煤矿底板采动变形及带压开采突水评判方法研究
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摘要
煤矿底板采动变形问题的研究，不仅对于承压水上带压安全开采具有科学价值，而且可为采区巷道围岩变形控制维护提供关键依据。
本文对采动底板应力分布特征、底板应力及其塑性区分布以及底板破坏深度等变形破坏规律进行了系统研究，研究发现：在前人对支承压力分布规律研究的基础上构建的采场完整支承压力作用下的底板应力分布模型能够得到底板内任一位置的应力分布解析解，通过杨村煤矿4602工作面的底板应力解析计算说明解析得出的底板下的应力分布规律具有实用性；从底板采动变形的角度厘定了底板破坏深度的概念，并采用FLAC3D数值模拟软件开展了底板破坏深度斜长、顶底板岩性组合、采深、采高、倾角的六因素五水平正交数值模拟试验，构建了首次考虑顶板岩性组合这一因素的斜长-顶底板岩性组合-采深-采高-倾角的底板破坏深度预测模型，通过10个煤矿相应的工作面底板破坏深度实测实例进行分析验证了该预测模型精度较高，可以满足工程使用。
通过现场底板变形破坏综合实测深刻揭示了底板矿压显现过程及其分区特点、底板破坏深度分区特征以及底板变形与矿压显现的关联规律，具体表现为：采动矿压对底板的影响具有较远距离的采前“超前”显现和采后“滞后”延续的特点，且这种“超前”“滞后”影响具有分区特征；从采动底板变形与采动矿压的关联效应角度将底板所受采动矿压的扰动作用分为“超前聚压扰动”和“采后卸压扰动”两种类型，为合理解释底板采动变形破坏的力学机制提供了力学依据；底板破坏经历超前聚压破坏和采后卸压破坏两个过程，其破坏机制均为剪切破坏，前期为受压状态下的剪切破坏，后期为受拉状态下的剪切破坏，二者具有累进关系，即在采前聚压破坏基础上采后卸压破坏可导致破坏程度进一步加剧，但对于采动破坏深度不具有延伸效果。
在70组底板破坏深度实测资料统计的基础上，探索了底板破坏深度与其影响因素的规律，构建了底板破坏深度预测的遗传-改进遗传算法优化BP神经网络模型（BP-GA、BP-GA-MOD）和PSO优化SVM模型（PSO-SVM）。基于MATLAB软件平台，编制了底板破坏深度非线性预测模型系统，能够实现底板破坏深度快速准确的预测。
最后，首次明确建立了煤矿底板突水的三级评判模型，以此实现对煤矿底板突水由粗到细、由经验判别到力学分析的多级分布筛选递进评价预测。三级评判分别包括：煤矿底板突水初判、煤矿底板突水详判与煤矿底板突水精判。底板突水初判判据为P=0.0025M2-0.0865M-16.8534/M+2.2440临界方程，该方程是通过对华北七个矿区以及湖南涟邵矿区354个工作面突水点、202个巷道突水点以及318个安全回采工作面的调查分析，应用数学统计回归的方法所得。该临界方程形式与考虑动水压力作用下的底板均质裂隙弱板模型P-M临界方程形式一致；煤矿底板突水的详判，是在初判的基础上对可能发生突水的区域进行的进一步突水判别，综合指标法考虑了影响底板突水的诸多因素，以此判别将更为全面，考虑模型的简化，构建了基于膨胀界限抗渗强度的底板突水评判模型。煤矿底板突水精判，需要对底板岩体特性、含水层特性以及所赋存的地质条件进行更为详细的勘查，掌握突水评判区域非常精细准确的第一手资料，在此基础上，对底板进行力学稳定性分析，确定底板在采动矿压、水压作用下的潜在稳定性。
The study of mining deformation of floor is not merely of great scientific value for safetymining of coal mining above confined aquifer, but also provides crucial basis for control andmaintenance of surrounding rock in mining roadway.
