軟巖礦井采空區(qū)下綜采工作面參數優(yōu)化設計研究

井慶賀，張洪清，郝嘉偉，閆壽慶

(1.扎賚諾爾煤業(yè)有限責任公司，內蒙古 滿洲里 021410；2.煙臺黃金職業(yè)學院資源與土木工程系，山東 煙臺 265401；3.山東科技大學能源與礦業(yè)工程學院，山東 青島 266590)

研究導水裂縫帶高度是煤礦水體下采煤設計和保水采煤的基礎和前提，其高度發(fā)育直接影響開采后的裂縫帶是否導通含水層及老空區(qū)，從而造成突水事件，對導水裂縫帶高度的準確合理預測，能有效防治水害事件[1]。

影響導水裂縫帶發(fā)育高度的因素有開采厚度、開采深度、工作面長度、區(qū)段煤柱寬度、巖石的力學性質、巖層的組合特征、煤層傾角、煤層厚度、煤層硬度、含水層水壓等。王瑋等[2]結合數值模擬等方法，分析了采高、工作面斜長、巖層結構、頂板抗壓強度、采深等因素對導水裂縫帶發(fā)育高度的影響。毛志勇等[3]選取開采深度、煤層傾斜角、巖層結構等多種項指標作為導水裂縫帶高度預測的特征指標，建立了基于因子分析的APSO-LSSVM導水裂縫帶高度預測模型。李濤等[4]利用聲波測井等手段研究了采煤影響導水裂縫帶的關鍵因素，分析得出導水裂縫帶高度約為采高27倍的結論。張峰等[5]根據大平礦綜放工作面開采的導高實測數據，運用正交試驗法對不同影響因素組合下的工作面進行導高的數值模擬分析，利用MATLAB軟件進行回歸擬合，構建特厚煤層綜放工作面導高的預計模型，并對各影響因素的顯著性進行分析。李鵬宇等[6]利用SPSS軟件對影響中硬覆巖綜放開采導水裂縫帶發(fā)育高度的影響因素進行逐步回歸分析，確定在中硬覆巖綜放開采條件下煤礦導水裂縫帶發(fā)育高度的影響因素按影響程度從大到小依次為開采厚度、工作面斜長和開采深度。武忠山等[7]以曹家灘煤礦綜采條件為背景，運用FLAC3D軟件，模擬分析了固定采高情況下采寬、采深、推進速度對導水裂縫帶發(fā)育高度的影響，揭示了曹家灘煤礦導水裂縫帶發(fā)育規(guī)律。施龍青等[8]通過GRA法分析了導水裂縫帶與采高、硬巖巖性比例系數、工作面斜長、推進速度和采深等影響因素的關聯程度并進行了排序，結果為：采深>采高>斜長>推進速度>硬巖巖性比例系數。胡小娟等[9]以39例綜采導水裂縫帶實測數據為基礎，采用多元回歸分析，得到綜采導水裂縫帶高度與煤層采高、硬巖巖性系數、工作面斜長、采深、開采推進速度多因素之間的非線性統(tǒng)計關系式，并用于淮南謝橋礦首采面的導水裂縫帶高度預測。謝曉鋒等[10]選取采深、煤層傾角、煤層厚度、煤層硬度、巖層結構、頂板巖石單軸抗壓強度、開采厚度和采空區(qū)斜長作為預測導水裂縫帶高度的影響因素進行測試，結果表明，煤層厚度對導水裂縫帶高度的影響最大，采深和開采厚度對導水裂縫帶高度的影響較小，其余各因素對導水裂縫帶高度的影響較大。雖然國內外學者對導水裂縫帶發(fā)育高度的影響因素開展了大量的研究工作，并且得到了很大程度上的進展，但是對軟巖礦區(qū)采空區(qū)下綜采工作面導水裂縫帶影響因素研究較少。

