承壓水上采煤底板破壞深度的探討

郭敬中，單 耀，趙啟峰

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

承壓水上采煤底板破壞深度的探討

郭敬中，單 耀，趙啟峰

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

針對我國承壓水上采煤底板突水災(zāi)害隨工作面斜長不斷增大而逐年增多的趨勢，在總結(jié)全國典型煤礦底板破壞深度實(shí)測資料的基礎(chǔ)上，通過Excel中的擬合函數(shù)功能，建立了多元線性回歸公式。通過與經(jīng)驗(yàn)公式，實(shí)測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，該公式具有較好的預(yù)測效果。研究發(fā)現(xiàn)，工作面斜長對底板破壞深度起著至關(guān)重要的作用，且隨著工作面斜長的增加，底板破壞深度也隨著增加。

底板破壞深度；多元回歸；經(jīng)驗(yàn)公式；數(shù)值模擬

隨著煤礦開采深度的增加，底板突水嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)，不僅造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，而且對礦區(qū)水資源與環(huán)境造成很大破壞。底板破壞深度預(yù)測是礦井底板突水防治的重要一環(huán)，因而進(jìn)行承壓水上采煤底板破壞深度的研究，對礦山安全高效開采具有重要意義。

近年來，我國許多專家學(xué)者通過不同的方法、從不同角度對不同條件下的底板破壞深度進(jìn)行了研究，取得了許多有益的成果，推動(dòng)了承壓水上采煤的安全高效開采。郭文兵，施龍青，許延春等[2,4]在總結(jié)全國典型煤礦底板破壞深度實(shí)測資料的基礎(chǔ)上，利用相關(guān)軟件綜合分析了底板破壞深度與影響因素之間的關(guān)系。有的學(xué)者將煤層底板看作薄板或者梁，簡化受力形式及范圍，運(yùn)用彈塑性力學(xué)進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，獲得了底板破壞深度的理論解。有學(xué)者利用模糊數(shù)學(xué)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、灰色關(guān)聯(lián)度、多源信息融合理論等軟科學(xué)決策方法，對煤礦底板突水評價(jià)和破壞深度進(jìn)行了研究[1-6]。但多與現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)存在較大誤差，且對主要因素的影響程度分析不足，筆者綜合分析典型煤礦實(shí)測樣本數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)擬合、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方式，對承壓水上采煤底板破壞深度進(jìn)行研究。

1 影響因素分析

實(shí)測資料及理論研究表明，煤層底板破壞深度與采煤工作面的礦山壓力作用、煤層底板的抗破壞能力有關(guān)，具體的影響因素主要有[1,4]：(1)開采深度：隨著工作面向深部開采，開采煤層上覆巖層自重增大，煤層底板的原巖應(yīng)力和水壓力增大，底板破壞深度和范圍也就越大。(2)煤層傾角：煤層傾角的變化使得底板內(nèi)的應(yīng)力集中程度和集中區(qū)域發(fā)生變化，從而造成煤層底板破壞深度的改變。(3)工作面采厚：開采厚度直接影響工作面的礦山壓力顯現(xiàn)，工作面采厚越大，對煤層頂?shù)装宓钠茐某潭仍酱蟆?4)工作面斜長：工作面斜長越大，開采空間越大，采動(dòng)影響越強(qiáng)烈，煤層底板破壞程度越嚴(yán)重，底板破壞深度也就越大。(5)煤層底板抗破壞能力：底板抗破壞能力是底板巖石強(qiáng)度、巖層組合及原始裂隙發(fā)育狀況的綜合反映。(6)采煤方法和頂板管理方法：采煤方法和頂板管理方法不同，工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律不同，造成的底板破壞深度也就不同。(7)有無切穿型斷層或破壞帶：斷層或破壞帶的存在對底板破壞具有關(guān)鍵性的影響。底板有斷層或破壞帶存在時(shí)，底板最大破壞深度通常發(fā)生在斷層帶或破壞帶附近，且由于弱面的存在，斷層帶或破壞帶附近底板破壞深度比正常巖層中增大約0.5～1.0倍。(8)承壓水：承壓水水壓大小及水壓分布區(qū)域因與煤層間距大小不同而對底板破壞深度產(chǎn)生不同程度的影響。

