大同礦區雙系煤層開采復雜條件下采動裂隙場演化機理及災害預警研究

1 項目背景

該項目于2020年1月通過了中國煤炭工業協會組織的科技成果鑒定，研究成果為國際領先水平。

大同礦區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，目前，上部侏羅系煤層已經基本開采完畢，正向下部的石炭系煤層開采進行轉移。雙系煤層間距100 m～300 m，侏羅系煤層開采過后，采空區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害。

防治侏羅系采空區水氣下泄的關鍵是要準確掌握采動裂隙場的時空演化規律，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律；2)上覆侏羅系遺留煤柱對應的下行裂隙場下部煤層開采形成的上行裂隙場時空演化規律；3)遠場關鍵層地面壓裂參數對厚煤層開采裂隙場的影響；4)基于均質巖層的理論研究成果與地層結構的復雜多變性如何交叉融合。項目以同忻煤礦為研究對象，研究大同礦區雙系煤層開采復雜條件下的裂隙場演化機理，建立礦井三維地質信息模型，得到雙系煤層開采水-氣下泄預警系統，指導現場生產實踐。

2 研究內容

(1)試驗區三維地質信息建模

以同忻礦為研究對象，統計分析了全礦井的鉆孔柱狀資料，對鉆孔中的異常信息進行對比分析，如鉆孔中地層信息缺失的判斷補充等，提出了合理的地層建模算法，建立了同忻礦三維地質模型。

(2)試驗區巖層基本物理力學性質及裂隙巖樣滲流特征測試

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

(3)煤柱作用下覆巖裂隙場發育規律研究

侏羅系煤柱對遠場關鍵層破斷有明顯影響，且隨著煤柱寬度增加，煤柱內越不易發生水氣下泄災害，進煤柱和出煤柱附近仍存在風險。煤柱區域水氣下泄災害危險程度為：出煤柱＞進煤柱＞煤柱正下方；

(4)遠場關鍵層結構對覆巖裂隙場發育規律影響研究

遠場關鍵層塊體小于20 m和隨機節理情形下，其上覆巖層的裂隙場比未壓裂時降低，但遠場關鍵層內部產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。遠場關鍵層塊體大于20 m 時，其上覆巖層的裂隙場與未壓裂情形類似，但由于壓裂作用，遠場關鍵層的主破裂面數量有所增加，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場實測研究

通過鉆孔電視、鉆孔水位監測、示蹤氣體探測等手段，確定覆巖破斷裂隙場分布規律，并得到了采動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)構建上覆老空區水-氣下泄的預警防控系統

以C#為開發語言，通過圖形用戶界面工具Unity進行系統的集成，開發出一個界面友好，操作簡單，交互人性化的地質體三維可視化系統，在此基礎上構建了水氣下泄預警算法，形成了一套適用于大同礦區雙系開采的水氣下泄預警系統。

3 主要研究成果

（1）特厚煤層開采采動巖層裂隙場發育基本規律提出了大同礦區雙系煤層開采中采動裂隙的“豎五帶”和“橫三區”分區特征，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、主破裂通道發育區、滯后裂隙壓實區，并通過原位測試技術確定了各區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”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力場對雙系煤層中間巖層的近場關鍵層破斷無明顯影響，對遠場關鍵層破斷有明顯影響；侏羅系遺留煤柱兩側邊界應力環境復雜，沿著兩側煤柱邊緣向下方巖層形成一定深度的底板破壞滑移面，一旦與遠場關鍵層破斷后形成的向上發育的主破裂面溝通，將引發水氣下泄災害。圖3。

圖3 煤柱下特厚煤層開采裂隙分布特征

（3）遠場關鍵層地面壓裂對特厚煤層開采裂隙場影響

提出了遠場關鍵層水平壓裂塊度20 m 以下或者隨機不規則小塊體條件下，遠場關鍵層可以成為有效的“海綿層”，可以降低上覆巖層采動裂隙的發育，實現多災害協同控制的目的。見圖4、圖5。

圖4隨機壓裂塊度對裂隙場影響

圖5 40m壓裂塊度對裂隙場影響

（4）雙系煤層開采水氣下泄災害預警技術

根據反距離權重插值計算法，結合廣義三棱柱體數據模型為理論指導實現了地質體真三維可視化建模，在此基礎上實現了非均質巖層的關鍵層判別，結合大同礦區雙系開采“關鍵阻隔水氣層”基本原理和預警算法，建立了水氣下泄危險性分區模型，為雙系特厚煤層預防水氣下泄災害提供了技術支撐。見圖7、圖8。

圖7反距離權重插值法圖

8基于三維地質模型的關鍵層判別

4 應用效果

本課題以同忻礦為依托，從基礎數據調研、室內試驗、理論研究、現場實測驗證等方面，對大同礦區雙系煤層開采復雜條件下采動裂隙場的發育規律進行了系統研究，在此基礎上開發出了適用于大同礦區雙系煤層開采水氣下泄災害的預警系統，有效的充實了大同礦區水氣下泄災害綜合治理技術，形成了一套完整的水氣下泄災害防控體系。該項技術成果的成功應用使水氣下泄的潛在危險區域更加明確，降低了水氣下泄的綜合治理費用，技術經濟效益突出。通過該技術在同忻煤礦三盤區8309工作面的成功應用，節約了水氣下泄治理費用9 778萬元。項目的研究成果對于大同礦區預防上覆老空區突水、采空區自然發火等災害有著重要的意義，具有重要的理論價值和廣泛的推廣應用前景。