水体下复合顶板厚煤层综放安全开采关键技术及应用

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2015-1-5
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
2015-1-5
裂隙宽度与裂隙比例关系
结合四维探测结果以及相似模拟试验等方法,得到裂隙宽度 与裂隙比例关系。
2015-1-5
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。
七星台新区
S1202
A10
S1202
矿35KV2#回 2#双
线杆
154屯变 -屯
6#

C30
国道
3号 双线 杆)
154 屯变
S1203
KC3 KC4
莲村永鑫砖厂

35K V
屯安 452 线路 (0
-屯 矿
35K V1# 回
2#双
C25
铁合金小厂
线杆
4024000
5#
S1202
C20
S1202
莲村建军建材厂
主要观测站情况
观测点埋深情况
地表裂缝示意图
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。
2015-1-5
模拟观测过程
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
2015-1-5
模拟观测过程
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
2015-1-5

测 法
采动 覆岩 裂隙 动态 发育 时空 规律
2015-1-5
试验工作面概况
富水区
地表河流
S1202工作面布置平面图
富水区
富水区警戒线
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。
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。
2015-1-5
相似模拟模型设计
直接顶垮落
老顶垮落后裂隙分布
2015-1-5
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
2015-1-5
相似模拟结果分析
(1)当工作面推进 20 m 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 55 m 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 100 m 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120 m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。
2015-1-5
模拟观测过程
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。
裂隙圈
开采层 S1202 回风顺槽 S1202 进风顺槽
主要观测站情况
名称 综合移动角 移动角 综合边界角 边界角 充分采动角 最大下沉角 开采影响传播角 拐点偏距 走向(°) 68 70 65 67 下山(°) 70 72 70 73 65 85 90°-0.7煤层倾角 -0.1开采边界采高 上山(°) 74 78 76 79
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。
2015-1-5
1
项目背景、来源
2015-1-5
项目背景、来源
水体下采煤技术关键为导水裂缝带不波及含水层
地表水
水源
松散含水层 基岩面 基岩含水层
隔水关键层
天 然 构 造 采 动 裂 隙
表土层
弯曲带
微小开裂区 一般开裂区 严重断裂区
导 水 裂 隙 带
导 水 裂 隙 带 高 度
突水通道
冒落带
30KV后 河856线 莲村砖 厂分支 线05号
小 河
金碧瓦业公司
前苏楼板厂
C10
南翼
1# 回
风大
牛 牛牛兴 养殖场
措施巷
巷辅
2胶 20 S1






35K
V屯 安4 52
运巷
线路 (0 8号 双线 杆)
S1202工
作面
B10
C15
莲村
存龙 奶牛场


河头砖厂
B15 A22 B16 A20 A15 B18
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
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
3
采场覆岩内裂隙动态发育高 度预测模型
2015-1-5
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。
A5
小 河
A2 A1 KA2 KA1
40
建 设
小 河
38399000
西莲村砖厂 长治供电分公司 屯留110KV变电站
北 路
38397500
38398000
38398500
38399500
38400000
S1202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
2015-1-5
模拟观测过程
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
2015-1-5
模拟观测过程
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
2015-1-5
2015-1-5
动态注水试验直观图
钻孔电视部分观测图
10~13m 65~68m
32~37m
40~43m
50~53m
53~56
55m
65~68m
70~76m
78~80m
85~88m
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%。

采动裂隙直接导通含水层突水实例
地表水或含水层
煤柱
上工作面
采动裂隙
下工作面
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。
2015-1-5
2000~2007年煤矿重特大突水死亡事故
年份 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 总计 事故次数 9 38 93 92 61 104 38 38 473 死亡及失踪人数 98 176 387 424 254 593 267 423 2622
2015-1-5
地表水体下采煤特征
地表水
水源 隔水关键层
天 然 构 造 采 动 裂 隙
松散含水层 基岩面 基岩含水层
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。
2015-1-5
分段注水部分观测数据
原岩注水试验直观图
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;
2015-1-5
4#
KC2 C1 C2 KB1 KB2
屯留建材厂 屯留焱 瓦业公司
30KV后 河856线 莲村砖 厂分支 线01号
S1201
S1201
1 20 S1
14 #
S1201 S1201
B1 B2
鼎信砖厂
C5
B5
2 20 S1
35KV屯 张11#( 456线 路)
中国联通 中国电信
S1202
35KV屯 张10#( 456线 S120 路) 2
突水通道Biblioteka 突水2015-1-52
采场覆岩内裂隙动态发育 规律的四维探测方法
2015-1-5
四维探测法概念
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。
开采前
四 维
钻孔轨迹测量仪系统
开采中 双端封堵压水侧漏系统 开采后 三全孔内电视系统 稳定后
采动前
采动后
2015-1-5
4
复合顶板厚煤层综放安全开 采关键技术和安全保障体系
地表移动特征
38397500
S1201 S1201
S1202工作面开采沉陷观测站对比图
38398000 38398500 38399000 38399500 38400000
37
田丰公园
KC1

S1201
4024500
模拟观测过程
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
技术原理示意图
突水
2015-1-5
项目背景、来源
目前覆岩裂隙发育主要探测方法
2015-1-5
项目背景、来源
目前覆岩裂隙发育主要探测方法
2015-1-5
项目背景、来源
目前覆岩裂隙发育主要探测方法
存在问题
冲积层
钻孔工程量大;
基岩
工农关系难处理; 探测裂隙书目少;
2015-1-5
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