大同矿区双系煤层开采复杂条件下采动裂隙场演化机理及灾害预警研究

1 项目背景

该项目于2020年1月通过了中国煤炭工业协会组织的科技成果鉴定，研究成果为国际领先水平。

大同矿区为我国典型的侏罗系煤层和石炭系煤层开采的双系煤层开采矿区，目前，上部侏罗系煤层已经基本开采完毕，正向下部的石炭系煤层开采进行转移。双系煤层间距100 m～300 m，侏罗系煤层开采过后，采空区中常聚集了大量的老空积水和一氧化碳等有害气体，下部的石炭系3-5#煤层一次性开采厚度近20 m，采出厚度大，覆岩破坏范围大，容易诱发上部老空积水和一氧化碳等有害气体下泄侵入石炭系煤层开采的工作面，造成重大人员伤亡和事故灾害。

防治侏罗系采空区水气下泄的关键是要准确掌握采动裂隙场的时空演化规律，确定水气下泄主要通道位置。需要解决影响双系煤层开采水气下泄通道的主要难题有：1)石炭系3-5#特厚煤层开采裂隙场演化规律；2)上覆侏罗系遗留煤柱对应的下行裂隙场下部煤层开采形成的上行裂隙场时空演化规律；3)远场关键层地面压裂参数对厚煤层开采裂隙场的影响；4)基于均质岩层的理论研究成果与地层结构的复杂多变性如何交叉融合。项目以同忻煤矿为研究对象，研究大同矿区双系煤层开采复杂条件下的裂隙场演化机理，建立矿井三维地质信息模型，得到双系煤层开采水-气下泄预警系统，指导现场生产实践。

2 研究内容

(1)试验区三维地质信息建模

以同忻矿为研究对象，统计分析了全矿井的钻孔柱状资料，对钻孔中的异常信息进行对比分析，如钻孔中地层信息缺失的判断补充等，提出了合理的地层建模算法，建立了同忻矿三维地质模型。

(2)试验区岩层基本物理力学性质及裂隙岩样渗流特征测试

大同矿区双系煤层间基岩都为坚硬岩层，由于富含石英矿物，泥质类岩石也具有很高的强度。泥质类岩石和砂岩类岩石软化系数都非常高，在潮湿环境中变化很小，再生阻隔水性能极低。

(3)煤柱作用下覆岩裂隙场发育规律研究

侏罗系煤柱对远场关键层破断有明显影响，且随着煤柱宽度增加，煤柱内越不易发生水气下泄灾害，进煤柱和出煤柱附近仍存在风险。煤柱区域水气下泄灾害危险程度为：出煤柱＞进煤柱＞煤柱正下方；

(4)远场关键层结构对覆岩裂隙场发育规律影响研究

远场关键层块体小于20 m和随机节理情形下，其上覆岩层的裂隙场比未压裂时降低，但远场关键层内部产生了大量的张开度大于5 mm 的裂隙，该情形下，上覆裂隙难与下部裂隙沟通。远场关键层块体大于20 m 时，其上覆岩层的裂隙场与未压裂情形类似，但由于压裂作用，远场关键层的主破裂面数量有所增加，更容易形成水气下泄通道。

(5)双系特厚煤层开采覆岩破断与裂隙演化现场实测研究

通过钻孔电视、钻孔水位监测、示踪气体探测等手段，确定覆岩破断裂隙场分布规律，并得到了采动裂隙高度的分布范围，同忻矿综放工作面覆岩垮裂带高度与采厚之比为15～20。

(6)构建上覆老空区水-气下泄的预警防控系统

以C#为开发语言，通过图形用户界面工具Unity进行系统的集成，开发出一个界面友好，操作简单，交互人性化的地质体三维可视化系统，在此基础上构建了水气下泄预警算法，形成了一套适用于大同矿区双系开采的水气下泄预警系统。

3 主要研究成果

（1）特厚煤层开采采动岩层裂隙场发育基本规律提出了大同矿区双系煤层开采中采动裂隙的“竖五带”和“横三区”分区特征，即竖向上分为下位冒落带、宏观裂缝带、高位离层带、微观裂隙带、底板破坏带，横向上分为超前裂隙影响区、主破裂通道发育区、滞后裂隙压实区，并通过原位测试技术确定了各区域的分布范围及裂隙的张开度分布特征。见图1、图2。

图1 裂隙场“竖五带”分布

图2 裂隙场“横三区”分布

（2）遗留煤柱下特厚煤层开采裂隙场分布特征

侏罗系遗留煤柱引起的集中应力场对双系煤层中间岩层的近场关键层破断无明显影响，对远场关键层破断有明显影响；侏罗系遗留煤柱两侧边界应力环境复杂，沿着两侧煤柱边缘向下方岩层形成一定深度的底板破坏滑移面，一旦与远场关键层破断后形成的向上发育的主破裂面沟通，将引发水气下泄灾害。图3。

图3 煤柱下特厚煤层开采裂隙分布特征

（3）远场关键层地面压裂对特厚煤层开采裂隙场影响

提出了远场关键层水平压裂块度20 m 以下或者随机不规则小块体条件下，远场关键层可以成为有效的“海绵层”，可以降低上覆岩层采动裂隙的发育，实现多灾害协同控制的目的。见图4、图5。

图4随机压裂块度对裂隙场影响

图5 40m压裂块度对裂隙场影响

（4）双系煤层开采水气下泄灾害预警技术

根据反距离权重插值计算法，结合广义三棱柱体数据模型为理论指导实现了地质体真三维可视化建模，在此基础上实现了非均质岩层的关键层判别，结合大同矿区双系开采“关键阻隔水气层”基本原理和预警算法，建立了水气下泄危险性分区模型，为双系特厚煤层预防水气下泄灾害提供了技术支撑。见图7、图8。

图7反距离权重插值法图

8基于三维地质模型的关键层判别

4 应用效果

本课题以同忻矿为依托，从基础数据调研、室内试验、理论研究、现场实测验证等方面，对大同矿区双系煤层开采复杂条件下采动裂隙场的发育规律进行了系统研究，在此基础上开发出了适用于大同矿区双系煤层开采水气下泄灾害的预警系统，有效的充实了大同矿区水气下泄灾害综合治理技术，形成了一套完整的水气下泄灾害防控体系。该项技术成果的成功应用使水气下泄的潜在危险区域更加明确，降低了水气下泄的综合治理费用，技术经济效益突出。通过该技术在同忻煤矿三盘区8309工作面的成功应用，节约了水气下泄治理费用9 778万元。项目的研究成果对于大同矿区预防上覆老空区突水、采空区自然发火等灾害有着重要的意义，具有重要的理论价值和广泛的推广应用前景。