水体下复合顶板厚煤层综放安全开采关键技术及应用

汇报人：高保彬河南理工大学2014年12月水体下复合顶板厚煤层综放安全开采关键技术及应用2023/2/1提纲一、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五、技术成果及工程应用六、创新点及技术结论2023/2/1项目背景、来源12023/2/1

水体下采煤技术关键为导水裂缝带不波及含水层突水水源隔水关键层天然构造采动裂隙突水通道项目背景、来源2023/2/1

目前覆岩裂隙发育主要探测方法项目背景、来源2023/2/1

目前覆岩裂隙发育主要探测方法项目背景、来源2023/2/1

目前覆岩裂隙发育主要探测方法项目背景、来源存在问题钻孔工程量大；工农关系难处理；探测裂隙书目少；2023/2/1

采动裂隙直接导通含水层突水实例

例如：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煤柱，导致特大突水，死亡123人。地表水或含水层上工作面下工作面煤柱采动裂隙2023/2/1

2000~2007年煤矿重特大突水死亡事故年份事故次数死亡及失踪人数20009982001381762002933872003924242004612542005104593200638267200738423总计47326222023/2/1

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隔水关键层，才能实现水体下安全采煤，如果隔水层较差，开采上覆岩层变形和破坏后形成的“两带”高度对安全生产影响重大，一旦导水裂隙带波及水体，水体将成为开采工作面的直接充水水源，增加矿井的排水压力，甚至造成突水淹井事故。2023/2/1采场覆岩内裂隙动态发育规律的四维探测方法22023/2/1通过钻孔轨迹测量仪、钻孔电视系统以及双端封堵压水侧漏系统观测工作面在开采前、开采中、开采后、稳定后的覆岩裂隙发育的时空上的动态规律。四维探测法概念四维探测法试验工作面概况富水区富水区警戒线富水区地表河流切眼倾斜长300.21m，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。S1202工作面布置平面图钻场布置状况（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。2023/2/1开采层S1202回风顺槽S1202进风顺槽利用数字全景钻孔彩色电视观测系统、双端封堵压水侧漏系统、钻孔轨迹测量仪系统，不仅能够准确把握覆岩破坏高度，而且可以对采动覆岩的裂隙产状、裂隙宽度等参数进行探测并定量化的数字化处理，且能够提供裂隙参数的计算、统计与分析。模拟观测过程2023/2/1利用数字全景钻孔彩色电视观测系统、双端封堵压水侧漏系统、钻孔轨迹测量仪系统，不仅能够准确把握覆岩破坏高度，而且可以对采动覆岩的裂隙产状、裂隙宽度等参数进行探测并定量化的数字化处理，且能够提供裂隙参数的计算、统计与分析。开采层S1202回风顺槽S1202进风顺槽模拟观测过程2023/2/1开采层S1202回风顺槽S1202进风顺槽利用数字全景钻孔彩色电视观测系统、双端封堵压水侧漏系统、钻孔轨迹测量仪系统，不仅能够准确把握覆岩破坏高度，而且可以对采动覆岩的裂隙产状、裂隙宽度等参数进行探测并定量化的数字化处理，且能够提供裂隙参数的计算、统计与分析。模拟观测过程2023/2/1开采层S1202回风顺槽S1202进风顺槽利用数字全景钻孔彩色电视观测系统、双端封堵压水侧漏系统、钻孔轨迹测量仪系统，不仅能够准确把握覆岩破坏高度，而且可以对采动覆岩的裂隙产状、裂隙宽度等参数进行探测并定量化的数字化处理，且能够提供裂隙参数的计算、统计与分析。模拟观测过程2023/2/1技术原理示意图开采层S1202回风顺槽S1202进风顺槽利用数字全景钻孔彩色电视观测系统、双端封堵压水侧漏系统、钻孔轨迹测量仪系统，不仅能够准确把握覆岩破坏高度，而且可以对采动覆岩的裂隙产状、裂隙宽度等参数进行探测并定量化的数字化处理，且能够提供裂隙参数的计算、统计与分析。模拟观测过程2023/2/1裂隙圈开采层S1202回风顺槽S1202进风顺槽利用数字全景钻孔彩色电视观测系统、双端封堵压水侧漏系统、钻孔轨迹测量仪系统，不仅能够准确把握覆岩破坏高度，而且可以对采动覆岩的裂隙产状、裂隙宽度等参数进行探测并定量化的数字化处理，且能够提供裂隙参数的计算、统计与分析。模拟观测过程2023/2/1分段注水部分观测数据注水量前后明显增多，说明钻孔内部已经产生了较多的裂隙；数据表显示的注水量在20米与25米之间产生了较大的变化，说明此处可能是采空区上部与联络巷的分界点；在40米到55米之间的注水量最大，且相差甚小，而过了54.5-55.5米后注水量明显下降，说明冒落带与裂隙带的分界点可能就在此54.5-55.5米左右。冒落带在垂直方向上则在31.26-31.83之间；在通孔的过程中，当通到50米左右时会有水流下，可能在50米产生了坍塌，堵住了水流，说明在50米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；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10~13m32~37m40~43m50~53m53~5665~68m55m65~68m70~76m78~80m85~88m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40°～49°的裂隙占34%，倾角为

50°～59°的裂隙占

16%，倾角为

60°～69°的裂隙占

18%，倾角为

70°～79°的裂隙占

5%，倾角为80°～90°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%。2023/2/1采场覆岩内裂隙动态发育高度预测模型32023/2/1现有经验公式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，且经验公式中往往都用误差(±3~8m)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。2023/2/1相似模拟模型设计直接顶垮落老顶垮落后裂隙分布2023/2/1工作面推进90m工作面推进170m工作面推进210m工作面推进300m裂隙的平面分布曲线2023/2/1相似模拟结果分析（1）当工作面推进20m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55m

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100m

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120m时，采空区内部压实程度进一步增加，采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。2023/2/1相似模拟破断裂隙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2023/2/1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。裂隙宽度与裂隙比例关系2023/2/1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，得到裂隙动态发育状况与钻孔深度关系。采动前采动后复合顶板厚煤层综放安全开采关键技术和安全保障体系42023/2/1S1202工作面开始回采时，在S1202工作面上布置三条观测线，即两条走向线和一条倾向线地表移动特征2023/2/1主要观测站情况地表裂缝示意图观测点埋深情况2010年12月21日开始至2012年7月4日两年时间内，分别对走向观测线和倾向观测线进行了15次的观测，获取了相对较完善的地表移动变形观测数据，为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。2023/2/1主要观测站情况名称走向（°）下山（°）上山（°）综合移动角687074移动角707278综合边界角657076边界角677379充分采动角65最大下沉角85开采影响传播角90°－0.7煤层倾角

拐点偏距－0.1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、大小及范围。角值参数与开采方法、岩石物理力学性质、煤层倾角、开采厚度、开采深度、采动次数、采空区尺寸大小、地形、地貌及松散层厚度等有关。根据实测数据分析和计算，综合移动角、综合边界角、考虑松散层移动角（按45°计算）的移动角和边界角、开采影响传播角及拐点偏距的计算结果。2023/2/1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/m729349m22023/2/1矿井工作面预计下沉等值线图2023/2/1其它安全保障体系其它安全保障体系2023/2/1技术成果及工程应用52023/2/1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

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