本文以工作面長度、區(qū)段煤柱寬度、采高等3個因素為基礎進行正交試驗設計，通過FLAC3D數值軟件模擬不同因素組合下工作面頂底板塑性區(qū)的發(fā)育情況，分析每個因素對工作面頂底板塑性區(qū)發(fā)育的影響程度，并確定Ⅱ3煤層工作面合理尺寸組合。

1 工作面概況

靈東煤礦主采煤層為Ⅱ2-1煤層、Ⅱ3煤層，其中，Ⅱ2-1煤層厚度1.53～19.38 m，平均厚度15.01 m，埋深233.71～406.69 m，平均埋深295.19 m；Ⅱ3煤層可采厚度1.55～27.10 m，平均可采厚度20.17 m，埋深346.20～535.58 m，平均埋深410.51 m。兩煤層頂底板巖性以砂質泥巖、粉砂巖為主，煤層間距變化較大，平均最小間距100.31 m，均屬全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。

Ⅱ2-1煤層采用走向長壁綜合機械化放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板，工作面分南北兩翼布置，其中，南翼一面、南翼三面采高均為15 m，工作面傾向長度分別為300 m、250 m，走向長度分別為1 368.2 m、964.7 m。

Ⅱ3煤層目前尚未開采，首采區(qū)計劃采用預采頂分層放頂煤采煤方法，通過大采高綜采工藝開采頂分層。Ⅱ3煤層工作面呈東西兩翼分布，與Ⅱ2-1煤層工作面近垂直布置，在水平面上的投影夾角約為87°。在首采區(qū)上方約100 m的位置為Ⅱ2-1煤層采空區(qū)，可能富含老空水。Ⅱ3煤層西二采區(qū)一面、二面采高均為5 m，工作面傾向長度均為250 m，走向長度均為1 302.3 m。工作面位置圖如圖1所示。

2 靈東煤礦Ⅱ3煤層綜采工作面參數優(yōu)化數值模擬

2.1 建立數值模型

根據靈東煤礦Ⅱ3煤層的地質特征，以Ⅱ2-1煤層南翼一面和Ⅱ3煤層西二采區(qū)一面、二面為原型，建立FLAC3D數值模型，模型尺寸為長×寬×高=2 000 m×500 m×500 m，在數值模型前后和左右邊界施加水平約束，底部邊界固定，模型采用莫爾-庫倫準則， 模型中各巖層的物理力學參數見表1。 由于模型高度已達到地表，因此無需在模型的上表面施加應力，可利用模型自重進行模擬試驗。

圖1 工作面位置圖Fig.1 Working face position map

表1 巖層力學參數表Table 1 Parameters of rock mechanics

2.2 數值計算方案

本文以工作面長度、區(qū)段煤柱寬度、采高等3個因素為基礎進行正交試驗設計，其中每個因素選取4個水平，模擬不同因素組合下工作面覆巖的破壞情況，分析每個因素對工作面覆巖破壞的影響程度。結合礦井地質資料來選取每個因素的值和水平變化情況，本次試驗采用L16(45)正交表，試驗因素和試驗水平的確定見表2，試驗方案及結果見表3。

建立16個FLAC3D數值試驗模型(表3)，其中模型中各巖層力學參數為定值，改變工作面長度、區(qū)段煤柱寬度、采高，其他條件相同，模擬完成后對各模型作“切片處理”，根據工作面上覆巖層塑性區(qū)分布圖計算工作面在不同因素影響下導水裂縫帶高度的變化情況。

表2 正交數值模擬試驗因素水平Table 2 Orthogonal numerical simulation test factor level

表3 正交試驗方案Table 3 Orthogonal test scheme

2.3 工作面頂板破壞高度分析

1) 開采Ⅱ2-1煤層南翼一面，工作面走向長度為1 368.2 m，通過模擬得到Ⅱ2-1煤層工作面頂底板塑性區(qū)分布如圖2所示。根據專家的研究方法，確定以Ⅱ2-1煤層工作面上覆巖層塑性區(qū)分布高度作為Ⅱ2-1煤層工作面頂板巖層導水裂縫帶高度，因此由模擬結果可知，Ⅱ2-1煤層工作面頂板巖層導水裂縫帶高度為215 m。

