综放巷内充填沿空留巷围岩变形影响因素的多元分析.pdf

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1、http:/ 综放巷内充填沿空留巷围岩变形影响因素的多元分析综放巷内充填沿空留巷围岩变形影响因素的多元分析 张东升1,2，缪协兴1，马立强1,2，董国伟1,2 1中国矿业大学(221008)2教育部矿山开采与安全重点实验室(221008)e-mail: 摘摘 要：要：本文从技术因素和地质因素两个方面重点论述了综放巷内充填沿空留巷围岩变形和应力分布的基本特征。通过计算机数值模拟，优化了充填工艺参数，得出了合理的留巷技术方案。在此基础上，系统分析了煤层硬度、采高、直接顶厚度和硬度、老顶岩层硬度及关键层复合效应等因素对留巷围岩变形与垂直应力分布的影响规律。并采用多元分析方法，得到了各因素对围岩最大应

2、力的回归方程。研究结果可对综放巷内充填沿空留巷的应用提供理论依据和设计指导。关键词：关键词：综放沿空留巷；地质因素；变形与应力；多元分析 1.引引 言言 沿空留巷的机理研究主要集中在巷旁支护对老顶控制作用方面，并建立相应沿空留巷力学模型推导出巷旁支护阻力的计算公式，促进了沿空留巷技术的推广应用1,2,3,4,5。理论和实践表明，影响沿空留巷稳定性的因素很多，尤其是综放沿空留巷，若要实现巷内充填，必须充分考虑地质因素和技术因素的影响，进行合理设计以控制综放沿空留巷围岩的协调变形。我们在潞安矿区常村煤矿 S2-6 综放工作面首次进行了综放巷内充填沿空留巷工业试验，对综放巷内充填沿空留巷围岩变形机理

3、已有初步认识6,7。本文运用数值计算首先分析了原有巷道支护形式、端头不放顶煤长度、充填体宽度、充填方式和充填体强度等技术因素对综放沿空留巷围岩应力分布和变形的影响。在采用合理技术方案的前提下，系统分析了煤层硬度、采高、直接顶厚度和硬度、老顶硬度等地质因素的变化对留巷围岩变形的影响，并对关键层复合效应的影响程度进行讨论。最后运用多元回归分析方法，确定了各地质因素与煤体内和充填体内的最大应力的回归表达式，从而为确定不同地质条件的巷道应用沿空留巷的可行性，提供理论依据和实践指导，具有良好的推广应用价值。2.数值分析模型数值分析模型 潞安矿业集团常村煤矿 S2-6综放工作面主采 3 号煤层，埋藏深度

4、330 m；煤层厚度 6.07 m，割煤高度 3.0 m；直接顶为粉砂岩，厚度为 2.64 m；老顶为中细砂岩，厚度为 6.56 m；本课题得到国家自然科学基金资助项目(50374065)，国家杰出青年科学基金资助项目（50225414），教育部科学技术研究重点项目(105024)资助 -1-http:/ 直接底为细砂岩，厚度为 3.59 m。工作面长度为 220 m，端头不放煤距离为 6.0 m。原巷宽4.5m，巷道原采用 12矿工钢支护。工作面超前 20 m，采用单体液压支柱（3.5 m）和木板架设一梁二柱抬棚加强支护。在原巷道加固和扩帮 3.0 m 支护的基础上，结合 ZKD 型高水速凝

5、充填材料的性能，进行了充填体的强度、宽度、高度及加固设计8,9。以 S2-6综放巷内充填原位沿空留巷工业性试验为基础，结合关键层理论，采用适于分析岩层断裂和垮落的数值分析软件 UDEC，建立了相应的数值分析模型，见图 110,11,12。此模型指导了 S2-6综放巷内充填原位沿空留巷工业试验，实践证明留巷是成功的。图 2 为相应的 S2-6综放巷内充填原位沿空留巷数值模拟状况，与现场结果基本吻合。在此基础上，系统分析了技术因素和地质因素对留巷变形的影响规律。表 1 UDEC 模型中煤岩层基本力学指标 Table.1 Mechanical parameters of the coal seam

