软岩矿井采空区下综采工作面参数优化设计研究

井庆贺，张洪清，郝嘉伟，闫寿庆

(1.扎赉诺尔煤业有限责任公司，内蒙古 满洲里 021410；2.烟台黄金职业学院资源与土木工程系，山东 烟台 265401；3.山东科技大学能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590)

研究导水裂缝带高度是煤矿水体下采煤设计和保水采煤的基础和前提，其高度发育直接影响开采后的裂缝带是否导通含水层及老空区，从而造成突水事件，对导水裂缝带高度的准确合理预测，能有效防治水害事件[1]。

影响导水裂缝带发育高度的因素有开采厚度、开采深度、工作面长度、区段煤柱宽度、岩石的力学性质、岩层的组合特征、煤层倾角、煤层厚度、煤层硬度、含水层水压等。王玮等[2]结合数值模拟等方法，分析了采高、工作面斜长、岩层结构、顶板抗压强度、采深等因素对导水裂缝带发育高度的影响。毛志勇等[3]选取开采深度、煤层倾斜角、岩层结构等多种项指标作为导水裂缝带高度预测的特征指标，建立了基于因子分析的APSO-LSSVM导水裂缝带高度预测模型。李涛等[4]利用声波测井等手段研究了采煤影响导水裂缝带的关键因素，分析得出导水裂缝带高度约为采高27倍的结论。张峰等[5]根据大平矿综放工作面开采的导高实测数据，运用正交试验法对不同影响因素组合下的工作面进行导高的数值模拟分析，利用MATLAB软件进行回归拟合，构建特厚煤层综放工作面导高的预计模型，并对各影响因素的显著性进行分析。李鹏宇等[6]利用SPSS软件对影响中硬覆岩综放开采导水裂缝带发育高度的影响因素进行逐步回归分析，确定在中硬覆岩综放开采条件下煤矿导水裂缝带发育高度的影响因素按影响程度从大到小依次为开采厚度、工作面斜长和开采深度。武忠山等[7]以曹家滩煤矿综采条件为背景，运用FLAC3D软件，模拟分析了固定采高情况下采宽、采深、推进速度对导水裂缝带发育高度的影响，揭示了曹家滩煤矿导水裂缝带发育规律。施龙青等[8]通过GRA法分析了导水裂缝带与采高、硬岩岩性比例系数、工作面斜长、推进速度和采深等影响因素的关联程度并进行了排序，结果为：采深>采高>斜长>推进速度>硬岩岩性比例系数。胡小娟等[9]以39例综采导水裂缝带实测数据为基础，采用多元回归分析，得到综采导水裂缝带高度与煤层采高、硬岩岩性系数、工作面斜长、采深、开采推进速度多因素之间的非线性统计关系式，并用于淮南谢桥矿首采面的导水裂缝带高度预测。谢晓锋等[10]选取采深、煤层倾角、煤层厚度、煤层硬度、岩层结构、顶板岩石单轴抗压强度、开采厚度和采空区斜长作为预测导水裂缝带高度的影响因素进行测试，结果表明，煤层厚度对导水裂缝带高度的影响最大，采深和开采厚度对导水裂缝带高度的影响较小，其余各因素对导水裂缝带高度的影响较大。虽然国内外学者对导水裂缝带发育高度的影响因素开展了大量的研究工作，并且得到了很大程度上的进展，但是对软岩矿区采空区下综采工作面导水裂缝带影响因素研究较少。

本文以工作面长度、区段煤柱宽度、采高等3个因素为基础进行正交试验设计，通过FLAC3D数值软件模拟不同因素组合下工作面顶底板塑性区的发育情况，分析每个因素对工作面顶底板塑性区发育的影响程度，并确定Ⅱ3煤层工作面合理尺寸组合。

1 工作面概况

灵东煤矿主采煤层为Ⅱ2-1煤层、Ⅱ3煤层，其中，Ⅱ2-1煤层厚度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煤层可采厚度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。两煤层顶底板岩性以砂质泥岩、粉砂岩为主，煤层间距变化较大，平均最小间距100.31 m，均属全区可采的稳定煤层。

Ⅱ2-1煤层采用走向长壁综合机械化放顶煤采煤方法，全部垮落法管理顶板，工作面分南北两翼布置，其中，南翼一面、南翼三面采高均为15 m，工作面倾向长度分别为300 m、250 m，走向长度分别为1 368.2 m、964.7 m。

Ⅱ3煤层目前尚未开采，首采区计划采用预采顶分层放顶煤采煤方法，通过大采高综采工艺开采顶分层。Ⅱ3煤层工作面呈东西两翼分布，与Ⅱ2-1煤层工作面近垂直布置，在水平面上的投影夹角约为87°。在首采区上方约100 m的位置为Ⅱ2-1煤层采空区，可能富含老空水。Ⅱ3煤层西二采区一面、二面采高均为5 m，工作面倾向长度均为250 m，走向长度均为1 302.3 m。工作面位置图如图1所示。