2 主控因素分析

底板破壞深度預(yù)測在礦井底板突水防治的重要性毋庸贅述，加強(qiáng)其主控因素分析，將為控制底板破壞深度研究，防治底板突水提供強(qiáng)有力的參考依據(jù)。

劉偉韜[3]等通過數(shù)值模擬研究得出:工作面斜長、采深、采厚對底板破壞深度的敏感性主次順序?yàn)楣ぷ髅嫘遍L>采深>采厚。張文泉[7]等利用灰色關(guān)聯(lián)度分析理論對各主要影響因素進(jìn)行求解，得出主要影響因素與底板破壞深度關(guān)聯(lián)度排序?yàn)椋汗ぷ髅嫘遍L>傾角>底板抗破壞能力>埋深>采厚。由此可見，底板巖層破壞深度受多重因素交叉影響，且各因素影響程度在不同情況下亦不相同。

針對經(jīng)驗(yàn)公式考慮因素較少的問題，筆者收集了32個(gè)無斷層或破壞帶的工作面地質(zhì)資料和底板巖層破壞深度實(shí)測資料(如表1所示)，從采深H、煤層傾角α、煤層采厚M、工作面斜長L和煤層底板抗破壞能力D五個(gè)主控因素進(jìn)行多元線性回歸分析。其中煤層底板抗破壞能力，參照直接頂強(qiáng)度分類方案，代入公式D=Rc·C1C2∕15求取，其中，Rc為巖石單向抗壓強(qiáng)度，MPa；C1為節(jié)理裂隙影響系數(shù)；C2為分層厚度影響系數(shù)；C1、C2的確定參考有關(guān)文獻(xiàn)[1,8]。

2.1 典型礦井底板破壞數(shù)據(jù)分析

設(shè)影響因變量y的主要因素有n個(gè)，則多元線性回歸模型為：

y=α0+α1x1+α2x2+…+αnxn+ε

(1)

式中，α0為常數(shù)項(xiàng)；αi(i=1，2，…，n)為偏回歸系數(shù)，在其自變量保持不變時(shí)，xi(i=1，2，…，n)每改變一個(gè)單位，應(yīng)變量y的平均變化量；ε為殘差。

筆者將傳統(tǒng)計(jì)算公式中影響底板破壞深度的三個(gè)影響因素增加到五個(gè)，分別為煤層采深H、煤層傾角α、煤層厚度M、工作面斜長L和底板抗破壞能力D，建立多元線性方程：

h1=α1H+α2α+α3M+α4L+α5D+α0

(2)

通過多元線性回歸分析，得到相關(guān)系數(shù)Multiple R=0.9332，處于0.8～1.0范圍內(nèi)，且非常接近1，說明變量之間高度正相關(guān)；Significance F<0.05，說明該回歸方程回歸效果顯著；P-value值也符合要求。綜合三種數(shù)理統(tǒng)計(jì)的推斷方法發(fā)現(xiàn)采場底板破壞深度與五個(gè)影響因素具有明顯的線性相關(guān)關(guān)系，得到線性回歸公式為：

h1=-5.3334+0.105H-0.2219α-0.8995M-0.0996L-3.7821D (3)

表1 樣本數(shù)據(jù)

2.2 對比分析

根據(jù)《建筑物水體鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，工作面底板破壞深度經(jīng)驗(yàn)公式[8]為：

h1=0.0085H+0.1665α+0.1079L-4.3579

(4)

基于表1中的樣本數(shù)據(jù)，代入經(jīng)驗(yàn)公式得到底板破壞深度h2，與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到表2中的誤差分析數(shù)據(jù)。同理，代入多元線性回歸公式得到底板破壞深度h1，與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到相對誤差填入表2。

表2 相對誤差對比

由表2可知，規(guī)程經(jīng)驗(yàn)公式對底板破壞深度h2預(yù)測值相對誤差最大值可達(dá)63.71%，最小值為0.72%，平均誤差為19.76%；多元線性回歸公式對底板破壞深度h1預(yù)測值相對誤差最大為39.87%，最小為2.03%，平均為15.20%。說明多元線性回歸公式在底板破壞深度預(yù)測中對于減少誤差具有很大的改進(jìn)，在樣本數(shù)據(jù)足夠大的情況下，有較好的預(yù)測效果。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

