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1、,下午好 ！,各位专家、各位领导,高水压松散含水层下 采煤压架突水灾害防治研究,皖北煤电集团公司 中国矿业大学 二一 年十二月,项目鉴定汇报,一 、问题的提出 二、 高水压松散含水层下采煤覆岩破坏规律 三、 高水压松散含水层下采煤压架突水机理 四 、高水压松散含水层下采煤压架突水防治 五、应用效果与经济效益 六、主要创新性成果,汇 报 提 纲,邻近松散承压含水层采煤示意图,第四系厚表土层的底部存在一层以非胶结的沙、砂砾为骨架组成的松散含水层,一、问题的提出, 为上覆荷重引起的总应力； 为作用在固体颗粒上的粒间应力； P 为水压,= + P,松散承压含水层,皖北煤电集团祁东煤矿位于安徽省宿州市，
2、设计井型1.5Mt/a，2002年5月22日投产。主采3、6、7、8等四层煤。,厚度 3540m，水压34MPa。单位涌水量 0.0340.219 L/ (sm)，渗透系数 0.1143.282 m /d,一、问题的提出,祁东煤矿建矿以来的工作面压架突水事故统计,一、问题的提出,案例1：祁东煤矿3222工作面压架突水,3222工作面宽150 m，工作面推进42 m时，老顶来压强烈，工作面中部5060架支柱活塞被压死，卡环压裂，3个半小时内水量由10 m3/h增大到80 m3/h ，最大水量达1 670 m3/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
3、，矿井恢复生产费用近1亿。,一、问题的提出,煤层厚度平均2.5 m，最小防水煤岩柱厚度63m，预计导水裂隙高度为42m。,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15 m3/h逐步增大到60 m3/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。,一、问题的提出,祁东煤矿高水压松散含水层下采煤压坏的ZZ4400/17/35支架,立柱卡环
4、压裂,穿透顶梁,切顶400800mm,支架压死,一、问题的提出,案例3：祁东煤矿6130工作面压架突水事故,一、问题的提出,6130工作面宽126m，煤层厚度平均1.8m，最小防水煤岩柱厚度为44m。工作面推进过程中，五个月内接连发生4次压架出水事故，最大涌水量达77m3/h。周期性压架突水使矿井生产陷入极为被动和紧张的局面。,6130工作面压架情况,一、问题的提出,机头电机压死,机头压架,压架突水,支架严重下缩,一、问题的提出,案例4：祁东煤矿7121工作面压架突水事故,7121工作面宽129m，煤层厚度平均2.5m，最小防水煤岩柱厚度为72m，预计导水裂隙高度40m。11月24日夜班，工作
5、面自开切眼推进357.6m处，老顶突然来压，整个工作面煤壁片帮，1-40架被压死，40-70架支架活柱明显下缩；工作面下半部人员无法通行。,一、问题的提出,支架压死,柱窝压裂,7121工作面压架情况,采煤机压死,顶板切落,一、问题的提出,发生过类似的压架突水事故的矿区：,淮南矿区 徐州矿区 大屯矿区 邢台矿区 ,一、问题的提出,汇 报 提 纲,一 、问题的提出 二、 高水压松散含水层下采煤覆岩破坏规律 三、 高水压松散含水层下采煤压架突水机理 四 、高水压松散含水层下采煤压架突水防治 五、应用效果与经济效益 六、主要创新性成果,设计？ 管理？ 地质构造？ 覆岩破坏规律？,造成压架突水事故的原因
