一种深部煤层开采底板突水危险性评价方法与流程

1.本发明属于矿山井下等地下工程水害防治技术领域，具体涉及一种深部煤层开采底板突水危险性评价方法。


背景技术：

2.煤矿底板突水一直是困扰和威胁我国煤矿安全生产的最突出问题之一，据不完全统计，自20世纪90年代以来的20多年里，我国已有250多个矿井发生了突水淹井事故，直接经济损失高达400亿元以上，给企业带来了严重的人身伤亡和巨大的经济损失，同时也造成了矿区水环境及水资源的较大损害。随着煤矿采深增大，在高承压水和采动耦合作用下，煤层底板突水概率增加，而如何在采前科学合理的对煤层底板突水进行危险性评价是深部煤层底板安全开采的第一步。
3.目前，对底板突水的危险性评价方法主要包括基于底板突水机理的评价方法、基于数理统计方法的底板突水预测模型方法、基于多元数据叠加的综合评价以及基于相关物探监测的评价方法。但基于数理统计方法、多元数据融合叠加的评价方法均未从底板突水实质的角度进行评价，而物探监测评价方法不能达到科学预测。但现有的底板突水机理研究中对采动作用分析仅着重考虑矿山压力对底板岩层的破坏作用，并未揭示采动过程中矿山压力在底板岩层中的时空分布规律及其对岩层损伤的影响规律，对水压作用的分析也仅单方面考虑承压水对底板岩层的水力劈裂作用，并未结合采动应力变化分析水压作用对岩层损伤的动态影响。而采动底板突水是采动应力与水压共同作用的结果，因此，现有的评价方法并未深入揭示水压与采动应力耦合致灾机制，无法实现底板突水危险性的合理评价。例如，相关文献中所提出的突水系数法、岩水应力关系说、原位张裂与零位破坏理论、“下三带”理论、薄板模型理论、递进导升学说、底板关键隔水层理论、脆弱性指数法、奥灰水经薄灰中转形成面状散流突水机理、注浆加固工作面底板突水“孔隙-裂隙升降型”力学模型、底板突水尖点突变模型等底板突水机理和评价方法等；
4.在相关专利文献中，例如，一种煤层底板注浆加固突水危险性评估方法(中国专利申请，公开号：cn115113285a)、基于钻孔信息库的注浆工作面底板突水危险性评价体系(中国专利申请，公开号：cn109917463a)、一种带压开采完整底板承压能力评价方法(中国专利申请，公开号：cn114659898a)、改进的煤层底板突水脆弱性评价方法(中国专利申请，公开号：cn103995947b)、突水系数小于0.06mpa/m区底板突水评价三图法(中国专利申请，公开号：cn102799955a)、承压水体上采煤底板岩层突水的防控方法(中国专利申请，公开号：cn103291325b)等。
5.综上，为从煤层底板突水实质的角度，实现突水危险性的科学合理评价，研究开发深部煤层开采底板突水危险性评价方法，是申请人一直所关注的课题之一。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于，提供一种深部煤层开采底板突水危险性评价方法，
7.该方法基于莫尔应力圆的采动底板岩层扰动程度判别指标和采动后岩体失稳判别指标及基于岩体起裂压力阈值的水压作用裂隙判别指标形成深部煤层底板突水判别指标，能够综合反映采动过程中主应力状态(大小和方向)转换与水压共同作用致灾的本质，从灾害发生原理上对其进行科学预测。
8.为了实现上述任务，本发明所采用如下的技术解决方案：
9.一种深部煤层开采底板突水危险性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.步骤1：基于莫尔应力圆建立采动底板岩层扰动程度判别指标
11.岩层所处的应力状态以及不同应力状态之间的相互转化直接影响其稳定性，对于岩体是否发生破坏用莫尔-库伦强度准则进行判别，即取决于莫尔应力圆是否与库伦包络线相交；通过变换莫尔应力圆的大小、位置来表征应力点的应力路径；莫尔-库伦强度准则认为抗摩擦强度等于岩石本身抗剪切摩擦的粘结力和剪切面上法向力产生的摩擦力，其平面中的函数表达形式为：