2 灵东煤矿Ⅱ3煤层综采工作面参数优化数值模拟

2.1 建立数值模型

根据灵东煤矿Ⅱ3煤层的地质特征，以Ⅱ2-1煤层南翼一面和Ⅱ3煤层西二采区一面、二面为原型，建立FLAC3D数值模型，模型尺寸为长×宽×高=2 000 m×500 m×500 m，在数值模型前后和左右边界施加水平约束，底部边界固定，模型采用莫尔-库伦准则， 模型中各岩层的物理力学参数见表1。 由于模型高度已达到地表，因此无需在模型的上表面施加应力，可利用模型自重进行模拟试验。

图1 工作面位置图Fig.1 Working face position map

表1 岩层力学参数表Table 1 Parameters of rock mechanics

2.2 数值计算方案

本文以工作面长度、区段煤柱宽度、采高等3个因素为基础进行正交试验设计，其中每个因素选取4个水平，模拟不同因素组合下工作面覆岩的破坏情况，分析每个因素对工作面覆岩破坏的影响程度。结合矿井地质资料来选取每个因素的值和水平变化情况，本次试验采用L16(45)正交表，试验因素和试验水平的确定见表2，试验方案及结果见表3。

建立16个FLAC3D数值试验模型(表3)，其中模型中各岩层力学参数为定值，改变工作面长度、区段煤柱宽度、采高，其他条件相同，模拟完成后对各模型作“切片处理”，根据工作面上覆岩层塑性区分布图计算工作面在不同因素影响下导水裂缝带高度的变化情况。

表2 正交数值模拟试验因素水平Table 2 Orthogonal numerical simulation test factor level

表3 正交试验方案Table 3 Orthogonal test scheme

2.3 工作面顶板破坏高度分析

1) 开采Ⅱ2-1煤层南翼一面，工作面走向长度为1 368.2 m，通过模拟得到Ⅱ2-1煤层工作面顶底板塑性区分布如图2所示。根据专家的研究方法，确定以Ⅱ2-1煤层工作面上覆岩层塑性区分布高度作为Ⅱ2-1煤层工作面顶板岩层导水裂缝带高度，因此由模拟结果可知，Ⅱ2-1煤层工作面顶板岩层导水裂缝带高度为215 m。

2) 对Ⅱ3煤层根据方案12进行开采，研究不同方案下覆岩裂缝发育规律，图3为模型根据方案12进行开采后Ⅱ3煤层开采后顶底板塑性区图。如图3所示，开采Ⅱ3煤层后，Ⅱ2-1煤层工作面顶板岩层导水裂缝带高度不受采动影响而发生变化。Ⅱ3煤层工作面顶板岩层导水裂缝带高度为50 m。Ⅱ3煤层工作面未与Ⅱ2-1煤层采空区导通，中间完整岩层厚度为32 m。受Ⅱ3煤层开采的影响，Ⅱ3煤层区段煤柱两侧破坏范围为7 m，中间18 m的范围处于弹性状态。

图2 Ⅱ2-1煤层开采后顶底板塑性区图Fig.2 Plastic zone map of roof and floor after Ⅱ2-1 coal seam mining

图3 Ⅱ3煤层开采后顶底板塑性区图Fig.3 Plastic zone map of roof and floor after Ⅱ3 coal seam mining

2.4 正交试验结果分析

将16个正交试验方案中Ⅱ3煤层工作面顶板岩层导水裂缝带高度数据进行整理统计，正交试验结果见表4。

表4 正交试验结果Table 4 Orthogonal test results

2.4.1 试验结果极差分析

由表4试验统计结果进行分析计算，得出每个因素各个水平的均值和极差，Ⅱ3煤层工作面导水裂缝带高度极差分析见表5。

表5 导水裂缝带高度极差分析Table 5 Analysis of the height range of the waterconducting fracture zone

由表5可知，极差由大到小依次为：采高>工作面长度>区段煤柱宽度，根据极差栏数据推断出采高对导水裂缝带高度的影响最大，工作面长度影响次之，区段煤柱宽度对导水裂缝带高度的影响最小。各因素对导水裂缝带高度影响的曲线图如图4所示。

由图4可知，工作面长度、区段煤柱宽度和采高对Ⅱ3煤层工作面导水裂缝带高度都有不同程度的影响。工作面长度、区段煤柱宽度和采高对Ⅱ3煤层工作面导水裂缝带高度影响均呈基本的线性关系。其中，采高变化幅度最大，区段煤柱宽度变化幅度最小。采高从4 m增加到7 m，Ⅱ3煤层工作面导水裂缝带高度从36.75 m增大到61.75 m，增大了85%；区段煤柱宽度从25 m增加到40 m，Ⅱ3煤层工作面导水裂缝带高度从50.50 m减小到47.75 m，减少了约6.04%。

