基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法

许家林中国矿业大学二○一一年十二月十一日基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法汇报提纲1.问题的提出2.关键层位置对导水裂隙发育高度的影响3.基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法4.在顶板突水灾害防治中的应用5.简要结论松散含水层下采煤示意图导水裂隙带高度1.问题的提出《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》顶板导水裂隙高度预计公式注：∑M——累计采厚；公式应用范围：单层采厚1～3m，累计采厚不超过15m；±号项为中误差。1.问题的提出工作面煤层采厚

/m基岩厚度

/m顶板导水裂隙高度/m突水情况计算实测补连塔煤矿314014.4≥12036～52140～154突水祁东煤矿32222.5≥6327～42—突水祁东煤矿71143.0≥7030～4562～102突水松散含水层下采煤异常突水案例

1.问题的提出S21钻孔冲洗液漏失量变化曲线S19钻孔冲洗液漏失量变化曲线

补连塔煤矿31401工作面顶板导水裂隙高度工程探测钻孔布置图2.关键层位置对导水裂隙发育高度的影响钻孔录像观测结果2.关键层位置对导水裂隙发育高度的影响补连塔煤矿31401面顶板导水裂隙高度实测结果孔号观测孔滞后工作面距离/m采厚/m导水裂隙高度/m基岩柱垂高/m实测《规程》预计S199314.4153.9552122.5S2110194.4140.5052119.6(a)突水区域覆岩柱状33.81m95.16m（b）未突水区域覆岩柱状2.关键层位置对导水裂隙发育高度的影响祁东煤矿7114工作面导水裂隙高度探测结果

孔号观测孔滞后工作面推进速度m/月采厚/m导水裂隙高度/m距离/m时间

/d实测《规程》预计D110078503.062.045D216789503.0102.3457114工作面导水裂隙高度探测方案

7114工作面导水裂隙探测结果

2.关键层位置对导水裂隙发育高度的影响覆岩主关键层位置影响导水裂隙发育高度的对比实验结果

（a）主关键层距煤层近（b）主关键层距煤层远2.关键层位置对导水裂隙发育高度的影响

两带高度探测孔位置D5两带探测孔柱状29.512.关键层位置对导水裂隙发育高度的影响

两带高度探测孔位置D6两带探测孔柱状28.512.关键层位置对导水裂隙发育高度的影响亚关键层位置影响导水裂隙发育高度的实验方案与结果

(c)模型IIIKS1KS2KS3PKSKS1KS2KS3PKSKS1KS2KS3PKS模型I模型II模型III2.关键层位置对导水裂隙发育高度的影响H，关键层破断裂缝贯通的临界高度，m；L，第i层关键层破断块体长度，m；h，第i层关键层厚度，m；K，第i层关键层破断裂缝贯通时的张开度，m；

，第i层关键层破断块体回转角，度；

，第i层关键层破断裂缝张开角，度；

S，第i层关键层破断块体回转下沉量，m；m，煤层采厚，m；kp，第i层关键层破断后下部岩层综合碎胀系数。关键层破断裂缝贯通的临界高度结构模型2.关键层位置对导水裂隙发育高度的影响3.基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法基岩顶界面基岩顶界面导高≥基岩厚度主关键层位于（7～10）M以内？收集工作面钻孔柱状资料判别覆岩关键层位置计算关键层距煤层高度否是导高＝（7~10）M以外最近的关键层距煤层高度导水裂隙带高度导水裂隙带高度11（7~10）MM（7~10）MM基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法流程祁东7130工作面D6钻孔导水裂隙带高度祁东7121工作面D9钻孔导水裂隙带高度祁东7130工作面D5钻孔祁东7121工作面D8钻孔导水裂隙带高度导水裂隙带高度基于关键层位置的导高预计实例工作面钻孔采高/m主关键层高度/m基岩厚/m按《规程》预计结果/m按关键层预计结果/m实测结果/m按《规程》预计结果误差/m按关键层预计结果的误差/m补连塔31401S214.433.8119.651.9119.6140.5088.623.23补连塔31401S194.433.8122.551.9122.5153.95102.0536.68祁东7114D13.03.4878.044.678.0062.0017.4-16祁东7114D23.03.48116.044.6116.00102.3057.7-13.7祁东7130D52.8531.8858.3343.731.8829.51-14.19-2.37祁东7130D62.8330.4663.3143.730.4628.51-15.19-1.95祁东6130D81.931.9767.5237.531.9732.22-5.280.25祁东7121D92.37.4989.1640.389.1666.4826.18-22.68祁东7121D102.33.4580.8540.380.8566.8126.51-14.04兴隆庄2308带22.8108.4134.5743.576.3572.128.6-4.25导水裂隙带高度不同预计方法的结果对比

