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2021年12月水体下复合顶板厚煤层综放平安开采关键技术及运用2024/1/4提纲一、工程背景、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平安开采关键技术和平安保证体系五、技术成果及工程运用六、创新点及技术结论2024/1/4工程背景、来源12024/1/4水体下采煤技术关键为导水裂痕带不涉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工程背景、来源2024/1/4目前覆岩裂隙发育主要探测方法工程背景、来源2024/1/4目前覆岩裂隙发育主要探测方法工程背景、来源2024/1/4目前覆岩裂隙发育主要探测方法工程背景、来源存在问题钻孔工程量大；工农关系难处置；探测裂隙书目少；2024/1/4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。地表水或含水层上任务面下任务面煤柱采动裂隙2024/1/42000~2007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47326222024/1/4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，才干实现水体下平安采煤，假设隔水层较差，开采上覆岩层变形和破坏后构成的“两带〞高度对平安消费影响艰苦，一旦导水裂隙带涉及水体，水体将成为开采任务面的直接充水水源，添加矿井的排水压力，甚至呵斥突水淹井事故。2024/1/4采场覆岩内裂隙动态发育规律的四维探测方法22024/1/4经过钻孔轨迹丈量仪、钻孔电视系统以及双端封堵压水侧漏系统观测任务面在开采前、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实验任务面概略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。任务面采用走向长壁、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任务面布置平面图钻场布置情况〔1〕三钻孔和巷道程度方向为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任务面的顶板位置；〔4〕和巷道中心线夹角为90°的钻孔需求全段地质取芯，详细记录及蜡封；〔5〕成孔直径为113mm，假设不具备条件至少应该在91mm之上。〔6〕本任务面的打钻时间为任务面配备终了，预备回采前〔钻场间隔任务面内切眼130m〕，否那么钻场前移至采动影响区域之外。2024/1/4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、钻孔轨迹丈量仪系统，不仅可以准确把握覆岩破坏高度，而且可以对采动覆岩的裂隙产状、裂隙宽度等参数进展探测并定量化的数字化处置，且可以提供裂隙参数的计算、统计与分析。模拟观测过程2024/1/4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、钻孔轨迹丈量仪系统，不仅可以准确把握覆岩破坏高度，而且可以对采动覆岩的裂隙产状、裂隙宽度等参数进展探测并定量化的数字化处置，且可以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2024/1/4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、钻孔轨迹丈量仪系统，不仅可以准确把握覆岩破坏高度，而且可以对采动覆岩的裂隙产状、裂隙宽度等参数进展探测并定量化的数字化处置，且可以提供裂隙参数的计算、统计与分析。模拟观测过程2024/1/4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、钻孔轨迹丈量仪系统，不仅可以准确把握覆岩破坏高度，而且可以对采动覆岩的裂隙产状、裂隙宽度等参数进展探测并定量化的数字化处置，且可以提供裂隙参数的计算、统计与分析。模拟观测过程2024/1/4技术原理表示图开采层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、钻孔轨迹丈量仪系统，不仅可以准确把握覆岩破坏高度，而且可以对采动覆岩的裂隙产状、裂隙宽度等参数进展探测并定量化的数字化处置，且可以提供裂隙参数的计算、统计与分析。模拟观测过程2024/1/4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、钻孔轨迹丈量仪系统，不仅可以准确把握覆岩破坏高度，而且可以对采动覆岩的裂隙产状、裂隙宽度等参数进展探测并定量化的数字化处置，且可以提供裂隙参数的计算、统计与分析。模拟观测过程2024/1/4分段注水部分观测数据注水量前后明显增多，阐明钻孔内部曾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，阐明此处能够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，阐明冒落带与裂隙带的分界点能够就在此54.5-55.5米左右。冒落带在垂直方向上那么在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，能够在50米产生了坍塌，堵住了水流，阐明在50米处钻孔变化比较严重，且注水量此处也比较高，阐明此处的裂隙比较密集；原岩注水实验直观图动态注水实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条裂痕中，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条裂痕中，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%。