1.一种深部采场底板岩层的最大破坏深度确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S2、根据步骤S1中底板岩体应力分析力学模型，建立半平面体内任意一点处岩体抗压
S21、根据步骤S1中底板岩体应力分析力学模型，构建半平面无限体模型，并利用弹性
S23、采用MC破坏准则，根据步骤S22中主应力，建立半平面体内任意一点处岩体抗压强
根据步骤S1中底板岩体应力分析力学模型，构建半平面无限体模型，并利用弹性力学
理论结合半平面无限体模型中参数计算半平面体内任意一点处的各应力分量，表示为：
一点(x,y)在上覆某一岩层的容重；H为上覆各岩层的厚度；K为煤壁前方应力集中系数；N
利用MC破坏准则根据步骤S22得到的主应力，计算半球面体内任意一点岩体的抗压强
S4、基于支撑压力分布状态模型构建弹性区受力状态模型，计算弹性增压区宽度；
S5、根据步骤S3中极限平衡区宽度与步骤S4中弹性增压区宽度，解算步骤S2中超越方
2.根据权利要求1所述的一种深部采场底板岩层的最大破坏深度确定方法，其特征在
3.根据权利要求2所述的一种深部采场底板岩层的最大破坏深度确定方法，其特征在
S41、根据支撑压力分区模型构建弹性增压区受力状态模型，建立受力平衡方程，表示
S42、分别构建原岩应力区、极限平衡区与弹性增压区交界面的应力状态模型，建立弹
S43、基于临界压力分区模型构建边界条件坐标系，根据步骤S41中受力平衡方程以及
4.根据权利要求3所述的一种深部采场底板岩层的最大破坏深度确定方法，其特征在
S421、根据广义虎克定律，计算处于原岩应力状态下，煤体在各方向上所受应力，表示
S422、构建原岩应力区与弹性增压区交界面应力状态模型，计算原岩应力区与弹性增
S423、构建弹性增压区与极限平衡区交界面应力状态模型，计算当基础顶出现初次来
S424、根据步骤S422中原岩应力区与弹性增压区交界面上的应力状态，与步骤S423中
弹性增压区与极限平衡区交界面上的应力状态，构建弹性增压区平衡方程，表示为：
5.根据权利要求4所述的一种深部采场底板岩层的最大破坏深度确定方法，其特征在
S431、对步骤S424中弹性增压区平衡方程以及步骤S41中受力平衡方程进行积分计算，
S432、在临界压力分区模型的基础上构建边界条件坐标系，求解弹性增压区的宽度值，
随着各类矿井开拓深度不断增加，地质环境更加复杂，地应力升高、涌水量加大、
高地热等，导致重大工程灾害和恶性事故增加，如冲击矿压、矿压显现加剧、井巷围岩大变
发生瓦斯爆炸、矿井突水淹井等群死群伤事故。瓦斯与煤层或煤系地层相伴直接进入开采
空间，少数情况是从开采煤层以外运移至开采空间，而矿井水对开采空间构成威胁，必须满
足两个条件，一是要有充水水源，二是要有充水的通道，因此，不仅要研究充水水源，更要研
究充水通道。我国华北石炭二叠系煤田由上组煤(山西组)和下组煤(太原组)两部分构成，
下组煤基底是厚度巨大的可溶性奥陶系石灰岩，是典型的承压水地层，岩溶裂隙承压含水
层水头高、水压大，对距离其附近的下组煤开采造成直接威胁，是下组煤最危险的底板突水
水源。因此，解决受底板奥灰高承压水威胁的下组煤安全开采问题迫在眉睫。煤炭地下开采
过程中的采、掘作业破坏了地层原岩应力的平衡状态，导致采、掘工作面周围地层空间应力
场的重新分布和应力集中，引起工作面顶板岩层的移动、垮落，因顶板应力集中底板应力场
发生改变，底板所受的应力重新分布，造成底板破坏，底板应力分布取决于工作面前方集中
除顶板岩层的移动、垮落外，底板岩层的臌胀和隆起(简称底臌)也是地下矿山、特
别是深埋地下矿山最主要的矿压显现形式之一。底臌一方面造成巷道有效空间变小、影响
工作面支架移动，同时随着底板岩层破坏深度的增加，还会导致底板岩层承压地下水涌入
采掘工作空间，造成矿井涌水量增大及底板承压水突出等重大安全问题，因此，对开采扰动
加应力场在底板岩层内的传播，但由于充填空间限制、材料来源、成本控制等因素影响，全
