大采高超長工作面底板破壞深度數值模擬分析

周 楊

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安710077）

近些年，隨著大采高超長工作面開采技術不斷發展，采煤工作面的采高和采長不斷加大。工作面搬家次數有所減少，巷道掘進、工作面回采銜接問題得到有效緩解，工作面單產能力越來越大，資源回收率也得到大幅提高。但是，大采高超長工作面也面臨著許多亟待解決的問題，從煤礦防治水角度出發，大采高超長工作面采后對頂、底板巖層破壞嚴重，擾動范圍增大，極易與含水體間形成導水通道，引發水害事故。特別是在華北型煤田[1-2]，煤系地層基底的奧陶系巨厚灰巖含水層和太原組薄層灰巖含水層威脅著礦井的安全生產。隨著淺部煤炭資源的枯竭、開采強度的加大、開采深度的延伸，來自底板承壓含水層的威脅日趨加劇。因此，大采高超長工作面采后底板破壞深度與采高、采寬和采深之間的相關關系問題有待研究。前人針對上述問題開展了一系列研究，研究方法手段多種多樣，如現場實測[3-4]、室內試驗、經驗公式和理論計算等等[5-10]，也有通過幾種方法相結合，相互印證，綜合判別從而得到底板破壞深度。以上各種方法手段各有利弊，現場實測優點是結果準確，指導性強，缺點是風險大，成本高，周期長；后3種方法由于受研究對象復雜性影響，考慮因素往往不夠全面，難以客觀實際的反應采場真實條件，又或是建立模型過于復雜，難以求解，從而導致成果在生產實踐應用中存在取值難、精度差等缺點。基于此，以寺河礦典型大采高超長工作面為工程背景，選取底板破壞深度中主控因素為研究對象，通過正交試驗、數值模擬、多元非線性回歸分析方法擬合，得出適合大采高超長工作面采場底板破壞深度預測模型，對研究區內及條件類似礦區大采高超長工作面底板破壞深度預測具有指導意義。

1 研究區概況

晉城礦區寺河礦開采石炭系山西組3#煤層。該煤層厚度 5.00～7.22 m，平均厚度 6.21 m，傾角約 4°。全區布置大采高超長回采工作面，工作面設計采寬300 m，采高6.00 m。采用長壁后退式一次采全高綜合機械化采煤法，全部垮落法管理頂板，掘進工作面采用連續采煤機、綜掘機掘進[11]。

2 底板破壞深度正交試驗

2.1 試驗方案

選取寺河礦西井區典型大采高超長工作面作為研究對象，將影響采后底板破壞深度的采寬、采高和采深作為主控因素，采用FLAC3D數值模擬軟件建立近水平大采高超長工作面三維數值模型進行模擬計算，分析不同采高、采深和采寬等3個主控因素對采場底板破壞深度的影響。正交試驗分別模擬采高為 4、5、6、7 m，采深為 300、400、500 m，采寬為 50、100、150、200、250、300 m 的不同工況條件下，采場底板破壞深度變化情況。具體試驗方案共計18個模型。模型結果以達到充分采動狀態下采場底板塑性區范圍大小作為底板擾動破壞深度值的判別依據[12-13]。模型各層物理力學參數見表1。

表1 模型各層物理力學參數

2.2 試驗結果

底板破壞深度正交試驗結果統計表見表2，不同采深、采高、采寬時底板擾動破壞深度擬合曲線如圖1。從表2和圖1可以看出，采場底板破壞深度隨采高、采深和采寬的增大而增加，但并非是線性關系。

表2 底板破壞深度正交試驗結果統計表

圖1 不同采深、采高、采寬時底板擾動破壞深度擬合曲線

從散點圖中可以看出，3個主控因素與底板破壞深度的非線性關系，利用Matlab對各因素進行非線性擬合，得到了圖1中虛線，進而選擇適合的擬合函數得到主控因素與底板破壞深度的數學關系式：

式中：h為底板破壞深度，m；H為工作面采深，m；W為工作面采長，m；M為工作面采高，m。

2.2.1 采深對底板破壞深度的影響

工作面不同采深底板擾動塑性區破壞情況如圖2。如圖 1（a）、式（1）和圖 2：底板破壞深度隨工作面采深增大呈現非線性對數分布形態，即工作面采深越大、底板采動破壞深度亦越大，反之亦然。

