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(bào)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(yùn)用2024/1/4提綱一、工程背景、來源二、采場覆巖內(nèi)裂隙動(dòng)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(dòng)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(yùn)用六、創(chuàng)新點(diǎn)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(dòng)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(dòng)裂隙直接導(dǎo)通含水層突水實(shí)例例如：廣東興寧大興煤礦，下層煤開采時(shí)，采動(dòng)裂隙擴(kuò)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(dòng)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(jì)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(dòng)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(shí)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(fèi)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(dòng)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(shí)空上的動(dòng)態(tài)規(guī)律。四維探測法概念四維探測法實(shí)驗(yàn)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(jī)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?yàn)?5°〔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(jìn)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(xì)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(shí)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(dòng)影響區(qū)域之外。2024/1/4開采層S1202回風(fēng)順槽S1202進(jìn)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(zhǔn)確把握覆巖破壞高度，而且可以對采動(dòng)覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進(jìn)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(jì)算、統(tǒng)計(jì)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(zhǔn)確把握覆巖破壞高度，而且可以對采動(dòng)覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進(jìn)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(jì)算、統(tǒng)計(jì)與分析。開采層S1202回風(fēng)順槽S1202進(jìn)風(fēng)順槽模擬觀測過程2024/1/4開采層S1202回風(fēng)順槽S1202進(jìn)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(zhǔn)確把握覆巖破壞高度，而且可以對采動(dòng)覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進(jìn)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(jì)算、統(tǒng)計(jì)與分析。模擬觀測過程2024/1/4開采層S1202回風(fēng)順槽S1202進(jìn)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(zhǔn)確把握覆巖破壞高度，而且可以對采動(dòng)覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進(jìn)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(jì)算、統(tǒng)計(jì)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(jìn)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(zhǔn)確把握覆巖破壞高度，而且可以對采動(dòng)覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進(jìn)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(jì)算、統(tǒng)計(jì)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(jìn)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(zhǔn)確把握覆巖破壞高度，而且可以對采動(dòng)覆巖的裂隙產(chǎn)狀、裂隙寬度等參數(shù)進(jìn)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(jì)算、統(tǒng)計(jì)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(diǎn)；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(diǎn)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(dāng)通到50米左右時(shí)會(huì)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(yán)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(shí)驗(yàn)直觀圖動(dòng)態(tài)注水實(shí)驗(yàn)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?jǐn)?shù)據(jù)分析在所統(tǒng)計(jì)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(jì)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(dòng)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(jì)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(gè)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(xì)，巖體構(gòu)造特征，任務(wù)面消費(fèi)技術(shù)條件等沒有完全反映在估計(jì)公式中，加之受當(dāng)時(shí)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(shí)踐問題的參考。2024/1/4類似模擬模型設(shè)計(jì)直接頂垮落老頂垮落后裂隙分布2024/1/4任務(wù)面推進(jìn)90m任務(wù)面推進(jìn)170m任務(wù)面推進(jìn)210m任務(wù)面推進(jìn)300m裂隙的平面分布曲線2024/1/4類似模擬結(jié)果分析〔1〕當(dāng)任務(wù)面推進(jìn)20m時(shí)，采空區(qū)上方直接頂垮落，此時(shí)采空區(qū)內(nèi)部孔裂隙度最高?！?〕當(dāng)任務(wù)面推進(jìn)至55m時(shí)，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(jìn)至100m時(shí)，上位主、亞關(guān)鍵層全部垮落，采空區(qū)中部被壓實(shí)，采空區(qū)中部孔隙度開場變小?！?〕當(dāng)任務(wù)面推進(jìn)至120m時(shí)，采空區(qū)內(nèi)部壓實(shí)程度進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)等方法，得到裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育情況與鉆孔深度關(guān)系。采動(dòng)前采動(dòng)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(shí)，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(dòng)特征2024/1/4主要觀測站情況地表裂痕表示圖觀測點(diǎn)埋深情況2021年12月21日開場至2021年7月4日兩年時(shí)間內(nèi)，分別對走向觀測線和傾向觀測線進(jìn)展了15次的觀測，獲取了相對較完善的地表挪動(dòng)變形觀測數(shù)據(jù)，為地表挪動(dòng)變形規(guī)律的分析和地表挪動(dòng)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(dòng)角687074移動(dòng)角707278綜合邊界角657076邊界角677379充分采動(dòng)角65最大下沉角85開采影響傳播角90°－0.7煤層傾角

拐點(diǎn)偏距－0.1開采邊界采高

地表挪動(dòng)角值參數(shù)反映了地下開采對地表挪動(dòng)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(dòng)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(shí)測數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，綜合挪動(dòng)角、綜合邊境角、思索松散層挪動(dòng)角〔按45°計(jì)算〕的挪動(dòng)角和邊境角、開采影響傳播角及拐點(diǎn)偏距的計(jì)算結(jié)果。2024/1/4根據(jù)余吾煤業(yè)上覆巖層的特點(diǎn)及試采任務(wù)面地表挪動(dòng)觀測研討的成果，參考周邊礦井的閱歷，本次估計(jì)采用概率積分法、MATLAB、suffer進(jìn)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(shí)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(yùn)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(dòng)變形估計(jì)，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(dòng)、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(yùn)用最大下沉值最大傾斜值最大曲率最大水動(dòng)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(jì)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(yùn)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(dòng)態(tài)發(fā)育特征[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),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(yùn)用[J].中國平安消費(fèi)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(bào),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(bào),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(bào)(自然科學(xué)版),2021,02:1-6.[6]高保彬,劉云鵬,袁東升.下維護(hù)層開采上覆煤巖卸壓增透機(jī)理研討與運(yùn)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(hù)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(bào)(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(yùn)用[J].礦業(yè)研討與開發(fā),2021,04:73-76+113.2024/1/4用戶運(yùn)用證明2024/1/4經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益分析2024/1/4創(chuàng)新點(diǎn)及技術(shù)結(jié)論62024/1/4主要研討成果及創(chuàng)新點(diǎn)1〕建立了采場覆巖內(nèi)裂隙動(dòng)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(dòng)規(guī)律角量參數(shù)，并建立了地表挪動(dòng)變形預(yù)測模型。4〕建立了回采任務(wù)面區(qū)段維護(hù)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(shí)間上的覆巖內(nèi)裂隙四維動(dòng)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