多因素協同作用淺埋深薄基巖覆巖活動研究*

高云瑞，劉長武，康亞明，黃常玲，盧邦穩

（1. 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；2. 四川大學 水利水電學院，四川 成都 610065；3. 北方民族大學 化學與化學工程學院，寧夏 銀川 750021）

多因素協同作用淺埋深薄基巖覆巖活動研究*

高云瑞1,2，劉長武1,2，康亞明3，黃常玲1,2，盧邦穩1,2

（1. 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；2. 四川大學 水利水電學院，四川 成都 610065；3. 北方民族大學 化學與化學工程學院，寧夏 銀川 750021）

根據淺埋深薄基巖煤層賦存特點，采用Flac3D數值模擬方法進行正交試驗，系統分析了松散層厚度、基巖厚度、采高和推進速度對淺埋深薄基巖厚松散層巖層活動的影響，確定了各因素對巖層活動影響的重要性。結果表明：各因素對巖層活動影響的重要性從巖層活動的不同指標來看是不一樣的。針對初次來壓，基巖厚度為主要影響因素；對于周期來壓，松散層厚度為主要影響因素；采高為地表位移的主要影響因素；綜合來看，對于淺埋深薄基巖厚松散層采場巖層活動影響的因素由主到次依次為基巖厚度→松散層厚度→采高→推進速度。

淺埋深；薄基巖；厚松散層；多因素；巖層活動規律；正交試驗

1 引言

我國西部煤炭資源豐富，大多埋深在150m以內，賦存特點為埋深淺、基巖薄，最典型的當屬神東礦區［1］。神東礦區開采實踐表明［2］，淺埋薄基巖煤層工作面礦壓顯現規律與普通長壁工作面明顯不同，淺埋深煤層并不一定礦壓就小，相反開采過程中礦壓顯現劇烈，普遍出現臺階下沉現象，容易壓毀支架［3］。黃慶享等［5］在大量現場實測和實驗室相似模擬實驗的基礎上，得出淺埋深煤層的礦壓特征，根據埋深、基載比Jz、關鍵層結構特征以及采場來壓時頂板破壞動載特征給出了淺埋煤層的定義［6］。單因素［7］對淺埋深煤層頂板活動規律的研究較多，但對松散層厚度、基巖厚度、采高和推進速度等多因素之間的協同作用對淺埋深薄基巖礦壓顯現規律影響的研究較少。本文采用Flac3D數值模擬方法進行正交試驗，系統分析了松散層厚度、基巖厚度、采高和推進速度綜合作用對淺埋深薄基巖厚松散層巖層活動的影響。確定了各因素對巖層活動影響的重要性。

2 覆巖活動規律影響因素正交試驗設計［2］

2.1 確定影響因素及各因素的水平

淺埋深薄基巖厚松散層采場覆巖活動的影響因素很多［13］，考慮全部因素進行分析是很困難的。以初次來壓步距、周期來壓步距和地表下沉量為巖層移動的主要指標，根據淺埋深薄基巖煤層埋深淺、基巖薄、上覆松散層厚、采高較大以及開采過程中機械化程度高的特點，結合神東礦區淺埋深薄基巖煤層的具體情況，選取采高、基巖厚度、松散層厚度和推進速度四個因素進行分析，每個因素劃分為3個平，具體因素和水平劃分如表1所示。

表1 正交試驗因素與水平表

2.2 正交表的選擇

試驗屬于典型的多因素多水平實驗，根據正交試驗設計表，采用四因素三水平正交試驗設計。具體設計如表2所示。

表2 多因素協同作用下試驗設計表

按式（2-1）計算：

式中：Tij為該因素在第j個水平所做的ni次試驗結果之和，ni為第i列所安排因素的水平重復次數。

ni按式（2-2）計算：

式中：nj為第J列所安排的因素的水平數，N為正交表的行數即試驗次數

R為極差按式（2-3）計算：

式中：Kimax為某因素的水平的平均值的最大值，Kimin某因素的水平的平均值的最小值。

3 模擬試驗結果及其分析

神東礦區1-2#煤層傾角較小，埋深105m，煤層厚5m，基巖是厚度20m左右的細粒砂巖、中粒砂巖和粗砂巖互層。基巖之上為厚度達80m的風積沙和砂礫石，屬典型的淺埋深薄基巖煤層。工作面長度為220m。