以孫疃礦10煤某綜采工作面地質(zhì)參數(shù)為基礎(chǔ)，建立工作面數(shù)值模型，見圖1。坐標(biāo)系：煤層走向(工作面推進(jìn)方向)為x軸，垂直煤層回采方向?yàn)閥軸，重力方向?yàn)閦軸，以煤層底板為0點(diǎn)，向上為正，向下為負(fù)。計(jì)算模型沿x軸方向長度為320 m，y軸方向長度為288 m，z軸方向總高度200 m，工作面離地表平均深度為466 m。在距煤層底板58.4 m的地方有承壓含水層，受均布水壓，模型上方按至地表巖體的自重施加垂直方向的載荷。

圖1 數(shù)值模擬模型

為簡化運(yùn)算，本模擬將研究區(qū)域巖層按巖性和完整性劃分為中砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、鋁質(zhì)泥巖、含水層、煤層6個(gè)工程地質(zhì)巖組。(如表3)

3.2 邊界條件

應(yīng)力邊界：模型的左右力學(xué)邊界為固定水平移動(dòng)，可以發(fā)生垂直方向的移動(dòng)；底板力學(xué)邊界為固定支承，固定各個(gè)方向的移動(dòng)；頂部力學(xué)邊界為自由邊界；模型內(nèi)初始地應(yīng)力按巖體的自重應(yīng)力計(jì)算，側(cè)向應(yīng)力乘以側(cè)壓系數(shù)0.35。

表3 地質(zhì)模型各巖層物理力學(xué)參數(shù)

流體邊界：模型的前后左右為不透水邊界，含水層頂部為壓力水頭邊界，壓力水頭按照模擬要求設(shè)置，為了模擬符合含水層的富含水性，設(shè)置模型底部為透水邊界，固定水頭壓力含水層的初始飽和度設(shè)為1，含水層以上的巖層初始飽和度為0。

初始條件：為確保流—固耦合的初始狀態(tài)平衡，先對模型進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，達(dá)到平衡后，打開力學(xué)計(jì)算與流體計(jì)算，進(jìn)行流—固耦合平衡，然后對工作面進(jìn)行開挖，同時(shí)打開力學(xué)計(jì)算與流體計(jì)算，達(dá)到流力平衡后，再進(jìn)行下一步開挖，如此循環(huán)。

3.3 結(jié)果分析與討論

(1) 不同工作面斜長下底板塑性區(qū)域分布特征

圖2 斜長為120 m時(shí)的塑性分布

圖3 斜長為160 m時(shí)的塑性分布

圖4 斜長為200 m時(shí)的塑性分布

圖5 底板破壞深度隨工作面推進(jìn)長度的變化

從圖2～5可知，塑性區(qū)的分布基本關(guān)于工作面的中垂線對稱，在開切眼和煤壁附近出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中出現(xiàn)在開切眼的斜上方、斜下方和煤壁的斜上方、斜下方，大致呈“蝶狀”分布。煤層底板中應(yīng)力集中部位是較易發(fā)生剪切屈服破壞，并會(huì)導(dǎo)致剪切裂隙的發(fā)育，形成導(dǎo)水通道，承壓水上采煤時(shí)應(yīng)加強(qiáng)管理。

當(dāng)工作面推進(jìn)不同的距離時(shí)，底板破壞范圍和程度不斷發(fā)生變化。煤層底板的破壞區(qū)域主要分布在采空區(qū)下方的直接底中，由淺部向深部逐漸發(fā)展。隨著工作面向前推進(jìn)，底板破壞深度逐步增大，當(dāng)達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，底板破壞深度值最大并基本趨于穩(wěn)定。

當(dāng)工作面斜長分別為120 m、160 m和200 m時(shí)，煤層底板最大破壞深度分別為14.2 m、18.6 m和22.0 m。這與多元線性回歸公式預(yù)測值是基本吻合的，一方面說明線性回歸公式預(yù)測的準(zhǔn)確性比較高，另一方面說明隨著工作面斜長的增大，承壓水上采煤時(shí)底板破壞深度逐漸增大。

