煤層夾矸對巷道圍巖穩定性影響研究

張康寧，李 明

(中國礦業大學(北京) 能源與礦業工程學院，北京 100083)

近年來，陜蒙新等西北區域已經成為我國煤炭生產的戰略中心，由于煤炭資源賦存條件較好，煤礦的智能化建設與轉型在此區域進展迅速。然而，在厚煤層的雙巷掘進中，煤巷常出現煤層夾矸結構，直接影響巷道穩定性與掘進效率，從而影響煤礦智能工作面的建設。煤層夾矸特別是軟弱夾矸破壞了巷道圍巖的連續性與整體性，常成為整個巷道圍巖支護結構體的薄弱部分，導致巷道圍巖穩定性降低，出現巷道非均勻變形明顯等問題。若不采取有效支護措施，則易導致巷幫圍巖沿夾矸結構面滑動，進而造成巷道圍巖的失穩破壞[1]。

目前，國內外專家學者對含夾矸雙巷掘進的煤柱穩定性及巷道礦壓顯現、圍巖破壞規律進行了大量研究[2-6]，王自龍[7]、馮騰飛[8]、裴孟松[9]等對不同硬度、厚度、層位夾矸對巷道影響規律進行了深入研究;邵水才等[10]研究揭示了含泥巖夾矸巷道外錯變形機理，提出了采用長錨桿加強副幫夾矸層上部煤體的支護對策;王建超[11]、王志強[12]、黃慶享[13]、楊繼強[14]等對雙巷掘進巷道礦壓顯現、圍巖穩定性及支護進行了研究。此外，不少學者采用理論分析和數值計算方法，分析了巷道圍巖礦壓顯現規律，提出了雙巷掘進區段煤柱合理寬度確定原則和方法，并對不同夾矸條件下沿空煤巷復合頂板應力分布和位移變化進行研究，進一步提出了合理的支護方案[15-20]。然而，對于含夾矸巷道的研究，針對單因素對巷道穩定性影響研究較多，而針對多因素共同作用下的影響研究較少。筆者設計了一種基于決策樹與正交試驗的研究方法，通過采用決策樹模型對收集與采集的數據進行分析和建模，選取與夾矸有關的重要參數建立因素水平表，并進一步地通過對夾矸厚度、夾矸堅固性系數及夾矸層位3種因素設計正交試驗，分析夾矸對巷道圍巖變形的影響規律，同時探究不同煤矸強度比條件下巷道圍巖變形規律。在為研究巷道圍巖變形提供新方法的同時還可為類似多夾矸煤層巷道布置和支護提供一定的參考。

1 方法概述

通過對收集得到的10個礦井含夾矸巷道位移及相關因素數據進行預處理后，用決策樹模型進行訓練，通過輸入因素參數組合建立決策樹回歸模型，獲得影響巷道圍巖穩定性的重要性排序，然后提取其中影響較大的受夾矸影響因素。以實際工程背景為例，通過建立FLAC3D數值計算模型設計正交試驗方案，進一步更準確地研究受夾矸多因素共同作用下對巷道穩定性的影響。流程設計如圖1所示。

圖1 研究方法與流程

2 基于決策樹的影響因素重要度研究

2.1 數據選取

通過收集得到10個典型含有夾矸巷道的煤礦基本參數，包括采深、煤層厚度、傾角、煤體堅固性系數與巷道斷面等巷道基本參數，以及夾矸位置、夾矸堅固性系數、夾矸厚度等夾矸影響因素，共計 13項基本參數，如表1所示。以巷道圍巖位移作為巷道變形程度的評價指標。

表1 巷道變形相關因素及數據類型

這10個含夾矸巷道中煤層夾矸情況也有所不同，夾矸對巷道圍巖穩定性也具有不同程度的影響，能夠基本反映煤層夾矸的多樣性及不穩定性。將上述影響因素作為屬性，巷道圍巖位移量作為標簽，能夠綜合反映這些因素對巷道穩定性的影響，避免了單一礦井條件的特殊性或某種因素對特定礦井的決定影響等狀況導致結果不具備普遍性。數據來源于相關論文及煤礦現場的實測結果，共計155組數據。

2.2 模型建立

通過數據預處理階段消除異常值及缺失值的影響后，將數據按照70%和30%的比例進行抽取，基于決策樹的訓練集和測試集，利用python開發環境中的機器學習模塊Scikit_learn中的DecisionTree Regression 模型對訓練數據集進行回歸擬合，擬合準確率達標后利用樹模型接口coef_返回特征的權重進行重要度分析。典型含夾矸巷道基本信息如表2所示。