6、and strata in the UDEC a煤层下覆岩层老顶(第一层硬岩）直接顶软岩层软岩层第二层硬岩q采空区充填体图 2 综放巷内充填原位沿空留巷状况 Fig 2 Status of surrounding-rock for GERTCF 图 1 综放巷内充填原位沿空留巷数值计算模型Fig 1 Numerical model for GERTCF 力学特性 岩性 厚度/m 弹性模量/Gpa 剪切模量/MPa 内聚力/MPa 内磨擦角/degrees 密度/kg/m3 泊松比 上覆表土（软岩）层 0.5 200 1 14 2.0 0.3 老顶（关键层）6 30 7500 10 30 2.7

7、 0.3 直接顶 2 4 1500 3 23 2.7 0.3 煤 6 1.5 800 1.5 18 1.4 0.3 底板 10 30 7500 10 30 2.7 0.3 1.技术因素分析技术因素分析 通过对不同技术方案的数值模拟计算，并结合现场工业试验的效果，可以认为：1）留巷前巷道支护最好采用锚梁网索支护。比较架棚支护、锚网支护，锚梁网（索）支护及其他支护形式，数值计算和现场试验结果都表明：留巷前巷道支护本身无法控制老顶回转量，但锚梁网索支护巷道整体性强，巷道比较完整，有利留巷13。2）综放面端头的不放顶煤距离不应小于 6 m。根据综放沿空留巷围岩移动规律，为防止充填体上方顶煤抽顶，要在端

8、头处有一段距离不放顶煤，其和垮落带顶板岩层一起在采空区一侧形成碎胀空间，作为老顶断裂岩块的支撑体，还可使老顶回转后能尽快触矸形成具有自稳能力的承载结构。模拟了 3 m、6 m、9 m 和 12 m 四种情况，结果表明端头不放顶煤长度越大，充填体垂直变形越小，但超过 6 m 后，增加效果不再明显且造成较大煤炭资源损失-2-http:/ 14。3）工作面开采后，应立即并 100充填。不同的充填方式和充填体强度对充填体的稳定性影响较大。模拟 100充填和在充填体上方分别留 0.1 m、0.25 m 空间三种情况。结果表明 100充填时充填体应力和变形量随较大，但巷道顶板及煤帮的完整性较其他方案好。4

9、）充填体单轴抗压强度应在 4MPa 左右并要加固，还要有抗变形能力，防止充填体形成较大的斜剪切屈服带，可使整个综放沿空留巷巷道的整体协调变形为最小。采用空间锚栓加固网专利技术对充填体进行控制后，其抗压强度进一步提高14。5）充填体宽度应在 2.0 m 以上并将其上边界设置成一定角度的斜边界，充填体宽高比应大于 0.75，有利于充填体本身稳定并能有效控制老顶回转15。2.地质因素分析地质因素分析 4.1 煤层硬度煤层硬度 不同煤层硬度（用弹性模量表示）对留巷顶板垂直位移和垂直应力的影响结果如图 3所示。图中横轴上的坐标原点为巷道煤帮一侧的顶板拐角。原点左侧是煤体，原点右侧是巷道，4 m6.5 m

10、 为充填体宽度。从图中可以很明显的看到，随着煤的硬度的增加，巷道及充填体上方的垂直位移逐步减小，垂直应力向巷道两侧转移，所以巷道上方的垂直应力较小，但充填体上方的应力较大。对于综放回采巷来说，巷道顶板直接就是煤层，故煤的性质是影响留巷稳定性最关键的因素之一16。如果巷道上方顶煤比较破碎，则充填体不能将支撑阻力传递到上方的直接顶，巷道将难以维护。反之，如果煤层刚度越大，会使老顶在煤体内的倾向深入垮断距离越小，留巷变形越小。-2200-1900-1600-1300-1000-700-400-100-10-6-22610距煤帮距离/m下沉量/mm1GPa1.5GPa3.5GPa 0246810121

