水體下復(fù)合頂板厚煤層綜放安全開采關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

匯報人：高保彬河南理工大學(xué)2021年12月水體下復(fù)合頂板厚煤層綜放平安開采關(guān)鍵技術(shù)及運用2024/1/4提綱一、工程背景、來源二、采場覆巖內(nèi)裂隙動態(tài)發(fā)育規(guī)律的四維探測方法三、采場覆巖內(nèi)裂隙動態(tài)發(fā)育高度預(yù)測模型四、復(fù)合頂板厚煤層綜放平安開采關(guān)鍵技術(shù)和平安保證體系五、技術(shù)成果及工程運用六、創(chuàng)新點及技術(shù)結(jié)論2024/1/4工程背景、來源12024/1/4水體下采煤技術(shù)關(guān)鍵為導(dǎo)水裂痕帶不涉及含水層突水水源隔水關(guān)鍵層天然構(gòu)造采動裂隙突水通道工程背景、來源2024/1/4目前覆巖裂隙發(fā)育主要探測方法工程背景、來源2024/1/4目前覆巖裂隙發(fā)育主要探測方法工程背景、來源2024/1/4目前覆巖裂隙發(fā)育主要探測方法工程背景、來源存在問題鉆孔工程量大；工農(nóng)關(guān)系難處置；探測裂隙書目少；2024/1/4采動裂隙直接導(dǎo)通含水層突水實例例如：廣東興寧大興煤礦，下層煤開采時，采動裂隙擴展破壞了上層煤開采所留設(shè)的防水煤柱，導(dǎo)致特大突水，死亡123人。地表水或含水層上任務(wù)面下任務(wù)面煤柱采動裂隙2024/1/42000~2007年煤礦重特大突水死亡事故年份事故次數(shù)死亡及失蹤人數(shù)20009982001381762002933872003924242004612542005104593200638267200738423總計47326222024/1/4地表水體下采煤特征突水水源隔水關(guān)鍵層天然構(gòu)造采動裂隙突水通道水體底面與煤層之間應(yīng)有相應(yīng)厚度的隔水關(guān)鍵層，才干實現(xiàn)水體下平安采煤，假設(shè)隔水層較差，開采上覆巖層變形和破壞后構(gòu)成的“兩帶〞高度對平安消費影響艱苦，一旦導(dǎo)水裂隙帶涉及水體，水體將成為開采任務(wù)面的直接充水水源，添加礦井的排水壓力，甚至呵斥突水淹井事故。2024/1/4采場覆巖內(nèi)裂隙動態(tài)發(fā)育規(guī)律的四維探測方法22024/1/4經(jīng)過鉆孔軌跡丈量儀、鉆孔電視系統(tǒng)以及雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)觀測任務(wù)面在開采前、開采中、開采后、穩(wěn)定后的覆巖裂隙發(fā)育的時空上的動態(tài)規(guī)律。四維探測法概念四維探測法實驗任務(wù)面概略富水區(qū)富水區(qū)警戒線富水區(qū)地表河流切眼傾斜長300.21m，煤層平均厚度5.99m。任務(wù)面采用走向長壁、后退式大采高低位放頂煤全部垮落式綜合機械化采煤法。S1202任務(wù)面布置平面圖鉆場布置情況〔1〕三鉆孔和巷道程度方向為35°〔仰角〕，和巷道中心線夾角分別為90°、49°、31°；〔2〕鉆孔長度均為182m，進入煤層頂板垂直深度為100m；〔3〕孔口開口位置布置在巷道偏向任務(wù)面的頂板位置；〔4〕和巷道中心線夾角為90°的鉆孔需求全段地質(zhì)取芯，詳細記錄及蠟封；〔5〕成孔直徑為113mm，假設(shè)不具備條件至少應(yīng)該在91mm之上。〔6〕本任務(wù)面的打鉆時間為任務(wù)面配備終了，預(yù)備回采前〔鉆場間隔任務(wù)面內(nèi)切眼130m〕，否那么鉆場前移至采動影響區(qū)域之外。2024/1/4開采層S1202回風(fēng)順槽S1202進風(fēng)順槽利用數(shù)字全景鉆孔彩色電視觀測系統(tǒng)、雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)、鉆孔軌跡丈量儀系統(tǒng)，不僅可以準確把握覆巖破壞高度，而且可以對采動覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進展探測并定量化的數(shù)字化處置，且可以提供裂隙參數(shù)的計算、統(tǒng)計與分析。