This dissertation aims to make systematic studies involving such aspects as stressdistribution of mining floor, floor stress and plastic zone distribution as well as deformationfailure law such as floor failure depth. The research results show that stress distribution modelof floor rock under the complete bearing pressure in the face based on the previous studies ondistribution regularities of bearing pressure enables to obtain the analytical solution of stressdistribution in any position inside the floor rock. Meanwhile, the stress distributionregularities computed by the stress of floor rock of mining face4602in Yangcun is of greatpractical applicability. And, the notion of floor rock failure depth is apportioned from theperspective of mining floor rock deformation. By employing numerical modeling softwareFLAC3D, six-factor and five-level orthogonal numerical simulation test of floor failure depthconcerning working face length, lithological association of roof rock and floor rock, miningdepth, mining height and dip angle was launched. Furthermore, the prediction model of floorrock failure depth where the lithological association of roof rock is considered for the firsttime which includes working face length, lithological association of roof rock and floor rock,mining depth, mining height and dip angle. On the basis of actual measurement and instanceson floor rock failure depth of corresponding mining faces in ten coal mines, it can beconcluded that this prediction model involves high precision which can meet the requirementof project.
By on-site comprehensive actual measurement of floor rock deformation failure, theprocess and partition features of mine pressure behavior on floor rock, partition features offloor rock failure depth as well as relevance law between floor rock deformation andunderground pressure behavior were expounded in great details. In other words, bycomprehensive actual measurement of floor rock deformation, the influence of miningunderground pressure on floor rock is characterized by manifestation of pre-mining “leading”at a long-distance and continuity of post-mining “lagging”. In addition, both “leading” and“lagging” impacts have partition features. Based on the linkage effects between mining floorrock deformation and mining underground pressure, the perturbation action of miningunderground pressure on floor rock can be classified into “leading pressure-gatheringperturbation” and “post-mining pressure-relieving perturbation”, which provided the mechanical basis for explaining the mechanism of mining floor rock deformation failure.What’s more, floor rock undergoes two processes of leading pressure-gathering breakage andpost-mining pressure-relieving breakage. And, their breakage mechanisms are shearbreakdowns which are under the pressing condition in the early stage and is under the tensioncondition is the late stage. They are related in progression. That’s to say, post-miningpressure-relieving breakage made after pre-mining pressure-gathering breakage can lead tofurther aggravation of failure degree. However, it involves no extension effects as to miningfailure depth.
On the basis of actual measurement data on70groups of floor rock failure depth, floorrock depth and the regularities of its influential factors were explored. Besides, the predictedgenetic-improved genetic algorithm optimization BP neural network model and PSOoptimization SVM model by floor rock failure depth were constructed. Based on MATLABsoftware platform, non-linear predicted model system of floor rock failure depth wascompiled, which could achieve fast and accurate prediction of floor rock failure depth.
Finally, three-level evaluation model of floor rock water inrush in mines was establishedin order to achieve multistage distribution and screening progressive evaluation predictionfrom thickness to thinness and from empirical judgment to mechanical analysis on floor rockwater inrush in mines. To be specific, three-level evaluation model refers to primary judgment,detailed judgment and accurate judgment of floor rock water inrush in mines. Firstly, thecriterion of primary judgment is critical equation P=0.0025M2-0.0865M-16.8534/M+2.2440which is obtained by investigating and analyzing water inrush points of354mining faces inseven mining areas in North China and Lianshao mining area in Hunan Province,202roadway water inrush points and318safety actual mining faces, and then adopting themethod of mathematical statistical regression. The form of this critical equation is inaccordance with that of weak plate of homogeneous crack model P-M in terms of theconsideration of dynamic water pressure. As for the detailed judgment of floor rock waterinrush in mines, it is a further judgment on the possible water inrush occurrence areas basedon the primary judgment. What’s more, aggregative indicator method has taken severalinfluential factors on floor rock water inrush into account. Due to this judgment, it is muchmore comprehensive. Considering model simplification, the evaluation model of floor rockwater was built up based on inpervious intensity of expanding boundary. When it comes toaccurate judgment, it entails more specific prospecting on floor rock characteristics, aquifercharacteristics and occurring geological conditions. In this way, the meticulous and accuratefirst-hand data of water inrush evaluation areas needs to be mastered. Based on the above,mechanical stability analysis of floor rock was analyzed and then potential stability of floor rock under the influence of mining underground pressure and water pressure was determined.