[0012][0013]
式中，τ为剪切应力，c为内聚力，σ为正应力，为内摩擦角；
[0014]
根据有效应力原理，当岩体孔隙及裂隙上作用有水压力pw时，其有效正应力为：σ
′
＝σ-p0，则此时岩体强度公式表示为：
[0015][0016]
式中，p0为岩层水力破裂时的起裂压力；
[0017]
通过上式说明，由于水的作用造成岩石内聚力降低了p0tan抗压强度减少了说明水压作用造成莫尔-库伦准则发生了变化；
[0018]
基于最大、最小主应力差值与莫尔应力圆圆心到强度曲线距离之比可得到孔隙水压力不为0时的采动应力扰动系数：
[0019][0020]
式中，σ1和σ3分别为采动前的最大主应力和最小主应力，σ
′1和σ
′3分别为采动后的最大主应力和最小主应力，o1o
′1和o2o
′2分别为采动前、后摩尔应力圆圆心到强度包络线的距离；
[0021]
可知，当k
3d
＞1时，岩体处于强扰动状态；当0≤k
3d
≤1时，岩体处于弱扰动状态；该采动应力扰动系数能够判断煤层采动底板加载-卸荷应力路径下含水岩层的扰动程度；通过推导可得到孔隙水压力不为0时的采动应力扰动系数表达式：
[0022][0023]
由于带入(4)后可得：
[0024][0025]
步骤2：基于莫尔应力圆建立采动后岩体失稳判别指标
[0026]
底板岩层采动应力扰动强度是指底板岩层在采动应力扰动下发生失稳突水前所呈现出的抵抗能力，其判据是指该能力的阈值；采动底板突水是由矿山压力与水压共同作用的结果；上述公式(5)仅是采动应力对承压含水层底板扰动程度趋势的判别，无法判断采动过程中承压含水层底板是否失稳，而当莫尔应力圆与包络线相切或相交时，岩石即发生破坏失稳，因此，可采用采动后的莫尔应力圆半径与圆心到包络线距离的比值作为采动后岩体失稳的判别指标ki，即：
[0027][0028]
当ki≥1时，说明莫尔应力圆与包络线相切或相交，即底板承压含水层失稳破坏；
[0029]
步骤3：基于岩体起裂压力阈值建立水压作用裂隙判别指标
[0030]
当承压水达到底板岩层起裂压力时，能够形成水力裂缝，而底板岩层在承压水作用下的起裂压力判据可表示为：
[0031]
p0＞3σ
3-σ
1-p
p
+rm(7)
[0032]
式中，σ3、σ1分别为围岩最小和最大主应力，p
p
为孔隙水压力，rm为岩石抗拉强度；
[0033]
但该起裂压力判据仅为承压含水层地下水对回采前底板岩层的静态影响，无法表征采动过程中水压对底板岩层的动态影响；为此，将采动主应力转换特征引入到该指标中，得到基于上述阈值判断的水压作用裂隙起裂判别指标kw，即：
[0034][0035]
当kw≥1时，水压达到岩体起裂压力阈值，即在水压作用下岩体将发生起裂，产生裂隙，形成过水通道，因此，通过该指标可表征采动过程中水压对突水裂隙通道形成的作用和影响；
[0036]
步骤4：基于步骤1、步骤2和步骤3，建立深部煤层底板突水判别指标
[0037]
通过结合采动底板岩层扰动程度判别指标、水压作用下的裂隙起裂判别指标以及采动后岩体失稳判别指标可得到煤层底板采动应力扰动突水判据k：
[0038]
[0039]
式中：k为底板岩层采动应力扰动强度判据；k
3d
为基于莫尔应力圆的采动底板岩层扰动程度判别指标；kw为基于岩体起裂压力阈值的水压作用裂隙起裂判别指标；ki采动后岩体失稳判别指标；σ1、σ1′
分别为为采动前、后最大主应力；σ3、σ3′
分别为采动前、后最小主应力；pw为静水压力；c为岩石内聚力；为岩石内摩擦角；rm为岩石抗拉强度；p
p
为孔隙水压力；
[0040]
当底板在采动作用下达到强扰动程度并达到失稳状态，且在水压作用下产生裂隙时，底板容易发生突水，因此可将k＞1作为煤层底板采动应力扰动突水判据；
[0041]
步骤5：分析对象区域地层厚度和结构参数，确定煤层底板原始地应力水平和物理力学性质和含水层水文地质参数