模擬觀測過程2024/1/4利用數(shù)字全景鉆孔彩色電視觀測系統(tǒng)、雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)、鉆孔軌跡丈量儀系統(tǒng)，不僅可以準確把握覆巖破壞高度，而且可以對采動覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進展探測并定量化的數(shù)字化處置，且可以提供裂隙參數(shù)的計算、統(tǒng)計與分析。開采層S1202回風(fēng)順槽S1202進風(fēng)順槽模擬觀測過程2024/1/4開采層S1202回風(fēng)順槽S1202進風(fēng)順槽利用數(shù)字全景鉆孔彩色電視觀測系統(tǒng)、雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)、鉆孔軌跡丈量儀系統(tǒng)，不僅可以準確把握覆巖破壞高度，而且可以對采動覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進展探測并定量化的數(shù)字化處置，且可以提供裂隙參數(shù)的計算、統(tǒng)計與分析。模擬觀測過程2024/1/4開采層S1202回風(fēng)順槽S1202進風(fēng)順槽利用數(shù)字全景鉆孔彩色電視觀測系統(tǒng)、雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)、鉆孔軌跡丈量儀系統(tǒng)，不僅可以準確把握覆巖破壞高度，而且可以對采動覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進展探測并定量化的數(shù)字化處置，且可以提供裂隙參數(shù)的計算、統(tǒng)計與分析。模擬觀測過程2024/1/4技術(shù)原理表示圖開采層S1202回風(fēng)順槽S1202進風(fēng)順槽利用數(shù)字全景鉆孔彩色電視觀測系統(tǒng)、雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)、鉆孔軌跡丈量儀系統(tǒng)，不僅可以準確把握覆巖破壞高度，而且可以對采動覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進展探測并定量化的數(shù)字化處置，且可以提供裂隙參數(shù)的計算、統(tǒng)計與分析。模擬觀測過程2024/1/4裂隙圈開采層S1202回風(fēng)順槽S1202進風(fēng)順槽利用數(shù)字全景鉆孔彩色電視觀測系統(tǒng)、雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)、鉆孔軌跡丈量儀系統(tǒng)，不僅可以準確把握覆巖破壞高度，而且可以對采動覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進展探測并定量化的數(shù)字化處置，且可以提供裂隙參數(shù)的計算、統(tǒng)計與分析。模擬觀測過程2024/1/4分段注水部分觀測數(shù)據(jù)注水量前后明顯增多，闡明鉆孔內(nèi)部曾經(jīng)產(chǎn)生了較多的裂隙；數(shù)據(jù)表顯示的注水量在20米與25米之間產(chǎn)生了較大的變化，闡明此處能夠是采空區(qū)上部與聯(lián)絡(luò)巷的分界點；在40米到55米之間的注水量最大，且相差甚小，而過了54.5-55.5米后注水量明顯下降，闡明冒落帶與裂隙帶的分界點能夠就在此54.5-55.5米左右。