6、是:,二、 高水压松散含水层下采煤覆岩破坏规律,7114面压架突水事故演示,二、 高水压松散含水层下采煤覆岩破坏规律,载荷对关键层复合破断影响的数值模拟结果,载荷0.6MPa 步距70m,复合破断,二、 高水压松散含水层下采煤覆岩破坏规律,高水压松散含水层载荷传递实验装置,水位监测系统,加载装置,含水层,水阀,松散承压含水层最大厚度为60 m、最大水压为5 MPa，伺服水泵最大供水能力为100 L/min 。,二、 高水压松散含水层下采煤覆岩破坏规律,松散承压含水层载荷传递机理的实验方案,松散承压含水层条件下，由于承压水的流动性和补给作用，上覆表土层的载荷通过松散承压含水层均匀地作用于下部基岩
7、上，开挖过程中基岩顶界面上的载荷基本保持恒定，松散承压含水层起到了均匀传递载荷的作用。无松散承压含水层时，作用在基岩顶界面上的表土层载荷随煤层开挖而显著降低。,关键层2破断前应力变化情况（6#测点）,6号测点,6号测点,二、 高水压松散含水层下采煤覆岩破坏规律,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,高水压松散承压含水层下开采时，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，引起松散承压含水层下部基岩的整体破断。,二、 高水压松散含水层下采煤覆岩破坏规律,祁东矿“四含”水位长期观测孔,SQ1水位观测孔,二、
8、高水压松散含水层下采煤覆岩破坏规律,二、 高水压松散含水层下采煤覆岩破坏规律,二、 高水压松散含水层下采煤覆岩破坏规律,工作面压架,6130工作面压架、涌水量与水位变化关系,采空区空间传递导致水位变化的示意图,含水层,表土层,7114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,二、 高水压松散含水层下采煤覆岩破坏规律,汇 报 提 纲,一 、问题的提出 二、 高水压松散含水层下采煤覆岩破坏规律 三、 高水压松散含水层下采煤压架突水机理 四 、高水压松散含水层下采煤压架突水防治 五、应用效果与经济效益 六、主要创新性成果,应用砌体梁结构“S-R”稳定理论可以对邻近松散承压含水层采煤
9、工作面覆岩关键层复合破断为何易引起工作面压架做出合理解释。,三、高水压松散含水层下采煤压架突水机理,砌体梁结构,h 关键层厚度； h1 关键层所负载荷岩层厚度 当覆岩关键层复合破断时，覆岩整体破断，上部关键层及其控制的岩层作为下部关键层的载荷层，下部关键层破断块体形成的砌体梁结构的载荷层厚度h1明显增大，使得砌体梁结构稳定的条件不易满足。,砌体梁结构不发生滑落失稳的条件为:,三、高水压松散含水层下采煤压架突水机理,7114工作面覆岩关键层非复合破断与复合破断判别结果对比,邻近松散含水层开采示意图,三、高水压松散含水层下采煤压架突水机理,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
10、水裂隙高度计算公式,三、高水压松散含水层下采煤压架突水机理,三、高水压松散含水层下采煤压架突水机理,7114工作面导水裂隙探测结果,三、高水压松散含水层下采煤压架突水机理,汇 报 提 纲,一 、问题的提出 二、 高水压松散含水层下采煤覆岩破坏规律 三、 高水压松散含水层下采煤压架突水机理 四 、高水压松散含水层下采煤压架突水防治 五、应用效果与经济效益 六、主要创新性成果,掌握覆岩破坏规律,预测压架突水危险区域,避开危险区域,人工强制放顶,采用高阻力支架,采空区充填,支护质量监测,疏水降压,压架突水灾害预警,采煤工艺调控,实现工作面安全回采,推进速度调控,局部采高调控,压架突水灾害防治技术思路
11、,常规的水体下采煤设计方法已经不能适用于高水压松散含水层下特殊的覆岩破坏规律,基于对高水压松散含水层下压架规律及机理的掌握，提出压架突水发生条件及影响因素：,含水层特性 含水层厚度越大、含水层骨架颗粒度越大、含水层水压越大，导致压架突水的可能性就越大。 关键层结构类型 根据关键层结构分类，单一关键层结构和主关键层处于下位的多层关键层结构类型，为易导致压架突水事故的类型。 基岩顶部隔水层性质 针对具有压架危险的覆岩类型，若主关键之上泥岩隔水层总层数和总厚度较小时，易引发突水事故。,压架突水危险区域预测,压架突水危险区域预测,祁东煤矿松散含水层厚度分布等值线与压架突水工作面分布图,(a)单一关键层
