大同矿区特厚煤层综放开采底板损伤破坏特征研究

研发起止时间：2019.06～2020.10

完成单位：晋能控股煤业集团有限公司 中国矿业大学 中国煤炭地质总局水文地质局

成果水平：国际先进

1 立项背景

大同矿区石炭系太原组特厚煤层延深综放开采后，矿压对底板作用程度逐渐增强，受底板水压威胁明显增大，所面临的巷道支护、工作面底板管理和底板突水威胁越来越严重和复杂。目前太原组特厚煤层综放开采工作面缺少关于采动底板扰动变形损伤破坏深度的量化影响研究，造成相关巷道与工作面围岩安全支护、水害预测和防治等缺少必要的参考依据。因此，进行特厚煤层综放开采条件下底板损伤扰动破坏深度研究，对矿井安全和高效生产具有重要意义，开展研究工作十分必要。

2 主要研究内容

（1）研究了同忻矿特厚煤层综放开采条件下底板变形扰动损伤破坏规律

通过现场实测、室内物理模型试验和数值模拟三种方法的对比分析，初步获得了同忻矿这种特厚煤层综放开采条件下底板变形扰动损伤破坏特征，可分为采动破坏带和扰动塑性损伤带，其中采动破坏带深度止于20.9 m，扰动塑性损伤带深度止于22.0 m，现场实测两测孔布置示意图如图1所示。

图1 现场实测两测孔布置示意图

（2）特厚煤层综放开采后顶板支承压力向底板传播规律研究

通过现场实测、数值模拟研究发现，特厚煤层综放开采后对于顶板支承压力向底板传播起到很强的抑制作用，导致采动矿压在工作面底板前方聚压不明显，很大程度上减轻了采空区底板卸压后引起的变形损伤破坏程度。开采不同距离最大竖直应力分布示意图如图2所示。

图2 开采不同距离最大竖直应力分布示意图

（3）研究了采宽、采深、煤层倾角和采厚这四个主控因素对完整底板采动破坏深度的影响程度

系统收集整理了62 组现场实测完整底板破坏深度的相关数据资料，分析发现采宽与采深和底板破坏深度基本均呈线性变化关系，而煤层倾角和采厚对底板破坏深度的影响均不明显；采深小于500 m 时采宽影响大于采深，但当采深大于500 m 后采深影响大于采宽，500 m是深部延伸开采的分界点，发现采宽和采深越大底板破坏深度越大；随着煤层倾角的增大底板破坏深度先增大再减少，煤层倾角30°时底板破坏深度最大，采厚对底板破坏深度影响最小。这些与大同矿区研究结果具有很好的一致性。

（4）研究了采动底板变形与采动矿压的关联效应

发现采动矿压对底板的影响具有较远距离的“超前”显现特点，可划分为“剧烈影响区”和“弹性波及区”，并反映了采动矿压在底板的传递特征，为合理解释底板采动变形破坏的力学机制提供了理论依据。

3 创新成果

（1）基于应变感应原位测试，获得了采动矿压在底板的传播特征，揭示了特厚煤层综放开采对采动矿压在底板的传播具有明显的抑制作用。

（2）揭示了特厚煤层综放开采条件下底板变形扰动损伤破坏具有分带性特征，获得了采动破坏带和扰动塑性损伤带的量化取值范围；分析了特厚煤层采厚对底板采动变形损伤破坏的影响，提出了单独增加采厚对于底板变形损伤破坏深度基本没有影响的新见解。

（3）基于现场实测数据，研究了采宽、采深、煤层倾角和采厚四个主控因素对完整底板采动破坏深度的影响程度，揭示了采深和采宽对底板采动破坏深度影响最大，而采厚影响最小的特点。

4 应用效果

项目成果在同忻矿得到良好应用，对提高煤炭资源回收率、预防底板采动变形危害、合理规划底板巷道布置、科学进行巷道支护等方面提供了很好的技术支撑，而且为深部底板带压开采科学制定水害防治对策建立了技术储备。

本项目于2021年4月通过了中国煤炭工业协会组织的鉴定，获国际先进水平。