部垮落法管理顶板仍广泛应用于采矿实践中。所以，研究深部高地应力环境下全部垮落法
工作面底板应力分布、底板破坏深度和破坏轨迹，进一步掌握因底板破坏而形成水体充水
作面周围煤、岩体内应力的重新分布和应力集中，继而引起工作面上方顶板岩层的移动垮
落和周边煤体及底板岩层中出现不同类型的采动裂隙。显然，底板岩层的破坏深度不仅和
底板岩层本身的结构、物理力学性质等有关，而且和顶板岩层的结构与强度以及煤体的强
度等也直接相关(这些因素主要影响工作面周围煤体内的支承压力，因此影响采动支承压
力在底板岩层中的传递和底板破坏深度)。同时工作面的形状、尺寸、以及工作面上、下顺槽
的宽度等也将直接影响工作面上方基本顶岩层的支承条件和下部老底岩层的约束机制，所
有这些因素最终都将直接反映到工作面开采引起的底板岩层的破坏深度上，从而影响煤层
水问题，我国许多科学工作者对底板水问题的预测预报、突水机理、防治技术等方面进行了
系统的研究，代表性的成果主要有突水系数理论、岩—水应力关系法及“下三带”理论等。通
过对煤层底板内部进行深入的实地观测，并结合模型实验、数值模拟等研究方法与手段，我
国在底板突水机理及预测预报、矿井水害防治等方面取得了很大的成绩。在瓦斯研究领域
对底板岩层破坏有一定程度的研究，尤其是煤与瓦斯突出矿井采用解放层开采法时对上下
解放层之间层间岩层破坏的研究比较成熟，但瓦斯赋存区域与开采区域通过勘察已经掌握
了两者之间的空间位置关系，上下解放层开采层间距离也是天然形成的，所以，瓦斯研究领
域相当于两已知区域之间是如何产生联系的，而底板破坏深度的研究是在正常采矿过程中
内，人们只是单一地针对底板本身进行研究。而实际上，底板岩层的破坏深度不仅和底板岩
层本身的结构、物理力学性质等有关，还和顶板岩层及煤体的结构与强度等直接相关。同时
煤壁前方塑性区、弹性增压区的宽度等也将直接影响工作面集中应力的作用宽度和下部老
底岩层的约束机制，所有这些因素最终都将直接反映到工作面开采引起的底板岩层的破坏
深度上，从而影响承压含水层上部回采工作的安全性。因此，将基本顶岩层、煤体和底板岩
层作为一个整体进行综合考虑，研究煤体弹塑性区域宽度与底板最大破坏深度关系，确定
通过前述分析，虽然国内、外在煤层底板破坏及突水研究方面取得了一定成果，但
(1)前人对工作面前方重新分布的应力进行了分区，并且给出了塑性区宽度计算
公式和弹性增压区的定性发展趋势，但对弹性增压区的宽度没有给出定量的求解方法，弹
(2)目前煤层底板最大破坏深度依靠经验计算、理论分析、工程类比等对高应力环
(3)通过裂缝模型对底板破坏深度进行了理论分析，但裂缝模型的使用条件是开
采宽度与开采高度之比足够大，可以看作裂缝，往往由于煤层厚度较大，顶板岩性不好，开
采宽度与开采高度之比不够大，不足以看作裂缝，所以，用裂缝模型计算的底板破坏深度其
(4)采用地基基础理论计算底板岩层破坏深度，首先要将底板假设为地基，地基在
其上部载荷以外不受约束，而底板在采矿活动中始终处于矿山压力作用环境之中，底板本
身与地基有着较大的区别，前人也有在滑移线理论基础上发展了双滑移线理论计算底板破
坏深度及分析底板破坏轨迹，其准确性进一步提高，但其理论基础仍是地基原理，其应用的
(5)理论公式仍不够完善。用断裂力学的知识计算底板岩层的最大破坏深度时虽
然不需要借助工程经验，但没有反映出采场前方煤体因应力集中形成的塑性区宽度、弹性
(6)在现场实测方面，由于在埋设仪器前首先要通过理论计算或现场经验初步确
定测量深度，但如果实际破坏深度与预期设想相差较大，其测量结果就会存在较大误差。
一种深部采场底板岩层的最大破坏深度确定方法，包括以下步骤S1‑步骤S5：
S2、根据步骤S1中底板岩体应力分析力学模型，建立半平面体内任意一点处岩体
S4、基于支撑压力分布状态模型构建弹性区受力状态模型，计算弹性增压区宽度；
S5、根据步骤S3中极限平衡区宽度与步骤S4中弹性增压区宽度，解算步骤S2中超
