大采高超长工作面底板破坏深度数值模拟分析

周 杨

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安710077）

近些年，随着大采高超长工作面开采技术不断发展，采煤工作面的采高和采长不断加大。工作面搬家次数有所减少，巷道掘进、工作面回采衔接问题得到有效缓解，工作面单产能力越来越大，资源回收率也得到大幅提高。但是，大采高超长工作面也面临着许多亟待解决的问题，从煤矿防治水角度出发，大采高超长工作面采后对顶、底板岩层破坏严重，扰动范围增大，极易与含水体间形成导水通道，引发水害事故。特别是在华北型煤田[1-2]，煤系地层基底的奥陶系巨厚灰岩含水层和太原组薄层灰岩含水层威胁着矿井的安全生产。随着浅部煤炭资源的枯竭、开采强度的加大、开采深度的延伸，来自底板承压含水层的威胁日趋加剧。因此，大采高超长工作面采后底板破坏深度与采高、采宽和采深之间的相关关系问题有待研究。前人针对上述问题开展了一系列研究，研究方法手段多种多样，如现场实测[3-4]、室内试验、经验公式和理论计算等等[5-10]，也有通过几种方法相结合，相互印证，综合判别从而得到底板破坏深度。以上各种方法手段各有利弊，现场实测优点是结果准确，指导性强，缺点是风险大，成本高，周期长；后3种方法由于受研究对象复杂性影响，考虑因素往往不够全面，难以客观实际的反应采场真实条件，又或是建立模型过于复杂，难以求解，从而导致成果在生产实践应用中存在取值难、精度差等缺点。基于此，以寺河矿典型大采高超长工作面为工程背景，选取底板破坏深度中主控因素为研究对象，通过正交试验、数值模拟、多元非线性回归分析方法拟合，得出适合大采高超长工作面采场底板破坏深度预测模型，对研究区内及条件类似矿区大采高超长工作面底板破坏深度预测具有指导意义。

1 研究区概况

晋城矿区寺河矿开采石炭系山西组3#煤层。该煤层厚度 5.00～7.22 m，平均厚度 6.21 m，倾角约 4°。全区布置大采高超长回采工作面，工作面设计采宽300 m，采高6.00 m。采用长壁后退式一次采全高综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板，掘进工作面采用连续采煤机、综掘机掘进[11]。

2 底板破坏深度正交试验

2.1 试验方案

选取寺河矿西井区典型大采高超长工作面作为研究对象，将影响采后底板破坏深度的采宽、采高和采深作为主控因素，采用FLAC3D数值模拟软件建立近水平大采高超长工作面三维数值模型进行模拟计算，分析不同采高、采深和采宽等3个主控因素对采场底板破坏深度的影响。正交试验分别模拟采高为 4、5、6、7 m，采深为 300、400、500 m，采宽为 50、100、150、200、250、300 m 的不同工况条件下，采场底板破坏深度变化情况。具体试验方案共计18个模型。模型结果以达到充分采动状态下采场底板塑性区范围大小作为底板扰动破坏深度值的判别依据[12-13]。模型各层物理力学参数见表1。

表1 模型各层物理力学参数

2.2 试验结果

底板破坏深度正交试验结果统计表见表2，不同采深、采高、采宽时底板扰动破坏深度拟合曲线如图1。从表2和图1可以看出，采场底板破坏深度随采高、采深和采宽的增大而增加，但并非是线性关系。

表2 底板破坏深度正交试验结果统计表

图1 不同采深、采高、采宽时底板扰动破坏深度拟合曲线

从散点图中可以看出，3个主控因素与底板破坏深度的非线性关系，利用Matlab对各因素进行非线性拟合，得到了图1中虚线，进而选择适合的拟合函数得到主控因素与底板破坏深度的数学关系式：

式中：h为底板破坏深度，m；H为工作面采深，m；W为工作面采长，m；M为工作面采高，m。

2.2.1 采深对底板破坏深度的影响

工作面不同采深底板扰动塑性区破坏情况如图2。如图 1（a）、式（1）和图 2：底板破坏深度随工作面采深增大呈现非线性对数分布形态，即工作面采深越大、底板采动破坏深度亦越大，反之亦然。

