大同礦區(qū)雙系煤層開采復(fù)雜條件下采動(dòng)裂隙場演化機(jī)理及災(zāi)害預(yù)警研究

1 項(xiàng)目背景

該項(xiàng)目于2020年1月通過了中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的科技成果鑒定，研究成果為國際領(lǐng)先水平。

大同礦區(qū)為我國典型的侏羅系煤層和石炭系煤層開采的雙系煤層開采礦區(qū)，目前，上部侏羅系煤層已經(jīng)基本開采完畢，正向下部的石炭系煤層開采進(jìn)行轉(zhuǎn)移。雙系煤層間距100 m～300 m，侏羅系煤層開采過后，采空區(qū)中常聚集了大量的老空積水和一氧化碳等有害氣體，下部的石炭系3-5#煤層一次性開采厚度近20 m，采出厚度大，覆巖破壞范圍大，容易誘發(fā)上部老空積水和一氧化碳等有害氣體下泄侵入石炭系煤層開采的工作面，造成重大人員傷亡和事故災(zāi)害。

防治侏羅系采空區(qū)水氣下泄的關(guān)鍵是要準(zhǔn)確掌握采動(dòng)裂隙場的時(shí)空演化規(guī)律，確定水氣下泄主要通道位置。需要解決影響雙系煤層開采水氣下泄通道的主要難題有：1)石炭系3-5#特厚煤層開采裂隙場演化規(guī)律；2)上覆侏羅系遺留煤柱對(duì)應(yīng)的下行裂隙場下部煤層開采形成的上行裂隙場時(shí)空演化規(guī)律；3)遠(yuǎn)場關(guān)鍵層地面壓裂參數(shù)對(duì)厚煤層開采裂隙場的影響；4)基于均質(zhì)巖層的理論研究成果與地層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多變性如何交叉融合。項(xiàng)目以同忻煤礦為研究對(duì)象，研究大同礦區(qū)雙系煤層開采復(fù)雜條件下的裂隙場演化機(jī)理，建立礦井三維地質(zhì)信息模型，得到雙系煤層開采水-氣下泄預(yù)警系統(tǒng)，指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)踐。

2 研究內(nèi)容

(1)試驗(yàn)區(qū)三維地質(zhì)信息建模

以同忻礦為研究對(duì)象，統(tǒng)計(jì)分析了全礦井的鉆孔柱狀資料，對(duì)鉆孔中的異常信息進(jìn)行對(duì)比分析，如鉆孔中地層信息缺失的判斷補(bǔ)充等，提出了合理的地層建模算法，建立了同忻礦三維地質(zhì)模型。

(2)試驗(yàn)區(qū)巖層基本物理力學(xué)性質(zhì)及裂隙巖樣滲流特征測試

大同礦區(qū)雙系煤層間基巖都為堅(jiān)硬巖層，由于富含石英礦物，泥質(zhì)類巖石也具有很高的強(qiáng)度。泥質(zhì)類巖石和砂巖類巖石軟化系數(shù)都非常高，在潮濕環(huán)境中變化很小，再生阻隔水性能極低。

(3)煤柱作用下覆巖裂隙場發(fā)育規(guī)律研究

侏羅系煤柱對(duì)遠(yuǎn)場關(guān)鍵層破斷有明顯影響，且隨著煤柱寬度增加，煤柱內(nèi)越不易發(fā)生水氣下泄災(zāi)害，進(jìn)煤柱和出煤柱附近仍存在風(fēng)險(xiǎn)。煤柱區(qū)域水氣下泄災(zāi)害危險(xiǎn)程度為：出煤柱＞進(jìn)煤柱＞煤柱正下方；

(4)遠(yuǎn)場關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)對(duì)覆巖裂隙場發(fā)育規(guī)律影響研究

遠(yuǎn)場關(guān)鍵層塊體小于20 m和隨機(jī)節(jié)理情形下，其上覆巖層的裂隙場比未壓裂時(shí)降低，但遠(yuǎn)場關(guān)鍵層內(nèi)部產(chǎn)生了大量的張開度大于5 mm 的裂隙，該情形下，上覆裂隙難與下部裂隙溝通。遠(yuǎn)場關(guān)鍵層塊體大于20 m 時(shí)，其上覆巖層的裂隙場與未壓裂情形類似，但由于壓裂作用，遠(yuǎn)場關(guān)鍵層的主破裂面數(shù)量有所增加，更容易形成水氣下泄通道。

(5)雙系特厚煤層開采覆巖破斷與裂隙演化現(xiàn)場實(shí)測研究

通過鉆孔電視、鉆孔水位監(jiān)測、示蹤氣體探測等手段，確定覆巖破斷裂隙場分布規(guī)律，并得到了采動(dòng)裂隙高度的分布范圍，同忻礦綜放工作面覆巖垮裂帶高度與采厚之比為15～20。

