王曉振副教授：煤礦采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶高度的預(yù)測(cè)及探測(cè)方法進(jìn)展

創(chuàng)新點(diǎn)

導(dǎo)水裂縫帶高度的確定是煤礦進(jìn)行防水煤巖柱留設(shè)、頂板水害防治措施制定基礎(chǔ)，同時(shí)也是實(shí)施保水采煤、瓦斯抽采、覆巖隔離注漿充填等綠色開(kāi)采方案設(shè)計(jì)和技術(shù)實(shí)踐的重要參數(shù)。論文分析了導(dǎo)高預(yù)測(cè)的不同方法，提出導(dǎo)高確定應(yīng)結(jié)合覆巖關(guān)鍵層的結(jié)構(gòu)特征，重視關(guān)鍵層作用下導(dǎo)高隨采高的臺(tái)階式變化規(guī)律及其對(duì)工程實(shí)踐的影響。介紹了導(dǎo)高直接探測(cè)和間接探測(cè)方法及主要原理，對(duì)比并分析了不同探測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)。

提出了在采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶高度探測(cè)和確定方面的發(fā)展趨勢(shì)，如基于煤系富含水地層探測(cè)數(shù)據(jù)新特征的導(dǎo)高準(zhǔn)確判別、巖層破裂與位移-形變-振動(dòng)之間關(guān)聯(lián)分析、適用于煤系地層大變形和超前移動(dòng)特征的光纖監(jiān)測(cè)、一孔多用的綜合探測(cè)和信息協(xié)同分析方法等，為導(dǎo)高的準(zhǔn)確測(cè)定提供了思路。

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煤礦采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶高度的預(yù)測(cè)及探測(cè)方法進(jìn)展

作者：王曉振, 沙海洋, 于思源, 謝建林^{1, 2}, 鄧光亞, 郝熙梧, 張雨晴

單位：1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭精細(xì)勘探與智能開(kāi)發(fā)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

引用格式：

王曉振，沙海洋，于思源，等.煤礦采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶高度的預(yù)測(cè)及探測(cè)方法進(jìn)展[J].綠色礦山，2025，3(1)：1?13.WANG Xiaozhen，SHA Haiyang，YU Siyuan，et al. Progress of prediction and detection methods for the heightof fractured water-conducting zone in coal mines[J]. Journal of Green Mine，2025，3(1)：1?13.

摘要

煤層開(kāi)采后會(huì)引起上覆巖層移動(dòng)變形和破壞，形成不同形態(tài)的裂隙。豎向貫通裂隙發(fā)育高度的確定是煤礦進(jìn)行防水煤巖柱留設(shè)、頂板水害防治措施制定等保障安全開(kāi)采的基礎(chǔ)，同時(shí)也是進(jìn)行保水采煤、瓦斯抽采、覆巖隔離注漿充填等綠色開(kāi)采技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐所需獲取的重要參數(shù)。總結(jié)了導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)測(cè)的主要理論方法，通過(guò)對(duì)比不同開(kāi)采條件的預(yù)測(cè)方法，證實(shí)了導(dǎo)高的確定需要考慮巖層結(jié)構(gòu)差異。覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)導(dǎo)高發(fā)育特征產(chǎn)生影響，基于關(guān)鍵層位置進(jìn)行導(dǎo)高的判別，可以避免對(duì)巖性均化處理的不足，體現(xiàn)工程條件的差異性，在理論和工程中得到了廣泛應(yīng)用。理論的預(yù)測(cè)方法可為采前安全開(kāi)采設(shè)計(jì)和工程探測(cè)方案設(shè)計(jì)提供參考和指導(dǎo)，但由于我國(guó)煤礦開(kāi)采條件的差異性和采后工程狀況的復(fù)雜性，需要采用不同的探測(cè)方法更加準(zhǔn)確地獲取導(dǎo)高數(shù)據(jù)并指導(dǎo)工程實(shí)踐。介紹了導(dǎo)高直接探測(cè)和間接探測(cè)的不同方法及其主要原理，并分析了優(yōu)勢(shì)和不足?；谀壳暗膶?dǎo)高確定的理論計(jì)算方法和常用的工程探測(cè)手段，提出了在采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶高度確定方面需要解決的問(wèn)題和預(yù)期發(fā)展的方向，如基于煤系富含水地層探測(cè)數(shù)據(jù)新特征進(jìn)行導(dǎo)高的準(zhǔn)確判斷、大埋深特厚煤層采動(dòng)導(dǎo)高探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)、巖層破裂與位移形變震動(dòng)之間關(guān)聯(lián)研究、適用于煤系地層大變形和超前移動(dòng)的光纖監(jiān)測(cè)方法、一孔多用探測(cè)和信息協(xié)同分析處理等?？蔀橥辛私鈱?dǎo)水裂縫帶高度確定方法以及未來(lái)的探測(cè)研究方向提供一定的參考和借鑒。