表2 典型含夾矸巷道基本信息

在回歸擬合過程中，為了使決策樹回歸模型達到最優化的效果，主要對決策樹中的超參數max_depth(限制樹的最大深度)進行優化，這是決策樹模型中用得最廣泛的剪枝參數，在高維度樣本量計算時非常實用，決策樹多生長一層，對樣本量的需求會增加1倍，所以限制樹深度能夠有效地限制過擬合。在實際的擬合過程中通過設置max_depth范圍在[1,10]區間中逐步進行模擬，選擇模擬效果的最優值。為了觀察模型的穩定性，采用十折交叉驗證法來劃分訓練集及測試集，以保證模型的有效性，如圖2 所示。

圖2 十折交叉驗證示意圖

同時，為了更好地評估回歸模型的性能，選用絕對平均誤差MAE(mean absolute error)、均方誤差MSE(mean squared error)及準確率(Accuracy)作為模型評價指標，定義如下：

2.3 結果分析

經過決策樹模型不同超參數的優化之后，得到當決策樹模型的超參數max_depth=5時，模型取得相對優化結果。此時，模型的均方誤差為0.581，絕對平均誤差為0.935，此時的準確率達到80.1%。考慮到獲取的數據容量較小，排除獲取的原始數據的誤差，決策樹回歸算法對訓練集與測試集已經有了比較好的適應性，此模型能基本說明相關參數對含夾矸巷道的影響程度。

精確度最高時(max_depth=5)決策樹模型的特征重要度排序如表3所示，表明模型中對含夾矸巷道圍巖穩定性影響較大的因素的排序。從表3中可以看出，巷道的基本參數對巷道圍巖穩定性起著決定作用，其中巷道埋深對含夾矸巷道位移量影響最大；其次，位移發生的部位不同，位移量也有所區別；煤層厚度對巷道位移量也有重要的影響。這三項基本參數在影響因素重要度中排名前三位。巷道含夾矸對其穩定性也有著重要的影響，其中，夾矸堅固性系數、夾矸位置及夾矸厚度分別排在含夾矸巷道影響因素排序的4～6位。

表3 含夾矸巷道圍巖穩定性主要影響因素特征重要度排序

為了進一步研究夾矸對巷道穩定性的影響方式與程度，以神華布爾臺煤礦12上煤三盤區掘進工作面巷道為工程背景，選取通過決策樹訓練得到的對巷道圍巖穩定性影響較大的夾矸堅固性系數、夾矸層位及夾矸厚度3個重要因素設計正交試驗，探究夾矸多因素共同作用下對巷道圍巖穩定性的影響。

3 工程背景

神華布爾臺煤礦12上煤三盤區位于該礦井田西部，埋深317～402 m，煤層傾角1°～3°，為近水平煤層。煤層全層厚度0～7.10 m，平均厚3.01 m，但厚度變化較大；含夾矸0～5層，一般含夾矸0～3層，夾矸厚0.1～1.0 m，巖性為砂質泥巖、粉砂巖。煤層上方直接頂以粉砂巖為主，局部為砂質泥巖、泥巖；基本頂以砂質泥巖為主，局部為細粒砂巖、中粒砂巖。該區域煤層結構復雜，不同層位夾矸厚度變化較大，巷道掘進期間受夾矸影響，巷幫變形嚴重而頂板較為穩定，如圖3所示。

圖3 巷幫與頂板變形情況

4 基于夾矸因素重要度的正交試驗研究

4.1 正交試驗設計

為研究夾矸對巷道變形影響規律,選取夾矸厚度、夾矸強度(由于夾矸堅固性系數是反映夾矸強度的重要指標，故直接選取夾矸強度作為試驗指標)和夾矸層位3種因素設計正交試驗，研究上述3種因素對含夾矸煤層巷道變形影響的顯著性大小，在不使用正交表的情況下進行測試，嘗試所有可能的方案總共3×3×3=27種，但是出于時間、成本考慮，不能每種都進行試驗，這也不符合現場的實際情況。試驗優化是正交試驗設計時的常用技術，通過優化，可以將27種方案減少至9種，3種因素各選取3個水平，即采用 L9(33)正交試驗表設計正交試驗。這代表性的9組中具備了“均勻分散，齊整可比”的特點，在以實際夾矸情況為基本前提的情況下，能夠較好地反映夾矸厚度和夾矸強度的3個水平，以及夾矸所在的3個不同層位。正交試驗各因素水平如表4 所示。

表4 正交試驗因素水平

為保證正交試驗的準確性，在正交試驗表中設置空列，同時考慮反映試驗誤差等因素的影響，并計算單純的隨機效應，數值計算模型如圖4所示。

圖4 數值計算模型

采用FLAC3D數值模擬軟件進行建模，模型長×寬×高=60 m×50 m×49 m，煤層厚度7.0 m，含夾矸煤巷巷道寬度6.0 m、高度3.8 m，為矩形巷道。模型上邊界施加-6.28 MPa面力模擬上覆巖層重量，本構模型采用莫爾-庫侖破壞準則，煤巖體力學參數如表5所示。