冒落帶在垂直方向上那么在31.26-31.83之間；在通孔的過程中，當通到50米左右時會有水流下，能夠在50米產(chǎn)生了坍塌，堵住了水流，闡明在50米處鉆孔變化比較嚴重，且注水量此處也比較高，闡明此處的裂隙比較密集；原巖注水實驗直觀圖動態(tài)注水實驗直觀圖鉆孔電視部分觀測圖10~13m32~37m40~43m50~53m53~5665~68m55m65~68m70~76m78~80m85~88m鉆孔電視觀測部分數(shù)據(jù)分析在所統(tǒng)計的59條裂痕中，傾角小于30°的裂隙占12%，傾角為30°-39°的裂隙占11%，傾角為40°～49°的裂隙占34%，傾角為50°～59°的裂隙占16%，傾角為60°～69°的裂隙占18%，傾角為70°～79°的裂隙占5%，傾角為80°～90°的裂隙占4%。在所統(tǒng)計的59條裂痕中，裂隙的寬度主要為小于20mm的，其中小于20mm的裂隙占總數(shù)的69%，20-25mm的占總數(shù)的12%，25-30mm的占總數(shù)的9%，30-35mm為6%，35-50mm的為4%。2024/1/4采場覆巖內(nèi)裂隙動態(tài)發(fā)育高度預(yù)測模型32024/1/4現(xiàn)有閱歷公式及存在問題目前并沒有相關(guān)的綜放開采覆巖裂隙帶計算公式，且閱歷公式中往往都用誤差(±3~8m)的方式來反映所在條件下的不確定情況，這本身就存在著一個誤差問題，其緣由就在于我國地質(zhì)條件差別大，覆巖分類不細，巖體構(gòu)造特征，任務(wù)面消費技術(shù)條件等沒有完全反映在估計公式中，加之受當時觀測手段和觀測方法的影響，因此，此法往往只能作為處理實踐問題的參考。2024/1/4類似模擬模型設(shè)計直接頂垮落老頂垮落后裂隙分布2024/1/4任務(wù)面推進90m任務(wù)面推進170m任務(wù)面推進210m任務(wù)面推進300m裂隙的平面分布曲線2024/1/4類似模擬結(jié)果分析〔1〕當任務(wù)面推進20m時，采空區(qū)上方直接頂垮落，此時采空區(qū)內(nèi)部孔裂隙度最高。〔2〕當任務(wù)面推進至55m時，下位亞關(guān)鍵層垮落而主關(guān)鍵層未垮落，采空區(qū)內(nèi)部孔裂隙度最高?！?〕任務(wù)面繼續(xù)推進至100m時，上位主、亞關(guān)鍵層全部垮落，采空區(qū)中部被壓實，采空區(qū)中部孔隙度開場變小?！?〕當任務(wù)面推進至120m時，采空區(qū)內(nèi)部壓實程度進一步添加，采空區(qū)中部裂隙度增量逐漸降低，但是，采空區(qū)接近任務(wù)面煤壁側(cè)和接近開切眼側(cè)受邊境懸頂與支架的支撐作用，出現(xiàn)裂隙度增量區(qū)。2024/1/4類似模擬破斷裂隙分布規(guī)律覆巖裂隙密度分布規(guī)律孔隙度和應(yīng)力分布及其演化2024/1/4結(jié)合四維探測結(jié)果以及類似模擬實驗等方法，得到裂隙寬度與裂隙比例關(guān)系。裂隙寬度與裂隙比例關(guān)系2024/1/4裂隙發(fā)育與鉆孔深度關(guān)系結(jié)合四維探測結(jié)果以及類似模擬實驗等方法，得到裂隙動態(tài)發(fā)育情況與鉆孔深度關(guān)系。采動前采動后復(fù)合頂板厚煤層綜放平安開采關(guān)鍵技術(shù)和平安保證體系42024/1/4S1202任務(wù)面開場回采時，在S1202任務(wù)面上布置三條觀測線，即兩條走向線和一條傾向線地表挪動特征2024/1/4主要觀測站情況地表裂痕表示圖觀測點埋深情況2021年12月21日開場至2021年7月4日兩年時間內(nèi)，分別對走向觀測線和傾向觀測線進展了15次的觀測，獲取了相對較完善的地表挪動變形觀測數(shù)據(jù)，為地表挪動變形規(guī)律的分析和地表挪動變形參數(shù)的獲取提供了必要的數(shù)據(jù)保證。2024/1/4主要觀測站情況名稱走向（°）下山（°）上山（°）綜合移動角687074移動角707278綜合邊界角657076邊界角677379充分采動角65最大下沉角85開采影響傳播角90°－0.7煤層傾角

拐點偏距－0.1開采邊界采高