图4 各因素对导水裂缝带高度影响曲线图Fig.4 Curve of influence of various factors on the height of water-conducting fracture zone

2.4.2 试验结果方差分析

由于方差分析法可以把因素水平的改变所引起的试验水平的波动与由试验误差所引起的试验结果的波动进行比较，所以利用表5中的误差列1对试验结果进行方差分析，作为对极差分析的补充，分析结果见表6。

3个因素对Ⅱ3煤层工作面顶板破坏高度都有一定的影响，但显著程度不同。由表5可知，各个因素对Ⅱ3煤层工作面顶板破坏高度影响显著性次序依次为：采高>工作面长度>区段煤柱宽度。此试验结果方差分析与极差分析的结论一致，故可认为该结论具有科学性。由此可以确定采高是影响Ⅱ3煤层工作面顶板破坏高度的主控因素。

表6 导水裂缝带高度方差分析Table 6 Variance analysis of the height ofwater-conducting fracture zone

通过对Ⅱ3煤层工作面导水裂缝带高度进行极差分析和方差分析，结合各因素对导水裂缝带高度影响曲线，遵循煤矿安全高效生产的基本原则，选取方案12作为Ⅱ3煤层工作面合理尺寸组合，即工作面长度为250 m，区段煤柱宽度为25 m，采高为5 m。

3 覆岩岩性对导水裂缝带的影响

为研究煤层覆岩岩性对导水裂缝带的影响，根据确定的Ⅱ3煤层工作面合理尺寸组合，在原有数值模型的基础上，将各岩层岩性(物理力学参数)改为中硬类型，通过将该模拟结果与方案12模拟结果进行对比，体现出软弱岩层在模拟中的破坏程度。

3.1 物理力学参数确定(中硬岩性)

通过查阅相关文献[11]，得到模型中各岩层岩性改为中硬类型的物理力学参数见表7。

表7 岩层力学参数表(中硬类型)Table 7 Rock mechanics parameter table(medium hard type)

3.2 模拟结果对比分析

首先开采Ⅱ2-1煤层，通过模拟得到Ⅱ2-1煤层工作面中硬岩性顶板岩层导水裂缝带高度和范围，如图5所示。Ⅱ2-1煤层工作面顶板岩层导水裂缝带高度为245 m，比软弱岩性导水裂缝带高度增加13.9%。

开采Ⅱ3煤层后，Ⅱ2-1煤层工作面顶板岩层导水裂缝带高度不受采动影响而发生变化，如图6所示。Ⅱ3煤层工作面顶板岩层导水裂缝带高度为57 m，比软弱岩性导水裂缝带高度增加14%，Ⅱ3煤层工作面未与Ⅱ2-1煤层采空区导通，中间完整岩层厚度为28 m。受Ⅱ3煤层开采的影响，Ⅱ3煤层留设煤柱两侧破坏范围为5 m，中间15 m的范围处于弹性状态。

图5 Ⅱ2-1煤层开采后顶底板塑性区图Fig.5 Plastic zone map of roof and floor after Ⅱ2-1 coal seam mining

图6 Ⅱ3煤层开采后顶底板塑性区图Fig.6 Plastic zone map of roof and floor after Ⅱ3 coal seam mining

通过模拟结果对比分析可以看出，煤层工作面中硬岩性顶板岩层导水裂缝带高度比软弱岩性相对较大，说明中硬岩层抗采动破坏的能力较差，有利于采动裂隙的发育，故中硬岩层在模拟中的破坏程度与软弱岩层相比较大。

4 结 论

1) 本次模拟以工作面长度、区段煤柱宽度、采高3个因素为基础进行正交试验设计，根据模型中工作面上覆岩层塑性区分布图分析工作面顶板在不同因素影响下导水裂缝带高度的变化情况。

2) 通过对数值模拟结果进行极差分析和方差分析，得出各个因素对Ⅱ3煤层工作面顶板破坏高度影响程度次序为：采高>工作面长度>区段煤柱宽度。

3) 根据正交试验结果分析，并结合各因素对导水裂缝带高度影响曲线，遵循煤矿安全高效生产的基本原则，确定Ⅱ3煤层工作面合理尺寸组合为工作面长度为250 m，区段煤柱宽度为25 m，采高为5 m，即方案12。

4) 通过将中硬岩层在模拟中的破坏程度与软弱岩层对比分析，可以发现煤层工作面中硬岩性顶板岩层导水裂缝带高度比软弱岩性相对较大，说明中硬岩层抗采动破坏的能力较差，有利于采动裂隙的发育，进而体现出软弱岩层在模拟中的破坏程度。