沿空留巷空間“小”結構穩(wěn)定性控制研究及應用

楊計先

(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，縮短接替面準備時間，實現(xiàn)無煤柱回采[1-5]。此外沿空留巷可以實現(xiàn)接替面Y型通風，解決回風隅角瓦斯積聚問題。針對綜放面沿空留巷，國內外學者通過理論分析、相似模擬實驗、數(shù)值模擬等方法進行了大量研究[6-12]。

郭育光[13]等通過現(xiàn)場觀測，分析了巷旁充填體作用機理，推導出充填體的初期支護阻力、切頂阻力及后期支護阻力公式；張東升[14]等通過相似模擬實驗，研究了基本頂破斷規(guī)律、圍巖變形特征，為充填體參數(shù)設計提供依據(jù)；馬立強[15]等通過推導公式，研究了充填體-圍巖相互作用機制，并提出綜放巷內充填原位沿空留巷新技術；李化敏[16]研究了沿空留巷頂板圍巖運動的過程及變形特征，提出了充填體支護阻力和合理壓縮量的數(shù)學模型；陳勇[17]等建立了沿空留巷上覆巖層結構力學模型，利用數(shù)值模擬分析了不同巷旁支護體寬度時的沿空留巷維護效果。

早期綜放面沿空留巷技術針對充填體支護阻力、寬度等參數(shù)研究較多，主要是將充填體假設為獨立的存在，并未綜合考慮留巷寬度、留巷支護強度、頂板強度等因素對沿空留巷空間結構穩(wěn)定性的影響。近年來，大量學者開始針對綜放面沿空留巷空間結構影響因素進行廣泛研究。張農[18]等分析了沿空留巷圍巖區(qū)域應力分布特征，提出了整體強化沿空留巷結構控制原理；王衛(wèi)軍[19]等通過建立公式，研究了頂板下沉量與支護阻力、頂煤厚度、頂煤彈性模量、巷道寬度之間的關系；盧小雨[20]等通過推導公式，研究綜放面沿空留巷頂板下沉量與巷內支護阻力、巷旁支護阻力、直接頂厚度、充填體寬度、巷道寬度之間的關系；李勝[21]等分析了綜放面沿空留巷直接頂強度、煤體強度、巷旁支護體強度、巷內支護阻力、關鍵塊給定載荷、直接頂容重、頂煤容重、關鍵快破斷位置、巷旁支護體寬度、巷道寬度、直接頂厚度、采高和頂煤厚度等因素對頂板下沉量的影響，并推導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、充填體強度、煤層埋深對沿空留巷圍巖位移和應力的影響。

上述研究雖然研究了不同因素對綜放面沿空留巷空間結構的影響，但并未研究實際礦井條件下，如頂板強度、厚度等無法改變時，留巷空間“小”結構穩(wěn)定性人為可控關鍵參數(shù)優(yōu)化。沿空留巷空間“小”結構指留巷周圍錨桿組合支護、錨桿與圍巖組成的錨固體以及充填體組成的結構空間。基于此，利用數(shù)值模擬、極差分析及灰色關聯(lián)度等方法，詳細分析了沿空留巷充填體寬度、充填體強度、留巷寬度、采高及巷內支護強度等5個人為可控因素對留巷空間“小”結構穩(wěn)定性的影響，提出了沿空留巷空間“小”結構穩(wěn)定性控制關鍵方法，并以潞安漳村礦2308工作面為算例，詳細分析了留巷充填體寬度、充填體強度、留巷寬度、采高及巷內支護強度等5個人為可控因素對留巷空間“小”結構穩(wěn)定性的影響程度，為工作面沿空留巷設計提供依據(jù)。

1 留巷空間“小”結構穩(wěn)定性關鍵參數(shù)控制

沿空留巷空間“小”結構穩(wěn)定性關鍵參數(shù)控制，如圖1所示。主要分為四個層面：①指標層，以頂板下沉量、兩幫移近量、充填體最大應力參數(shù)作為沿空留巷效果評價指標；②因素層，研究充填體寬度、留巷寬度、采高、留巷頂板支護強度、充填體強度對留巷效果的影響；③方法層，利用數(shù)值模擬、極差分析、灰色關聯(lián)度分析等方法，分析各因素對評價指標影響程度，確立沿空留巷空間“小”結構穩(wěn)定性控制關鍵參數(shù)；④結果層，通過留巷空間“小”結構穩(wěn)定性控制關鍵參數(shù)，指導沿空留巷方案設計，并對留巷效果進行評價。

