郝嘉偉，寧建國

(山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590)

近距離煤層開采時，上煤層開采破壞了下部煤層的頂板，且上煤層采空區(qū)遺留的區(qū)段煤柱形成的集中應(yīng)力也將會向下部煤層傳遞和擴散[1-3]，使得下煤層巷道圍巖變形破壞規(guī)律較為復(fù)雜，給下煤層巷道圍巖穩(wěn)定性控制帶來了巨大困難。近年來，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于近距離下煤層巷道圍巖變形破壞規(guī)律及穩(wěn)定性控制等開展了大量的研究工作。姜鵬飛[4]等研究了近距煤層群上部煤層回采在不同寬度煤柱內(nèi)部及下部煤巖體中的傳力機制；肖丹[5]等基于半平面體理論，建立煤柱底板應(yīng)力傳遞力學(xué)模型，對不同煤柱類型和煤柱布置方式的底板應(yīng)力分布規(guī)律進行了研究，分析得出了不同類型煤柱底板的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的分布特征；秦忠誠等[6，7]研究了不同圍巖力學(xué)參數(shù)對巷道變形與破壞的影響；方新秋等[8，9]探討了近距離煤層回采巷道失穩(wěn)機理及主要影響因素；任艷芳[10]等對淺埋深近距離煤層巷道及工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行了研究；王俊杰等[11-15]采用現(xiàn)場實測、理論分析和數(shù)值模擬的方法，對近距離下煤層回采巷道受上煤層開采的影響及工作面巷道的合理布置進行了研究。雖然國內(nèi)外學(xué)者對近距離下煤層巷道圍巖變形破壞規(guī)律及穩(wěn)定性控制開展了大量的研究工作，發(fā)現(xiàn)上煤層區(qū)段煤柱寬度、下煤層區(qū)段煤柱寬度、層間距和煤柱錯距等都可能對下部煤層巷道圍巖變形破壞產(chǎn)生不同程度的影響，但是沒有深入探討影響下煤層巷道圍巖破壞主控因素。

基于高家梁煤礦2-2上和2-2中兩層煤地質(zhì)及開采條件，深入分析2-2中煤層巷道圍巖變形破壞的影響因素，利用數(shù)值模擬與正交試驗的方法，獲得2-2中煤層巷道圍巖破壞主控因素，為高家梁煤礦2-2中煤層巷道圍巖穩(wěn)定性控制提供參考。

1 地質(zhì)及開采條件

高家梁煤礦位于鄂爾多斯市，井田內(nèi)共有可采煤層6層，即2-2上、2-2中、3-1、4-2中、5-1、6-2中煤層。其中2-2上煤層平均煤厚為2.5m，埋深為120～130m，2-2中煤層平均煤厚為3.5m，埋深為130～140m。兩煤層頂?shù)装鍘r性以砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，局部為泥巖和細(xì)砂巖，煤層間距約10m，屬近距離淺埋煤層。

20106工作面與20107工作面均位于2-2上煤層，工作面長度分別為190m、220m，兩工作面所在煤層附近層位不穩(wěn)定，厚度變化較大，不利于煤炭開采，兩工作面所在煤層周圍無其他工作面。20306工作面與20307工作面均位于2-2中煤層，工作面面長分別為200m、250m。工作面回采巷道全部為矩形巷道，凈高為4m，凈寬為5m。4個工作面近平行布置，均采用一次采全高綜合機械化采煤法。

2 近距離煤層巷道破壞影響因素確定

近距離煤層下行開采時，上煤層工作面回采后，頂板載荷部分轉(zhuǎn)移作用在上煤層區(qū)段煤柱上，導(dǎo)致煤柱內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中，集中應(yīng)力通過底板向下傳遞，在底板中形成較為復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境，該應(yīng)力場的分布、大小與下部煤層巷道的穩(wěn)定性息息相關(guān)。

為探究上煤層采空區(qū)遺留煤柱載荷在底板巖層中的傳遞規(guī)律，結(jié)合彈性力學(xué)理論建立如圖1所示的煤柱載荷傳遞結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。為簡化，假設(shè)遺留煤柱為寬度2a、受均布載荷q的剛形體；另外，假設(shè)底板巖層為無限半平面體，且處于彈性變形狀態(tài)。