12、结构,(c)多层关键层结构 主关键层下位,(b)无典型关键层结构,关键层结构分类示意图,(d)多层关键层结构 主关键层上位,压架突水危险区域预测,实验方案模型示意图,(b)单一关键层结构,(a)无典型关键层结构,(c)多层关键层结构-主关键层上位,(d)多层关键层结构-主关键层下位,压架突水危险区域预测,主关键层,含水层,单一关键层结构,101.5mm,压架突水危险区域预测,主关键层,亚关键层,多层关键层结构-主关键层处于下位,含水层,124.5mm,压架突水危险区域预测,含水层,主关键层,亚关键层,多层关键层结构-主关键层处于下位,20mm,压架突水危险区域预测,压架突水危险区域预测,284
13、钻孔关键层位置判别结果,29-302钻孔关键层位置判别结果,255钻孔关键层位置判别结果,压架突水危险区域预测,祁东煤矿32煤开采压架突水危险区域预测结果,压架突水危险区域预测,压架危险区域,压架突水危险区域,祁东煤矿61煤开采压架突水危险区域预测结果,压架突水危险区域预测,压架危险区域,压架突水危险区域,祁东煤矿71煤开采压架突水危险区域预测结果,压架突水危险区域预测,压架危险区域,压架突水危险区域,工作阻力计算力学模型,受力分析,传统的4-8倍采高容重法不适用于该特殊条件下的工作阻力确定，在关键层复合破断的瞬间，关键层与上覆基岩同时破断，故将其作为一个整体考虑。 工作面来压时采空体积传递到
14、基岩顶界面，导致含水层的水、砂流动补给，此时松散含水层水压很小，仅受到松散含水层松散体重力的作用。,工作面合理支架工作阻力确定,在高水压松散含水层下采煤时，所需最大工作阻力在10000kN左右，原有的支架阻力均不超过6000KN，明显偏小。,复合破断整体块度， 回转角，复合破断的回转角近似等于岩块的回转角； 岩块之间摩擦系数； 复合破断岩石整体重量及其上覆载荷； 关键层的初次破断步距；,根据建立的计算模型得出： 3242工作面合理支架工作阻力为8640kN ； 6130工作面合理支架工作阻力为8399kN ； 7114工作面合理支架工作阻力为10126kN 。,工作面合理支架工作阻力确定,顶板
15、人工预爆破防治工作面压架突水,采用顶板人工预爆破措施，需要根据具体情况进行。 当覆岩结构主关键层处于下位时，可以直接对主关键层实施爆破，易达到破坏顶板整体性而防止大面积悬顶的效果；而当钻孔深度达不到主关键层时，钻孔施工与爆破效果受下位岩层影响较大，容易造成钻孔变形，减弱装药和爆破效果。 是否适合采用实施顶板人工预爆破也受具体工作面的直接顶岩性条件影响，如果顶板破碎且原生构造发育，则不适宜采用预爆破措施。,取芯钻孔与7121工作面平面位置关系,取芯钻孔剖面图,取芯岩样,实施顶板人工预爆破防治工作面压架突水,7121机巷3#取芯钻孔关键层判别,7121机巷2#取芯钻孔关键层判别,7121机巷1#取
16、芯钻孔关键层判别,关键层位置判别结果表明：7121工作面前方普遍存在压架突水危险，需要采取相应的技术防范措施。,实施顶板人工预爆破防治工作面压架突水,深孔预裂爆破钻孔设计参数,钻孔平面布置图及平面角,A组孔设计参数示意图,B组孔设计参数示意图,7121工作面预爆破钻孔设计示意图,因7121工作面周期来压步距为2535m，顶板预爆破的间距均取20m。,实施顶板人工预爆破防治工作面压架突水,16.36m,12.23m,7121面机巷第十一组预爆破钻孔情况,实施顶板人工预爆破防治工作面压架突水,7121面顶板预爆破钻孔布置,实施顶板人工预爆破防治工作面压架突水,对预爆破前后机头受影响段的支架来压特征进行对比分析。由上表可以说明，顶板预爆破对弱化坚硬顶板和释放顶板压力的作用明显，可以起到防治压架