圖1 沿空留巷“小”空間結構穩(wěn)定性控制

2 工程背景

漳村煤礦2308工作面地面標高+922～+964m，井下標高為+532～+592m，工作面寬度為238m，工作面設計推進長度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)域的煤層地質柱狀如圖2所示。

圖2 2308工作面區(qū)域煤層地質柱狀

3 試驗設計

3.1 模型變量參數(shù)選擇

文獻[23]研究表明，當巷內支護阻力、直接頂彈性模量、巷旁支護體彈性模量和巷旁充填體寬度越大時，沿空留巷空間變形量越小，結構越穩(wěn)定；相反，當基本頂給定載荷、頂煤彈性模量、巷道寬度和關鍵塊破斷位置越大時，沿空留巷空間變形量越大，結構越容易失穩(wěn)。為了使得沿空留巷空間變形量小，結構穩(wěn)定，應當增加巷道頂板支護阻力，提高直接頂強度，增加充填體的寬度和強度，同時降低留巷上覆巖層的應力，減小頂煤的強度，縮小留巷的寬度，縮減關鍵塊破斷處離巷道的距離。

但是考慮到以上8個因素中，部分因素(如留巷上覆巖層的應力、關鍵塊破斷位置等)的改變會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、留巷頂板支護強度和充填體強度等人為可控的小成本因素作為模型變量參數(shù)研究，實現(xiàn)留巷成本與留巷空間結構穩(wěn)定性協(xié)調。

3.2 模型變量參數(shù)正交設計

綜上分析，設計L16(45)型正交試驗。用字母A，B，C，D，E分別代表充填體寬度、留巷寬度、采高、留巷頂板支護強度和充填體強度；用下標1，2，3，4分別代表各個因素的水平。

4 基于FLAC3D分析結果

4.1 模型參數(shù)

根據(jù)漳村煤礦3號煤層具體地質條件，采用FLAC3D模擬軟件建立數(shù)值模型，工作面巖石物理力學參數(shù)見表1。模型尺寸為500m×360m×50m。根據(jù)現(xiàn)場地質條件，模型上部邊界施加相應條件的垂直應力，四周及下部邊界固定；模擬采用基于彈塑性理論的摩爾-庫侖準則。

表1 巖石物理力學參數(shù)

4.2 模型變量取值

根據(jù)實際情況，選取充填體寬度、留巷寬度、采高、留巷頂板支護強度和充填體強度5個沿空留巷空間“小”結構穩(wěn)定性關鍵參數(shù)的合理取值范圍，見表2。

表2 模型關鍵參數(shù)取值

4.3 試驗結果分析

參照正交設計表，在FLAC3D中建立16組計算模型，運行計算后，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所受最大應力，整理后得到結果。

4.3.1 極差分析

對得到的數(shù)據(jù)進行處理，求得所列各因素在各指標下的極差，見表3。

表3 極差分析

通過極差分析可知，對于頂板下沉量，其因素影響程度大小為：充填體寬度>留巷寬度>采高>充填體強度>留巷頂板支護強度；對于兩幫移近量，其因素影響程度大小為：留巷寬度>充填體寬度>采高>充填體強度>留巷頂板支護強度；對于充填體最大應力，其因素影響程度大小為：充填體寬度>留巷寬度>采高>留巷頂板支護強度>充填體強度。對充填體寬度、留巷寬度、采高、留巷頂板支護強度和充填體強度5個因素進行分析處理得到各因素對沿空留巷空間“小”結構穩(wěn)定性影響因素的靈敏度，如圖3所示。

4.3.2 灰色關聯(lián)度分析

由上述極差分析可知，各個因素對各個評價指標的影響結果并不一致，只能分析出單個指標下哪個因素的影響最大，不能得出幾個指標同時考慮時結構的最佳因素搭配水平，因此進行灰色關聯(lián)度分析，考慮組合權重，求出最佳的因素水平。關聯(lián)度的計算按照下述公式求解。

