郭俊慶 楊永康 康天合

（太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，山西省太原市，030024）

綜放采場(chǎng)控頂區(qū)頂煤下沉量影響因素的數(shù)值試驗(yàn)研究

郭俊慶 楊永康 康天合

（太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，山西省太原市，030024）

運(yùn)用正交方法進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，分析不同因素對(duì)綜放采場(chǎng)控頂區(qū)頂煤下沉量的影響規(guī)律，并提出相應(yīng)的控制方法。研究結(jié)果表明：（1）控頂區(qū)內(nèi)頂煤下沉量與5個(gè)因素顯著相關(guān)，影響程度依次為：埋深＞煤的單軸抗壓強(qiáng)度＞支架支撐力＞煤厚＞工作面長(zhǎng)度；（2）根據(jù)實(shí)際條件，可通過頂煤注水或爆破降低煤強(qiáng)度、提高支架初撐力、減少工作面長(zhǎng)度等措施控制頂煤的下沉量。（3）數(shù)值試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比結(jié)果說明各因素對(duì)頂煤下沉量綜合影響規(guī)律的結(jié)論是可靠的。

綜放采場(chǎng) 頂煤下沉量 影響因素 數(shù)值試驗(yàn) 控制方法

本文采用正交試驗(yàn)方法，運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件研究綜放開采過程中實(shí)際煤層賦存條件對(duì)控頂區(qū)內(nèi)頂煤下沉量的影響規(guī)律，提出相應(yīng)的控制方法，并通過公務(wù)素地區(qū)1604工作面的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)結(jié)論的可靠性進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)方案

正交試驗(yàn)方案是一種研究與處理多因素的試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，它可以通過少量的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，找到較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并簡(jiǎn)捷地對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外放頂煤開采技術(shù)的研究現(xiàn)狀，將埋深、煤厚、工作面長(zhǎng)度、煤的單軸抗壓強(qiáng)度和支架支撐力5個(gè)參數(shù)選定為本次試驗(yàn)中頂煤下沉量的影響因素。為了全面反映煤層狀況，對(duì)每個(gè)因素確定5個(gè)水平，組成5因素5水平問題，見表1。采用正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)出表2所示的25個(gè)計(jì)算方案。

表1 試驗(yàn)因素與水平

表2 正交試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

選用FLAC3D有限差分軟件建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ停鶕?jù)地層條件，確定模型的相關(guān)尺寸為：模型高度135～543m，其中頂板巖層厚度依方案不同分別為100m、200m、300m、400m和500m，煤層厚度為5m、7m、9m、11m和13m，底板厚30 m；模型長(zhǎng)度為380m，即工作面推進(jìn)方向起始端留50m實(shí)體煤柱，推進(jìn)長(zhǎng)度245m，停采線前方留85m煤柱；模型寬度取80～230m，因考慮對(duì)稱性，沿工作面長(zhǎng)度方向取一半，兩端各留30m煤柱。在模型兩側(cè)僅約束水平位移，底板約束水平和垂直位移，上部模擬全厚，為自由邊界。模型內(nèi)各單元均考慮自重的影響。

3 模擬過程

模型建好后，沿工作面推進(jìn)方向每次開挖5m，開采高度2.8m，計(jì)算至平衡，依次循環(huán)，直至工作面推進(jìn)至停采線處。

在計(jì)算過程中，頂煤、頂板垮落規(guī)律按現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值來模擬，其中頂煤初次垮落步距10m，直接頂初次垮落步距15m，基本頂初次來壓步距25 m。工作面控頂距取5m，將煤壁后5～10m的頂煤取出。直接頂垮落后，按碎脹系數(shù)1.35填充采空區(qū)，直接頂厚12.3m，碎脹后厚16.61m。基本頂周期來壓步距為10m，即煤壁后5～15m的基本頂發(fā)生周期性垮落，基本頂和上覆巖層垮落后的初始碎脹系數(shù)取1.2，其中，上覆巖層垮落厚度取值依據(jù)各方案的煤層厚度不同而異，見表3。

表3 不同煤層厚度條件下采空區(qū)基本頂垮落厚度取值

4 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

4.1 各因素對(duì)頂煤下沉量的影響規(guī)律

25個(gè)正交試驗(yàn)方案控頂區(qū)頂煤下沉量的計(jì)算結(jié)果見表2。按照各因素不同水平，對(duì)表2計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分組，見表4。

隨后對(duì)各因素作一元回歸分析，可得各因素對(duì)頂煤下沉量的影響規(guī)律，見圖1。

（1）隨著開采深度的增大，頂煤下沉量呈對(duì)數(shù)規(guī)律增加，見圖1（a），在埋深小于400m時(shí)，增加幅度較大。

（2）隨煤厚的增加，頂煤下沉量呈負(fù)對(duì)數(shù)規(guī)律降低，見圖1（b），主要由于增大煤厚導(dǎo)致頂煤厚度范圍的壓縮變形量增大。

表4 各因素不同水平頂煤下沉量S的計(jì)算結(jié)果

圖1 各因素對(duì)頂煤下沉量S的影響規(guī)律

（3）隨工作面長(zhǎng)度的增加，頂煤下沉量呈指數(shù)規(guī)律增加，見圖1（c）。

（4）隨煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度的增加，頂煤下沉量呈現(xiàn)先增后減的二次多項(xiàng)式規(guī)律變化，見圖1（d），先增是因?yàn)镽c增加后，頂煤壓縮量減小，吸收老頂回轉(zhuǎn)變形的能力降低，后降則由于Rc繼續(xù)增大，導(dǎo)致頂煤開始承受一定的頂板作用力。