2) 對Ⅱ3煤層根據方案12進行開采，研究不同方案下覆巖裂縫發(fā)育規(guī)律，圖3為模型根據方案12進行開采后Ⅱ3煤層開采后頂底板塑性區(qū)圖。如圖3所示，開采Ⅱ3煤層后，Ⅱ2-1煤層工作面頂板巖層導水裂縫帶高度不受采動影響而發(fā)生變化。Ⅱ3煤層工作面頂板巖層導水裂縫帶高度為50 m。Ⅱ3煤層工作面未與Ⅱ2-1煤層采空區(qū)導通，中間完整巖層厚度為32 m。受Ⅱ3煤層開采的影響，Ⅱ3煤層區(qū)段煤柱兩側破壞范圍為7 m，中間18 m的范圍處于彈性狀態(tài)。

圖2 Ⅱ2-1煤層開采后頂底板塑性區(qū)圖Fig.2 Plastic zone map of roof and floor after Ⅱ2-1 coal seam mining

圖3 Ⅱ3煤層開采后頂底板塑性區(qū)圖Fig.3 Plastic zone map of roof and floor after Ⅱ3 coal seam mining

2.4 正交試驗結果分析

將16個正交試驗方案中Ⅱ3煤層工作面頂板巖層導水裂縫帶高度數據進行整理統(tǒng)計，正交試驗結果見表4。

表4 正交試驗結果Table 4 Orthogonal test results

2.4.1 試驗結果極差分析

由表4試驗統(tǒng)計結果進行分析計算，得出每個因素各個水平的均值和極差，Ⅱ3煤層工作面導水裂縫帶高度極差分析見表5。

表5 導水裂縫帶高度極差分析Table 5 Analysis of the height range of the waterconducting fracture zone

由表5可知，極差由大到小依次為：采高>工作面長度>區(qū)段煤柱寬度，根據極差欄數據推斷出采高對導水裂縫帶高度的影響最大，工作面長度影響次之，區(qū)段煤柱寬度對導水裂縫帶高度的影響最小。各因素對導水裂縫帶高度影響的曲線圖如圖4所示。

由圖4可知，工作面長度、區(qū)段煤柱寬度和采高對Ⅱ3煤層工作面導水裂縫帶高度都有不同程度的影響。工作面長度、區(qū)段煤柱寬度和采高對Ⅱ3煤層工作面導水裂縫帶高度影響均呈基本的線性關系。其中，采高變化幅度最大，區(qū)段煤柱寬度變化幅度最小。采高從4 m增加到7 m，Ⅱ3煤層工作面導水裂縫帶高度從36.75 m增大到61.75 m，增大了85%；區(qū)段煤柱寬度從25 m增加到40 m，Ⅱ3煤層工作面導水裂縫帶高度從50.50 m減小到47.75 m，減少了約6.04%。

圖4 各因素對導水裂縫帶高度影響曲線圖Fig.4 Curve of influence of various factors on the height of water-conducting fracture zone

2.4.2 試驗結果方差分析

由于方差分析法可以把因素水平的改變所引起的試驗水平的波動與由試驗誤差所引起的試驗結果的波動進行比較，所以利用表5中的誤差列1對試驗結果進行方差分析，作為對極差分析的補充，分析結果見表6。

3個因素對Ⅱ3煤層工作面頂板破壞高度都有一定的影響，但顯著程度不同。由表5可知，各個因素對Ⅱ3煤層工作面頂板破壞高度影響顯著性次序依次為：采高>工作面長度>區(qū)段煤柱寬度。此試驗結果方差分析與極差分析的結論一致，故可認為該結論具有科學性。由此可以確定采高是影響Ⅱ3煤層工作面頂板破壞高度的主控因素。