[0042]
1)地层厚度和结构参数：
[0043]
根据待评价区域的地层钻孔柱状，分析确定煤层埋深、顶底板岩层厚度和各地层间距结构参数；
[0044]
2)煤层底板岩层物理力学性质：
[0045]
利用岩石力学伺服试验机开展室内常规岩石物理力学性质试验，每个参数测定时，试样数量不少于3个，巴西劈裂和三轴压缩试验一般不少于5个岩样，得到了单轴抗压强度、内聚力、抗拉强度、摩擦角、泊松比、弹性模量等岩石物理力学试验；
[0046]
3)煤层底板原始地应力水平和含水层水文地质参数：
[0047]
原始地应力水平可采用高压压水试验中的水压致裂法确定，在待评价区域煤层底板施工钻孔，通过高压压水试验对煤层底板进行水压致裂，分析煤层底板地层原始地应力水平，确定原始最大主应力、最小主应力和中间主应力大小和方向；利用相同钻孔开展常规压水试验，分析确定底板各岩层渗透性参数；根据待评价区域施工钻孔主要含水层水位、水压记录，确定煤层底板主要含水层水压大小；
[0048]
步骤6：基于数值模拟计算分析采动应力状态转换参数，然后通过步骤4中进行采动底板突水危险性分析
[0049]
根据步骤5中的对象区域地层厚度和结构参数、煤层底板原始地应力水平和物理力学性质和含水层水文地质参数建立数值模拟计算模型，并在煤层底板各岩层设置不同主应力和三向应力监测测点；然后，开展煤层不同回采进尺的数值模拟计算，提取煤层不同回采进尺下底板各岩层各个测点采集的三向应力大小及主应力大小和方向等数据，并根据主应力大小对比确定采动后的最大主应力和最小主应力；根据步骤4中的煤层底板采动应力扰动突水判据，分析确定煤层开采过程中底板主要含水层的突水危险性。
[0050]
本发明的深部煤层开采底板突水危险性评价方法，基于煤层开采底板突水过程中水压与主应力状态转换的共同作用机制，能够基于莫尔应力圆建立采动底板岩层扰动程度判别指标和采动后岩体失稳判别指标，基于岩体起裂压力阈值建立水压作用裂隙判别指标，然后综合3种指标建立深部煤层底板突水判别指标，从煤层开采底板突水机理角度实现底板突水危险性的科学合理评价，达到煤矿底板水防治的目的。
附图说明
[0051]
图1是基于莫尔应力圆的底板采动应力状态变换示意图；
[0052]
图2是突水危险性待评价工作面底板综合柱状；
[0053]
图3是砂质泥岩(7#地层)采动应力扰动强度随回采进尺变化曲线；
[0054]
图4是l8灰岩采动应力扰动强度随回采进尺变化曲线；
[0055]
图5是l2灰岩采动应力扰动强度随回采进尺变化曲线；
[0056]
以下结合附图和实施例对本发明作进一步地详细说明。
具体实施方式
[0057]
本技术的研发思路是，考虑煤层开采底板突水机理实质为水压与采动应力共同作用，采动应力在采动过程中出现大小和方向转换，在此过程中水压作用下的岩体起裂阈值出现降低。因此，基于莫尔应力圆建立采动底板岩层扰动程度判别指标和采动后岩体失稳判别指标，基于岩体起裂压力阈值建立水压作用裂隙判别指标，综合3种指标建立深部煤层底板突水判别指标，从煤层开采底板突水机理角度实现底板突水危险性的科学合理评价，达到煤矿底板水防治的目的。
[0058]
本实施例给出一种深部煤层开采底板突水危险性评价方法，其具体实施包括以下步骤：
[0059]
步骤1：基于莫尔应力圆建立采动底板岩层扰动程度判别指标
[0060]
岩层所处的应力状态以及不同应力状态之间的相互转化直接影响其稳定性，对于岩体是否发生破坏可用莫尔-库伦强度准则进行判别，即取决于莫尔应力圆是否与库伦包络线相交。因此，可通过变换莫尔应力圆的大小、位置来表征应力点的应力路径(图1)。莫尔-库伦强度准则认为抗摩擦强度等于岩石本身抗剪切摩擦的粘结力和剪切面上法向力产生的摩擦力，其平面中的函数表达形式为：
[0061][0062]
式中，τ为剪切应力，c为内聚力，σ为正应力，φ为内摩擦角。
