多因素协同作用浅埋深薄基岩覆岩活动研究*

高云瑞，刘长武，康亚明，黄常玲，卢邦稳

（1. 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2. 四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065；3. 北方民族大学 化学与化学工程学院，宁夏 银川 750021）

多因素协同作用浅埋深薄基岩覆岩活动研究*

高云瑞1,2，刘长武1,2，康亚明3，黄常玲1,2，卢邦稳1,2

（1. 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2. 四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065；3. 北方民族大学 化学与化学工程学院，宁夏 银川 750021）

根据浅埋深薄基岩煤层赋存特点，采用Flac3D数值模拟方法进行正交试验，系统分析了松散层厚度、基岩厚度、采高和推进速度对浅埋深薄基岩厚松散层岩层活动的影响，确定了各因素对岩层活动影响的重要性。结果表明：各因素对岩层活动影响的重要性从岩层活动的不同指标来看是不一样的。针对初次来压，基岩厚度为主要影响因素；对于周期来压，松散层厚度为主要影响因素；采高为地表位移的主要影响因素；综合来看，对于浅埋深薄基岩厚松散层采场岩层活动影响的因素由主到次依次为基岩厚度→松散层厚度→采高→推进速度。

浅埋深；薄基岩；厚松散层；多因素；岩层活动规律；正交试验

1 引言

我国西部煤炭资源丰富，大多埋深在150m以内，赋存特点为埋深浅、基岩薄，最典型的当属神东矿区［1］。神东矿区开采实践表明［2］，浅埋薄基岩煤层工作面矿压显现规律与普通长壁工作面明显不同，浅埋深煤层并不一定矿压就小，相反开采过程中矿压显现剧烈，普遍出现台阶下沉现象，容易压毁支架［3］。黄庆享等［5］在大量现场实测和实验室相似模拟实验的基础上，得出浅埋深煤层的矿压特征，根据埋深、基载比Jz、关键层结构特征以及采场来压时顶板破坏动载特征给出了浅埋煤层的定义［6］。单因素［7］对浅埋深煤层顶板活动规律的研究较多，但对松散层厚度、基岩厚度、采高和推进速度等多因素之间的协同作用对浅埋深薄基岩矿压显现规律影响的研究较少。本文采用Flac3D数值模拟方法进行正交试验，系统分析了松散层厚度、基岩厚度、采高和推进速度综合作用对浅埋深薄基岩厚松散层岩层活动的影响。确定了各因素对岩层活动影响的重要性。

2 覆岩活动规律影响因素正交试验设计［2］

2.1 确定影响因素及各因素的水平

浅埋深薄基岩厚松散层采场覆岩活动的影响因素很多［13］，考虑全部因素进行分析是很困难的。以初次来压步距、周期来压步距和地表下沉量为岩层移动的主要指标，根据浅埋深薄基岩煤层埋深浅、基岩薄、上覆松散层厚、采高较大以及开采过程中机械化程度高的特点，结合神东矿区浅埋深薄基岩煤层的具体情况，选取采高、基岩厚度、松散层厚度和推进速度四个因素进行分析，每个因素划分为3个平，具体因素和水平划分如表1所示。

表1 正交试验因素与水平表

2.2 正交表的选择

试验属于典型的多因素多水平实验，根据正交试验设计表，采用四因素三水平正交试验设计。具体设计如表2所示。

表2 多因素协同作用下试验设计表

按式（2-1）计算：

式中：Tij为该因素在第j个水平所做的ni次试验结果之和，ni为第i列所安排因素的水平重复次数。

ni按式（2-2）计算：

式中：nj为第J列所安排的因素的水平数，N为正交表的行数即试验次数

R为极差按式（2-3）计算：

式中：Kimax为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 模拟试验结果及其分析

神东矿区1-2#煤层倾角较小，埋深105m，煤层厚5m，基岩是厚度20m左右的细粒砂岩、中粒砂岩和粗砂岩互层。基岩之上为厚度达80m的风积沙和砂砾石，属典型的浅埋深薄基岩煤层。工作面长度为220m。

