采场底板岩体裂隙发育深度影响因素敏感性研究①

师皓宇 田多 田昌盛

(1.华北科技学院，北京东燕郊 101601;2.伊泰集团，内蒙古鄂尔多斯 017000)

采场底板岩体裂隙发育深度影响因素敏感性研究①

师皓宇1②田多1田昌盛2

(1.华北科技学院，北京东燕郊 101601;2.伊泰集团，内蒙古鄂尔多斯 017000)

底板突水过程实际上是水压驱动下岩层裂纹萌生、扩展、贯通，直到最后断裂导致失稳破裂的过程。本文通过正交试验法设计了9个计算模型，并对UDEC数值模拟结果进行极差分析，从而得出采场底板岩体裂隙发育深度影响因素的敏感性顺序为：隔水层强度＞原岩应力＞原生裂隙度＞采面长度＞承压水压＞采高。该结果对承压水体上采煤的底板裂隙发育能够定性判别，从而实现安全生产。

采场底板;裂隙;影响因素;敏感性

0 引言

华北地区煤田水文地质条件十分复杂，裂隙以斜交和垂直地层等形式赋存于各类地层中，分布面积大，裂隙及溶蚀裂隙发育，含水性强，矿井涌水量大、突水频率高，煤矿安全生产形势严峻。对郑州、晋城、徐州、永城及两淮地区50多个矿井的调研及井下观测，裂隙是矿井突水主要的导水通道，且多数淹井、淹工作面的重大突水事件。煤层底板突水是煤层下伏承压水冲破底板隔水层的阻隔，以突水、缓发或滞发的形式进入工作面，造成矿井涌水量增加或淹井的自然灾害，为矿井生产的五大灾害之一［1，2］。底板突水过程实际上是水压驱动下岩层裂纹萌生、扩展、贯通，直到最后断裂导致失稳破裂的过程［3］。采用断裂力学、突变理论和蠕变理论等解析方法，不能直观地认识底板破坏失稳及其水力传递的全过程，数值模拟方法具有良好的应用前景［4，5］。本文旨在探讨影响底板裂隙发育深度的影响因素的敏感性。

1 计算模型设计

根据现场生产实践，采场底板的裂隙发育对承压水上采煤安全性影响较大，但底板裂隙发育要受到多种因素的制约，如应力状态、采高、承压水压等。

考虑到生产实践的可能和模拟设计的可能，每种因素取三个水平。所以本次试验的指标为底板裂隙发育深度;6个因素和三个水平;选择L9 (36)设计正交表如下：

表1 数值计算设计方案表

2 裂隙发育深度影响因素敏感性分析

从上图可以看出，方案1底板裂隙发育深度为12m，煤体下方发育较深;方案2在采空区中部底板裂隙发育最大深度为38m;方案3在采空区中部底板裂隙发育最大深度为34m;方案4在煤体下方底板裂隙发育最大深度为30m;方案5在采空区中部底板裂隙发育最大深度为8m;方案6在煤体下方底板裂隙发育最大深度为40m;方案7在采空区中部底板裂隙发育最大深度为18m;方案8在采煤体下部底板裂隙发育最大深度为48m;方案9在煤体下部底板裂隙发育最大深度为42m。

对以上结果汇总如下：

图2 不同方案底板裂隙发育图

表2 正交试验计算结果分析表

上表中kij是因素j的第i水平所在试验中的指标值之和(j=1，2，3，4，5，6，7;分别代表A，B，C，D，E，F，G，7个因素;i=1，2，3代表3个水平)，Rj代表第j列各行试验指数的极差，Rj=max(k1jk2jk3j)－min(k1jk2jk3j)

正交实验因素分析能依据较少的实验条件推断出各因素的影响程度。上表显示，通过以上的9此模拟结果分析，底板裂隙发育最大深度为48m，最小裂隙发育深度为8m，平均裂隙发育深度为179/9=19.9m，根据上表极差分析可知：

因此可知对顶板断裂影响次序为：

岩石强度＞原岩应力＞原生裂隙度＞采面长度＞承压水压＞采高

由以上分析可以看出，对底板裂隙发育深度影响较大的因素主要有隔水层强度、原岩应力状态和底板岩层原生裂隙间距;而采高和承压水压力对采场底板裂隙发育影响相对较小。

3 结论

1)底板突水过程实际上是水压驱动下岩层裂纹萌生、扩展、贯通，直到最后断裂导致失稳破裂的过程。

2)本文通过正交试验法设计了9个计算模型，经过分析模拟结果可知，底板裂隙发育最大深度为48m，最小裂隙发育深度为6m，平均裂隙发育深度为19.9m。

3)对模拟结果进行极差分析，得出采场底板岩体裂隙发育深度影响因素的敏感性顺序为：隔水层强度＞原岩应力＞原生裂隙度＞采面长度＞承压水压＞采高。

［1］杨天鸿，唐春安.承压水底板突水失稳过程的数值模型初探［J］.地质力学学报，2003(9)

［2］魏久传，李白英.承压水上采煤安全性评价［J］.煤田地质与勘探，2000(8)：57－59

［3］彭苏萍，王金安.承压水体上安全采煤［M］.北京：煤炭工业出版社，2001

［4］钱鸣高，刘听成.矿山压力及其控制(修订本)［M］.北京：煤炭工业出版社，1995

［5］凌标灿，彭苏萍.工程因素对围岩稳定性影响三维数值模拟分析.工程地质学报，2003(4)：35－38

The Sensitivity Study on Influencing Factors of
Fracture Development the Depth in Stope Floor Rock

SHI Haoyu1，TiIAN Duo1，TIAN Changsheng2

(1.North China Institute of Science and Technology，Yanjiao Beijing-East101601; 2.Inner Mongolia Yitai Group CO.，LTD，Ordos Inner Mongolia017000)

Floor water invasion process actually is rock crack Initiation and extended and transfixion by water drive，and until Fracture lead to Instability.this paper design 9 calculation models by orthogonal test，and do range analysis about UDEC calculation results，and obtain the sensitivity sequence that is on influencing factors of the fracture development depth in coal bed floor rock is aquifuge strength＞rock stress＞preexisting fissures degree＞mining faces length＞artesian pressure＞mining height. The result can qualitative discriminate the fracture development depth in Coal bed floor rock on the Top of water－pressured.

Stope Floor;Fracture;Influencing Factors;Sensitivity

TD327.3

A

1672－7169(2011)04－0027－03

2011－07－11

师皓宇(1979－)，男，内蒙古乌兰察布人，硕士，华北科技学院安全工程学院讲师，主要从事采矿专业教学与科研工作。