楊計先

(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 漳村煤礦，山西 長治 047100)

沿空留巷是在采空區(qū)邊緣“低壓區(qū)”，利用人工建造的充填體支撐頂板，將上工作面一條平巷保留，供下一工作面使用，做到少掘巷道，縮短接替面準備時間，實現(xiàn)無煤柱回采[1-5]。此外沿空留巷可以實現(xiàn)接替面Y型通風(fēng)，解決回風(fēng)隅角瓦斯積聚問題。針對綜放面沿空留巷，國內(nèi)外學(xué)者通過理論分析、相似模擬實驗、數(shù)值模擬等方法進行了大量研究[6-12]。

郭育光[13]等通過現(xiàn)場觀測，分析了巷旁充填體作用機理，推導(dǎo)出充填體的初期支護阻力、切頂阻力及后期支護阻力公式；張東升[14]等通過相似模擬實驗，研究了基本頂破斷規(guī)律、圍巖變形特征，為充填體參數(shù)設(shè)計提供依據(jù)；馬立強[15]等通過推導(dǎo)公式，研究了充填體-圍巖相互作用機制，并提出綜放巷內(nèi)充填原位沿空留巷新技術(shù)；李化敏[16]研究了沿空留巷頂板圍巖運動的過程及變形特征，提出了充填體支護阻力和合理壓縮量的數(shù)學(xué)模型；陳勇[17]等建立了沿空留巷上覆巖層結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，利用數(shù)值模擬分析了不同巷旁支護體寬度時的沿空留巷維護效果。

早期綜放面沿空留巷技術(shù)針對充填體支護阻力、寬度等參數(shù)研究較多，主要是將充填體假設(shè)為獨立的存在，并未綜合考慮留巷寬度、留巷支護強度、頂板強度等因素對沿空留巷空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。近年來，大量學(xué)者開始針對綜放面沿空留巷空間結(jié)構(gòu)影響因素進行廣泛研究。張農(nóng)[18]等分析了沿空留巷圍巖區(qū)域應(yīng)力分布特征，提出了整體強化沿空留巷結(jié)構(gòu)控制原理；王衛(wèi)軍[19]等通過建立公式，研究了頂板下沉量與支護阻力、頂煤厚度、頂煤彈性模量、巷道寬度之間的關(guān)系；盧小雨[20]等通過推導(dǎo)公式，研究綜放面沿空留巷頂板下沉量與巷內(nèi)支護阻力、巷旁支護阻力、直接頂厚度、充填體寬度、巷道寬度之間的關(guān)系；李勝[21]等分析了綜放面沿空留巷直接頂強度、煤體強度、巷旁支護體強度、巷內(nèi)支護阻力、關(guān)鍵塊給定載荷、直接頂容重、頂煤容重、關(guān)鍵快破斷位置、巷旁支護體寬度、巷道寬度、直接頂厚度、采高和頂煤厚度等因素對頂板下沉量的影響，并推導(dǎo)了頂板下沉量的公式；張培森[22]等通過數(shù)值模擬，研究了傾斜煤層綜放面煤層剛度、充填體強度、煤層埋深對沿空留巷圍巖位移和應(yīng)力的影響。

上述研究雖然研究了不同因素對綜放面沿空留巷空間結(jié)構(gòu)的影響，但并未研究實際礦井條件下，如頂板強度、厚度等無法改變時，留巷空間“小”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性人為可控關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化。沿空留巷空間“小”結(jié)構(gòu)指留巷周圍錨桿組合支護、錨桿與圍巖組成的錨固體以及充填體組成的結(jié)構(gòu)空間。基于此，利用數(shù)值模擬、極差分析及灰色關(guān)聯(lián)度等方法，詳細分析了沿空留巷充填體寬度、充填體強度、留巷寬度、采高及巷內(nèi)支護強度等5個人為可控因素對留巷空間“小”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，提出了沿空留巷空間“小”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制關(guān)鍵方法，并以潞安漳村礦2308工作面為算例，詳細分析了留巷充填體寬度、充填體強度、留巷寬度、采高及巷內(nèi)支護強度等5個人為可控因素對留巷空間“小”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響程度，為工作面沿空留巷設(shè)計提供依據(jù)。

1 留巷空間“小”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性關(guān)鍵參數(shù)控制

沿空留巷空間“小”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性關(guān)鍵參數(shù)控制，如圖1所示。主要分為四個層面：①指標層，以頂板下沉量、兩幫移近量、充填體最大應(yīng)力參數(shù)作為沿空留巷效果評價指標；②因素層，研究充填體寬度、留巷寬度、采高、留巷頂板支護強度、充填體強度對留巷效果的影響；③方法層，利用數(shù)值模擬、極差分析、灰色關(guān)聯(lián)度分析等方法，分析各因素對評價指標影響程度，確立沿空留巷空間“小”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制關(guān)鍵參數(shù)；④結(jié)果層，通過留巷空間“小”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制關(guān)鍵參數(shù)，指導(dǎo)沿空留巷方案設(shè)計，并對留巷效果進行評價。