3.1 正交试验成果

模型的建立主要结合神东矿区1-2#煤层的赋存条件。地层结构及其主要物理力学参数如表3所示。

长壁工作面条件下，采用如图1所示的平面模型，各层模型在工作面推进方向划分为5m，垂直方向网格尺寸底板划分为4m，煤层划分为5m，基岩层划分为5m，上覆松散层为15m。模型长为300m，在模型长度方向80m位置处做切眼，从切眼位置向右推进。围岩本构关系采用Mohr-Coulomb模型。

图1 数值计算力学模型图

将各条件下模拟分析所得地表最大位移、初次来压和周期来压数据归纳整理，模拟结果如表4所示。

表4 正交试验结果表

3.2 初次来压步距结果及分析

图2为试验4（推进速度10m/d、基岩厚度20m、采高5m、松散层厚度80m）初次来压步距模拟结果。

图2 试验4初次来压（L=15m）

各因素各水平对初次来压步距的影响如表5所示。

表5 初次来压步距表

将各因素各水平对初次来压的影响绘制成影响趋势图，折线升降幅度越大，影响越主要，如图3所示。

图3 各因素各水平对初次来压的影响趋势图

由图3可以看出，B因素升降幅度最大，则B（基岩厚度）为最主要影响因素，D（松散层厚度）的升降幅度其次，A（推进速度）的最小，因此各因素对初次来压的影响程度从主到次依次为：B→D→C→A。

3.3 周期来压步距结果

图4为试验5（推进速度10m/d、基岩厚度40m、采高8m、松散层厚度40m）周期来压步距模拟结果。

图4 试验5周期来压（L=20m）

各因素各水平对周期来压步距的影响如表6所示。

表6 周期来压步距表

将各因素各水平对周期来压的影响绘制成影响趋势图，如图5所示。

图5 各因素各水平对周期来压的影响趋势图

通过图5可以看出，D因素升降幅度最大，则D（松散层厚度）为最主要影响因素，B（基岩厚度）的升降幅度其次，A（推进速度）的最小，因此各因素对周期来压的影响程度从主到次依次为：D→B→C→A。

3.4 地表最大下沉位移试验结果

按照正交试验设计表，计算各个试验地表最大下沉位移曲线，图6为试验6（推进速度10m/d、基岩厚度60m、采高2m、松散层厚度60m）地表最大下沉位移模拟结果。

图6 试验6地表最大下沉曲线

各因素各水平对地表最大位移的影响如表7所示。

表7 地表最大位移表

将各因素各水平对地表最大位移的影响绘制成影响趋势图，如图7所示。

图7 各因素各水平对地表最大位移影响趋势图

通过图7可以看出，C因素升降幅度最大，则C（采高）为最主要影响因素，B（基岩厚度）的升降幅度其次，A（推进速度）的最小，因此各因素对地表位移的影响程度从主到次依次为：C→B→D→A。

由以上分析可以看出，岩层移动的不同指标主要影响因素不相同，对地表位移分析由主到次为C→B→D→A；对周期来压分析由主到次依次为D→B→C→A；从对初次来压分析由主到次依次为B→D→C→A。但是在对周期来压的影响方面由于B因素和D因素极差相差不大，因此可以将B因素和D因素相互交换位置，即对周期来压影响由主到次依次为B→D→C→A，这样将三个方面综合考虑，对浅埋深薄基岩厚松散层煤层岩层活动影响因素由主到次依次为B→D→C→A，即基岩厚度→松散层厚度→采高→推进速度。

4 结论

通过数值模拟研究了多因素共同作用对浅埋深薄基岩岩层活动的影响，得到如下结论：

（1）各因素对岩层活的影响从不同指标来看也是不同的。对初次来压影响依次为：基岩厚度→松散层厚度→采高→推进速度；对周期来压的影响依次为：松散层厚度→基岩厚度→采高→推进速度；对地表位移影响由主到次为：采高→基岩厚度→松散层厚度→推进速度。

（2）三个指标综合考虑，对浅埋深薄基岩厚松散层岩层活动的影响有主到此为：基岩厚度→松散层厚度→采高→推进速度。

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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

*基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）项目（2010CB226802）；国家自然科学基金煤炭联合基金重点项目（51134018）；国家自然科学基金资助项目（51369001）

高云瑞（1990-），男，宁夏吴忠人，硕士研究生，主要从事地下工程研究。E-mail:gaoyunrui640302@163.com