地表挪動角值參數(shù)反映了地下開采對地表挪動的影響程度、大小及范圍。角值參數(shù)與開采方法、巖石物理力學(xué)性質(zhì)、煤層傾角、開采厚度、開采深度、采動次數(shù)、采空區(qū)尺寸大小、地形、地貌及松散層厚度等有關(guān)。根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析和計算，綜合挪動角、綜合邊境角、思索松散層挪動角〔按45°計算〕的挪動角和邊境角、開采影響傳播角及拐點偏距的計算結(jié)果。2024/1/4根據(jù)余吾煤業(yè)上覆巖層的特點及試采任務(wù)面地表挪動觀測研討的成果，參考周邊礦井的閱歷，本次估計采用概率積分法、MATLAB、suffer進展。根據(jù)河區(qū)首采任務(wù)面的開采范圍、傾角變化、煤層實踐厚度等情況，按上節(jié)內(nèi)容所求得的地表巖移參數(shù)，運用MATLAB軟件對S1206任務(wù)面全采垮落法開采后地表變形值，并采用surfer軟件繪制了各種變形等值線圖。經(jīng)過相關(guān)軟件對S1206任務(wù)面地表挪動變形估計，得出S1206任務(wù)面的最下沉值、最大傾斜值、最大曲率、最大程度挪動、最大程度變形、任務(wù)面下沉面積如表所示。地表移開工程運用最大下沉值最大傾斜值最大曲率最大水動最大水平變形下沉面積4500mm20mm/m0.14mm/m31100mm11mm/m729349m22024/1/4礦井任務(wù)面估計下沉等值線圖2024/1/4其它平安保證體系其它平安保證體系2024/1/4技術(shù)成果及工程運用52024/1/4技術(shù)成果[1]高保彬,王曉蕾,朱明禮,周建偉.復(fù)合頂板高瓦斯厚煤層綜放任務(wù)面覆巖“兩帶〞動態(tài)發(fā)育特征[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2021,S1:3444-3451.[2]高保彬,李林,李回貴,于水軍.綜合物探技術(shù)在礦井任務(wù)面底板含水構(gòu)造探測中的運用[J].中國平安消費科學(xué)技術(shù),2021,07:87-92.[3]高保彬,劉云鵬,潘家宇,袁恬.水體下采煤中導(dǎo)水裂隙帶高度的探測與分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2021,S1:3384-3390.[4]高保彬,王曉蕾,李回貴,孫曉艷,劉云鵬.水體下綜放開采可行性分析[J].水資源與水工程學(xué)報,2021,01:35-39+44.[5]高保彬,高佳佳,袁東升.基于UDEC的大采高覆巖破裂的模擬與分析[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2021,02:1-6.[6]高保彬,劉云鵬,袁東升.下維護層開采上覆煤巖卸壓增透機理研討與運用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2021,07:67-70+74.[7]高保彬,李回貴,王洪磊.UDEC下維護層開采裂隙演化及瓦斯?jié)B流規(guī)律[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2021,05:518-522.[8]高保彬,李回貴,于水軍.改良的灰色馬爾可夫模型在采煤任務(wù)面涌水量預(yù)測中的運用[J].礦業(yè)研討與開發(fā),2021,04:73-76+113.2024/1/4用戶運用證明2024/1/4經(jīng)濟社會效益分析2024/1/4創(chuàng)新點及技術(shù)結(jié)論62024/1/4主要研討成果及創(chuàng)新點1〕建立了采場覆巖內(nèi)裂隙動態(tài)發(fā)育規(guī)律的四維探測方法。2〕建立了采場覆巖內(nèi)裂隙發(fā)育高度預(yù)測模型。3〕獲得了礦區(qū)地表挪動規(guī)律角量參數(shù)，并建立了地表挪動變形預(yù)測模型。4〕建立了回采任務(wù)面區(qū)段維護煤柱合理尺寸預(yù)測模型。2024/1/4工程研討的技術(shù)結(jié)論1〕經(jīng)過鉆孔軌跡丈量儀、鉆孔電視系統(tǒng)以及雙端封堵壓水側(cè)漏系統(tǒng)觀測任務(wù)面回采過程中空間與時間上的覆巖內(nèi)裂隙四維動態(tài)發(fā)育規(guī)律。2〕綜合思索礦井工程地質(zhì)、水文地質(zhì)特征、圍巖分類、綜放開采礦壓