多因素協(xié)同作用淺埋深薄基巖覆巖活動(dòng)研究*

高云瑞，劉長武，康亞明，黃常玲，盧邦穩(wěn)

（1. 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；2. 四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；3. 北方民族大學(xué) 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

多因素協(xié)同作用淺埋深薄基巖覆巖活動(dòng)研究*

高云瑞1,2，劉長武1,2，康亞明3，黃常玲1,2，盧邦穩(wěn)1,2

（1. 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；2. 四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；3. 北方民族大學(xué) 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

根據(jù)淺埋深薄基巖煤層賦存特點(diǎn)，采用Flac3D數(shù)值模擬方法進(jìn)行正交試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了松散層厚度、基巖厚度、采高和推進(jìn)速度對(duì)淺埋深薄基巖厚松散層巖層活動(dòng)的影響，確定了各因素對(duì)巖層活動(dòng)影響的重要性。結(jié)果表明：各因素對(duì)巖層活動(dòng)影響的重要性從巖層活動(dòng)的不同指標(biāo)來看是不一樣的。針對(duì)初次來壓，基巖厚度為主要影響因素；對(duì)于周期來壓，松散層厚度為主要影響因素；采高為地表位移的主要影響因素；綜合來看，對(duì)于淺埋深薄基巖厚松散層采場(chǎng)巖層活動(dòng)影響的因素由主到次依次為基巖厚度→松散層厚度→采高→推進(jìn)速度。

淺埋深；薄基巖；厚松散層；多因素；巖層活動(dòng)規(guī)律；正交試驗(yàn)

1 引言

我國西部煤炭資源豐富，大多埋深在150m以內(nèi)，賦存特點(diǎn)為埋深淺、基巖薄，最典型的當(dāng)屬神東礦區(qū)［1］。神東礦區(qū)開采實(shí)踐表明［2］，淺埋薄基巖煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與普通長壁工作面明顯不同，淺埋深煤層并不一定礦壓就小，相反開采過程中礦壓顯現(xiàn)劇烈，普遍出現(xiàn)臺(tái)階下沉現(xiàn)象，容易壓毀支架［3］。黃慶享等［5］在大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室相似模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得出淺埋深煤層的礦壓特征，根據(jù)埋深、基載比Jz、關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)特征以及采場(chǎng)來壓時(shí)頂板破壞動(dòng)載特征給出了淺埋煤層的定義［6］。單因素［7］對(duì)淺埋深煤層頂板活動(dòng)規(guī)律的研究較多，但對(duì)松散層厚度、基巖厚度、采高和推進(jìn)速度等多因素之間的協(xié)同作用對(duì)淺埋深薄基巖礦壓顯現(xiàn)規(guī)律影響的研究較少。本文采用Flac3D數(shù)值模擬方法進(jìn)行正交試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了松散層厚度、基巖厚度、采高和推進(jìn)速度綜合作用對(duì)淺埋深薄基巖厚松散層巖層活動(dòng)的影響。確定了各因素對(duì)巖層活動(dòng)影響的重要性。

2 覆巖活動(dòng)規(guī)律影響因素正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)［2］

2.1 確定影響因素及各因素的水平

淺埋深薄基巖厚松散層采場(chǎng)覆巖活動(dòng)的影響因素很多［13］，考慮全部因素進(jìn)行分析是很困難的。以初次來壓步距、周期來壓步距和地表下沉量為巖層移動(dòng)的主要指標(biāo)，根據(jù)淺埋深薄基巖煤層埋深淺、基巖薄、上覆松散層厚、采高較大以及開采過程中機(jī)械化程度高的特點(diǎn)，結(jié)合神東礦區(qū)淺埋深薄基巖煤層的具體情況，選取采高、基巖厚度、松散層厚度和推進(jìn)速度四個(gè)因素進(jìn)行分析，每個(gè)因素劃分為3個(gè)平，具體因素和水平劃分如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平表

2.2 正交表的選擇

試驗(yàn)屬于典型的多因素多水平實(shí)驗(yàn)，根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表，采用四因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 多因素協(xié)同作用下試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

按式（2-1）計(jì)算：

式中：Tij為該因素在第j個(gè)水平所做的ni次試驗(yàn)結(jié)果之和，ni為第i列所安排因素的水平重復(fù)次數(shù)。

ni按式（2-2）計(jì)算：

式中：nj為第J列所安排的因素的水平數(shù)，N為正交表的行數(shù)即試驗(yàn)次數(shù)

