井慶賀，張洪清，郝嘉偉，閆壽慶

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

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

影響導(dǎo)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(xué)性質(zhì)、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(jié)合數(shù)值模擬等方法，分析了采高、工作面斜長、巖層結(jié)構(gòu)、頂板抗壓強(qiáng)度、采深等因素對導(dǎo)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(jié)構(gòu)等多種項指標(biāo)作為導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)測的特征指標(biāo)，建立了基于因子分析的APSO-LSSVM導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)測模型。李濤等[4]利用聲波測井等手段研究了采煤影響導(dǎo)水裂縫帶的關(guān)鍵因素，分析得出導(dǎo)水裂縫帶高度約為采高27倍的結(jié)論。張峰等[5]根據(jù)大平礦綜放工作面開采的導(dǎo)高實測數(shù)據(jù)，運用正交試驗法對不同影響因素組合下的工作面進(jìn)行導(dǎo)高的數(shù)值模擬分析，利用MATLAB軟件進(jìn)行回歸擬合，構(gòu)建特厚煤層綜放工作面導(dǎo)高的預(yù)計模型，并對各影響因素的顯著性進(jìn)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(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的影響因素進(jìn)行逐步回歸分析，確定在中硬覆巖綜放開采條件下煤礦導(dǎo)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(jìn)速度對導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的影響，揭示了曹家灘煤礦導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育規(guī)律。施龍青等[8]通過GRA法分析了導(dǎo)水裂縫帶與采高、硬巖巖性比例系數(shù)、工作面斜長、推進(jìn)速度和采深等影響因素的關(guān)聯(lián)程度并進(jìn)行了排序，結(jié)果為：采深>采高>斜長>推進(jìn)速度>硬巖巖性比例系數(shù)。胡小娟等[9]以39例綜采導(dǎo)水裂縫帶實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用多元回歸分析，得到綜采導(dǎo)水裂縫帶高度與煤層采高、硬巖巖性系數(shù)、工作面斜長、采深、開采推進(jìn)速度多因素之間的非線性統(tǒng)計關(guān)系式，并用于淮南謝橋礦首采面的導(dǎo)水裂縫帶高度預(yù)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(jié)構(gòu)、頂板巖石單軸抗壓強(qiáng)度、開采厚度和采空區(qū)斜長作為預(yù)測導(dǎo)水裂縫帶高度的影響因素進(jìn)行測試，結(jié)果表明，煤層厚度對導(dǎo)水裂縫帶高度的影響最大，采深和開采厚度對導(dǎo)水裂縫帶高度的影響較小，其余各因素對導(dǎo)水裂縫帶高度的影響較大。雖然國內(nèi)外學(xué)者對導(dǎo)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(jìn)展，但是對軟巖礦區(qū)采空區(qū)下綜采工作面導(dǎo)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(chǔ)進(jìn)行正交試驗設(shè)計，通過FLAC3D數(shù)值軟件模擬不同因素組合下工作面頂?shù)装逅苄詤^(qū)的發(fā)育情況，分析每個因素對工作面頂?shù)装逅苄詤^(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?shù)装鍘r性以砂質(zhì)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(jī)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(yù)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(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬

2.1 建立數(shù)值模型

根據(jù)靈東煤礦Ⅱ3煤層的地質(zhì)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(shù)值模型，模型尺寸為長×寬×高=2 000 m×500 m×500 m，在數(shù)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(zhǔn)則， 模型中各巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。 由于模型高度已達(dá)到地表，因此無需在模型的上表面施加應(yīng)力，可利用模型自重進(jìn)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(xué)參數(shù)表Table 1 Parameters of rock mechanics

2.2 數(shù)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(chǔ)進(jìn)行正交試驗設(shè)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(jié)合礦井地質(zhì)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(jié)果見表3。

建立16個FLAC3D數(shù)值試驗?zāi)Ｐ?表3)，其中模型中各巖層力學(xué)參數(shù)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(jù)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(dǎo)水裂縫帶高度的變化情況。

表2 正交數(shù)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?shù)装逅苄詤^(qū)分布如圖2所示。根據(jù)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(dǎo)水裂縫帶高度，因此由模擬結(jié)果可知，Ⅱ2-1煤層工作面頂板巖層導(dǎo)水裂縫帶高度為215 m。

2) 對Ⅱ3煤層根據(jù)方案12進(jìn)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(jù)方案12進(jìn)行開采后Ⅱ3煤層開采后頂?shù)装逅苄詤^(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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(cè)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?shù)装逅苄詤^(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?shù)装逅苄詤^(qū)圖Fig.3 Plastic zone map of roof and floor after Ⅱ3 coal seam mining

2.4 正交試驗結(jié)果分析

將16個正交試驗方案中Ⅱ3煤層工作面頂板巖層導(dǎo)水裂縫帶高度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計，正交試驗結(jié)果見表4。

表4 正交試驗結(jié)果Table 4 Orthogonal test results

2.4.1 試驗結(jié)果極差分析

由表4試驗統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)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(dǎo)水裂縫帶高度極差分析見表5。

表5 導(dǎo)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(jù)極差欄數(shù)據(jù)推斷出采高對導(dǎo)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(dǎo)水裂縫帶高度的影響最小。各因素對導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)水裂縫帶高度影響均呈基本的線性關(guān)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(jié)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(jié)果的波動進(jìn)行比較，所以利用表5中的誤差列1對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，作為對極差分析的補(bǔ)充，分析結(jié)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(jié)果方差分析與極差分析的結(jié)論一致，故可認(rèn)為該結(jié)論具有科學(xué)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(dǎo)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(dǎo)水裂縫帶高度進(jìn)行極差分析和方差分析，結(jié)合各因素對導(dǎo)水裂縫帶高度影響曲線，遵循煤礦安全高效生產(chǎn)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(dǎo)水裂縫帶的影響

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

3.1 物理力學(xué)參數(shù)確定(中硬巖性)

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[11]，得到模型中各巖層巖性改為中硬類型的物理力學(xué)參數(shù)見表7。

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

3.2 模擬結(jié)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(dǎo)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(dǎo)水裂縫帶高度為245 m，比軟弱巖性導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)水裂縫帶高度為57 m，比軟弱巖性導(dǎo)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(dǎo)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(shè)煤柱兩側(cè)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?shù)装逅苄詤^(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?shù)装逅苄詤^(qū)圖Fig.6 Plastic zone map of roof and floor after Ⅱ3 coal seam mining

通過模擬結(jié)果對比分析可以看出，煤層工作面中硬巖性頂板巖層導(dǎo)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(jié) 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(chǔ)進(jìn)行正交試驗設(shè)計，根據(jù)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(dǎo)水裂縫帶高度的變化情況。

2) 通過對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)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(jù)正交試驗結(jié)果分析，并結(jié)合各因素對導(dǎo)水裂縫帶高度影響曲線，遵循煤礦安全高效生產(chǎn)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(xiàn)煤層工作面中硬巖性頂板巖層導(dǎo)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(jìn)而體現(xiàn)出軟弱巖層在模擬中的破壞程度。