(6)構(gòu)建上覆老空區(qū)水-氣下泄的預(yù)警防控系統(tǒng)

以C#為開發(fā)語言，通過圖形用戶界面工具Unity進(jìn)行系統(tǒng)的集成，開發(fā)出一個(gè)界面友好，操作簡單，交互人性化的地質(zhì)體三維可視化系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了水氣下泄預(yù)警算法，形成了一套適用于大同礦區(qū)雙系開采的水氣下泄預(yù)警系統(tǒng)。

3 主要研究成果

（1）特厚煤層開采采動(dòng)巖層裂隙場發(fā)育基本規(guī)律提出了大同礦區(qū)雙系煤層開采中采動(dòng)裂隙的“豎五帶”和“橫三區(qū)”分區(qū)特征，即豎向上分為下位冒落帶、宏觀裂縫帶、高位離層帶、微觀裂隙帶、底板破壞帶，橫向上分為超前裂隙影響區(qū)、主破裂通道發(fā)育區(qū)、滯后裂隙壓實(shí)區(qū)，并通過原位測試技術(shù)確定了各區(qū)域的分布范圍及裂隙的張開度分布特征。見圖1、圖2。

圖1 裂隙場“豎五帶”分布

圖2 裂隙場“橫三區(qū)”分布

（2）遺留煤柱下特厚煤層開采裂隙場分布特征

侏羅系遺留煤柱引起的集中應(yīng)力場對(duì)雙系煤層中間巖層的近場關(guān)鍵層破斷無明顯影響，對(duì)遠(yuǎn)場關(guān)鍵層破斷有明顯影響；侏羅系遺留煤柱兩側(cè)邊界應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，沿著兩側(cè)煤柱邊緣向下方巖層形成一定深度的底板破壞滑移面，一旦與遠(yuǎn)場關(guān)鍵層破斷后形成的向上發(fā)育的主破裂面溝通，將引發(fā)水氣下泄災(zāi)害。圖3。

圖3 煤柱下特厚煤層開采裂隙分布特征

（3）遠(yuǎn)場關(guān)鍵層地面壓裂對(duì)特厚煤層開采裂隙場影響

提出了遠(yuǎn)場關(guān)鍵層水平壓裂塊度20 m 以下或者隨機(jī)不規(guī)則小塊體條件下，遠(yuǎn)場關(guān)鍵層可以成為有效的“海綿層”，可以降低上覆巖層采動(dòng)裂隙的發(fā)育，實(shí)現(xiàn)多災(zāi)害協(xié)同控制的目的。見圖4、圖5。

圖4隨機(jī)壓裂塊度對(duì)裂隙場影響

圖5 40m壓裂塊度對(duì)裂隙場影響

（4）雙系煤層開采水氣下泄災(zāi)害預(yù)警技術(shù)

根據(jù)反距離權(quán)重插值計(jì)算法，結(jié)合廣義三棱柱體數(shù)據(jù)模型為理論指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)體真三維可視化建模，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了非均質(zhì)巖層的關(guān)鍵層判別，結(jié)合大同礦區(qū)雙系開采“關(guān)鍵阻隔水氣層”基本原理和預(yù)警算法，建立了水氣下泄危險(xiǎn)性分區(qū)模型，為雙系特厚煤層預(yù)防水氣下泄災(zāi)害提供了技術(shù)支撐。見圖7、圖8。

圖7反距離權(quán)重插值法圖

8基于三維地質(zhì)模型的關(guān)鍵層判別

4 應(yīng)用效果

本課題以同忻礦為依托，從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)研、室內(nèi)試驗(yàn)、理論研究、現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證等方面，對(duì)大同礦區(qū)雙系煤層開采復(fù)雜條件下采動(dòng)裂隙場的發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了適用于大同礦區(qū)雙系煤層開采水氣下泄災(zāi)害的預(yù)警系統(tǒng)，有效的充實(shí)了大同礦區(qū)水氣下泄災(zāi)害綜合治理技術(shù)，形成了一套完整的水氣下泄災(zāi)害防控體系。該項(xiàng)技術(shù)成果的成功應(yīng)用使水氣下泄的潛在危險(xiǎn)區(qū)域更加明確，降低了水氣下泄的綜合治理費(fèi)用，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益突出。通過該技術(shù)在同忻煤礦三盤區(qū)8309工作面的成功應(yīng)用，節(jié)約了水氣下泄治理費(fèi)用9 778萬元。項(xiàng)目的研究成果對(duì)于大同礦區(qū)預(yù)防上覆老空區(qū)突水、采空區(qū)自然發(fā)火等災(zāi)害有著重要的意義，具有重要的理論價(jià)值和廣泛的推廣應(yīng)用前景。