何建東，孫 瑞，曾 文

(1.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥230009;2.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊(duì)，安徽 六安237010)

關(guān)鍵層理論提出后，許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究，許家林、王曉振等人針對(duì)關(guān)鍵層位置、厚度以及是否存在主亞關(guān)鍵層等情況進(jìn)行考慮，分析其對(duì)導(dǎo)水裂隙發(fā)育的影響［1－4］;繆協(xié)興等人提出的隔水關(guān)鍵層原理應(yīng)用于采煤保水［5－7］;研究覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育的方法主要包括現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)值模擬試驗(yàn)和物理模擬試驗(yàn)［8－9］。由于祁東煤礦在采煤過(guò)程中發(fā)生過(guò)多次的壓架突水事故［10］，故本文基于關(guān)鍵層理論，采用數(shù)值模擬方法，選取關(guān)鍵層位置、關(guān)鍵層距四含距離、關(guān)鍵層破斷步距和關(guān)鍵層間距這四種典型因素，研究它們對(duì)導(dǎo)水裂隙發(fā)育的影響，并采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法確定各因素及其變化(或稱(chēng)為水平)的最優(yōu)組合，確定模擬步驟［11］，討論影響導(dǎo)水裂隙發(fā)育的主要因素及其重要性排序。

1 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本文研究松散承壓含水層下采煤引起的突水壓架事故原因，在影響導(dǎo)水裂隙發(fā)育的各種原因中選取4種典型因素，每種因素在3個(gè)水平上進(jìn)行正交試驗(yàn)，選取正交試驗(yàn)表L9(34)進(jìn)行試驗(yàn)安排，見(jiàn)表1。

表1 正交表L9(34)Tab.1 Orthogonal table L9(34)

表2 UDEC數(shù)值模擬參數(shù)Tab.2UDEC parameters of numerical model

2 數(shù)值模型確定

在正交試驗(yàn)中，統(tǒng)一以祁東煤礦典型工作面四含承壓含水層埋深350 m，四含厚度20 m，采煤高度2 m，主關(guān)鍵層厚度5 m，亞關(guān)鍵層厚度3 m進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)試驗(yàn)中僅有一層主關(guān)鍵層時(shí)，關(guān)鍵層間距為主關(guān)鍵層至直接頂?shù)木嚯x。每次計(jì)算中推進(jìn)10 m，模型左右各留40 m長(zhǎng)度的保護(hù)邊界。主亞關(guān)鍵層按照實(shí)際工作面來(lái)壓步距劃分。主關(guān)鍵層每隔50 m，劃分一個(gè)結(jié)構(gòu)面，亞關(guān)鍵層每隔20 m劃分一個(gè)結(jié)構(gòu)面。

模型邊界條件的確定:模型在左右邊界設(shè)置水平方向約束，固定x方向位移，在底部界面固定y方向位移，在頂部設(shè)置上部缺省松散土層的自重應(yīng)力。模型塊體單元采用摩爾庫(kù)倫塑性本構(gòu)，節(jié)理單元采用摩爾庫(kù)倫滑移本構(gòu)，主要計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2，模型見(jiàn)圖1。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 模擬結(jié)果處理

利用UDEC軟件對(duì)9個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果利用直觀分析法分析(見(jiàn)表3)。

直觀分析法是通過(guò)對(duì)每一因素的極差來(lái)分析問(wèn)題，某種因素極差越大表明此種因素對(duì)整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果影響越大，各因素按照極差大小排列，可以得出影響整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果的主次順序，從而得出影響試驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)水平和優(yōu)組合。

本次正交試驗(yàn)結(jié)果的直觀分析步驟如下:(1)列出正交試驗(yàn)表，并在表尾增加一列，用于填寫(xiě)每次正交試驗(yàn)結(jié)果。

(2)計(jì)算某種因素在某種水平下的試驗(yàn)結(jié)果之和，例如在本次正交試驗(yàn)中，關(guān)鍵層距離四含距離這種因素在9次試驗(yàn)中第1種水平作用下，進(jìn)行了3次試驗(yàn)，分別是試驗(yàn)1、試驗(yàn)2和試驗(yàn)3。統(tǒng)計(jì)3次試驗(yàn)中，導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度之和K1=140 m+118 m+160 m，并計(jì)算K1平均值k1。