3.1 正交試驗成果

模型的建立主要結合神東礦區1-2#煤層的賦存條件。地層結構及其主要物理力學參數如表3所示。

長壁工作面條件下，采用如圖1所示的平面模型，各層模型在工作面推進方向劃分為5m，垂直方向網格尺寸底板劃分為4m，煤層劃分為5m，基巖層劃分為5m，上覆松散層為15m。模型長為300m，在模型長度方向80m位置處做切眼，從切眼位置向右推進。圍巖本構關系采用Mohr-Coulomb模型。

圖1 數值計算力學模型圖

將各條件下模擬分析所得地表最大位移、初次來壓和周期來壓數據歸納整理，模擬結果如表4所示。

表4 正交試驗結果表

3.2 初次來壓步距結果及分析

圖2為試驗4（推進速度10m/d、基巖厚度20m、采高5m、松散層厚度80m）初次來壓步距模擬結果。

圖2 試驗4初次來壓（L=15m）

各因素各水平對初次來壓步距的影響如表5所示。

表5 初次來壓步距表

將各因素各水平對初次來壓的影響繪制成影響趨勢圖，折線升降幅度越大，影響越主要，如圖3所示。

圖3 各因素各水平對初次來壓的影響趨勢圖

由圖3可以看出，B因素升降幅度最大，則B（基巖厚度）為最主要影響因素，D（松散層厚度）的升降幅度其次，A（推進速度）的最小，因此各因素對初次來壓的影響程度從主到次依次為：B→D→C→A。

3.3 周期來壓步距結果

圖4為試驗5（推進速度10m/d、基巖厚度40m、采高8m、松散層厚度40m）周期來壓步距模擬結果。

圖4 試驗5周期來壓（L=20m）

各因素各水平對周期來壓步距的影響如表6所示。

表6 周期來壓步距表

將各因素各水平對周期來壓的影響繪制成影響趨勢圖，如圖5所示。

圖5 各因素各水平對周期來壓的影響趨勢圖

通過圖5可以看出，D因素升降幅度最大，則D（松散層厚度）為最主要影響因素，B（基巖厚度）的升降幅度其次，A（推進速度）的最小，因此各因素對周期來壓的影響程度從主到次依次為：D→B→C→A。

3.4 地表最大下沉位移試驗結果

按照正交試驗設計表，計算各個試驗地表最大下沉位移曲線，圖6為試驗6（推進速度10m/d、基巖厚度60m、采高2m、松散層厚度60m）地表最大下沉位移模擬結果。

圖6 試驗6地表最大下沉曲線

各因素各水平對地表最大位移的影響如表7所示。

表7 地表最大位移表

將各因素各水平對地表最大位移的影響繪制成影響趨勢圖，如圖7所示。

圖7 各因素各水平對地表最大位移影響趨勢圖

通過圖7可以看出，C因素升降幅度最大，則C（采高）為最主要影響因素，B（基巖厚度）的升降幅度其次，A（推進速度）的最小，因此各因素對地表位移的影響程度從主到次依次為：C→B→D→A。

由以上分析可以看出，巖層移動的不同指標主要影響因素不相同，對地表位移分析由主到次為C→B→D→A；對周期來壓分析由主到次依次為D→B→C→A；從對初次來壓分析由主到次依次為B→D→C→A。但是在對周期來壓的影響方面由于B因素和D因素極差相差不大，因此可以將B因素和D因素相互交換位置，即對周期來壓影響由主到次依次為B→D→C→A，這樣將三個方面綜合考慮，對淺埋深薄基巖厚松散層煤層巖層活動影響因素由主到次依次為B→D→C→A，即基巖厚度→松散層厚度→采高→推進速度。

4 結論

通過數值模擬研究了多因素共同作用對淺埋深薄基巖巖層活動的影響，得到如下結論：

（1）各因素對巖層活的影響從不同指標來看也是不同的。對初次來壓影響依次為：基巖厚度→松散層厚度→采高→推進速度；對周期來壓的影響依次為：松散層厚度→基巖厚度→采高→推進速度；對地表位移影響由主到次為：采高→基巖厚度→松散層厚度→推進速度。

（2）三個指標綜合考慮，對淺埋深薄基巖厚松散層巖層活動的影響有主到此為：基巖厚度→松散層厚度→采高→推進速度。

［1］杜潤泉. 神府煤田開發建設研究[M]. 西安:陜西科學技術出版社, 1996, 3-5.