[0063]
根据有效应力原理，当岩体孔隙及裂隙上作用有水压力pw时，其有效正应力为：σ
′
＝σ-p0，则此时岩体强度公式表示为：
[0064][0065]
式中，p0为岩层水力破裂时的起裂压力；
[0066]
通过上式说明，由于水的作用造成岩石内聚力降低了p0tan抗压强度减少了说明水压作用造成莫尔-库伦准则发生了变化。
[0067]
基于最大、最小主应力差值与莫尔应力圆圆心到强度曲线距离之比可得到孔隙水压力不为0时的采动应力扰动系数：
[0068][0069]
式中，σ1和σ3分别为采动前的最大主应力和最小主应力，σ
′1和σ
′3分别为采动后的
最大主应力和最小主应力，o1o
′1和o2o
′2分别为采动前、后摩尔应力圆圆心到强度包络线的距离。
[0070]
可知，当k
3d
＞1时，岩体处于强扰动状态；当0≤k
3d
≤1时，岩体处于弱扰动状态。该采动应力扰动系数能够判断煤层采动底板加载-卸荷应力路径下含水岩层的扰动程度。通过推导可得到孔隙水压力不为0时的采动应力扰动系数表达式：
[0071][0072]
由于带入(4)后可得：
[0073][0074]
步骤2：基于莫尔应力圆建立采动后岩体失稳判别指标
[0075]
底板岩层采动应力扰动强度是指底板岩层在采动应力扰动下发生失稳突水前所呈现出的抵抗能力，其判据是指该能力的阈值；采动底板突水是由矿山压力与水压共同作用的结果。
[0076]
上述公式(5)仅是采动应力对承压含水层底板扰动程度趋势的判别，无法判断采动过程中承压含水层底板是否失稳，而当莫尔应力圆与包络线相切或相交时，岩石即发生破坏失稳，因此，可采用采动后的莫尔应力圆半径与圆心到包络线距离的比值作为采动后岩体失稳的判别指标ki，即：
[0077][0078]
当ki≥1时，说明莫尔应力圆与包络线相切或相交，即底板承压含水层失稳破坏。
[0079]
步骤3：基于岩体起裂压力阈值建立水压作用裂隙判别指标
[0080]
当承压水达到底板岩层起裂压力时，能够形成水力裂缝，而底板岩层在承压水作用下的起裂压力判据可表示为：
[0081]
p0＞3σ
3-σ
1-p
p
+rm(7)
[0082]
式中，p0为岩层水力破裂时的起裂压力，σ3、σ1分别为围岩最小和最大主应力，p
p
为孔隙水压力，rm为岩石抗拉强度。
[0083]
但该判据仅为承压含水层地下水对回采前底板岩层的静态影响，无法表征采动过程中水压对底板岩层的动态影响。为此，将采动主应力转换特征引入到该指标中，得到基于上述阈值判断的水压作用裂隙起裂判别指标kw，即：
[0084][0085]
当kw≥1时，水压达到岩体起裂压力阈值，即在水压作用下岩体将发生起裂，产生
裂隙，形成过水通道，因此，通过该指标可表征采动过程中水压对突水裂隙通道形成的作用和影响。
[0086]
步骤4：基于步骤1、步骤2和步骤3，建立深部煤层底板突水判别指标
[0087]
通过结合采动底板岩层扰动程度判别指标、水压作用下的裂隙起裂判别指标以及采动后岩体失稳判别指标可得到煤层底板采动应力扰动突水判据k：
[0088][0089]
式中：k为底板岩层采动应力扰动强度判据；k
3d
为基于莫尔应力圆的采动底板岩层扰动程度判别指标；kw为基于岩体起裂压力阈值的水压作用裂隙起裂判别指标；ki采动后岩体失稳判别指标；σ1、σ1′
分别为为采动前、后最大主应力；σ3、σ3′
分别为采动前、后最小主应力；pw为静水压力；c为岩石内聚力；为岩石内摩擦角；rm为岩石抗拉强度；p
p
为孔隙水压力。
[0090]
综上，当底板在采动作用下达到强扰动程度并达到失稳状态，且在水压作用下产生裂隙时，底板容易发生突水，因此可将k＞1作为煤层底板采动应力扰动突水判据。
[0091]
步骤5：分析对象区域地层厚度和结构参数，确定煤层底板原始地应力水平和物理力学性质和含水层水文地质参数
[0092]