4 工程實(shí)踐

孫疃礦10煤某綜采工作面相關(guān)參數(shù)：工作面煤層平均厚度M為3.4 m，煤層平均傾角α為15°，工作面斜長L為160 m。煤層下距太灰水層的平均距離為58.4 m，平均采深H為466 m，上覆巖層的平均重力密度為0.026 Mn/m3，工作面前方最大應(yīng)力集中系數(shù)是2.5?？紤]到巖體的尺寸效應(yīng)前提下，獲得巖石物理力學(xué)參數(shù)：煤層黏聚力為3.8 MPa，煤層內(nèi)摩察角為32°，煤層底板巖石內(nèi)摩擦角是42.6°，煤層底板巖石的粘聚力為0.7 MPa。

代入多元線性回歸公式(2)，求得該條件下煤層底板最大破壞深度為18.86 m，與實(shí)測破壞深度為0～20 m的結(jié)論是吻合的。

當(dāng)工作面斜長為120 m、200 m，其他條件不變時(shí)，代入公式(2)，求得該條件下煤層底板的最大破壞深度分別為14.87 m和22.84 m。說明隨著工作面斜長的增加，底板破壞深度也隨著增加。

5 結(jié)論

(1) 采用excel的數(shù)據(jù)處理功能，對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對底板破壞深度與其有關(guān)的影響因素進(jìn)行擬合，得到底板破壞深度的線性回歸計(jì)算公式，與規(guī)程經(jīng)驗(yàn)公式相比，預(yù)測誤差范圍更小，預(yù)測數(shù)值更為準(zhǔn)確。

(2) 利用多元線性回歸公式、數(shù)值模擬和現(xiàn)場應(yīng)變實(shí)測多種方法相結(jié)合，對承壓水上采煤底板破壞深度進(jìn)行分析研究，驗(yàn)證了孫疃礦10煤某綜采工作面采動(dòng)底板變形破壞深度為0～20 m的準(zhǔn)確性。

(3) 本文得出的底板破壞深度公式是對現(xiàn)行底板破壞深度公式體系的補(bǔ)充與完善，實(shí)例驗(yàn)證了公式有較好的實(shí)用性及準(zhǔn)確性。

[1] 郭文兵,鄒友峰,鄧喀中.煤層底板采動(dòng)導(dǎo)水破壞深度計(jì)算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[J]．中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2003，40(3):37-40.

[2] 李江華,許延春,謝小峰,等.采高對煤層底板破壞深度的影響[J].煤炭學(xué)報(bào)，2015,40(s2)：303-310.

[3] 劉偉韜,劉士亮,姬保靜．基于正交試驗(yàn)的底板破壞深度主控因素敏感性分析[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2015，40( 9):1995-2001．

[4] 施龍青,徐東晶,邱梅,等．采場底板破壞深度計(jì)算公式的改進(jìn)[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2013，38( 2):299-303．

[5] 于小鴿,韓進(jìn),施龍青,等．基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的底板破壞深度預(yù)測[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2009，34(6):731-736．

[6] 張蕊,姜振泉,等.大采深厚煤層底板采動(dòng)破壞深度[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2013，38(1):67-72．

[7] 張文泉,趙凱,張貴彬,等．基于灰色關(guān)聯(lián)度分析理論的底板破壞深度預(yù)測[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2015，40(S1):53-59．

Study on depth of destroyed floor with mining above confined aquifers

GUO Jing-zhong ,SHAN Yao,ZHAO Qi-feng

(SafetyEngineeringCollege,NorthChinainstituteofscienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

Aimed at the trend of water inrush disasters increasing annually with the facing length above confined aquifers,based on the summary of measured data of typical coal floor damage depth nation-wide in China.Using the function analysis capability in Excel，multi-variable linear regression formula was founded.With the comparisons in computation error between the measured data and the coal floor damage depth predicted using the standard empirical equation，and in-situ data,multi-variable linear regression formula provide a higher accuracy in prediction and relatively low error range.This study shows that facing length has a significant influence,and depth of the failure floor increases as the facing length extends.

floor failure depth；multiple regression ；empirical formula；Numerical simulation

2016-09-06

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(HKJYZD201604，3142015028)

郭敬中(1983-)，男，河南濮陽人，碩士，博士在讀，華北科技學(xué)院講師，研究方向：煤礦安全生產(chǎn)。E-mail：jzhguo2010@163.com

TD32

A

1672-7169(2016)05-0037-06