1、通过支撑压力分布状态模型，构建底板岩体应力分析力学模型，并结合该模型
建立建立半平面体内任意一点处岩体抗压强度的超越方程；基于支撑压力分布状态模型构
建弹性区受力状态模型确定了弹性增压区宽度计算式，明确弹性增压区的宽度定量求解方
式，提高了底版破坏深度测量准确性，通过煤层赋存条件参数和开采技术条件参数，得到极
限平衡区宽度以及弹性增压区宽度，进而解算超越方程，完善超越方程的理论公式，得到底
板破坏曲线，从而计算得到底板岩层的最大破坏深度；本发明以弹塑性力学理论为基础，根
据交界面应力相等原则，得到了弹性增压区平衡条件和弹性增压区宽度，为煤矿采煤工作
面底板破坏深度的计算提供更加准确的边界条件，提高底板破坏深度测量准确性，有助于
2、通过构建应力状态模型，确定弹性增压区的平衡条件表达式，进一步确定弹性
3、通过弹性增压区的宽度定量求解方法确定，有助于提高底板破坏深度测量准确
4、通过获取现场实测数据，结合完善后的超越方程，为煤矿采煤工作面底板破坏
深度计算提供更加精准的边界条件，有助于结合工程实测数据，降低测量结果误差。
明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，
只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易
实际中，由于煤层开采后改变了原岩应力平衡状态，使工作面应力重新分布，形成
了如图2所示的支撑压力分布状态，在采矿工程中，基本顶岩层的厚度一般远远小于工作面
长度或基本初次垮落步距或周期垮落步距，因此可以将基本顶看做薄板，对基本顶受力问
破坏深度，如图3所示，通过支撑压力分布状态模型构建基本顶来压时工作面前方应力集中
与力学抽象示意图，可知煤壁前方非均布载荷对底板岩层作用形式，与弹塑性力学理论中
半平面体在其边界受垂直于边界的法向分布力作用的情形相似，因此，可采用半平面无限
体模型对底板破坏深度进行分析研究，如图4所示，为简化后的采场基本顶初次来压、周期
来压支撑压力分布情况，可构建底板岩体应力分析力学模型，其底板岩体应力分析力学模
型如图5所示，以半平面体上任意一点M点与载荷作用处垂向的夹角θ顺时针为正。
S2、根据步骤S1中底板岩体应力分析力学模型，建立半平面体内任意一点处岩体
S21、根据步骤S1中底板岩体应力分析力学模型，构建半平面无限体模型，并利用
根据步骤S1中底板岩体应力分析力学模型，构建半平面无限体模型，并利用弹性
度；γ为任意一点M(x ,y)在上覆某一岩层的容重；H为任意一点M(x ,y)上覆某一岩层的厚
首先，根据步骤S1中底板岩体应力分析力学模型，结合半平面体在其边界上受有
是半平面体内任意一点M(x,y)与弹性增压区和极限平衡区交界面的夹角；σ
平面体内任意一点M(x,y)上xy平面上的剪切应力分量；σ(ξ)为半平面体在其边界上受有非
接着，通过弹性力学理论可知，半平面体在其边界受垂直于边界的力P时，其平面
y)在xy平面上的剪切应力分量；r为在平面内任意一点M(x,y)到载荷作用处的距离；θ为平
[0063] 由图5可知，最大集中应力到弹性增压区某点的距离微分ξ可表示为：
中应力到弹性增压区某点的距离微分的乘积结果可视为集中力，表示为：dP＝σ(ξ)dξ，则该
将dP带入该分量表示式中，可得到进一步集中力在平面内任意一点M(x,y)处的各
实际中，如图5所示，最大集中应力到弹性增压区某点的距离可表示为：ξ＝x+ytan
θ，则将该距离带入进一步集中力在任意一点M(x,y)处引起的各应力分量进行优化，可表示
并对优化后集中力在任意一点M(x,y)处引起的各应力分量进行积分计算，得到积
为化简后载荷作用在半平面体内任意一点M(x,y)处在y方向上的应力分量；τ
后载荷作用在半平面体内任意一点M(x,y)处在xy平面上的剪切应力分量；x
为弹性增压区的宽度，γ为任意一点M(x,y)在上覆某一岩层的容重；H为任意一点M