1)地层厚度和结构参数：根据待评价区域的地层钻孔柱状，分析确定煤层埋深、顶底板岩层厚度和各地层间距结构参数；
[0093]
3)煤层底板岩层物理力学性质：利用岩石力学伺服试验机开展室内常规岩石物理力学性质试验，每个参数测定时，试样数量一般不少于3个，巴西劈裂和三轴压缩试验一般不少于5个岩样，得到了单轴抗压强度、内聚力、抗拉强度、摩擦角、泊松比、弹性模量等岩石物理力学试验；
[0094]
2)煤层底板原始地应力水平和含水层水文地质参数：原始地应力水平可采用高压压水试验中的水压致裂法确定，在待评价区域煤层底板施工钻孔，通过高压压水试验对煤层底板进行水压致裂，分析煤层底板地层原始地应力水平，确定原始最大主应力、最小主应力和中间主应力大小和方向；利用相同钻孔开展常规压水试验，分析确定底板各岩层渗透性参数；根据待评价区域施工钻孔主要含水层水位、水压记录，确定煤层底板主要含水层水压大小。
[0095]
步骤6：基于数值模拟计算分析采动应力状态转换参数，然后通过步骤4中进行采动底板突水危险性分析
[0096]
根据步骤5中的对象区域地层厚度和结构参数、煤层底板原始地应力水平和物理力学性质和含水层水文地质参数建立数值模拟计算模型，并在煤层底板各岩层设置不同主应力和三向应力(垂直、水平)监测测点。然后，开展煤层不同回采进尺的数值模拟计算，提取煤层不同回采进尺下底板各岩层各个测点采集的三向应力(垂直、水平)大小及主应力大小和方向等数据，并根据主应力大小对比确定采动后的最大主应力和最小主应力。
[0097]
根据步骤4中的煤层底板采动应力扰动突水判据，分析确定煤层开采过程中底板主要含水层的突水危险性。
[0098]
以下是发明人给出的具体的应用实施例。
[0099]
应用实施例：
[0100]
1)分析对象区域地层厚度和结构参数，确定煤层底板原始地应力水平和物理力学性质和含水层水文地质参数
[0101]
某煤矿工作面地面标高+75.3m～+77.8m，煤层顶板标高为-662.73m～-676.50m，走向长约2000m，切眼长约200m，煤厚平均6m，煤层倾角4
°
～6
°
。工作面底板综合柱状如图2所示，底板主要为太原组薄层灰岩与砂泥岩互层结构，其中主要含水层为l8灰岩含水层与l2灰岩含水层，两者均属强富水含水层，且l2灰岩同煤系地层基底的奥陶系巨厚灰岩强富水含水层仅有薄层铝土质泥岩相隔，对矿井威胁较大；l8灰岩与l2灰岩之间的灰岩地层含水性弱。根据钻孔资料，l8、l2灰岩含水层水压分别为4mpa、7mpa。基于高压压水试验资料，结合该区域相关构造应力实测资料，得到最小主应力和最大主应力均为水平方向，分别为15.04mpa和28.51mpa，另外，中间主应力为垂直方向，基本与自重应力相当。
[0102]
采取地层岩样，利用rmt-150b型岩石力学伺服试验机开展了室内常规岩石物理力学性质试验，每个参数测定时，试样数量一般不少于3个，巴西劈裂和三轴压缩试验一般不少于5个岩样，得到了单轴抗压强度、内聚力、抗拉强度、摩擦角、泊松比、弹性模量等岩石物理力学试验。得到研究区域地层厚度和结构参数、物理力学性质如表1所示。
[0103]
表1：地层物理力学参数
[0104][0105]
2)基于数值模拟计算分析采动应力状态转换参数，然后通过步骤4中进行采动底板突水危险性分析
[0106]
模拟计算采用flac
3d
数值软件，模型采用四边形网格构建，长400m(x方向)、宽200m(y方向)、高330m(z方向)。煤层及地层设置为水平，工作面宽度120m、两侧各留设40m宽煤柱，工作面长度240m、两侧各留设80m宽煤柱。模拟计算中沿x方向自左向右回采，每个进尺为20m，分为12个进尺回采，累计产生12个模拟计算结果。
[0107]
根据初始地应力水平资料，在模型x方向边界施加15.04mpa水平应力，y方向施加28.51mpa水平应力；垂向顶界面施加7.48mpa载荷，x方向边界施加15.04mpa水平应力，y方