圖1 沿空留巷“小”空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制

2 工程背景

漳村煤礦2308工作面地面標高+922～+964m，井下標高為+532～+592m，工作面寬度為238m，工作面設(shè)計推進長度400m。2308工作面所在煤層平均厚度為6.37m，煤層層理明顯，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，煤層傾角1°～4°，普氏硬度f=0.9，容重為1.35t/m3。工作面瓦斯相對涌出量為6.2m3/t，煤塵具有爆炸性，不易自燃。2308工作面區(qū)域的煤層地質(zhì)柱狀如圖2所示。

圖2 2308工作面區(qū)域煤層地質(zhì)柱狀

3 試驗設(shè)計

3.1 模型變量參數(shù)選擇

文獻[23]研究表明，當(dāng)巷內(nèi)支護阻力、直接頂彈性模量、巷旁支護體彈性模量和巷旁充填體寬度越大時，沿空留巷空間變形量越小，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定；相反，當(dāng)基本頂給定載荷、頂煤彈性模量、巷道寬度和關(guān)鍵塊破斷位置越大時，沿空留巷空間變形量越大，結(jié)構(gòu)越容易失穩(wěn)。為了使得沿空留巷空間變形量小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，應(yīng)當(dāng)增加巷道頂板支護阻力，提高直接頂強度，增加充填體的寬度和強度，同時降低留巷上覆巖層的應(yīng)力，減小頂煤的強度，縮小留巷的寬度，縮減關(guān)鍵塊破斷處離巷道的距離。

但是考慮到以上8個因素中，部分因素(如留巷上覆巖層的應(yīng)力、關(guān)鍵塊破斷位置等)的改變會大大增加沿空留巷成本，因此本文中選取充填體寬度、留巷寬度、采高、留巷頂板支護強度和充填體強度等人為可控的小成本因素作為模型變量參數(shù)研究，實現(xiàn)留巷成本與留巷空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性協(xié)調(diào)。

3.2 模型變量參數(shù)正交設(shè)計

綜上分析，設(shè)計L16(45)型正交試驗。用字母A，B，C，D，E分別代表充填體寬度、留巷寬度、采高、留巷頂板支護強度和充填體強度；用下標1，2，3，4分別代表各個因素的水平。

4 基于FLAC3D分析結(jié)果

4.1 模型參數(shù)

根據(jù)漳村煤礦3號煤層具體地質(zhì)條件，采用FLAC3D模擬軟件建立數(shù)值模型，工作面巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。模型尺寸為500m×360m×50m。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件，模型上部邊界施加相應(yīng)條件的垂直應(yīng)力，四周及下部邊界固定；模擬采用基于彈塑性理論的摩爾-庫侖準則。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

4.2 模型變量取值

根據(jù)實際情況，選取充填體寬度、留巷寬度、采高、留巷頂板支護強度和充填體強度5個沿空留巷空間“小”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性關(guān)鍵參數(shù)的合理取值范圍，見表2。

表2 模型關(guān)鍵參數(shù)取值

4.3 試驗結(jié)果分析

參照正交設(shè)計表，在FLAC3D中建立16組計算模型，運行計算后，依次提取16組模型巷道頂?shù)装逑鲁亮俊蓭鸵平亢统涮铙w所受最大應(yīng)力，整理后得到結(jié)果。

4.3.1 極差分析

對得到的數(shù)據(jù)進行處理，求得所列各因素在各指標下的極差，見表3。

表3 極差分析

通過極差分析可知，對于頂板下沉量，其因素影響程度大小為：充填體寬度>留巷寬度>采高>充填體強度>留巷頂板支護強度；對于兩幫移近量，其因素影響程度大小為：留巷寬度>充填體寬度>采高>充填體強度>留巷頂板支護強度；對于充填體最大應(yīng)力，其因素影響程度大小為：充填體寬度>留巷寬度>采高>留巷頂板支護強度>充填體強度。對充填體寬度、留巷寬度、采高、留巷頂板支護強度和充填體強度5個因素進行分析處理得到各因素對沿空留巷空間“小”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響因素的靈敏度，如圖3所示。

4.3.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析

由上述極差分析可知，各個因素對各個評價指標的影響結(jié)果并不一致，只能分析出單個指標下哪個因素的影響最大，不能得出幾個指標同時考慮時結(jié)構(gòu)的最佳因素搭配水平，因此進行灰色關(guān)聯(lián)度分析，考慮組合權(quán)重，求出最佳的因素水平。關(guān)聯(lián)度的計算按照下述公式求解。

1)將評價指標的結(jié)果矩陣化，矩陣公式如：

式中，m為評價指標個數(shù)；n為試驗方案個數(shù)。

2)按照均值法，各評價指標進行歸一化處理：

式中，i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。

3)設(shè)置參考指標矩陣，構(gòu)建理想的參考指標矩陣(通常為各指標中的最大值)，記為：

4)關(guān)聯(lián)系數(shù)。將理想方案作為參考序列，各個評價指標值作為比較序列，按式(4)求得各指標對應(yīng)的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

