楊計(jì)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(zhǎng)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(zhǔn)備時(shí)間，實(shí)現(xiàn)無煤柱回采[1-5]。此外沿空留巷可以實(shí)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(duì)綜放面沿空留巷，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過理論分析、相似模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法進(jìn)行了大量研究[6-12]。

郭育光[13]等通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，分析了巷旁充填體作用機(jī)理，推導(dǎo)出充填體的初期支護(hù)阻力、切頂阻力及后期支護(hù)阻力公式；張東升[14]等通過相似模擬實(shí)驗(yàn)，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(jì)提供依據(jù)；馬立強(qiáng)[15]等通過推導(dǎo)公式，研究了充填體-圍巖相互作用機(jī)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(yùn)動(dòng)的過程及變形特征，提出了充填體支護(hù)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(hù)體寬度時(shí)的沿空留巷維護(hù)效果。

早期綜放面沿空留巷技術(shù)針對(duì)充填體支護(hù)阻力、寬度等參數(shù)研究較多，主要是將充填體假設(shè)為獨(dú)立的存在，并未綜合考慮留巷寬度、留巷支護(hù)強(qiáng)度、頂板強(qiáng)度等因素對(duì)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(duì)綜放面沿空留巷空間結(jié)構(gòu)影響因素進(jìn)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(qiáng)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(hù)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(hù)阻力、巷旁支護(hù)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(qiáng)度、煤體強(qiáng)度、巷旁支護(hù)體強(qiáng)度、巷內(nèi)支護(hù)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(hù)體寬度、巷道寬度、直接頂厚度、采高和頂煤厚度等因素對(duì)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(qiáng)度、煤層埋深對(duì)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(duì)綜放面沿空留巷空間結(jié)構(gòu)的影響，但并未研究實(shí)際礦井條件下，如頂板強(qiáng)度、厚度等無法改變時(shí)，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(hù)、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?；诖?，利用數(shù)值模擬、極差分析及灰色關(guān)聯(lián)度等方法，詳細(xì)分析了沿空留巷充填體寬度、充填體強(qiáng)度、留巷寬度、采高及巷內(nèi)支護(hù)強(qiáng)度等5個(gè)人為可控因素對(duì)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(xì)分析了留巷充填體寬度、充填體強(qiáng)度、留巷寬度、采高及巷內(nèi)支護(hù)強(qiáng)度等5個(gè)人為可控因素對(duì)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(jì)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(gè)層面：①指標(biāo)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(píng)價(jià)指標(biāo)；②因素層，研究充填體寬度、留巷寬度、采高、留巷頂板支護(hù)強(qiáng)度、充填體強(qiáng)度對(duì)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(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)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(jì)，并對(duì)留巷效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

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(biāo)高+922～+964m，井下標(biāo)高為+532～+592m，工作面寬度為238m，工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)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(duì)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(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 模型變量參數(shù)選擇

文獻(xiàn)[23]研究表明，當(dāng)巷內(nèi)支護(hù)阻力、直接頂彈性模量、巷旁支護(hù)體彈性模量和巷旁充填體寬度越大時(shí)，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(shí)，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(hù)阻力，提高直接頂強(qiáng)度，增加充填體的寬度和強(qiáng)度，同時(shí)降低留巷上覆巖層的應(yīng)力，減小頂煤的強(qiáng)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(gè)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(huì)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(hù)強(qiáng)度和充填體強(qiáng)度等人為可控的小成本因素作為模型變量參數(shù)研究，實(shí)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(jì)

綜上分析，設(shè)計(jì)L16(45)型正交試驗(yàn)。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(hù)強(qiáng)度和充填體強(qiáng)度；用下標(biāo)1，2，3，4分別代表各個(gè)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(hào)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(chǎng)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(zhǔn)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(shí)際情況，選取充填體寬度、留巷寬度、采高、留巷頂板支護(hù)強(qiáng)度和充填體強(qiáng)度5個(gè)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(yàn)結(jié)果分析

參照正交設(shè)計(jì)表，在FLAC3D中建立16組計(jì)算模型，運(yùn)行計(jì)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(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求得所列各因素在各指標(biāo)下的極差，見表3。

表3 極差分析

通過極差分析可知，對(duì)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(qiáng)度>留巷頂板支護(hù)強(qiáng)度；對(duì)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(qiáng)度>留巷頂板支護(hù)強(qiáng)度；對(duì)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(hù)強(qiáng)度>充填體強(qiáng)度。對(duì)充填體寬度、留巷寬度、采高、留巷頂板支護(hù)強(qiáng)度和充填體強(qiáng)度5個(gè)因素進(jìn)行分析處理得到各因素對(duì)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(gè)因素對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響結(jié)果并不一致，只能分析出單個(gè)指標(biāo)下哪個(gè)因素的影響最大，不能得出幾個(gè)指標(biāo)同時(shí)考慮時(shí)結(jié)構(gòu)的最佳因素搭配水平，因此進(jìn)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(jì)算按照下述公式求解。

1)將評(píng)價(jià)指標(biāo)的結(jié)果矩陣化，矩陣公式如：

式中，m為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)；n為試驗(yàn)方案?jìng)€(gè)數(shù)。

2)按照均值法，各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理：

式中，i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。

3)設(shè)置參考指標(biāo)矩陣，構(gòu)建理想的參考指標(biāo)矩陣(通常為各指標(biāo)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(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值作為比較序列，按式(4)求得各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

整理后見表4。

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

表4 指標(biāo)層的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

對(duì)指標(biāo)矩陣X歸一化處理：

各指標(biāo)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(jìn)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(biāo)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(duì)指標(biāo)層的平均關(guān)聯(lián)度

由表5可知：充填體寬度為2m時(shí)，關(guān)聯(lián)度最大為3.0598；留巷寬度為5m時(shí)，關(guān)聯(lián)度最大為3.1436；采高為3m時(shí)，關(guān)聯(lián)度最大為2.9548；留巷頂板支護(hù)強(qiáng)度為0.8MPa時(shí)，關(guān)聯(lián)度最大為3.0262；充填體強(qiáng)度為3MPa時(shí)，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(hù)強(qiáng)度為0.8MPa、充填體強(qiáng)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(duì)其數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)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(yuǎn)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(chǎng)效果分析

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

圖7 測(cè)點(diǎn)布置方案

5.1 巷道表面位移監(jiān)測(cè)分析

在留巷45m處布置測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)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(cè)分析

分別在工作面后方15m、30m、45m巷道內(nèi)設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)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(yuǎn)，錨索應(yīng)力值越高。距工作面45m處錨索應(yīng)力達(dá)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(chǎng)監(jiān)測(cè)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(hù)強(qiáng)度和充填體強(qiáng)度5個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)沿空留巷空間“小”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指標(biāo)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(chǎng)監(jiān)測(cè)，結(jié)果是合理的、一致的。

3)現(xiàn)場(chǎng)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。