图2 工作面不同采深底板扰动塑性区破坏情况

当工作面采深介于300～400 m时，底板采动破坏深度分别为 14.3、15.1、15.6 m，破坏范围以回采巷道下部塑性滑移为主，破坏深度较大值主要集中在回采巷道两侧底板，破坏形式为剪切滑移破坏。由于受到覆岩垮落、压实的影响，采空区中部底板破坏深度随着覆岩压力的增大而逐渐加深。

当工作面采深增大到400～500 m时，底板采动破坏深度分别为 15.6、16.2、16.7 m，破坏范围除了在回采巷道两侧底板塑性滑移区域加深外，采动对底板岩层的破坏影响更多的发生在采空区中部，塑性滑移区面积在采空区中部不断向深部、两侧扩大，但此范围并未和巷道两侧塑性滑移区连成一体，在接近巷道附近时，出现应力降低区，该区底板破坏深度有所减小，而此种工况条件下的最大破坏深度不仅发生在巷道下方，而且发生在巷道采空区中部的塑性滑移区内，二者在剖面上大小基本一致。

2.2.2 采高对底板破坏深度的影响

工作面不同采高底板扰动塑性区破坏情况如图3。如图 1（b）、式（2）和图 3：底板扰动破坏深度随着工作面采高变化呈非线性对数变化规律，随着工作面采高不断增大、底板扰动破坏深度值不断增大，但增加幅度较小。

当采高由4 m增高至5 m时，采高增加1 m底板采动破坏深度增大仅为0.2 m；当工作面采高由5 m增高至7 m时，随采高每增高1 m、底板采动破坏深度值仅增大0.1 m，幅度变化较小。总体而言，大采高工作面的不同采高对底板扰动破坏深度影响程度较小，随着采高每增大1 m，底板破坏变化幅度也仅为0.1～0.2 m。换言之，通过控制工作面采厚来减小其对底板岩层的破坏强度意义较小。

图3 工作面不同采高底板扰动塑性区破坏情况

2.2.3 采宽对底板破坏深度的影响

工作面不同采宽底板扰动塑性区破坏情况如图4。如图 1（c）、式（3）和图 4：底板破坏深度随着工作面采宽增加具有非线性抛物线变化趋势，即采宽增大、底板采动破坏深度随之增大。

图4 工作面不同采宽底板扰动塑性区破坏情况

当工作面开采宽度仅为50 m时，底板采动破坏深度也仅有 8.5 m；采宽为 100、150、200、250、300 m 时，采动破坏深度分别为 10.3、11.9、13.3、14.6、15.6 m，相比工作面采高对底板岩层的影响程度来说，采宽对其底板扰动破坏深度的影响更大。工作面开采宽度对其底板扰动破坏深度影响较显著，即工作面采宽每增加50 m，底板破坏深度平均增加1.0～1.8 m，且增加幅度逐渐降低。由此可见，煤层开采宽度是影响底板破坏深度的重要因素之一。

3 非线性预测

3.1 预测公式

基于上述正交数值模拟试验结果及相关分析，利用MATLAB软件，采用多元非线性回归分析方法，建立大采高超长工作面采长-采深-采高的底板破坏深度预测模型，得到多元非线性回归拟合方程为：

3.2 公式检验

底板破坏深度实测值与拟合值对比表见表3。

由表3对比计算结果分析可知：采用拟合式（4）计算17对矿井工作面采后底板破坏深度，与各工作面实测值相比较，最大绝对误差为10.72 m，最大相对误差为33.00%；最小绝对误差为-0.21 m，最小相对误差为-1.17%。除邢东矿2121面拟合值偏差较大外，其余16组数据绝对误差均小于3.8 m，精度相对较高，误差较小，基本可以满足工程需要。从而说明式（4）在大采高超长工作面底板破坏深度预测中具有可行性，该公式具有广泛的应用前景。

表3 底板破坏深度实测值与拟合值对比表[14-15]

4 结论

1）采用FLAC3D对寺河西井区大采高超长工作面进行数值模拟研究，得到了采后底板塑性区分布特征，进而分析得出底板破坏深度和范围。

2）对影响底板破坏深度的3个主控因素采深、采高、采宽进行分析，得出影响程度大小依次为采宽＞采深＞采高。

3）利用非线性回归分析方法，给出大采高超长工作面底板破坏深度预测模型，结果检验该预测模型计算结果误差小，适应性较好，对底板破坏深度预测具有重要作用。