向施加28.51mpa水平应力，因此，初始条件下最大主应力为水平y方向。l8灰岩设置4mpa水头压力，l2灰岩设置7mpa水头压力。模型采用mohr-coulomb本构模型、大应变变形模式，单元数为162000个和节点数为174102个。
[0108]
模拟计算中，利用fish语言对结果文件进行二次开发，在模型内部布置测点、测线，提取主应力历史路径、三向应力状态、支承压力等数据。其中在砂质泥岩、l8灰岩、l2灰岩分别沿平行于回采方向在采场中心设置测线，即y＝100测线分别与砂质泥岩、l8灰岩、l2灰岩所在平面的交线，测点坐标中x坐标的起点和终点分别为48m、332m，起点和终点均在煤柱中，中间以44m均匀间隔设置测点。
[0109]
基于不同回采进尺下煤层回采模拟计算结果，利用采动应力扰动突水判据可得到不同深度底板岩层采动应力扰动强度随回采进尺变化曲线(如图3～图5)。分析可知，底板岩层采动应力扰动强度在不同深度上呈现不同特征，可明显看出在砂质泥岩(7#地层)与l8灰岩地层均出现采动应力扰动强度大于1的情况，且在采空区前后煤壁位置呈现峰值特征，而l2灰岩地层采动应力强度整体小于1。说明采动过程中砂质泥岩和l8灰岩易发生突水。

技术特征：
1.一种深部煤层开采底板突水危险性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：基于莫尔应力圆建立采动底板岩层扰动程度判别指标岩层所处的应力状态以及不同应力状态之间的相互转化直接影响其稳定性，对于岩体是否发生破坏用莫尔-库伦强度准则进行判别，即取决于莫尔应力圆是否与库伦包络线相交；通过变换莫尔应力圆的大小、位置来表征应力点的应力路径；莫尔-库伦强度准则认为抗摩擦强度等于岩石本身抗剪切摩擦的粘结力和剪切面上法向力产生的摩擦力，其平面中的函数表达形式为：式中，τ为剪切应力，c为内聚力，σ为正应力，为内摩擦角；根据有效应力原理，当岩体孔隙及裂隙上作用有水压力p
w
时，其有效正应力为：σ
′
＝σ-p0，则此时岩体强度公式表示为：式中，p0为岩层水力破裂时的起裂压力；通过上式说明，由于水的作用造成岩石内聚力降低了抗压强度减少了说明水压作用造成莫尔-库伦准则发生了变化；基于最大、最小主应力差值与莫尔应力圆圆心到强度曲线距离之比可得到孔隙水压力不为0时的采动应力扰动系数：式中，σ1和σ3分别为采动前的最大主应力和最小主应力，σ
′1和σ
′3分别为采动后的最大主应力和最小主应力，o1o1′
和o2o2′
分别为采动前、后摩尔应力圆圆心到强度包络线的距离；可知，当k
3d
＞1时，岩体处于强扰动状态；当0≤k
3d
≤1时，岩体处于弱扰动状态；该采动应力扰动系数能够判断煤层采动底板加载-卸荷应力路径下含水岩层的扰动程度；通过推导可得到孔隙水压力不为0时的采动应力扰动系数表达式：由于带入(4)后可得：
步骤2：基于莫尔应力圆建立采动后岩体失稳判别指标底板岩层采动应力扰动强度是指底板岩层在采动应力扰动下发生失稳突水前所呈现出的抵抗能力，其判据是指该能力的阈值；采动底板突水是由矿山压力与水压共同作用的结果；上述公式(5)仅是采动应力对承压含水层底板扰动程度趋势的判别，无法判断采动过程中承压含水层底板是否失稳，而当莫尔应力圆与包络线相切或相交时，岩石即发生破坏失稳，因此，采用采动后的莫尔应力圆半径与圆心到包络线距离的比值作为采动后岩体失稳的判别指标k
i
，即：当k
i
≥1时，说明莫尔应力圆与包络线相切或相交，即底板承压含水层失稳破坏；步骤3：基于岩体起裂压力阈值建立水压作用裂隙判别指标当承压水达到底板岩层起裂压力时，能够形成水力裂缝，而底板岩层在承压水作用下的起裂压力判据可表示为：p0＞3σ
3-σ
1-p
p
+r
m
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(7)式中，σ3、σ1分别为围岩最小和最大主应力，p