(3)計(jì)算極差R值，R為最大和最小均質(zhì)之差。

(4)統(tǒng)計(jì)各因素極差R值大小，從大到小排列。由于本次計(jì)算得到的是導(dǎo)水裂隙發(fā)育最大高度，在考慮到突水性時(shí)，應(yīng)把某種能使導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度最小的因素作為主要因素。

(5)按照極差大小，分出優(yōu)水平和優(yōu)組合。(6)畫(huà)出各因素的效應(yīng)曲線圖。

3.2 因素分析

(1)根據(jù)表3可知，各因素對(duì)裂隙發(fā)育的影響重要性排序:關(guān)鍵層距四含距離＞關(guān)鍵層位置＞關(guān)鍵層破斷步距＞關(guān)鍵層間距。

(2)由圖2可更直觀的看出關(guān)鍵層與承壓含水層距離越大，導(dǎo)水裂隙高度越大。其根本原因在于:關(guān)鍵層破斷時(shí)，其控制的上覆巖層中有一部分巖層要隨之破斷垮落，另一部分巖層要彎曲下沉。彎曲下沉帶整體彎曲下沉的范圍也要隨著破斷巖層范圍的增加而增加，最終導(dǎo)致大范圍的破斷巖層中產(chǎn)生大高度的導(dǎo)水裂隙，并與大范圍的彎曲下沉帶中的導(dǎo)水裂隙相互貫通，形成導(dǎo)水通道，最終發(fā)生突水事故。

(3)主亞關(guān)鍵層距離對(duì)導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度影響特點(diǎn)如下:當(dāng)主亞關(guān)鍵層之間距離在25～20 m范圍時(shí)，導(dǎo)水裂隙高度隨著兩者之間距離的減少而減少;但是當(dāng)主亞關(guān)鍵層距離小于20 m之后，導(dǎo)水裂隙高度基本不發(fā)生變化;當(dāng)基巖厚度小于某臨界值時(shí)(正交試驗(yàn)中，臨界值為20 m)，主亞關(guān)鍵層復(fù)合破斷造成的影響不明顯，亞關(guān)鍵層的破斷可以看做是一層基巖的破斷。

表3 正交試驗(yàn)直觀分析表Tab.3 Intuitive analysis of Orthogonal table

(4)當(dāng)主關(guān)鍵層在上部時(shí)，下部亞關(guān)鍵層破斷時(shí)，導(dǎo)水裂隙一直被限制在主關(guān)鍵層之下，并且由于主關(guān)鍵層在上部，減小了主關(guān)鍵層離承壓含水層之間的距離，導(dǎo)水裂隙高度不會(huì)很高。

當(dāng)主關(guān)鍵層在下部時(shí)，主關(guān)鍵層的破斷造成上部亞關(guān)鍵層的破斷，而亞關(guān)鍵層是不能很好抑制主關(guān)鍵層破斷造成的影響，導(dǎo)水裂隙最少也要發(fā)育至亞關(guān)鍵層之上。

主關(guān)鍵層在下部時(shí)，變相增加了主關(guān)鍵層離承壓含水層之間的距離，造成主關(guān)鍵層控制的基巖厚度變大。一旦主關(guān)鍵層破斷時(shí)，大范圍的破斷巖層中將產(chǎn)生高度明顯發(fā)育的導(dǎo)水裂隙。

(5)主關(guān)鍵層破斷步距對(duì)導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度影響大小依次為:破斷步距60 m，破斷步距40 m，破斷步距50 m。主關(guān)鍵層破斷步距50 m是一個(gè)臨界值，在此種破斷步距影響下，導(dǎo)水裂隙高度最小。

4 結(jié)論

1)關(guān)鍵層距承壓含水層距離和關(guān)鍵層位置這兩種因素最能影響導(dǎo)水裂隙的發(fā)育。因素對(duì)結(jié)果影響主次是:關(guān)鍵層距四含距離＞關(guān)鍵層位置＞關(guān)鍵層破斷步距＞關(guān)鍵層間距。

2)最優(yōu)組合是關(guān)鍵層距四含距離60 m，關(guān)鍵層間距20 m，主關(guān)鍵層位置在上部，主關(guān)鍵層破斷步距50 m，在這種組合中，導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度最小，在工作面大周期來(lái)壓期間最不易發(fā)生突水事故。

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［2］許家林，朱衛(wèi)兵，王曉振.基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度預(yù)計(jì)方法［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(5):762－769.

［3］王曉振，許家林，朱衛(wèi)兵.主關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)導(dǎo)水裂隙演化的影響研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2012，37(4):606－612.

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