王 强
【晋能控股山西科学技术研究院有限公司（大同）技术中心 山西 大同 037000】
煤层开采引起的集中应力会造成底板的破坏，底板应力场及破坏深度的研究是底板承压水突水研究的基础[1-2]，有学者做过相似研究得出距煤层底板的距离不同，其位移与应力变化的频度和幅度也不同，一般情况下距煤层底板10 m～15 m 的范围内变化最剧烈[3]。但对于同忻矿的特厚煤层来说，上述情况不一定适用，因此开展本项研究。
同忻矿太原组特厚煤层延深后，综放开采矿压对底板作用程度逐渐增强和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也是越来越严重和复杂。同忻矿8209 工作面四周为实煤区，不存在同层水患的影响，水文地质类型为中等类型，开采3-5#煤层底板灰岩水主要是奥灰含水层。
根据煤层开采情况，结合钻孔资料，将研究区内岩层按岩性和完整性划分为粉砂岩、高岭岩、砂质泥岩、8#煤、泥岩、砾岩、中细粒砂岩、含砾粗砂岩、6#煤、C3-5#煤、细砾岩、粗砂岩、中粗粒砂岩和细砂岩14个工程地质岩组，从下到上划分为30 层地层，各岩层物理力学参数如表1所示。工程地质模型空间上覆岩土层埋深300 m，沿走向长度取300 m，高度取172 m，C3-5#煤厚取平均值18 m。四周各留设50 m的保护煤柱，开采长度200 m，宽度200 m，根据研究区的地质测绘成果，构建地质体数值模型。模型共划分出82 800 个单元，89 373个节点。
表1 计算模型中工作面顶底板地层物理力学参数
仅仅改变煤层厚度其他工程条件不变，采用煤层采厚14 m、16 m、18 m和20 m做出4个数值模拟，观察不同采厚对底板采动破坏程度的变化。工作面推过200 m 后，采空区底板塑性区主要类型为拉张屈服破坏，而剪切屈服主要出现在采空区四周的支撑煤壁处，采空区中部的煤层底板出现局部拉张屈服。在工作面下方底板破坏深度形态逐渐变为两头高、中间低的“倒马鞍”形，如图1所示。剪切屈服区出现在开切眼和停采线的斜上方和斜下方的原因就是这些部位是剪应力集中的部位。
图1 完全开采剖面下方不同采厚塑性区图
塑性破坏区的发展变化会对底板的力学性能产生重要影响，进一步发展下去形成的剪切裂隙带和拉张屈服带，使得在底板隔水层中导水裂隙的发育，并会降低底板隔水层的隔水作用。随着工作面的推进，塑性区进一步扩大，底板中的破坏范围也逐渐扩大。对比不同采厚的底板塑性区图（图1）。可以发现，随着采厚增加，塑性区仅在横向上发展扩大，而底板纵向上基本保持不变，即底板破坏深度不变。
对比煤层底板下不同深度塑性区发育情况（图2）可以看出，至距煤层底板以下22 m时采动矿山压力对煤层底板的影响已较为微弱，仅仅在工作面四个拐角煤柱底板发生剪切破坏；
至距煤层底板23 m时煤层底板已不受采动破坏的影响。对比不同采厚至底板以下22 m 的塑性区图可知，随着采厚增加，底板采动破坏程度增强，但仅以水平方向破坏为主导。
图2 煤层不同采厚底板不同深度塑性区发育图
图 1、图 2 中：zone 表示采区，zone 表示采区，plane：on 表示截平面，colorby：state-average 表示颜色渲染：普通状态，none-无变化区域，shear-n 表示现在剪切破坏区域，shear-p 表示过去剪切破坏区域，tension-n 表示现在拉伸破坏区域，tension-p 表示过去拉伸破坏区域。
综合对比以上应力、塑性区特征情况可知，同忻矿8209 工作面特厚煤层综放开采数值模拟底板破坏深度止于22 m。
查阅2019年修编的《晋能控股集团有限公司同忻矿矿井水文地质类型划分报告》，根据研究区附近的1102#钻孔资料，该孔揭露3-5#煤层底板到奥灰含水层顶板间距（M）约70.19 m，奥灰水位标高1 005 m，水压（P）1.53 MPa。
根据《煤矿防治水细则》附录五中突水系数计算公式：
式中：T—突水系数，MPa/m；
M—底板隔水层厚度，m；
P—底板隔水层承受的实际水头值，MPa；
水压应当从含水层顶界面起算，水位值取近3 年含水层观测水位最高值。
则根据公式（1）可得研究区3-5#煤层奥灰突水系数0.022 MPa/m，突水系数小于有构造地段经验值0.06 MPa/m，为安全区，奥灰含水层在完整地段对回采基本上无突水危险性影响。
但根据前面的综合分析，研究区采动破坏带深度止于22 m，这意味着3-5#煤层底板下22 m深度范围内岩层因受采动矿压作用破坏了，不具有阻水能力。故安全起见，需要把公式（1）中的分母M 用有效隔水层厚度（M-Mc）重新进行奥灰突水危险性评价，Mc=22 m，即可按公式（2）进行评价：
则可得研究区域3-5#煤层奥灰突水系数0.032 MPa/m，该突水系数仍有构造地段经验值0.06 MPa/m，为安全区，奥灰含水层在完整地段对回采基本上无突水危险性影响。
则可得结论：通过四个不同位置纵断面采动底板竖直应力监测数据分析，发现四个监测断面均表现为越接近煤层底板，竖直应力增量越大，越向深部变化量越小，距离煤层底板22 m 时，竖直应力增量已基本变化不大，说明基本亦不受采动影响，由此推测该条件下采动底板破坏深度止于22 m。将所得结论应用于现场，带压开采对底板破坏带无任何影响，进一步验证了结论是正确的。
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