统、双端封堵压水侧漏系统双端封堵压水侧漏系统、钻孔钻孔轨迹测量仪系统轨迹测量仪系统，不仅能够准确把握，不仅能够准确把握覆岩破坏高度覆岩破坏高度，而且可以对采动覆岩，而且可以对采动覆岩的的裂隙产状裂隙产状、裂隙宽度裂隙宽度等参数进行探测并定量化的数字化处理，且能够提等参数进行探测并定量化的数字化处理，且能够提供裂隙参数的计算、统计与分析。供裂隙参数的计算、统计与分析。模拟观测过程模拟观测过程2022-6-2裂隙圈裂隙圈开采层开采层S1202回风顺槽回风顺槽S1202进风顺槽进风顺槽利

12、用利用数字全景钻孔彩色电视观测系统数字全景钻孔彩色电视观测系统、双端封堵压水侧漏系统双端封堵压水侧漏系统、钻孔钻孔轨迹测量仪系统轨迹测量仪系统，不仅能够准确把握，不仅能够准确把握覆岩破坏高度覆岩破坏高度，而且可以对采动覆岩，而且可以对采动覆岩的的裂隙产状裂隙产状、裂隙宽度裂隙宽度等参数进行探测并定量化的数字化处理，且能够提等参数进行探测并定量化的数字化处理，且能够提供裂隙参数的计算、统计与分析。供裂隙参数的计算、统计与分析。模拟观测过程模拟观测过程2022-6-2分段注水部分观测数据分段注水部分观测数据注水量注水量前后前后明显增多，说明钻孔内部已明显增多，说明钻孔内部已经产生了较多的裂隙经产生

13、了较多的裂隙；数据表显示的注水量数据表显示的注水量在在20米米与与25米米之间产生了之间产生了较大较大的变化，说的变化，说明此处可能是采空区上部与联络巷的分界点明此处可能是采空区上部与联络巷的分界点；在在40米米到到55米米之间的之间的注水量最大注水量最大，且相差，且相差甚小，而过了甚小，而过了54.5-55.5米米后注水量明显后注水量明显下下降降，说明，说明冒落带冒落带与与裂隙带裂隙带的的分界点分界点可能就在可能就在此此54.5-55.5米米左右。左右。冒落带冒落带在垂直方向上在垂直方向上则在则在31.26-31.83之间之间；在通孔的过程中，在通孔的过程中，当通到当通到50米米左右时会有水

14、流下，可能在左右时会有水流下，可能在50米米产生了坍塌，堵住了水流，说明在产生了坍塌，堵住了水流，说明在50米米处钻孔变化比较严重，且注水量此处也比较处钻孔变化比较严重，且注水量此处也比较高，说明此处的裂隙比较密集高，说明此处的裂隙比较密集；原岩注水试验直观图动态注水试验直观图钻孔电视部分观测图钻孔电视部分观测图1013m 3237m 4043m 5053m 5356 6568m 55m 6568m 7076m 7880m 8588m钻孔电视观测部分数据分析钻孔电视观测部分数据分析在所统计的59条裂缝中，倾角小于30的裂隙占12%，倾角为30-39的裂隙占11%，倾角为4049的裂隙占34%，

15、倾角为 5059的裂隙占 16%，倾角为 6069的裂隙占 18%，倾角为 7079的裂隙占 5%，倾角为 8090的裂隙占 4%。在所统计的59条裂缝中，裂隙的宽度主要为小于20mm的，其中小于20mm的裂隙占总数的69%，20-25mm的占总数的12%，25-30mm的占总数的9%，30-35mm为6%，35-50mm的为4%。2022-6-2采场覆岩内裂隙动态发育高采场覆岩内裂隙动态发育高度预测模型度预测模型3 32022-6-2现有现有经验公式经验公式及存在问题及存在问题目前并没有相关的综放开采覆岩裂隙带计算公式，且目前并没有相关的综放开采覆岩裂隙带计算公式，且经验经验公式中往往都用误