3.基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法与我国现有《规程》中的统计经验公式相比:新的预计方法充分体现了覆岩关键层位置对导水裂隙发育高度的影响规律，弥补了将顶板岩性统计均化为坚硬、中硬、软弱进行导水裂隙带高度预计的不足。尤其是当覆岩主关键层位于临界高度（7～10）M以内时，新预计方法可以对导水裂隙带高度发育至基岩顶部的异常情况作出判别，避免顶板突水事故的发生。新预计方法能适应不同采厚条件下的导水裂隙带高度预计。3.基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法4.在顶板突水灾害防治中的应用利用提出的新预计方法，合理解释了补连塔煤矿和祁东煤矿异常顶板突水灾害发生机理，都是由于主关键层位置处于临界高度（7～10）M以内而导致导水裂隙带发育至基岩顶部，远大于按《规程》中的经验公式预计结果。补连塔煤矿四盘区31401综采面出水位置与出水量序号出水时间距开切眼距离/m两次出水间距/m出水量m3/h两次出水间隔时间/d推进速度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.在顶板突水灾害防治中的应用补连塔煤矿四盘区内各钻孔主关键层位置与突水危险性评价

补连塔煤矿四盘区1-2煤突水危险区域预测结果突水危险区域预测结果指导了四盘区突水灾害防治实践。31401工作面避免了一次拆面搬家，不仅节约了搬家费用，消除了跳采煤柱损失，保证了工作面正常回采，取得了显著的经济效益。4.在顶板突水灾害防治中的应用邻近松散含水层开采示意图祁东矿基岩顶部松散承压含水层（俗称“四含”，厚40m，水压3.8MPa)松散承压含水层邻近松散承压含水层采煤压架突水机理4.在顶板突水灾害防治中的应用案例1：祁东煤矿3222工作面压架突水

3222工作面宽150m，工作面推进42m时，老顶来压强烈，工作面中部50~60架支柱活塞被压死，卡环压裂，3个半小时内水量由10m3/h增大到80m3/h，最大水量达1

670m3/h，终因矿井排水能力不足，水泵房进水，矿井被淹。由此造成直接经济损失3648.56万元，矿井恢复生产费用近1亿。煤层厚度平均2.5m，最小防水煤岩柱厚度63m，预计导水裂隙高度为42m。4.在顶板突水灾害防治中的应用案例2：祁东煤矿7114工作面压架突水事故

7114工作面宽176m，煤层厚度平均2.8m，最小防水煤岩柱厚度为70m，预计导水裂隙高度45m。工作面推进44m时，顶板来压强烈，压死支架74架，顶板涌水量由15m3/h逐步增大到60m3/h

。此次采场压架突水事故造成了近千万元的直接经济损失，严重影响了矿井的正常生产计划。

最小防水煤岩柱厚度70m，预计导水裂隙高度为45m。4.在顶板突水灾害防治中的应用主关键层亚关键层主关键层松散承压含水层载荷传递作用下关键层复合破断机理由于松散承压含水层的载荷传递作用，导致一定覆岩条件下关键层易产生复合破断，使得主关键层位置下移至临界高度（7~10M）以下，顶板导水裂隙发育到基岩顶部，沟通松散含水层，引发突水灾害。高水压作用无水压作用4.在顶板突水灾害防治中的应用松散承压含水层载荷传递作用的实验方案

松散承压含水层载荷传递作用的实验结果4.在顶板突水灾害防治中的应用有松散承压含水层无松散承压含水层

松散承压含水层对关键层复合破断影响的实验结果

松散承压含水层关键层1关键层2松散承压含水层关键层1关键层2关键层复合破断对导水裂隙发育影响的实验结果有松散承压含水层无松散承压含水层4.在顶板突水灾害防治中的应用4.在顶板突水灾害防治中的应用突水祁东煤矿71煤开采压架突水危险区域预测图

4.在顶板突水灾害防治中的应用预爆破钻孔设计祁东煤矿7121工作面压架突水灾害防治顶板覆岩柱状顶板预裂爆破长观孔水位预警工作面支护质量监测推进速度调控实现了7121工作面的安全开采，回收煤炭资源约28.8万t，实现直接经济效益约7748万元。基于长观孔水位突水预警4.在顶板突水灾害防治中的应用（1）揭示了覆岩关键层位置对导水裂隙发育高度的影响规律。只有当关键层距开采煤层小于某一临界高度时，关键层破断裂缝才会贯通成为导水裂隙，且受其控