p
为孔隙水压力，r
m
为岩石抗拉强度；但该起裂压力判据仅为承压含水层地下水对回采前底板岩层的静态影响，无法表征采动过程中水压对底板岩层的动态影响；为此，将采动主应力转换特征引入到该指标中，得到基于上述阈值判断的水压作用裂隙起裂判别指标k
w
，即：当k
w
≥1时，水压达到岩体起裂压力阈值，即在水压作用下岩体将发生起裂，产生裂隙，形成过水通道，因此，通过该指标可表征采动过程中水压对突水裂隙通道形成的作用和影响；步骤4：基于步骤1、步骤2和步骤3，建立深部煤层底板突水判别指标通过结合采动底板岩层扰动程度判别指标、水压作用下的裂隙起裂判别指标以及采动后岩体失稳判别指标可得到煤层底板采动应力扰动突水判据k：式中：k为底板岩层采动应力扰动强度判据；k
3d
为基于莫尔应力圆的采动底板岩层扰动程度判别指标；k
w
为基于岩体起裂压力阈值的水压作用裂隙起裂判别指标；k
i
采动后岩体失稳判别指标；σ1、σ
′1分别为为采动前、后最大主应力；σ3、σ3′
分别为采动前、后最小主应力；p
w
为静水压力；c为岩石内聚力；为岩石内摩擦角；r
m
为岩石抗拉强度；p
p
为孔隙水压力；
当底板在采动作用下达到强扰动程度并达到失稳状态，且在水压作用下产生裂隙时，底板容易发生突水，因此可将k＞1作为煤层底板采动应力扰动突水判据；步骤5：分析对象区域地层厚度和结构参数，确定煤层底板原始地应力水平和物理力学性质和含水层水文地质参数1)地层厚度和结构参数：根据待评价区域的地层钻孔柱状，分析确定煤层埋深、顶底板岩层厚度和各地层间距结构参数；2)煤层底板岩层物理力学性质：利用岩石力学伺服试验机开展室内常规岩石物理力学性质试验，每个参数测定时，试样数量不少于3个，巴西劈裂和三轴压缩试验一般不少于5个岩样，得到了单轴抗压强度、内聚力、抗拉强度、摩擦角、泊松比、弹性模量等岩石物理力学试验；3)煤层底板原始地应力水平和含水层水文地质参数：原始地应力水平可采用高压压水试验中的水压致裂法确定，在待评价区域煤层底板施工钻孔，通过高压压水试验对煤层底板进行水压致裂，分析煤层底板地层原始地应力水平，确定原始最大主应力、最小主应力和中间主应力大小和方向；利用相同钻孔开展常规压水试验，分析确定底板各岩层渗透性参数；根据待评价区域施工钻孔主要含水层水位、水压记录，确定煤层底板主要含水层水压大小；步骤6：基于数值模拟计算分析采动应力状态转换参数，然后通过步骤4中进行采动底板突水危险性分析根据步骤5中的对象区域地层厚度和结构参数、煤层底板原始地应力水平和物理力学性质和含水层水文地质参数建立数值模拟计算模型，并在煤层底板各岩层设置不同主应力和三向应力监测测点；然后，开展煤层不同回采进尺的数值模拟计算，提取煤层不同回采进尺下底板各岩层各个测点采集的三向应力大小及主应力大小和方向等数据，并根据主应力大小对比确定采动后的最大主应力和最小主应力；根据步骤4中的煤层底板采动应力扰动突水判据，分析确定煤层开采过程中底板主要含水层的突水危险性。

技术总结
本发明公开了一种深部煤层开采底板突水危险性评价方法，包括基于莫尔应力圆建立采动底板岩层扰动程度判别指标，建立采动后岩体失稳判别指标，基于岩体起裂压力阈值建立水压作用裂隙判别指标，建立深部煤层底板突水判别指标，分析对象区域地层厚度和结构参数，确定煤层底板原始地应力水平和物理力学性质和含水层水文地质参数，基于数值模拟计算分析采动应力状态转换参数，然后进行采动底板突水危险性分析；该方法从煤层开采底板突水机理角度实现底板突水危险性的科学合理评价，达到煤矿底板水防治的目的。水防治的目的。


技术研发人员：董书宁 柳昭星 王皓 郭小铭 刘再斌 刘基 孙洁 朱世彬
受保护的技术使用者：中煤科工西安研究院（集团）有限公司
技术研发日：2023.01.04
技术公布日：2023/7/13