11、416-10-6-22610 距煤帮距离/m应力/MPa1GPa1.5GPa3.5GPa(a)煤层硬度对位移影响 (b)煤层硬度对应力影响 图 3 煤层硬度分析 Fig 3 Analysis of rigidity of the coal 4.2 采高采高 不同采高对留巷顶板垂直位移和垂直应力的影响结果如图 4 所示。围岩位移结果表明，当采高为 6 m 时，与采高 8 m、10 m 时相比，前者留巷围岩位移及应力小于后者。垂直应力结果表明，当采高为 6 m 时，煤壁两侧（包括巷道上方）的应力较 8 m 及 10 m 较为均匀。-3-http:/ 综放工作面一次开采的煤层厚度一般都是普通综采工作

12、面的 23 倍以上，综放工作面沿空留巷时，即使在工作面一侧附近数架支架不放顶煤，也会因开采厚度大而引起上覆顶板岩层大范围的更为剧烈的活动，将不可避免地对综放沿空留巷产生重大影响。-2200-1900-1600-1300-1000-700-400-100-10-6-22610距煤帮距离/m下沉量/mm 6m 8m10m 0246810121416-10-6-22610 距煤帮距离/m应力/MPa6m8m10m(a)采高对位移影响 (b)采高对应力影响 图 4 采高分析 Fig 4 Analysis of working height 4.3 直接顶厚度直接顶厚度 直接顶厚度分别取 2 m、4 m

13、、6 m 时，留巷顶板垂直位移和垂直应力的计算结果如图 5所示。围岩垂直位移及垂直应力结果表明，当直接顶厚度为 2 m 时，与直接顶厚度 6 m 时相比，后者充填体是稳定的，前者留巷围岩垂直位移及应力大于后者。根据综放沿空留巷围岩移动规律，一定的厚度的直接顶断裂、碎胀有利于老顶回转能尽快触矸形成具有自稳能力的承载结构。-2200-1900-1600-1300-1000-700-400-100-10-6-22610距煤帮距离/m下沉量/mm2m4m6m 02468101214-10-6-22610 距煤帮距离/m应力/MPa2m4m6m(a)直接顶厚度对位移影响 (b)直接顶厚度对应力影响 图

14、5 直接顶厚度分析 Fig 5 Analysis on the thickness of the immediate roof 4.4 直接顶硬度直接顶硬度 直接顶硬度不同时，留巷顶板垂直位移和垂直应力的计算结果如图 6 所示。围岩垂直位-4-http:/ 移及垂直应力结果表明，当直接顶弹模为 2.5GPa 时，与直接顶弹模 5GPa 时相比，前者留巷围岩垂直位移及垂直应力大于后者。直接顶的硬度对留巷影响较大17。-2200-1900-1600-1300-1000-700-400-100-10-6-22610距煤帮距离/m下沉量/mm2.5GPa3.5GPa5GPa 0246810121416

15、-10-6-22610 距煤帮距离/m应力/MPa2.5GPa3.5GPa5GPa(a)直接顶硬度对位移影响(b)老顶岩层硬度对应力影响 图 6 直接顶岩层硬度分析 Fig 6 Analysis on the rigidity of the immediate roof 4.5 老顶岩层（关键层）硬度老顶岩层（关键层）硬度 老顶岩层硬度不同时，留巷顶板垂直位移和垂直应力的计算结果如图 7 所示。从中可以看到随着老顶岩层硬度的增加，留巷围岩的垂直位移有减小的趋势。老顶的硬度对其破断位置及破断后关键块的长度影响很大。而关键块的断裂位置及其块度大小是留巷的上覆岩层形成稳定结构的基础，是留巷的力学模型