引言

煤系地層以沉積巖為主，沉積巖是在沉積過(guò)程中形成強(qiáng)度與厚度不同的層狀巖體的疊加，抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低，煤層開(kāi)采必然破壞巖層的原始平衡狀態(tài)而引起巖層運(yùn)動(dòng)甚至破裂。巖層運(yùn)動(dòng)引起覆巖產(chǎn)生橫向裂隙(離層)和縱向裂隙(破斷裂隙)，這些裂隙是地下水、瓦斯和進(jìn)行充填時(shí)漿體的流動(dòng)通道，其演化規(guī)律與地下水流失、卸壓瓦斯運(yùn)移和注漿充填減沉等一系列問(wèn)題緊密相關(guān)?？梢?jiàn)，巖層采動(dòng)裂隙演化規(guī)律是煤礦綠色開(kāi)采的重要理論基礎(chǔ)，也是采動(dòng)巖層控制研究的重要內(nèi)容，具有重要的理論和實(shí)踐意義。

縱向裂隙可以引起流體(煤礦開(kāi)采中主要是水以及瓦斯等氣體)在垂直方向流動(dòng)運(yùn)移，在防治水方面視為導(dǎo)水裂隙，根據(jù)煤層開(kāi)采尺寸的差異，在空間上具有一定范圍，形成導(dǎo)水裂縫帶。相較于水平方向的范圍，煤炭行業(yè)更加關(guān)注其在高度方向的分布范圍。導(dǎo)水裂縫帶高度(以下簡(jiǎn)稱“導(dǎo)高”)的確定，對(duì)頂板防水煤巖柱留設(shè)、瓦斯抽采、覆巖隔離注漿充填，甚至高位厚硬巖層破斷影響研究，均具有非常重要的理論意義與工程實(shí)踐價(jià)值。如在分析生態(tài)脆弱礦區(qū)保水采煤效果時(shí)，需要對(duì)覆巖裂隙破壞高度進(jìn)行實(shí)際探測(cè)，作為其治理效果評(píng)價(jià)的重要依據(jù)；覆巖隔離注漿充填設(shè)計(jì)，需要掌握覆巖“三帶”發(fā)育范圍，來(lái)設(shè)計(jì)合適注漿層位和注漿量，以保障注漿的安全性；覆巖離層突水防范中，也需要依靠覆巖“三帶”發(fā)育高度結(jié)果，來(lái)對(duì)泄水孔位置及其鉆孔結(jié)構(gòu)和泄水時(shí)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。筆者將在以往研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)煤礦采動(dòng)導(dǎo)水裂縫帶高度的預(yù)測(cè)及探測(cè)方法及其進(jìn)展進(jìn)行分析，以期為同行了解導(dǎo)水裂縫帶高度確定方法以及未來(lái)的探測(cè)研究方向提供參考和借鑒。

部分圖片

圖 1 關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)對(duì)覆巖裂隙的控制作用

圖 2 基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)高判別流程

圖 3 巨厚洛河組地層鉆孔沖洗液和孔內(nèi)水位變化

圖 4 同孔多源數(shù)據(jù)的協(xié)同監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