1)將評價指標的結果矩陣化，矩陣公式如：

式中，m為評價指標個數(shù)；n為試驗方案個數(shù)。

2)按照均值法，各評價指標進行歸一化處理：

式中，i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。

3)設置參考指標矩陣，構建理想的參考指標矩陣(通常為各指標中的最大值)，記為：

4)關聯(lián)系數(shù)。將理想方案作為參考序列，各個評價指標值作為比較序列，按式(4)求得各指標對應的關聯(lián)系數(shù)。

整理后見表4。

5)權重計算。結合文獻[24]的計算方法，按照熵值法計算求得各指標的客觀賦值權重。

表4 指標層的灰色關聯(lián)系數(shù)

對指標矩陣X歸一化處理：

各指標的信息熵：

熵值法權重：

依據(jù)上述公式，求得頂板下沉量、兩幫移近量、充填體最大應力的客觀賦值權重分別為0.3397、0.3255和0.3347。

將主觀權重和客觀權重進行組合：

結合上述公式，求得頂板下沉量、兩幫移近量和充填體最大應力的組合權重為0.4574、0.2922和0.2504。再結合表5的目標關聯(lián)系數(shù)和求得的組合權重，按下式求得灰色關聯(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聯(lián)度，見表5。

表5 影響因素對指標層的平均關聯(lián)度

由表5可知：充填體寬度為2m時，關聯(lián)度最大為3.0598；留巷寬度為5m時，關聯(lián)度最大為3.1436；采高為3m時，關聯(lián)度最大為2.9548；留巷頂板支護強度為0.8MPa時，關聯(lián)度最大為3.0262；充填體強度為3MPa時，關聯(lián)度最大為3.0451。

綜上所述，按照關聯(lián)度得出的沿空留巷空間“小”結構穩(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、留巷頂板支護強度為0.8MPa、充填體強度為3MPa。

4.4 最佳方案模擬

根據(jù)灰色關聯(lián)度確定的沿空留巷空間“小”結構穩(wěn)定性參數(shù)，對其數(shù)值模擬結果進行分析，如圖4所示。

圖4 最優(yōu)參數(shù)模擬垂直應力

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”結構穩(wěn)定性控制技術優(yōu)化留巷重要參數(shù)后，“小”結構內煤柱側圍巖垂直應力遠大于留巷底板圍巖及充填體垂直應力，其中充填體及留巷底板圍巖受到最大應力為0.1MPa，留巷頂板受到最大應力為8MPa，煤柱側圍巖受到最大應力為11MPa；由圖5可知，留巷空間“小”結構內，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”結構內，圍巖水平變形量較小，其中煤柱幫圍巖最大移近量為300mm，充填體留巷側最大移近量為100mm。

5 現(xiàn)場效果分析

在2308工作面留巷內布置測點監(jiān)測留巷空間“小”結構穩(wěn)定效果，如圖7所示。監(jiān)測內容為巷道表面位移和頂板錨索應力。

圖7 測點布置方案

5.1 巷道表面位移監(jiān)測分析

在留巷45m處布置測點，監(jiān)測巷道表面位移，結果如圖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 頂板錨索應力監(jiān)測分析

分別在工作面后方15m、30m、45m巷道內設置3個測點，監(jiān)測留巷頂板錨索應力，結果如圖9所示。

圖9 巷道頂板錨索應力變化規(guī)律

由圖9可知，留巷內錨索應力較低，最大應力為47.8kN。距工作面越遠，錨索應力值越高。距工作面45m處錨索應力達到47.8kN，而15m處錨索應力僅33.5kN。隨工作面回采，工作面后方留巷內錨索應力升高，并逐漸趨于穩(wěn)定。

綜上可知，現(xiàn)場監(jiān)測結果與數(shù)值模擬結果相吻合。工作面利用留巷空間“小”結構穩(wěn)定性控制選取留巷主要參數(shù)，留巷效果明顯。

6 結 論

1)充填體寬度、留巷寬度、采高、留巷頂板支護強度和充填體強度5個關鍵參數(shù)對沿空留巷空間“小”結構穩(wěn)定性指標影響程度各不相同；基于灰色關聯(lián)度和組合權重分析，應該合理選取留巷空間“小”結構穩(wěn)定性參數(shù)。

2)利用留巷空間“小”結構穩(wěn)定控制所選取的重要參數(shù)，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測，結果是合理的、一致的。

3)現(xiàn)場應用結果表明，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”結構穩(wěn)定性明顯。