16、建立的根本。-2200-1900-1600-1300-1000-700-400-100-10-6-22610距煤帮距离/m下沉量/mm20GPa30GPa40GPa 02468101214-10-6-22610 距煤帮距离/m应力/MPa20GPa30GPa40GPa(a)老顶岩层硬度对位移影响 (b)老顶岩层硬度对应力影响 图 7 老顶岩层硬度分析 Fig 7 Analysis on the rigidity of the main roof 3.关键层的复合效应分析关键层的复合效应分析 5.1 关键层复合效应的内涵关键层复合效应的内涵 当覆岩中存在两层以上坚硬岩层时，无论上部或下部坚硬岩层

17、都将对下部或上部坚硬岩层的采动变形和破断产生影响，也即对采动覆岩变形、破断、移动全过程产生影响。广义地-5-http:/ 讲，这种影响就为两坚硬岩层间的复合效应。如果两坚硬岩层为关键层，则它们之间的相互影响称之为关键层的复合效应，类似于复合梁或复合板的复合效应18,19。主要体现在两关键层间距和厚度比大小的变化上。5.2 两关键层间距两关键层间距 图 8 是两关键层之间的距离分别为 10 m、20 m、30 m 时，留巷顶板垂直位移和垂直应力的计算结果。结果表明，当两层硬岩之间的距离为 30 m 时，与两关键层之间的距离为 10 m 时相比，前者垂直位移及垂直应力明显小于后者。5.3 两关键层

18、厚度比两关键层厚度比 图 9 是取两关键层厚度比（上比下）分别为 1 倍，2 倍，3 倍，留巷顶板垂直位移和垂直应力的计算结果。结果表明，当两关键层厚度比为 3 倍时，与厚度比为 2 倍、1 倍时相比，前者垂直位移及垂直应力明显小于后者。处 处 处 处 处 10m -(a)两关键层间距对位移影响(b)两关键层间距对应力影响 图 8 两关键层间距分析 Fig 8 Analysis of the distance between two key strata-2200-1900-1600-1300-1000-700-400-100-10-6-22610距煤帮距离/m下沉量/mm30m20m 024

19、68101210-6-22610 距煤帮距离/m应力/MPa30m20m10m-2200-1900-1600-1300-1000-700-400-100-10-6-22610距煤帮距离/m下沉量/mm1倍2倍 3倍02468101214-10-6-22610 距煤帮距离/m应力/MPa1倍2倍3倍(a)两关键层厚度比对位移影响(b)两关键层厚度对应力影响 图 9 两关键层厚度比分析 Fig 9 Analysis on the thickness ratio of two key strata -6-http:/ 当间距较大或厚度比较大时，两关键层间的复合效应不明显。当上覆岩层中存在关键层的复合

20、效应的留巷顶板垂直压力的峰值一般为 12MPa，较之无关键层的复合效应时的一般峰值 14MPa，减少了约 1/71/6。巷道顶板的垂直位移也同样略有减小。因此，关键层复合效应的存在有利于综放沿空留巷。4.多元分析多元分析 由于留巷围岩应力和变形受到多种因素的影响，为了全面揭示这种复杂的依存关系，提高预测和控制围岩应力与变形的准确度，可建立多元回归模型进行分析。以沿空留巷煤体内或充填体内的最大应力Y（MPa）为因变量，以地质因素煤体弹性模量x1（GPa）、采高x2（m）、直接顶厚x3（m）、直接顶弹性模量x4（GPa）、老顶弹性模量x5（GPa）、两关键层厚度比x6、两关键层间距x7（m）为自变

