大同礦區特厚煤層綜放開采底板損傷破壞特征研究

研發起止時間：2019.06～2020.10

完成單位：晉能控股煤業集團有限公司 中國礦業大學 中國煤炭地質總局水文地質局

成果水平：國際先進

1 立項背景

大同礦區石炭系太原組特厚煤層延深綜放開采后，礦壓對底板作用程度逐漸增強，受底板水壓威脅明顯增大，所面臨的巷道支護、工作面底板管理和底板突水威脅越來越嚴重和復雜。目前太原組特厚煤層綜放開采工作面缺少關于采動底板擾動變形損傷破壞深度的量化影響研究，造成相關巷道與工作面圍巖安全支護、水害預測和防治等缺少必要的參考依據。因此，進行特厚煤層綜放開采條件下底板損傷擾動破壞深度研究，對礦井安全和高效生產具有重要意義，開展研究工作十分必要。

2 主要研究內容

（1）研究了同忻礦特厚煤層綜放開采條件下底板變形擾動損傷破壞規律

通過現場實測、室內物理模型試驗和數值模擬三種方法的對比分析，初步獲得了同忻礦這種特厚煤層綜放開采條件下底板變形擾動損傷破壞特征，可分為采動破壞帶和擾動塑性損傷帶，其中采動破壞帶深度止于20.9 m，擾動塑性損傷帶深度止于22.0 m，現場實測兩測孔布置示意圖如圖1所示。

圖1 現場實測兩測孔布置示意圖

（2）特厚煤層綜放開采后頂板支承壓力向底板傳播規律研究

通過現場實測、數值模擬研究發現，特厚煤層綜放開采后對于頂板支承壓力向底板傳播起到很強的抑制作用，導致采動礦壓在工作面底板前方聚壓不明顯，很大程度上減輕了采空區底板卸壓后引起的變形損傷破壞程度。開采不同距離最大豎直應力分布示意圖如圖2所示。

圖2 開采不同距離最大豎直應力分布示意圖

（3）研究了采寬、采深、煤層傾角和采厚這四個主控因素對完整底板采動破壞深度的影響程度

系統收集整理了62 組現場實測完整底板破壞深度的相關數據資料，分析發現采寬與采深和底板破壞深度基本均呈線性變化關系，而煤層傾角和采厚對底板破壞深度的影響均不明顯；采深小于500 m 時采寬影響大于采深，但當采深大于500 m 后采深影響大于采寬，500 m是深部延伸開采的分界點，發現采寬和采深越大底板破壞深度越大；隨著煤層傾角的增大底板破壞深度先增大再減少，煤層傾角30°時底板破壞深度最大，采厚對底板破壞深度影響最小。這些與大同礦區研究結果具有很好的一致性。

（4）研究了采動底板變形與采動礦壓的關聯效應

發現采動礦壓對底板的影響具有較遠距離的“超前”顯現特點，可劃分為“劇烈影響區”和“彈性波及區”，并反映了采動礦壓在底板的傳遞特征，為合理解釋底板采動變形破壞的力學機制提供了理論依據。

3 創新成果

（1）基于應變感應原位測試，獲得了采動礦壓在底板的傳播特征，揭示了特厚煤層綜放開采對采動礦壓在底板的傳播具有明顯的抑制作用。

（2）揭示了特厚煤層綜放開采條件下底板變形擾動損傷破壞具有分帶性特征，獲得了采動破壞帶和擾動塑性損傷帶的量化取值范圍；分析了特厚煤層采厚對底板采動變形損傷破壞的影響，提出了單獨增加采厚對于底板變形損傷破壞深度基本沒有影響的新見解。

（3）基于現場實測數據，研究了采寬、采深、煤層傾角和采厚四個主控因素對完整底板采動破壞深度的影響程度，揭示了采深和采寬對底板采動破壞深度影響最大，而采厚影響最小的特點。

4 應用效果

項目成果在同忻礦得到良好應用，對提高煤炭資源回收率、預防底板采動變形危害、合理規劃底板巷道布置、科學進行巷道支護等方面提供了很好的技術支撐，而且為深部底板帶壓開采科學制定水害防治對策建立了技術儲備。

本項目于2021年4月通過了中國煤炭工業協會組織的鑒定，獲國際先進水平。