（5）隨支架支撐力的增大，頂煤下沉量呈負(fù)對(duì)數(shù)規(guī)律下降，見圖1（e），這是支架對(duì)頂煤向上作用的結(jié)果，一方面減少了頂煤厚度范圍的松動(dòng)變形量，另一方面對(duì)頂板的下沉起到一定的約束作用。

由上述規(guī)律可知，通過頂煤注水或爆破降低煤的單軸抗壓強(qiáng)度、提高支架支撐力和減小工作面長(zhǎng)度等措施可有效控制頂煤的下沉量。

4.2 各因素對(duì)頂煤下沉量影響程度的主次排序

運(yùn)用極差分析方法，分析表4中的計(jì)算結(jié)果，可得5個(gè)因素對(duì)控頂區(qū)頂煤下沉量影響的極差值：

埋深RH＝78.37－15.29＝63.08（mm）；煤厚RM＝68.18－37.62＝30.56（mm）；工作面長(zhǎng)度RL＝71.00－42.12＝28.88（mm）；

煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度RRc＝65.61－20.88＝44.73（mm）；

支架支撐力RP＝69.12－37.69＝31.43（mm）。

根據(jù)5個(gè)因素的極差值大小，可得各因素對(duì)頂煤下沉量影響程度的主次排序，依次為：埋深＞煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度＞支架支撐力＞煤厚＞工作面長(zhǎng)度。

4.3 各因素對(duì)頂煤下沉量的綜合影響規(guī)律

運(yùn)用多元回歸方法分析H、M、L、Rc和P對(duì)頂煤下沉量的綜合影響規(guī)律，得到：

式中：S——頂煤下沉量，m；

H——埋深，m；M——煤厚，m；

L——工作面長(zhǎng)度，m；

Rc——煤的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；

P——支架支撐力，kN。

式（1）的相關(guān)檢驗(yàn)系數(shù)R2＝0.7426，F(xiàn)檢驗(yàn)中F＝10.9615，大于F0.05＝2.74，表現(xiàn)為顯著相關(guān)。由上式可計(jì)算出在以上因素作用下控頂區(qū)頂煤底部的下沉量。

公務(wù)素地區(qū)16＃煤層1604綜放工作面采用走向長(zhǎng)壁綜放開采，底層割煤高度2.6m，全部垮落法管理頂板。工作面長(zhǎng)300m，煤層平均厚度8.07m，平均采深140m，考慮裂隙后煤層單軸抗壓強(qiáng)度為6.6MPa。采場(chǎng)選用ZFS5600/18.5/28型支撐掩護(hù)式綜放支架，初撐力5232kN。將各參數(shù)代人式（1），計(jì)算可得頂煤下沉量為32.3mm。

1604工作面充分采動(dòng)時(shí)，在其長(zhǎng)度方向布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，實(shí)測(cè)得頂煤的下沉量依次為26.15mm、29.77mm、37.64mm、33.42mm和31.48mm。對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，上述實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值接近，說明本文對(duì)控頂區(qū)頂煤下沉量影響因素的數(shù)值試驗(yàn)方法得當(dāng)、結(jié)論可靠。

5 結(jié)論

根據(jù)表2試驗(yàn)方案，通過對(duì)控頂區(qū)頂煤下沉量影響因素的正交試驗(yàn)研究，得出的主要結(jié)論為：

（1）不同因素對(duì)綜放采場(chǎng)控頂區(qū)頂煤下沉量影響的主次排序?yàn)椋郝裆睿久簡(jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度＞支架支撐力＞煤厚＞工作面長(zhǎng)度。

（2）根據(jù)實(shí)際條件，通過頂煤注水或爆破降低煤強(qiáng)度、提高支架初撐力、減少工作面長(zhǎng)度等措施可有效控制頂煤的下沉量，以此實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)穩(wěn)定性控制，并提高頂煤的放出率。

（3）1604工作面控頂區(qū)頂煤下沉量數(shù)值試驗(yàn)值和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值基本相當(dāng)，說明各因素對(duì)頂煤下沉量綜合影響規(guī)律的結(jié)論是可靠的。

［1］ 錢鳴高，繆協(xié)興，何富連等.采場(chǎng)支架與圍巖耦合作用機(jī)理研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1996（1）

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［4］ 康天合，宋選民，弓培林等.煤層條件對(duì)頂煤可放性的影響研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1996（5）

［5］ 王萬中.實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與分析［M］.北京：高等教育出版社，2004

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Numerical experiment on influence factors of the subsidence of top coal in roof－control area in fully mechanized caving face

Guo Junqing，Yang Yongkang，Kang Tianhe
（Institute of Mining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

Based on the numerical experiment through orthogonal method，the effects of different factors were studied on the subsidence of top coal in roof－control area in fully mechanized caving face，and the corresponding control methods were proposed.Some conclusions were drawn as follows：（1）The subsidence of top coal is significantly related to five factors and in turn by influence degree they are：buried depth＞uniaxial compressive strength of coal＞the support setting load＞thickness of coal seam＞face length.（2）Some measures can be taken to control the subsidence of top coal，such as reducing the uniaxial compressive strength of coal by top coal injection or blasting，improving the support setting load，reducing face length，etc..（3）The results of numerical experiment and field measurement suggest that the above conclusions are reliable.

fully mechanized caving face，top coal subsidence，influence factors，numerical experiment，control method

TD327

A

郭俊慶（1987－），男，山西臨汾人，碩士，研究方向?yàn)閹r石力學(xué)與煤層氣開采。

（責(zé)任編輯 張毅玲）