表6 導水裂縫帶高度方差分析Table 6 Variance analysis of the height ofwater-conducting fracture zone

通過對Ⅱ3煤層工作面導水裂縫帶高度進行極差分析和方差分析，結合各因素對導水裂縫帶高度影響曲線，遵循煤礦安全高效生產的基本原則，選取方案12作為Ⅱ3煤層工作面合理尺寸組合，即工作面長度為250 m，區(qū)段煤柱寬度為25 m，采高為5 m。

3 覆巖巖性對導水裂縫帶的影響

為研究煤層覆巖巖性對導水裂縫帶的影響，根據確定的Ⅱ3煤層工作面合理尺寸組合，在原有數值模型的基礎上，將各巖層巖性(物理力學參數)改為中硬類型，通過將該模擬結果與方案12模擬結果進行對比，體現出軟弱巖層在模擬中的破壞程度。

3.1 物理力學參數確定(中硬巖性)

通過查閱相關文獻[11]，得到模型中各巖層巖性改為中硬類型的物理力學參數見表7。

表7 巖層力學參數表(中硬類型)Table 7 Rock mechanics parameter table(medium hard type)

3.2 模擬結果對比分析

首先開采Ⅱ2-1煤層，通過模擬得到Ⅱ2-1煤層工作面中硬巖性頂板巖層導水裂縫帶高度和范圍，如圖5所示。Ⅱ2-1煤層工作面頂板巖層導水裂縫帶高度為245 m，比軟弱巖性導水裂縫帶高度增加13.9%。

開采Ⅱ3煤層后，Ⅱ2-1煤層工作面頂板巖層導水裂縫帶高度不受采動影響而發(fā)生變化，如圖6所示。Ⅱ3煤層工作面頂板巖層導水裂縫帶高度為57 m，比軟弱巖性導水裂縫帶高度增加14%，Ⅱ3煤層工作面未與Ⅱ2-1煤層采空區(qū)導通，中間完整巖層厚度為28 m。受Ⅱ3煤層開采的影響，Ⅱ3煤層留設煤柱兩側破壞范圍為5 m，中間15 m的范圍處于彈性狀態(tài)。

圖5 Ⅱ2-1煤層開采后頂底板塑性區(qū)圖Fig.5 Plastic zone map of roof and floor after Ⅱ2-1 coal seam mining

圖6 Ⅱ3煤層開采后頂底板塑性區(qū)圖Fig.6 Plastic zone map of roof and floor after Ⅱ3 coal seam mining

通過模擬結果對比分析可以看出，煤層工作面中硬巖性頂板巖層導水裂縫帶高度比軟弱巖性相對較大，說明中硬巖層抗采動破壞的能力較差，有利于采動裂隙的發(fā)育，故中硬巖層在模擬中的破壞程度與軟弱巖層相比較大。

4 結 論

1) 本次模擬以工作面長度、區(qū)段煤柱寬度、采高3個因素為基礎進行正交試驗設計，根據模型中工作面上覆巖層塑性區(qū)分布圖分析工作面頂板在不同因素影響下導水裂縫帶高度的變化情況。

2) 通過對數值模擬結果進行極差分析和方差分析，得出各個因素對Ⅱ3煤層工作面頂板破壞高度影響程度次序為：采高>工作面長度>區(qū)段煤柱寬度。

3) 根據正交試驗結果分析，并結合各因素對導水裂縫帶高度影響曲線，遵循煤礦安全高效生產的基本原則，確定Ⅱ3煤層工作面合理尺寸組合為工作面長度為250 m，區(qū)段煤柱寬度為25 m，采高為5 m，即方案12。

4) 通過將中硬巖層在模擬中的破壞程度與軟弱巖層對比分析，可以發(fā)現煤層工作面中硬巖性頂板巖層導水裂縫帶高度比軟弱巖性相對較大，說明中硬巖層抗采動破壞的能力較差，有利于采動裂隙的發(fā)育，進而體現出軟弱巖層在模擬中的破壞程度。