R為極差按式（2-3）計(jì)算：

式中：Kimax為某因素的水平的平均值的最大值，Kimin某因素的水平的平均值的最小值。

3 模擬試驗(yàn)結(jié)果及其分析

神東礦區(qū)1-2#煤層傾角較小，埋深105m，煤層厚5m，基巖是厚度20m左右的細(xì)粒砂巖、中粒砂巖和粗砂巖互層?；鶐r之上為厚度達(dá)80m的風(fēng)積沙和砂礫石，屬典型的淺埋深薄基巖煤層。工作面長度為220m。

3.1 正交試驗(yàn)成果

模型的建立主要結(jié)合神東礦區(qū)1-2#煤層的賦存條件。地層結(jié)構(gòu)及其主要物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

長壁工作面條件下，采用如圖1所示的平面模型，各層模型在工作面推進(jìn)方向劃分為5m，垂直方向網(wǎng)格尺寸底板劃分為4m，煤層劃分為5m，基巖層劃分為5m，上覆松散層為15m。模型長為300m，在模型長度方向80m位置處做切眼，從切眼位置向右推進(jìn)。圍巖本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb模型。

圖1 數(shù)值計(jì)算力學(xué)模型圖

將各條件下模擬分析所得地表最大位移、初次來壓和周期來壓數(shù)據(jù)歸納整理，模擬結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果表

3.2 初次來壓步距結(jié)果及分析

圖2為試驗(yàn)4（推進(jìn)速度10m/d、基巖厚度20m、采高5m、松散層厚度80m）初次來壓步距模擬結(jié)果。

圖2 試驗(yàn)4初次來壓（L=15m）

各因素各水平對(duì)初次來壓步距的影響如表5所示。

表5 初次來壓步距表

將各因素各水平對(duì)初次來壓的影響繪制成影響趨勢(shì)圖，折線升降幅度越大，影響越主要，如圖3所示。

圖3 各因素各水平對(duì)初次來壓的影響趨勢(shì)圖

由圖3可以看出，B因素升降幅度最大，則B（基巖厚度）為最主要影響因素，D（松散層厚度）的升降幅度其次，A（推進(jìn)速度）的最小，因此各因素對(duì)初次來壓的影響程度從主到次依次為：B→D→C→A。

3.3 周期來壓步距結(jié)果

圖4為試驗(yàn)5（推進(jìn)速度10m/d、基巖厚度40m、采高8m、松散層厚度40m）周期來壓步距模擬結(jié)果。

圖4 試驗(yàn)5周期來壓（L=20m）

各因素各水平對(duì)周期來壓步距的影響如表6所示。

表6 周期來壓步距表

將各因素各水平對(duì)周期來壓的影響繪制成影響趨勢(shì)圖，如圖5所示。

圖5 各因素各水平對(duì)周期來壓的影響趨勢(shì)圖

通過圖5可以看出，D因素升降幅度最大，則D（松散層厚度）為最主要影響因素，B（基巖厚度）的升降幅度其次，A（推進(jìn)速度）的最小，因此各因素對(duì)周期來壓的影響程度從主到次依次為：D→B→C→A。

3.4 地表最大下沉位移試驗(yàn)結(jié)果

按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表，計(jì)算各個(gè)試驗(yàn)地表最大下沉位移曲線，圖6為試驗(yàn)6（推進(jìn)速度10m/d、基巖厚度60m、采高2m、松散層厚度60m）地表最大下沉位移模擬結(jié)果。

圖6 試驗(yàn)6地表最大下沉曲線

各因素各水平對(duì)地表最大位移的影響如表7所示。

表7 地表最大位移表

將各因素各水平對(duì)地表最大位移的影響繪制成影響趨勢(shì)圖，如圖7所示。

圖7 各因素各水平對(duì)地表最大位移影響趨勢(shì)圖

通過圖7可以看出，C因素升降幅度最大，則C（采高）為最主要影響因素，B（基巖厚度）的升降幅度其次，A（推進(jìn)速度）的最小，因此各因素對(duì)地表位移的影響程度從主到次依次為：C→B→D→A。

由以上分析可以看出，巖層移動(dòng)的不同指標(biāo)主要影響因素不相同，對(duì)地表位移分析由主到次為C→B→D→A；對(duì)周期來壓分析由主到次依次為D→B→C→A；從對(duì)初次來壓分析由主到次依次為B→D→C→A。但是在對(duì)周期來壓的影響方面由于B因素和D因素極差相差不大，因此可以將B因素和D因素相互交換位置，即對(duì)周期來壓影響由主到次依次為B→D→C→A，這樣將三個(gè)方面綜合考慮，對(duì)淺埋深薄基巖厚松散層煤層巖層活動(dòng)影響因素由主到次依次為B→D→C→A，即基巖厚度→松散層厚度→采高→推進(jìn)速度。