表5 煤巖體力學參數

對正交試驗方案中9組不同參數的模型進行數值計算，除試驗選取的3種(A、B、C)因素不同外，9組數值模型的其余參數均相同。正交試驗方案及結果如表6所示。

表6 正交試驗方案及結果

4.2 巷道圍巖變形試驗結果分析

將FLAC3D計算結果分別通過極差與方差分析，可得到各因素對巷道變形的影響程度大小與各因素對試驗結果影響顯著性。

4.2.1 試驗結果極差分析

在正交試驗完成后對試驗結果進行極差分析，如表7所示，其中Ki為各因素i水平對應的試驗結果之和，ki為各因素試驗結果求平均值，Ri為各因素試驗極差。對比各因素極差，當極差不相同時，說明各因素對含夾矸煤巷的影響程度不同，極差越大，說明該因素對巷道變形的影響程度越大；反之越小。

表7 試驗結果極差分析

由表7可以看出，影響塑性區發育深度的極差大小規律為夾矸強度(1.27)>夾矸層位(0.33)>夾矸厚度(0.20)，說明夾矸強度在上述3個因素中影響最大，夾矸層位次之，夾矸厚度影響最小。影響巷幫移近量因素的極差大小為夾矸厚度(2.07)>夾矸層位(1.09)>夾矸強度(0.76)。

繪制各因素對塑性區深度與巷幫移近量影響的直觀圖，如圖5所示。

(a)夾矸厚度對巷道圍巖變形影響

通過分析夾矸厚度、夾矸強度、夾矸層位對塑性區深度與巷幫移近量影響規律，表7中夾矸厚度極差分析平均值k1>k2>k3。由圖5(a)可以看出，隨著夾矸厚度的增加，塑性區深度逐漸減小，夾矸厚度1.0 m比厚度0.2 m塑性區深度減小0.2 m，減小20.0%，相比其他2種因素，減小趨勢并不明顯；巷幫移近量減小趨勢較為明顯，夾矸厚度1.0 m比厚度0.2 m時巷幫移近量減小2.07 mm，減小6.43%。

同理，對比分析夾矸強度對塑性區深度影響，極差分析平均值k1>k3>k2。由圖5(b)可以看出，隨著夾矸強度的增加，煤體塑性區深度呈現快速減小后趨于穩定的趨勢，夾矸強度35 MPa比5 MPa塑性區深度減小1.20 m，塑性區深度減小63.36%。對比夾矸強度對巷幫移近量影響，極差分析平均值k1>k2>k3，夾矸強度35 MPa比5 MPa巷幫移近量減小 0.76 mm，巷幫移近量減小0.79%。

對比分析夾矸層位對塑性區深度與巷幫移近量影響，極差分析平均值k1>k3>k2。由圖5(c)可以看出，夾矸在巷道上部、下部時巷道圍巖變形較大，夾矸層位在中部時，巷道圍巖較為穩定，夾矸位于巷道中部時，塑性區深度比其在巷道上部和下部時分別減小0.14、0.20 m，巷幫移近量分別減小1.09、1.02 mm，巷道穩定性中部>下部>上部。

由以上分析可知，夾矸厚度越大、夾矸強度越高并且夾矸處于巷道中部位置時巷道圍巖穩定性最好。

4.2.2 試驗結果方差分析

與方差分析相比，極差分析可較為方便地通過相對較少的試驗次數得到各因素對試驗結果的影響大小，但不能分析多因素試驗誤差的大小及各因素對試驗結果影響顯著性。為此，方差分析中通過預留空列為誤差列，對正交試驗結果進行分析。方差分析基于F檢驗，認為各試驗因素的F>F0.01時該因素對試驗結果影響高度顯著，F0.05

通過查看F分布分位數表可知，F>F0.01(2,2)=99.0時具有顯著影響，19.0 =F0.05(2,2)

塑性區深度的方差分析結果如表8所示，可以看出，夾矸強度對塑性區發育深度具有一定影響，夾矸厚度與夾矸層位影響顯著性較低。

表8 塑性區深度方差分析

巷幫移近量的方差分析結果如表9所示，可以看出，夾矸厚度對巷幫移近量具有一定影響，夾矸強度與夾矸層位影響顯著性較低。

表9 巷幫移近量方差分析

方差分析結果與極差分析結果一致，驗證了正交試驗結果的正確性。

4.2.3 不同煤矸強度比對巷道圍巖穩定性影響分析

從以上分析可以看出，夾矸強度、夾矸厚度分別對巷道塑性破壞與巷道圍巖變形影響較大。為進一步研究夾矸與煤體共同作用對巷道穩定性影響規律，為此對不同煤矸抗壓強度比的掘進工作面巷道圍巖穩定性進行試驗研究，模擬方案如表10所示。