21、量,根据图 3图 9 的模拟数据结果，采用最小均方误差法拟合样本，可分别得出上覆岩层中有、无关键层复合效应两种情况下的煤体内和充填体内的最大应力的回归方程。6.1 无关键层复合效应无关键层复合效应）煤体内最大应力回归方程：=25.065 0.342x1 1.243x2 0.723x3 0.377x4 0.06x5 多元分析结果表明：煤体内的最大应力与煤体硬度、采高、直接顶厚、直接顶硬度和老顶硬度的相关性达 84.6%，其中采高x2和直接顶厚x3为敏感因素。用此表达式计算常村煤矿 S2-6综放沿空留巷实体煤帮内最大压力，与实测数据比较误差不超过 14.2%。）充填体内最大应力回归方程：=21.1

22、6+0.173x1 0.338x2 0.228x3 0.691x4 0.085x5 多元分析结果表明：在充填体内的最大应力与煤体硬度、采高、直接顶厚、直接顶硬度和老顶硬度的相关性达 88.0%，其中采高x2和直接顶硬度x4为敏感因素。6.2 有关键层复合效应有关键层复合效应）煤体内最大应力回归方程：=23.808 0.149x1 1.185x2 0.665x3 0.299x4 0.06x5+0.525x6 0.061x7 多元分析结果表明：煤体内的最大应力与煤体硬度、采高、直接顶厚、直接顶硬度、老顶硬度、两关键层厚度比和两关键层间距的相关性达 81.9%，其中采高x2和直接顶厚x3为敏感因素。

23、）充填体内最大应力回归方程：=19.121+0.488x1 0.244x2 0.134x3 0.565x4 0.085x5 1.530 x6 0.027x7 多元分析结果表明：充填体内的最大应力与煤体硬度、采高、直接顶厚、直接顶硬度、老顶硬度、两关键层厚度比和两关键层间距的相关性达 86.7%，其中两关键层厚度比x6和直接顶硬度x4为敏感因素。-7-http:/ 5.结论结论 1）综放巷内充填沿空留巷围岩变形的控制，应充分考虑地质因素和技术因素的影响。地质因素主要包括煤层硬度、采高、直接顶厚度和硬度、老顶硬度和关键层复合效应；技术因素主要包括原有巷道支护形式、端头不放顶煤长度、充填体宽度、充填

24、方式和充填体强度。2）对综放巷内充填沿空留巷而言，采高越小，顶煤和直接顶越厚，老顶越硬，越易在留巷上方形成稳定结构。3）当间距较大或厚度比较大时，两关键层间的复合效应不明显。关键层的复合效应的存在有对留巷有利的一面，在一定范围内和相同条件下，两关键层的距离和厚度比相对越大越好。4）用多元分析方法，得出在采用合理技术方案条件下，围岩最大应力与各地质因素的回归方程。表明地质因素的相关性最大，而采高和直接顶两因素尤为敏感，应成为综放沿空留巷围岩稳定性控制的主要对象。参考文献参考文献 1 郭育光,柏建彪,侯朝炯.沿空留巷巷旁充填体主要参数的研究J.中国矿业大学学报,1992,23(2):1-11.(G

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41、g,China University of Mining and Technology,Xuzhou -9-http:/ Jiangsu 221008,China Abstract The basic deformation&stress distribution features of the gob-side entry retaining with entry-in packing in top-coal caving mining face(GERTCF)are studied mainly from the technical and geological factors.throu

42、gh the computer numerical simulation,the filling parameters are optimized.Geological factors include the working height and the rigidity of coal seam,the thickness and the rigidity of the immediate roof and the main roof,and the key strata.The effect of the different geological factors to deformatio

43、n&vertical stress distribution of GERTCF are much analyzed either.And the relation between the above geological factors and the max vertical stress is also achieved by the method of multiple factor analysis.The results can provide theory basis and design guidance for the application of the GERTCF.Key words:GERTCF;geological factor;deformation and stress,multiple factor analysis 作者简介：作者简介：张东升，196年生。男，汉族，教授，博导，现为中国矿业大学能源与安全工程学院副院长，主要从事采动岩体力学工程应用研究工作。-10-