2024/1/4采场覆岩内裂隙动态发育高度预测模型32024/1/4现有阅历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，且阅历公式中往往都用误差(±3~8m)的方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，其缘由就在于我国地质条件差别大，覆岩分类不细，岩体构造特征，任务面消费技术条件等没有完全反映在估计公式中，加之受当时观测手段和观测方法的影响，因此，此法往往只能作为处理实践问题的参考。2024/1/4类似模拟模型设计直接顶垮落老顶垮落后裂隙分布2024/1/4任务面推进90m任务面推进170m任务面推进210m任务面推进300m裂隙的平面分布曲线2024/1/4类似模拟结果分析〔1〕当任务面推进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〕当任务面推进至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〕任务面继续推进至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场变小。〔4〕当任务面推进至120m时，采空区内部压实程度进一步添加，采空区中部裂隙度增量逐渐降低，但是，采空区接近任务面煤壁侧和接近开切眼侧受边境悬顶与支架的支撑作用，出现裂隙度增量区。2024/1/4类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2024/1/4结合四维探测结果以及类似模拟实验等方法，得到裂隙宽度与裂隙比例关系。裂隙宽度与裂隙比例关系2024/1/4裂隙发育与钻孔深度关系结合四维探测结果以及类似模拟实验等方法，得到裂隙动态发育情况与钻孔深度关系。采动前采动后复合顶板厚煤层综放平安开采关键技术和平安保证体系42024/1/4S1202任务面开场回采时，在S1202任务面上布置三条观测线，即两条走向线和一条倾向线地表挪动特征2024/1/4主要观测站情况地表裂痕表示图观测点埋深情况2021年12月21日开场至2021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展了15次的观测，获取了相对较完善的地表挪动变形观测数据，为地表挪动变形规律的分析和地表挪动变形参数的获取提供了必要的数据保证。2024/1/4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

地表挪动角值参数反映了地下开采对地表挪动的影响程度、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，综合挪动角、综合边境角、思索松散层挪动角〔按45°计算〕的挪动角和边境角、开采影响传播角及拐点偏距的计算结果。2024/1/4根据余吾煤业上覆岩层的特点及试采任务面地表挪动观测研讨的成果，参考周边矿井的阅历，本次估计采用概率积分法、MATLAB、suffer进展。根据河区首采任务面的开采范围、倾角变化、煤层实践厚度等情况，按上节内容所求得的地表岩移参数，运用MATLAB软件对S1206任务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。经过相关软件对S1206任务面地表挪动变形估计，得出S1206任务面的最下沉值、最大倾斜值、最大曲率、最大程度挪动、最大程度变形、任务面下沉面积如表所示。地表移开工程运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/m729349m22024/1/4矿井任务面估计下沉等值线图2024/1/4其它平安保证体系其它平安保证体系2024/1/4技术成果及工程运用52024/1/4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任务面覆岩“两带〞动态发育特征[J].岩石力学与工程学报,2021,S1:3444-3451.[2]高保彬,李林,李回贵,于水军.综合物探技术在矿井任务面底板含水构造探测中的运用[J].中国平安消费科学技术,2021,07:87-92.[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,2021,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,2021,01:35-39+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),2021,02:1-6.[6]高保彬,刘云鹏,袁东升.下维护层开采上覆煤岩卸压增透机理研讨与运用[J].煤炭科学技术,2021,07:67-70+74.[7]高保彬,李回贵,王洪磊.UDEC下维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),2021,05:518-522.[8]高保彬,李回贵,于水军.改良的灰色马尔可夫模型在采煤任务面涌水量预测中的运用[J].矿业研讨与开发,2021,04:73-76+113.2024/1/4用户运用证明2024/1/4经济社会效益分析2024/1/4创新点及技术结论62024/1/4主要研讨成果及创新点1〕建立了采场覆岩内裂隙动态发育规律的四维探测方法。2〕建立了采场覆岩内裂隙发育高度预测模型。3〕获得了矿区地表挪动规律角量参数，并建立了地表挪动变形预测模型。4〕建立了回采任务面区段维护煤柱合理尺寸预测模型。2024/1/4工程研讨的技术结论1〕经过钻孔轨迹丈量仪、钻孔电视系统以及双端封堵压水侧漏系统观测任务面回采过程中空间与时间上的覆岩内裂隙四维动态发育规律。2〕综合思索矿井工程地质、水文地质特征、围岩分类、综放开采矿压