圖1 煤柱受力計算模型

根據(jù)《彈性力學(xué)》半平面體在邊界上受分布力的相關(guān)知識[16]，可知遺留煤柱載荷在底板巖層中的垂直應(yīng)力表達式：

為了詳細(xì)說明煤柱載荷在底板巖層的傳遞規(guī)律，煤柱寬度選擇10m、15m、20m，煤柱載荷q=10MPa。根據(jù)式(1)中的垂直應(yīng)力σy的公式，采用mathcad數(shù)學(xué)計算軟件，得到煤柱底板150m范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力分布，如圖2所示。

如圖2所示，在不同煤柱寬度下，水平和垂直方向不同位置的應(yīng)力分布具有較大差異，煤柱寬度較小時，應(yīng)力影響范圍和最大應(yīng)力集中系數(shù)均較小；在一定范圍內(nèi)，隨著煤柱寬度增大，煤柱底板處應(yīng)力集中逐漸增大，影響范圍也變大。由此，在上層煤區(qū)段煤柱下方進行采掘工作時，上煤層區(qū)段煤柱寬度、層間距和煤柱錯距對下煤層巷道受力破壞都有較大影響。此外，下層煤開采過程中，留設(shè)煤柱寬度對其自身巷道變形和受力也有較大影響。

通過以上分析，可以得出：上煤層區(qū)段煤柱寬度、下煤層區(qū)段煤柱寬度、層間距和煤柱錯距4個因素，均對近距離煤層群下層煤巷道圍巖應(yīng)力和變形有較大影響，進而影響下煤層巷道穩(wěn)定性。

3 高家梁煤礦2-2中煤層巷道圍巖破壞影響因素數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

為了探究影響高家梁煤礦2-2中煤層巷道破壞的主控因素，建立FLAC3D數(shù)值模型，模型尺寸長×寬×高=585m×100m×100m。由于模型未模擬至地表，此部分未模擬上覆巖層，采用在模型上邊界施加垂直應(yīng)力的方式模擬，垂直應(yīng)力大小為該部分巖層重量，經(jīng)計算在模型上邊界施加1.75MPa的垂直應(yīng)力。模型前后和左右邊界施加水平約束，底部邊界固定，模型采用莫爾-庫倫準(zhǔn)則，模型中各巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各巖層力學(xué)參數(shù)表

3.2 正交試驗設(shè)計與評價指標(biāo)建立

3.2.1 正交試驗方案設(shè)計

經(jīng)過前述分析，本次以上煤層區(qū)段煤柱寬度B1、下煤層區(qū)段煤柱寬度B2、層間距h、煤柱錯距d等4個因素為基礎(chǔ)進行正交試驗設(shè)計，其中每個因素選取4個水平，模擬不同因素組合下巷道的破壞情況，分析每個因素對巷道破壞的影響程度。結(jié)合礦井地質(zhì)資料確定各因素的取值和水平變化情況，本次試驗采用L16(45)正交表，試驗因素和試驗水平的確定見表2，試驗方案及結(jié)果見表3。

表2 正交數(shù)值模擬試驗因素水平

建立16個FLAC3D數(shù)值試驗?zāi)Ｐ?，計算結(jié)果見表3，其中模型中各巖層力學(xué)參數(shù)為定值，改變上煤層區(qū)段煤柱寬度B1、下煤層區(qū)段煤柱寬度B2、層間距h和煤柱錯距d，其他條件相同，對不同試驗下的數(shù)值模型作“切片”處理，根據(jù)巷道圍巖塑性區(qū)分布圖統(tǒng)計巷道在不同因素影響下的塑性區(qū)面積變化。

表3 正交試驗方案及結(jié)果

3.2.2 正交試驗評價指標(biāo)

本次試驗根據(jù)塑性區(qū)面積S的大小來判斷各個因素對巷道圍巖的影響程度。塑性區(qū)面積S的值越小，表明對巷道的破壞影響越?。?/p>

S=S1+S2

(2)

式中，S為塑性區(qū)面積，m2；S1為巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)總面積，m2；S2為巷道兩幫塑性區(qū)總面積，m2。

3.3 正交試驗結(jié)果分析

3.3.1 試驗結(jié)果極差分析

由不同因素組合下巷道圍巖塑性區(qū)分布結(jié)果可知，隨著控制因素的變化，圍巖塑性區(qū)范圍發(fā)生變化。為表現(xiàn)圍巖塑性區(qū)范圍變化規(guī)律，表3統(tǒng)計了不同影響下高家梁煤礦2-2中煤層塑性區(qū)面積。根據(jù)表3所列的統(tǒng)計結(jié)果，計算每個因素各個水平的均值和極差，結(jié)果見表4。