本文对采动底板应力分布特征、底板应力及其塑性区分布以及底板破坏深度等变形破坏规律进行了系统研究，研究发现：在前人对支承压力分布规律研究的基础上构建的采场完整支承压力作用下的底板应力分布模型能够得到底板内任一位置的应力分布解析解，通过杨村煤矿4602工作面的底板应力解析计算说明解析得出的底板下的应力分布规律具有实用性；从底板采动变形的角度厘定了底板破坏深度的概念，并采用FLAC3D数值模拟软件开展了底板破坏深度斜长、顶底板岩性组合、采深、采高、倾角的六因素五水平正交数值模拟试验，构建了首次考虑顶板岩性组合这一因素的斜长-顶底板岩性组合-采深-采高-倾角的底板破坏深度预测模型，通过10个煤矿相应的工作面底板破坏深度实测实例进行分析验证了该预测模型精度较高，可以满足工程使用。
通过现场底板变形破坏综合实测深刻揭示了底板矿压显现过程及其分区特点、底板破坏深度分区特征以及底板变形与矿压显现的关联规律，具体表现为：采动矿压对底板的影响具有较远距离的采前“超前”显现和采后“滞后”延续的特点，且这种“超前”“滞后”影响具有分区特征；从采动底板变形与采动矿压的关联效应角度将底板所受采动矿压的扰动作用分为“超前聚压扰动”和“采后卸压扰动”两种类型，为合理解释底板采动变形破坏的力学机制提供了力学依据；底板破坏经历超前聚压破坏和采后卸压破坏两个过程，其破坏机制均为剪切破坏，前期为受压状态下的剪切破坏，后期为受拉状态下的剪切破坏，二者具有累进关系，即在采前聚压破坏基础上采后卸压破坏可导致破坏程度进一步加剧，但对于采动破坏深度不具有延伸效果。
在70组底板破坏深度实测资料统计的基础上，探索了底板破坏深度与其影响因素的规律，构建了底板破坏深度预测的遗传-改进遗传算法优化BP神经网络模型（BP-GA、BP-GA-MOD）和PSO优化SVM模型（PSO-SVM）。基于MATLAB软件平台，编制了底板破坏深度非线性预测模型系统，能够实现底板破坏深度快速准确的预测。
最后，首次明确建立了煤矿底板突水的三级评判模型，以此实现对煤矿底板突水由粗到细、由经验判别到力学分析的多级分布筛选递进评价预测。三级评判分别包括：煤矿底板突水初判、煤矿底板突水详判与煤矿底板突水精判。底板突水初判判据为P=0.0025M2-0.0865M-16.8534/M+2.2440临界方程，该方程是通过对华北七个矿区以及湖南涟邵矿区354个工作面突水点、202个巷道突水点以及318个安全回采工作面的调查分析，应用数学统计回归的方法所得。该临界方程形式与考虑动水压力作用下的底板均质裂隙弱板模型P-M临界方程形式一致；煤矿底板突水的详判，是在初判的基础上对可能发生突水的区域进行的进一步突水判别，综合指标法考虑了影响底板突水的诸多因素，以此判别将更为全面，考虑模型的简化，构建了基于膨胀界限抗渗强度的底板突水评判模型。煤矿底板突水精判，需要对底板岩体特性、含水层特性以及所赋存的地质条件进行更为详细的勘查，掌握突水评判区域非常精细准确的第一手资料，在此基础上，对底板进行力学稳定性分析，确定底板在采动矿压、水压作用下的潜在稳定性。
The study of mining deformation of floor is not merely of great scientific value for safetymining of coal mining above confined aquifer, but also provides crucial basis for control andmaintenance of surrounding rock in mining roadway.