表10 不同煤矸抗壓強度比模擬方案

在夾矸厚度(0.6 m)與夾矸層位(中部)兩因素相同條件下，模擬煤矸強度比分別為4∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶4時巷道變形規律。模型通過固定煤體的黏聚力(煤體單軸抗壓強度18 MPa)，改變矸石的黏聚力從而改變矸石的單軸抗壓強度。不同煤矸強度比時巷道塑性區分布特征如圖6所示。

(a)4∶1 (b)2∶1 (c)1∶1 (d)1∶2 (e)1∶4

由圖6可以看出，夾矸具有顯著的弱面效應。不同煤矸強度比時巷道塑性區深度如圖7所示，煤矸強度比分別為4∶1與2∶1時塑性區極其發育，兩巷巷道夾矸塑性區深度為1.80 m與1.40 m，其中，煤矸強度比4∶1時塑性區發育最為嚴重；煤矸強度比為1∶1、1∶2、1∶4時，掘進巷道夾矸塑性區深度為0.2 m，塑性區深度并未發生明顯變化。可以看出，夾矸厚度、層位一定時，隨著煤矸強度比的減小，夾矸塑性區的深度逐漸減小，特別是在強度比>1時，塑性區深度明顯減小；當煤矸強度比<1時，巷道破壞深度較小且塑性區發育深度趨于穩定。

圖7 夾矸塑性區深度與煤矸強度比關系

不同煤矸強度比時巷幫移近量如圖8所示。由圖8可以看出，隨著煤矸強度比逐漸減小(夾矸強度逐漸增大)，巷道兩幫移近量逐漸減小，巷幫移近量同樣呈現先快速減小后趨于穩定的趨勢；當煤矸強度比小于1∶1時，巷幫移近量最小。

圖8 不同煤矸強度比時巷幫移近量

不同煤矸強度比時巷道圍巖應力分布規律如圖9 所示。當煤矸強度比為4∶1時，巷道圍巖應力峰值為10.01 MPa，距離巷道煤壁1.606 m，應力集中系數為1.42；當煤矸強度比為2∶1時，巷道圍巖應力峰值為9.82 MPa，距離巷道煤壁1.205 m，應力集中系數為1.39；當煤矸強度比為1∶1、1∶2、1∶4時，巷道圍巖應力峰值為9.29 MPa，距離巷道煤壁1.806 m，應力集中系數為1.32。

圖9 不同煤矸強度比時圍巖支承壓力分布規律

應力集中系數、峰值點位置分布規律如圖10所示。由圖10可以看出，隨著煤矸強度比的逐漸減小，巷道圍巖應力峰值呈現先快速減小后趨于穩定的趨勢，應力峰值位置先靠近巷道煤壁再遠離巷道煤壁，應力集中系數逐漸減小，巷道圍巖積聚能量減小，有利于巷道圍巖穩定性控制。

圖10 應力集中系數、峰值點位置分布規律

通過分析不同煤矸強度比時巷道圍巖塑性區深度、圍巖支承壓力分布及巷幫移近量變化規律，可以發現，當含夾矸巷道在煤矸強度比小于1時，巷道最為穩定。現場支護中通過錨桿提高圍巖黏聚力從而提高抗壓強度，降低夾矸層的塑性深度。分析結果表明，控制煤矸強度比小于1，可以最大程度地降低巷道塑性區破壞和圍巖變形。

5 結論

1)決策樹模型結果表明，巷道基本參數對含夾矸巷道圍巖變形影響較大，其中埋深影響程度最大；在夾矸因素中，夾矸堅固性系數、夾矸層位及夾矸厚度 3個因素影響權重較大。

2)正交試驗結果表明，夾矸強度對巷道圍巖塑性區發育深度影響較大，夾矸厚度對巷幫移近量影響較大，其他因素影響較小，影響顯著性不高。

3)由直觀分析圖可知，隨夾矸厚度的增加，塑性區發育深度減小趨勢不明顯，巷幫移近量明顯減小；隨著夾矸強度的增加，巷道塑性區深度減小趨勢最為陡峭；夾矸位于巷道中部位置的圍巖穩定性優于巷道上部與下部。

4)通過分析不同煤矸強度比時巷道圍巖變形與支承壓力分布規律，可以發現，當煤矸強度比小于1時，巷道較為穩定。現場支護中應針對具體地質條件側重對軟弱層進行改性或支護，以此降低煤矸強度比，從而減小巷道圍巖變形量。