表4 塑性區(qū)面積極差分析

由表4塑性區(qū)面積極差分析數(shù)據(jù)可知，極差由大到小依次為：C列h>D列d>B列B2>A列B1，根據(jù)極差欄數(shù)據(jù)推斷出層間距對高家梁煤礦2-2中煤層巷道破壞的影響最大，煤柱錯距影響次之，下煤層區(qū)段煤柱寬度和上煤層區(qū)段煤柱寬度對高家梁煤礦2-2中煤層巷道破壞的影響相對較小。各因素對巷道變形破壞影響的曲線如圖3所示。

圖3 各因素對巷道塑性區(qū)面積的影響情況

根據(jù)極差分析，得出如下結(jié)論：上煤層區(qū)段煤柱寬度、下煤層區(qū)段煤柱寬度、層間距和煤柱錯距對高家梁煤礦2-2中煤層巷道破壞都有不同程度的影響。上煤層區(qū)段煤柱寬度、下煤層區(qū)段煤柱寬度、層間距和煤柱錯距對高家梁煤礦2-2中煤層巷道破壞影響基本均呈線性關(guān)系。其中，層間距變化幅度最大，上煤層區(qū)段煤柱寬度變化幅度最小。層間距從5m增加到20m，塑性區(qū)面積從71.547m3減小到44.422m3，減少了37.9%；上煤層區(qū)段煤柱寬度從15m增加到30m，塑性區(qū)面積從61.375m3減小到52.781m3，僅減少了14%。

3.3.2 試驗結(jié)果方差分析

由于方差分析法可以把因素水平改變所引起的試驗水平的波動與由試驗誤差所引起的試驗結(jié)果的波動進行比較，所以利用表4中的第6列(左起)作為誤差列對試驗結(jié)果進行方差分析，作為對極差分析的補充，分析結(jié)果見表5。

表5 塑性區(qū)面積方差分析

4個因素對高家梁煤礦2-2中煤層巷道破壞都有一定的影響，但顯著程度不同。由表5可知，各個因素對高家梁煤礦2-2中煤層巷道破壞影響顯著性次序依次為：層間距>煤柱錯距>下煤層區(qū)段煤柱寬度>上煤層區(qū)段煤柱寬度。此試驗結(jié)果方差分析與極差分析的結(jié)論一致，故可認(rèn)為該結(jié)論具有科學(xué)性。由此可以確定層間距是影響高家梁煤礦2-2中煤層巷道破壞的主控因素。層間距、煤柱錯距對近距離下煤層巷道破壞具有較大的影響，2-2中煤層巷道布置設(shè)計時，應(yīng)首先考慮將巷道布置在層間距較大的位置，若無合適位置，則考慮增大煤柱錯距；若上述兩因素都不可調(diào)整或調(diào)整后巷道圍巖仍難以控制，再依次考慮調(diào)整下層煤區(qū)段煤柱寬度和上層煤區(qū)段煤柱寬度。上述因素在調(diào)整時，其范圍應(yīng)在本文研究時變量的取值范圍之內(nèi)，否則需要重新進行研究。

4 結(jié) 論

1)獲得了高家梁煤礦2-2上煤層不同區(qū)段煤柱寬度時底板150m范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力分布規(guī)律，確定了下部2-2中煤層巷道圍巖破壞的4個主要影響因素，即上煤層區(qū)段煤柱寬度、下煤層區(qū)段煤柱寬度、層間距和煤柱錯距。

2)采用正交試驗設(shè)計高家梁煤礦2-2上和2-2中煤層開采數(shù)值模擬方案，共建立16個數(shù)值模型并開展了模擬計算，以2-2中煤層巷道圍巖塑性區(qū)面積為評價指標(biāo)，得到了上述4個影響因素的顯著性次序為：層間距>煤柱錯距>下煤層區(qū)段煤柱寬度>上煤層區(qū)段煤柱寬度。

3)盡管分析影響因素的顯著性受因素水平取值的影響，但對于特定工程條件下，各影響因素取值均有一定合理范圍，因此本研究可為高家梁煤礦2-2中煤層巷道布置方式及圍巖控制設(shè)計提供重要參考，也可為類似開采條件提供借鑒。