This dissertation aims to make systematic studies involving such aspects as stressdistribution of mining floor, floor stress and plastic zone distribution as well as deformationfailure law such as floor failure depth. The research results show that stress distribution modelof floor rock under the complete bearing pressure in the face based on the previous studies ondistribution regularities of bearing pressure enables to obtain the analytical solution of stressdistribution in any position inside the floor rock. Meanwhile, the stress distributionregularities computed by the stress of floor rock of mining face4602in Yangcun is of greatpractical applicability. And, the notion of floor rock failure depth is apportioned from theperspective of mining floor rock deformation. By employing numerical modeling softwareFLAC3D, six-factor and five-level orthogonal numerical simulation test of floor failure depthconcerning working face length, lithological association of roof rock and floor rock, miningdepth, mining height and dip angle was launched. Furthermore, the prediction model of floorrock failure depth where the lithological association of roof rock is considered for the firsttime which includes working face length, lithological association of roof rock and floor rock,mining depth, mining height and dip angle. On the basis of actual measurement and instanceson floor rock failure depth of corresponding mining faces in ten coal mines, it can beconcluded that this prediction model involves high precision which can meet the requirementof project.
By on-site comprehensive actual measurement of floor rock deformation failure, theprocess and partition features of mine pressure behavior on floor rock, partition features offloor rock failure depth as well as relevance law between floor rock deformation andunderground pressure behavior were expounded in great details. In other words, bycomprehensive actual measurement of floor rock deformation, the influence of miningunderground pressure on floor rock is characterized by manifestation of pre-mining “leading”at a long-distance and continuity of post-mining “lagging”. In addition, both “leading” and“lagging” impacts have partition features. Based on the linkage effects between mining floorrock deformation and mining underground pressure, the perturbation action of miningunderground pressure on floor rock can be classified into “leading pressure-gatheringperturbation” and “post-mining pressure-relieving perturbation”, which provided the mechanical basis for explaining the mechanism of mining floor rock deformation failure.What’s more, floor rock undergoes two processes of leading pressure-gathering breakage andpost-mining pressure-relieving breakage. And, their breakage mechanisms are shearbreakdowns which are under the pressing condition in the early stage and is under the tensioncondition is the late stage. They are related in progression. That’s to say, post-miningpressure-relieving breakage made after pre-mining pressure-gathering breakage can lead tofurther aggravation of failure degree. However, it involves no extension effects as to miningfailure depth.
On the basis of actual measurement data on70groups of floor rock failure depth, floorrock depth and the regularities of its influential factors were explored. Besides, the predictedgenetic-improved genetic algorithm optimization BP neural network model and PSOoptimization SVM model by floor rock failure depth were constructed. Based on MATLABsoftware platform, non-linear predicted model system of floor rock failure depth wascompiled, which could achieve fast and accurate prediction of floor rock failure depth.
Finally, three-level evaluation model of floor rock water inrush in mines was establishedin order to achieve multistage distribution and screening progressive evaluation predictionfrom thickness to thinness and from empirical judgment to mechanical analysis on floor rockwater inrush in mines. To be specific, three-level evaluation model refers to primary judgment,detailed judgment and accurate judgment of floor rock water inrush in mines. Firstly, thecriterion of primary judgment is critical equation P=0.0025M2-0.0865M-16.8534/M+2.2440which is obtained by investigating and analyzing water inrush points of354mining faces inseven mining areas in North China and Lianshao mining area in Hunan Province,202roadway water inrush points and318safety actual mining faces, and then adopting themethod of mathematical statistical regression. The form of this critical equation is inaccordance with that of weak plate of homogeneous crack model P-M in terms of theconsideration of dynamic water pressure. As for the detailed judgment of floor rock waterinrush in mines, it is a further judgment on the possible water inrush occurrence areas basedon the primary judgment. What’s more, aggregative indicator method has taken severalinfluential factors on floor rock water inrush into account. Due to this judgment, it is muchmore comprehensive. Considering model simplification, the evaluation model of floor rockwater was built up based on inpervious intensity of expanding boundary. When it comes toaccurate judgment, it entails more specific prospecting on floor rock characteristics, aquifercharacteristics and occurring geological conditions. In this way, the meticulous and accuratefirst-hand data of water inrush evaluation areas needs to be mastered. Based on the above,mechanical stability analysis of floor rock was analyzed and then potential stability of floor rock under the influence of mining underground pressure and water pressure was determined.
引文
11-1代表监测钻孔1的1#应变传感器探头，下文其他意义类同。
2L为工作面迎头距测孔距离，负值为推过测孔距离。下文相同。
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