圖2 工作面不同采深底板擾動塑性區破壞情況

當工作面采深介于300～400 m時，底板采動破壞深度分別為 14.3、15.1、15.6 m，破壞范圍以回采巷道下部塑性滑移為主，破壞深度較大值主要集中在回采巷道兩側底板，破壞形式為剪切滑移破壞。由于受到覆巖垮落、壓實的影響，采空區中部底板破壞深度隨著覆巖壓力的增大而逐漸加深。

當工作面采深增大到400～500 m時，底板采動破壞深度分別為 15.6、16.2、16.7 m，破壞范圍除了在回采巷道兩側底板塑性滑移區域加深外，采動對底板巖層的破壞影響更多的發生在采空區中部，塑性滑移區面積在采空區中部不斷向深部、兩側擴大，但此范圍并未和巷道兩側塑性滑移區連成一體，在接近巷道附近時，出現應力降低區，該區底板破壞深度有所減小，而此種工況條件下的最大破壞深度不僅發生在巷道下方，而且發生在巷道采空區中部的塑性滑移區內，二者在剖面上大小基本一致。

2.2.2 采高對底板破壞深度的影響

工作面不同采高底板擾動塑性區破壞情況如圖3。如圖 1（b）、式（2）和圖 3：底板擾動破壞深度隨著工作面采高變化呈非線性對數變化規律，隨著工作面采高不斷增大、底板擾動破壞深度值不斷增大，但增加幅度較小。

當采高由4 m增高至5 m時，采高增加1 m底板采動破壞深度增大僅為0.2 m；當工作面采高由5 m增高至7 m時，隨采高每增高1 m、底板采動破壞深度值僅增大0.1 m，幅度變化較小。總體而言，大采高工作面的不同采高對底板擾動破壞深度影響程度較小，隨著采高每增大1 m，底板破壞變化幅度也僅為0.1～0.2 m。換言之，通過控制工作面采厚來減小其對底板巖層的破壞強度意義較小。

圖3 工作面不同采高底板擾動塑性區破壞情況

2.2.3 采寬對底板破壞深度的影響

工作面不同采寬底板擾動塑性區破壞情況如圖4。如圖 1（c）、式（3）和圖 4：底板破壞深度隨著工作面采寬增加具有非線性拋物線變化趨勢，即采寬增大、底板采動破壞深度隨之增大。

圖4 工作面不同采寬底板擾動塑性區破壞情況

當工作面開采寬度僅為50 m時，底板采動破壞深度也僅有 8.5 m；采寬為 100、150、200、250、300 m 時，采動破壞深度分別為 10.3、11.9、13.3、14.6、15.6 m，相比工作面采高對底板巖層的影響程度來說，采寬對其底板擾動破壞深度的影響更大。工作面開采寬度對其底板擾動破壞深度影響較顯著，即工作面采寬每增加50 m，底板破壞深度平均增加1.0～1.8 m，且增加幅度逐漸降低。由此可見，煤層開采寬度是影響底板破壞深度的重要因素之一。

3 非線性預測

3.1 預測公式

基于上述正交數值模擬試驗結果及相關分析，利用MATLAB軟件，采用多元非線性回歸分析方法，建立大采高超長工作面采長-采深-采高的底板破壞深度預測模型，得到多元非線性回歸擬合方程為：

3.2 公式檢驗

底板破壞深度實測值與擬合值對比表見表3。

由表3對比計算結果分析可知：采用擬合式（4）計算17對礦井工作面采后底板破壞深度，與各工作面實測值相比較，最大絕對誤差為10.72 m，最大相對誤差為33.00%；最小絕對誤差為-0.21 m，最小相對誤差為-1.17%。除邢東礦2121面擬合值偏差較大外，其余16組數據絕對誤差均小于3.8 m，精度相對較高，誤差較小，基本可以滿足工程需要。從而說明式（4）在大采高超長工作面底板破壞深度預測中具有可行性，該公式具有廣泛的應用前景。

表3 底板破壞深度實測值與擬合值對比表[14-15]

4 結論

1）采用FLAC3D對寺河西井區大采高超長工作面進行數值模擬研究，得到了采后底板塑性區分布特征，進而分析得出底板破壞深度和范圍。

2）對影響底板破壞深度的3個主控因素采深、采高、采寬進行分析，得出影響程度大小依次為采寬＞采深＞采高。

3）利用非線性回歸分析方法，給出大采高超長工作面底板破壞深度預測模型，結果檢驗該預測模型計算結果誤差小，適應性較好，對底板破壞深度預測具有重要作用。