16、差公式中往往都用误差(38m)的形式来反映所在条件下的不确的形式来反映所在条件下的不确定情况，这本身就存在着一个误差问题，其原因就在于我国地定情况，这本身就存在着一个误差问题，其原因就在于我国地质条件差异大，覆岩分类不细，岩体结构特征，工作面生产技质条件差异大，覆岩分类不细，岩体结构特征，工作面生产技术条件等没有完全反映在预计公式中，加之受当时观测手段和术条件等没有完全反映在预计公式中，加之受当时观测手段和观测方法的影响，因而，此法往往只能作为解决实际问题的参观测方法的影响，因而，此法往往只能作为解决实际问题的参考。考。2022-6-2相似模拟模型设计相似模拟模型设计直接顶垮落直接顶垮落老顶垮

17、落后裂隙分布老顶垮落后裂隙分布2022-6-2工作面推进工作面推进90m工作面推进工作面推进170m工作面推进工作面推进210m工作面推进工作面推进300m裂隙的裂隙的平面平面分布曲线分布曲线2022-6-2相似模拟结果分析相似模拟结果分析（1）当工作面推进 20 m 时，采空区上方直接顶垮落，此时采空区内部孔裂隙度最高。（2）当工作面推进至 55 m 时，下位亚关键层垮落而主关键层未垮落，采空区内部孔裂隙度最高。 （3）工作面继续推进至 100 m 时，上位主、亚关键层全部垮落，采空区中部被压实，采空区中部孔隙度开始变小。 （4） 当工作面推进至120 m时，采空区内部压实程度进一步增加，采

18、空区中部裂隙度增量逐渐降低，但是，采空区靠近工作面煤壁侧和靠近开切眼侧受边界悬顶与支架的支撑作用，出现裂隙度增量区。 2022-6-2相似模拟破断裂隙分布规律相似模拟破断裂隙分布规律覆岩裂隙密度分布规律覆岩裂隙密度分布规律孔隙度和应力分布及其演化孔隙度和应力分布及其演化2022-6-2结合四维探测结果以及相似模拟试验等方法，得到裂隙宽度结合四维探测结果以及相似模拟试验等方法，得到裂隙宽度与裂隙比例关系。与裂隙比例关系。裂隙宽度与裂隙比例关系裂隙宽度与裂隙比例关系2022-6-2裂隙发育与钻孔深度关系裂隙发育与钻孔深度关系结合四维探测结果以及相似模拟试验等方法，得到裂隙动态结合四维探测结果以及相

19、似模拟试验等方法，得到裂隙动态发育状况与钻孔深度关系。发育状况与钻孔深度关系。采动前采动前采动后采动后复合顶板厚煤层综放安全开复合顶板厚煤层综放安全开采关键技术和安全保障体系采关键技术和安全保障体系4 42022-6-2S1202工作面开始回采时，在工作面开始回采时，在S1202工作面上布置工作面上布置三条三条观测线观测线，即，即两条走向线两条走向线和和一条倾向线一条倾向线地表移动特征地表移动特征2022-6-2主要观测站情况主要观测站情况地表裂缝示意图地表裂缝示意图观测点埋深情况观测点埋深情况2010年年12月月21日日开始至开始至2012年年7月月4日日两年时间内，分别对走向观测线和倾两年

20、时间内，分别对走向观测线和倾向观测线进行了向观测线进行了15次次的观测，获取了相的观测，获取了相对较完善的对较完善的地表移动变形地表移动变形观测数据，为观测数据，为地表移动变形规律的分析和地表移动变地表移动变形规律的分析和地表移动变形参数的获取提供了必要的数据保障。形参数的获取提供了必要的数据保障。2022-6-2主要观测站情况主要观测站情况名称名称走向（走向（）下山（下山（）上山（上山（）综合移动角综合移动角687074移动角移动角707278综合边界角综合边界角657076边界角边界角677379充分采动角充分采动角65最大下沉角最大下沉角85开采影响传播角开采影响传播角900.7煤层倾角

