[发明专利]深部采场底板岩层的最大破坏深度确定方法

说明书

本发明公开了一种深部采场底板岩层的最大破坏深度确定方法，基于支撑压力分布状态模型，构建底板岩体应力分析力学模型，并结合该模型建立半平面体内任意一点处岩体抗压强度的超越方程；根据煤层赋存条件参数和开采技术条件参数，计算极限平衡区宽度，并基于支撑压力分布状态模型构建弹性区受力状态模型，计算弹性增压区宽度，通过极限平衡区宽度与弹性增压区宽度进而解算超越方程，得到底板破坏曲线，从而计算得到底板岩层的最大破坏深度；本发明以弹塑性力学理论为基础，根据交界面应力相等原则，得到了弹性增压区平衡条件和弹性增压区宽度，为煤矿采煤工作面底板破坏深度的计算提供更加准确的边界条件，提高底板破坏深度测量准确性。

技术领域

本发明涉及煤炭开采研究领域，具体涉及一种深部采场底板岩层的最大破坏深度确定方法。

背景技术

随着各类矿井开拓深度不断增加，地质环境更加复杂，地应力升高、涌水量加大、高地热等，导致重大工程灾害和恶性事故增加，如冲击矿压、矿压显现加剧、井巷围岩大变形、煤(岩)与瓦斯突出、瓦斯爆炸等，严重威胁深部资源的安全开采。

煤炭开采一直以来都被认为是风险性较高的行业，其主要原因是采煤过程中容易发生瓦斯爆炸、矿井突水淹井等群死群伤事故。瓦斯与煤层或煤系地层相伴直接进入开采空间，少数情况是从开采煤层以外运移至开采空间，而矿井水对开采空间构成威胁，必须满足两个条件，一是要有充水水源，二是要有充水的通道，因此，不仅要研究充水水源，更要研究充水通道。我国华北石炭二叠系煤田由上组煤(山西组)和下组煤(太原组)两部分构成，下组煤基底是厚度巨大的可溶性奥陶系石灰岩，是典型的承压水地层，岩溶裂隙承压含水层水头高、水压大，对距离其附近的下组煤开采造成直接威胁，是下组煤最危险的底板突水水源。因此，解决受底板奥灰高承压水威胁的下组煤安全开采问题迫在眉睫。煤炭地下开采过程中的采、掘作业破坏了地层原岩应力的平衡状态，导致采、掘工作面周围地层空间应力场的重新分布和应力集中，引起工作面顶板岩层的移动、垮落，因顶板应力集中底板应力场发生改变，底板所受的应力重新分布，造成底板破坏，底板应力分布取决于工作面前方集中应力向煤层底板下部岩层的传递轨迹。

除顶板岩层的移动、垮落外，底板岩层的臌胀和隆起(简称底臌)也是地下矿山、特别是深埋地下矿山最主要的矿压显现形式之一。底臌一方面造成巷道有效空间变小、影响工作面支架移动，同时随着底板岩层破坏深度的增加，还会导致底板岩层承压地下水涌入采掘工作空间，造成矿井涌水量增大及底板承压水突出等重大安全问题，因此，对开采扰动形成应力集中引起底板岩层破坏问题的研究愈发引起人们的重视。

虽然充填开采方法可以有效限制工作面上覆岩层的移动和破坏幅度，减小采动附加应力场在底板岩层内的传播，但由于充填空间限制、材料来源、成本控制等因素影响，全部垮落法管理顶板仍广泛应用于采矿实践中。所以，研究深部高地应力环境下全部垮落法工作面底板应力分布、底板破坏深度和破坏轨迹，进一步掌握因底板破坏而形成水体充水通道。

煤矿地下开采过程中的采、掘作业破坏了地层原岩应力的平衡状态，导致回采工作面周围煤、岩体内应力的重新分布和应力集中，继而引起工作面上方顶板岩层的移动垮落和周边煤体及底板岩层中出现不同类型的采动裂隙。显然，底板岩层的破坏深度不仅和底板岩层本身的结构、物理力学性质等有关，而且和顶板岩层的结构与强度以及煤体的强度等也直接相关(这些因素主要影响工作面周围煤体内的支承压力，因此影响采动支承压力在底板岩层中的传递和底板破坏深度)。同时工作面的形状、尺寸、以及工作面上、下顺槽的宽度等也将直接影响工作面上方基本顶岩层的支承条件和下部老底岩层的约束机制，所有这些因素最终都将直接反映到工作面开采引起的底板岩层的破坏深度上，从而影响煤层底板有效隔水层的厚度，影响承压含水层上部回采工作的安全性。