作者簡(jiǎn)介

王曉振，男，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，副教授，碩士生導(dǎo)師。主持國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題任務(wù)等項(xiàng)目5項(xiàng)，承擔(dān)企業(yè)委托科研項(xiàng)目30余項(xiàng)。在《煤炭學(xué)報(bào)》、《中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》、《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》、International Journal of Mining Science and Technology等期刊上發(fā)表論文多篇，1篇論文獲中國(guó)精品科技期刊頂尖學(xué)術(shù)論文（領(lǐng)跑者F5000）、1篇合作論文兩度入選“中國(guó)百篇最具影響學(xué)術(shù)論文”。公開(kāi)和授權(quán)發(fā)明專利14項(xiàng)（其中美國(guó)專利1項(xiàng)、委托許可專利技術(shù)1項(xiàng)）、國(guó)家軟件著作權(quán)7項(xiàng)。獲省部級(jí)及協(xié)會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)9項(xiàng)。

研究方向

主要從事巖層移動(dòng)與綠色開(kāi)采方向的研究，重點(diǎn)在煤礦壓架突水災(zāi)害機(jī)理及防治、巨厚含水巖層破斷規(guī)律及致災(zāi)機(jī)理、巖層內(nèi)部運(yùn)移智能監(jiān)測(cè)等方面開(kāi)展深入研究。

主要成果

基于巖層控制的關(guān)鍵層理論和全柱狀思想，系統(tǒng)開(kāi)展了巖層運(yùn)動(dòng)一體化原位監(jiān)測(cè)工作，完善并形成了采動(dòng)巖層內(nèi)部移動(dòng)、形變與地面沉陷GNSS相協(xié)同的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了采動(dòng)巖層移動(dòng)精細(xì)化監(jiān)測(cè)，為研究采動(dòng)巖層移動(dòng)全過(guò)程及其影響規(guī)律奠定了基礎(chǔ)，已在安徽、陜西、山西、內(nèi)蒙古、新疆等多個(gè)礦區(qū)得到了應(yīng)用。同時(shí)在煤礦綠色開(kāi)采方面，長(zhǎng)期致力于壓架突水災(zāi)害機(jī)理及防治技術(shù)的研究，揭示了承壓含水層下采煤覆巖破斷規(guī)律、壓架突水機(jī)理及發(fā)生條件，形成了壓架突水危險(xiǎn)區(qū)域的預(yù)測(cè)方法，建立了“危險(xiǎn)預(yù)測(cè)-采前預(yù)防-采動(dòng)預(yù)警-實(shí)時(shí)調(diào)控”的災(zāi)害防治技術(shù)體系，成功指導(dǎo)了多起壓架突水災(zāi)害防治實(shí)踐。

策劃丨郭曉煒

責(zé)編丨李雅楠

編輯丨李莎

審核丨常明然

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國(guó)科技核心期刊11種、中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

期刊簡(jiǎn)介

為深入貫徹習(xí)近平生態(tài)文明思想，踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，搭建綠色礦山建設(shè)領(lǐng)域高端學(xué)術(shù)交流平臺(tái)，2023年5月，經(jīng)國(guó)家新聞出版署批準(zhǔn)，由中國(guó)煤炭科工集團(tuán)主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的中文科技期刊——《綠色礦山》（Journal of Green Mine）應(yīng)運(yùn)而生?！毒G色礦山》為季刊，國(guó)內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版物號(hào)為：CN10-1912/TD，ISSN號(hào)：2097-3357，由《綠色礦山》編輯部負(fù)責(zé)策劃、出版、發(fā)行。

刊登范圍

綠色勘查、綠色開(kāi)采、礦山地下空間利用、綠色選冶、礦山環(huán)境保護(hù)、低碳技術(shù)及節(jié)能減排、數(shù)字礦業(yè)、綠色低碳經(jīng)濟(jì)政策與評(píng)價(jià)等。

聯(lián)系：常明然

電話： 010-87986451

郵箱：changmingran0216@163.com

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