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬研究了多因素共同作用對(duì)淺埋深薄基巖巖層活動(dòng)的影響，得到如下結(jié)論：

（1）各因素對(duì)巖層活的影響從不同指標(biāo)來看也是不同的。對(duì)初次來壓影響依次為：基巖厚度→松散層厚度→采高→推進(jìn)速度；對(duì)周期來壓的影響依次為：松散層厚度→基巖厚度→采高→推進(jìn)速度；對(duì)地表位移影響由主到次為：采高→基巖厚度→松散層厚度→推進(jìn)速度。

（2）三個(gè)指標(biāo)綜合考慮，對(duì)淺埋深薄基巖厚松散層巖層活動(dòng)的影響有主到此為：基巖厚度→松散層厚度→采高→推進(jìn)速度。

［1］杜潤泉. 神府煤田開發(fā)建設(shè)研究[M]. 西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社, 1996, 3-5.

［2］黃慶享. 淺埋煤層長壁開采頂板結(jié)構(gòu)及巖層控制研究[M]. 徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 2000, 24-53.

［3］張世青, 趙健健, 劉金凱, 等. 淺埋深薄基巖中厚煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[J]. 煤礦安全, 2014, 192-197.

［4］楊治林. 淺埋煤層長壁開采頂板巖層的不穩(wěn)定性態(tài)[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2008, 30(12):1341-1345.

［5］黃慶享, 石平五, 錢鳴高. 淺埋煤層長壁開采的礦壓特征[C]. 中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)第五次學(xué)術(shù)大會(huì)論文集, 1998.

［6］黃慶享. 淺埋煤層的礦壓特征與淺埋煤層定義[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2002, 21(8):1174-1177.

［7］李艷君, 楊維帥, 許力峰. 淺埋深薄基巖工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J]. 煤礦開采, 2012, 11(3):86-88.

［8］張建華, 宋選民, 付玉平. 薄基巖淺埋煤層綜采工作面礦壓規(guī)律及圍巖控制研究[J]. 煤炭技術(shù), 2011, 30(11):75-77.

［9］宣以瓊. 薄基巖淺埋煤層覆巖破壞移動(dòng)演化規(guī)律研究[J]. 巖土力學(xué), 2008, 29(2):511-515.

［10］劉純貴. 馬脊梁煤礦淺埋煤層開采覆巖活動(dòng)規(guī)律的相似模擬[J].煤炭學(xué)報(bào), 2011, 36(1):7-11.

［11］高登云, 高登彥. 大柳塔煤礦薄基巖淺埋煤層工作面礦壓規(guī)律研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2011, 39(12):20-22. 2011.36(1):7-11.

［12］方開泰, 馬長興. 正交與均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)[M]. 北京：科學(xué)出版社, 2001.

［13］黃慶享. 淺埋煤層長壁開采頂板結(jié)構(gòu)及巖層控制研究[M]. 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 2000.

Study on the Movement of Overlying Strata in Shallow Depth of Burial and Thin Bedrock Under Multi-factor Synergism

GAO Yun-rui1,2, LIU Chang-wu1,2, KANG Ya-ming3, HUANG Chang-ling1,2, LU Bang-wen1,2
（1. State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan, China；2. College of Water Resource and Hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan, China; 3. School of Chemistry and Chemical Engineering, Beifang University of Nationalities, Yinchuan 750021, Ningxia, China）

Based on special occurrence characteristic of shallow depth of burial and thin bedrock coal seam，through the orthogonal test designed by the FLAC3D numerical simulations systematically analyzes the influence of multi-factor ( bedrock thickness, loose bed thickness, mining height and advancing speed ) synergism on the movement behavior of overlying strata in shallow depth of burial and thin bedrock; The primary and secondary factors are obtained, which influences shallow thin bedrock face roof strata moving. Results show that from the different index of strata movement, the importance of the factors that affect strata movement is not the same. From the perspective of initial pressure, bedrock thickness is the main factors affecting; From the respect of periodic weighting, loose bed thickness is the main factors affecting; while from the aspect of the surface displacement, mining height is the main factors affecting; Taken together, the influence factors from main to secondary are bedrock thickness, loose bed thickness, mining height and advancing speed.

shallow mining depth；thin bedrock；thick loose bed；multi-factor；movement behavior of overlying strata；orthogonal test

TD163+.1

A

1009-3842（2015）05-0012-05

2015-07-23

*基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目（2010CB226802）；國家自然科學(xué)基金煤炭聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51134018）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51369001）

高云瑞（1990-），男，寧夏吳忠人，碩士研究生，主要從事地下工程研究。E-mail:gaoyunrui640302@163.com