［2］黃慶享. 淺埋煤層長壁開采頂板結構及巖層控制研究[M]. 徐州:中國礦業大學出版社, 2000, 24-53.

［3］張世青, 趙健健, 劉金凱, 等. 淺埋深薄基巖中厚煤層礦壓顯現規律[J]. 煤礦安全, 2014, 192-197.

［4］楊治林. 淺埋煤層長壁開采頂板巖層的不穩定性態[J]. 煤炭學報, 2008, 30(12):1341-1345.

［5］黃慶享, 石平五, 錢鳴高. 淺埋煤層長壁開采的礦壓特征[C]. 中國巖石力學與工程學會第五次學術大會論文集, 1998.

［6］黃慶享. 淺埋煤層的礦壓特征與淺埋煤層定義[J]. 巖石力學與工程學報, 2002, 21(8):1174-1177.

［7］李艷君, 楊維帥, 許力峰. 淺埋深薄基巖工作面礦壓顯現規律研究[J]. 煤礦開采, 2012, 11(3):86-88.

［8］張建華, 宋選民, 付玉平. 薄基巖淺埋煤層綜采工作面礦壓規律及圍巖控制研究[J]. 煤炭技術, 2011, 30(11):75-77.

［9］宣以瓊. 薄基巖淺埋煤層覆巖破壞移動演化規律研究[J]. 巖土力學, 2008, 29(2):511-515.

［10］劉純貴. 馬脊梁煤礦淺埋煤層開采覆巖活動規律的相似模擬[J].煤炭學報, 2011, 36(1):7-11.

［11］高登云, 高登彥. 大柳塔煤礦薄基巖淺埋煤層工作面礦壓規律研究[J]. 煤炭科學技術, 2011, 39(12):20-22. 2011.36(1):7-11.

［12］方開泰, 馬長興. 正交與均勻試驗設計[M]. 北京：科學出版社, 2001.

［13］黃慶享. 淺埋煤層長壁開采頂板結構及巖層控制研究[M]. 徐州: 中國礦業大學出版社, 2000.

Study on the Movement of Overlying Strata in Shallow Depth of Burial and Thin Bedrock Under Multi-factor Synergism

GAO Yun-rui1,2, LIU Chang-wu1,2, KANG Ya-ming3, HUANG Chang-ling1,2, LU Bang-wen1,2
（1. State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan, China；2. College of Water Resource and Hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan, China; 3. School of Chemistry and Chemical Engineering, Beifang University of Nationalities, Yinchuan 750021, Ningxia, China）

Based on special occurrence characteristic of shallow depth of burial and thin bedrock coal seam，through the orthogonal test designed by the FLAC3D numerical simulations systematically analyzes the influence of multi-factor ( bedrock thickness, loose bed thickness, mining height and advancing speed ) synergism on the movement behavior of overlying strata in shallow depth of burial and thin bedrock; The primary and secondary factors are obtained, which influences shallow thin bedrock face roof strata moving. Results show that from the different index of strata movement, the importance of the factors that affect strata movement is not the same. From the perspective of initial pressure, bedrock thickness is the main factors affecting; From the respect of periodic weighting, loose bed thickness is the main factors affecting; while from the aspect of the surface displacement, mining height is the main factors affecting; Taken together, the influence factors from main to secondary are bedrock thickness, loose bed thickness, mining height and advancing speed.

shallow mining depth；thin bedrock；thick loose bed；multi-factor；movement behavior of overlying strata；orthogonal test

TD163+.1

A

1009-3842（2015）05-0012-05

2015-07-23

*基金項目：國家重點基礎研究發展計劃（973）項目（2010CB226802）；國家自然科學基金煤炭聯合基金重點項目（51134018）；國家自然科學基金資助項目（51369001）

高云瑞（1990-），男，寧夏吳忠人，碩士研究生，主要從事地下工程研究。E-mail:gaoyunrui640302@163.com