21、煤层倾角 拐点偏距拐点偏距0.1开采边界采高开采边界采高 地表移动角值参数反映了地下开采对地表移动的影响程度、地表移动角值参数反映了地下开采对地表移动的影响程度、大小及范围。大小及范围。角值参数角值参数与与开采方法开采方法、岩石物理力学性质岩石物理力学性质、煤层倾煤层倾角角、开采厚度开采厚度、开采深度开采深度、采动次数采动次数、采空区尺寸大小采空区尺寸大小、地形地形、地貌地貌及及松散层厚度松散层厚度等有关。根据实测数据分析和计算，等有关。根据实测数据分析和计算，综合移动综合移动角角、综合边界角综合边界角、考虑、考虑松散层移动角松散层移动角（按（按45计算）的计算）的移动角移动角和和边界角边界角

22、、开采影响传播角开采影响传播角及及拐点偏距拐点偏距的计算结果的计算结果。2022-6-2根据余吾煤业上覆岩层的特点及试采工作面地表移动观测研究的成果，参考周边矿井的经验，本次预计采用概率积分法、MATLAB、suffer进行。依据河区首采工作面的开采范围、倾角变化、煤层实际厚度等情况，按上节内容所求得的地表岩移参数，运用MATLAB软件对S1206工作面全采垮落法开采后地表变形值，并采用surfer软件绘制了各种变形等值线图。通过相关软件对S1206工作面地表移动变形预计，得出S1206工作面的最下沉值、最大倾斜值、最大曲率、最大水平移动、最大水平变形、工作面下沉面积如表所示。地表移动工程应用

23、地表移动工程应用最大下沉值最大倾斜值最大曲率最大水动最大水平变形下沉面积4500mm20mm/m0.14mm/m31100mm11mm/m729349 m22022-6-2矿井工作面预计下沉等值线图矿井工作面预计下沉等值线图2022-6-2其它安全保障体系其它安全保障体系其它安全保障体系其它安全保障体系2022-6-2技术成果及工程应用技术成果及工程应用5 52022-6-2技术成果技术成果1高保彬,王晓蕾,朱明礼,周建伟.复合顶板高瓦斯厚煤层综放工作面覆岩“两带”动态发 育特征J.岩石力学与工程学报,2012,S1:3444-3451.2高保彬,李林,李回贵,于水军.综合物探技术在矿井工作面

24、底板含水构造探测中的应用J.中国安全生产科学技术,2014,07:87-92.3高保彬,刘云鹏,潘家宇,袁恬.水体下采煤中导水裂隙带高度的探测与分析J.岩石力学与工程学报,2014,S1:3384-3390.4高保彬,王晓蕾,李回贵,孙晓艳,刘云鹏.水体下综放开采可行性分析J.水资源与水工程学报,2013,01:35-39+44.5高保彬,高佳佳,袁东升.基于UDEC的大采高覆岩破裂的模拟与分析J.湖南科技大学学报(自然科学版),2013,02:1-6.6高保彬,刘云鹏,袁东升.下保护层开采上覆煤岩卸压增透机理研究与应用J.煤炭科学技术,2013,07:67-70+74.7高保彬,李回贵,王洪

25、磊.UDEC下保护层开采裂隙演化及瓦斯渗流规律J.河南理工大学学报(自然科学版),2013,05:518-522.8高保彬,李回贵,于水军.改进的灰色马尔可夫模型在采煤工作面涌水量预测中的应用J.矿业研究与开发,2013,04:73-76+113.2022-6-2用户使用证明用户使用证明2022-6-2经济社会效益分析经济社会效益分析2022-6-2创新点及技术结论创新点及技术结论6 62022-6-2主要研究成果及创新点主要研究成果及创新点1）建立了采场覆岩内裂隙动态发育规律的）建立了采场覆岩内裂隙动态发育规律的四维四维探测方法探测方法。2）建立了采场覆岩内裂隙发育高度）建立了采场覆岩内裂隙发育高度预测模型预测模型。3）获得了矿区地表移动规律角量参数，并建立）获得了矿区地表移动规律角量参数，并建立了地表移动