整理后見表4。

5)權(quán)重計算。結(jié)合文獻[24]的計算方法，按照熵值法計算求得各指標的客觀賦值權(quán)重。

表4 指標層的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

對指標矩陣X歸一化處理：

各指標的信息熵：

熵值法權(quán)重：

依據(jù)上述公式，求得頂板下沉量、兩幫移近量、充填體最大應(yīng)力的客觀賦值權(quán)重分別為0.3397、0.3255和0.3347。

將主觀權(quán)重和客觀權(quán)重進行組合：

結(jié)合上述公式，求得頂板下沉量、兩幫移近量和充填體最大應(yīng)力的組合權(quán)重為0.4574、0.2922和0.2504。再結(jié)合表5的目標關(guān)聯(lián)系數(shù)和求得的組合權(quán)重，按下式求得灰色關(guān)聯(lián)度矩陣，按照平均求和的方法，求得各因素各水平的平均關(guān)聯(lián)度，見表5。

表5 影響因素對指標層的平均關(guān)聯(lián)度

由表5可知：充填體寬度為2m時，關(guān)聯(lián)度最大為3.0598；留巷寬度為5m時，關(guān)聯(lián)度最大為3.1436；采高為3m時，關(guān)聯(lián)度最大為2.9548；留巷頂板支護強度為0.8MPa時，關(guān)聯(lián)度最大為3.0262；充填體強度為3MPa時，關(guān)聯(lián)度最大為3.0451。

綜上所述，按照關(guān)聯(lián)度得出的沿空留巷空間“小”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最佳方案為充填體寬度為2m、留巷寬度為5m、采高為3m、留巷頂板支護強度為0.8MPa、充填體強度為3MPa。

4.4 最佳方案模擬

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度確定的沿空留巷空間“小”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性參數(shù)，對其數(shù)值模擬結(jié)果進行分析，如圖4所示。

圖4 最優(yōu)參數(shù)模擬垂直應(yīng)力

圖5 最優(yōu)參數(shù)模擬垂直位移

圖6 最優(yōu)參數(shù)模擬水平位移

由圖4可知，采用沿空留巷空間“小”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制技術(shù)優(yōu)化留巷重要參數(shù)后，“小”結(jié)構(gòu)內(nèi)煤柱側(cè)圍巖垂直應(yīng)力遠大于留巷底板圍巖及充填體垂直應(yīng)力，其中充填體及留巷底板圍巖受到最大應(yīng)力為0.1MPa，留巷頂板受到最大應(yīng)力為8MPa，煤柱側(cè)圍巖受到最大應(yīng)力為11MPa；由圖5可知，留巷空間“小”結(jié)構(gòu)內(nèi)，圍巖垂直變形量較小，其中留道頂板最大下沉量為700mm，留巷底板最大移近量為200mm，充填體最大下沉量600mm；由圖6可知，留巷空間“小”結(jié)構(gòu)內(nèi)，圍巖水平變形量較小，其中煤柱幫圍巖最大移近量為300mm，充填體留巷側(cè)最大移近量為100mm。

5 現(xiàn)場效果分析

在2308工作面留巷內(nèi)布置測點監(jiān)測留巷空間“小”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定效果，如圖7所示。監(jiān)測內(nèi)容為巷道表面位移和頂板錨索應(yīng)力。

圖7 測點布置方案

5.1 巷道表面位移監(jiān)測分析

在留巷45m處布置測點，監(jiān)測巷道表面位移，結(jié)果如圖8所示。

圖8 巷道圍巖變形量

由圖8可知，留巷初期圍巖位移量較小；隨著工作面回采，頂板及兩幫位移量逐漸增大；隨著充填體承載力的升高，留巷頂板下沉量逐步穩(wěn)定于678mm，兩幫移近量逐步穩(wěn)定于350mm。

5.2 頂板錨索應(yīng)力監(jiān)測分析

分別在工作面后方15m、30m、45m巷道內(nèi)設(shè)置3個測點，監(jiān)測留巷頂板錨索應(yīng)力，結(jié)果如圖9所示。

圖9 巷道頂板錨索應(yīng)力變化規(guī)律

由圖9可知，留巷內(nèi)錨索應(yīng)力較低，最大應(yīng)力為47.8kN。距工作面越遠，錨索應(yīng)力值越高。距工作面45m處錨索應(yīng)力達到47.8kN，而15m處錨索應(yīng)力僅33.5kN。隨工作面回采，工作面后方留巷內(nèi)錨索應(yīng)力升高，并逐漸趨于穩(wěn)定。

綜上可知，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。工作面利用留巷空間“小”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制選取留巷主要參數(shù)，留巷效果明顯。

6 結(jié) 論

1)充填體寬度、留巷寬度、采高、留巷頂板支護強度和充填體強度5個關(guān)鍵參數(shù)對沿空留巷空間“小”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指標影響程度各不相同；基于灰色關(guān)聯(lián)度和組合權(quán)重分析，應(yīng)該合理選取留巷空間“小”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性參數(shù)。

2)利用留巷空間“小”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定控制所選取的重要參數(shù)，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)果是合理的、一致的。

3)現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，留巷頂板最大下沉量為678mm，兩幫最大移近量為350mm，留巷空間“小”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯。