充填開采地表變形主控因素分析

周 巖

（山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

充填開采地表變形主控因素分析

周 巖

（山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

充填開采條件下影響地表覆巖變形因素很多，為研究各因素與充填開采地表變形的關(guān)系，引入正交設(shè)計(jì)思想進(jìn)行FLAC3D數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)。在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)各影響因素進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，同時(shí)采用Matlab軟件進(jìn)行線性回歸分析，得出地表變形量與各影響因素的關(guān)系式，為充填開采設(shè)計(jì)提供了參考。

充填開采；地表變形量；數(shù)值模擬；Matlab；回歸分析

地下煤炭充填開采能否成功實(shí)施，取決于開采后采動(dòng)造成的地表覆巖移動(dòng)變形，然而在現(xiàn)場實(shí)踐或礦井設(shè)計(jì)中，對(duì)充填開采造成的地表覆巖變形規(guī)律無法方便的獲取，往往以工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)積累或者其他工作面開采得出的經(jīng)驗(yàn)公式作為依據(jù)進(jìn)行分析［1-5］，但實(shí)用性較差。

為此，本文基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬分析，探討采深、采厚、采寬以及充填率對(duì)地表變形沉降的影響，并對(duì)各個(gè)影響因素進(jìn)行參數(shù)敏感性研究，得出各個(gè)變形參量與采深、采厚、采寬以及充填率的關(guān)系。

1 正交設(shè)計(jì)及模擬計(jì)算

1.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)充填開采地表沉陷規(guī)律分析中，我們根據(jù)實(shí)際情況選取了4個(gè)起主要作用的影響因素，即采深、煤厚、采寬及充填率，對(duì)每個(gè)影響因素取4個(gè)水平，如表1所示。

表1 影響因素及水平

1.2 數(shù)值模擬計(jì)算

模擬計(jì)算中，采用FLΑC3D數(shù)值分析軟件，簡化為平面應(yīng)變模型，以山東省某礦的地質(zhì)采礦條件為原型建立數(shù)值分析模型，模型兩端的X方向的位移固定，即邊界水平位移為零；模型底部邊界水平、垂直位移為零；模型頂部為自由邊界，根據(jù)實(shí)際情況施加上覆土層荷載。并確定模型尺寸大小為長×寬×高=850m×6m×373.4m，煤層頂板以上高度為340m，煤層取平均厚度3.4m，煤層底板以下厚度為30m。計(jì)算中采用理想彈塑性模型，Mohr-Coulomb 破壞準(zhǔn)則。

運(yùn)用L16（44）正交表對(duì)上述選取的4因素4水平的試驗(yàn)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，采用FLΑC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)不同組合情況下的正交試驗(yàn)進(jìn)行地表巖移模擬分析，分別計(jì)算各組合下的地表變形量。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 參數(shù)敏感性分析

極差分析作為數(shù)據(jù)處理的種種方法中具有計(jì)算過程方便、表達(dá)效果直觀、方便操作優(yōu)點(diǎn)的一種常用方法。它能夠在進(jìn)行簡短的數(shù)學(xué)運(yùn)算及走勢圖形，清楚的對(duì)各個(gè)影響因素的影響水平的不同對(duì)數(shù)據(jù)造成的影響進(jìn)行分析。 根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果分析，以各個(gè)影響因素的影響水平為坐標(biāo)橫軸，以地表變形各個(gè)參量最大變形值的平均值作為坐標(biāo)的縱軸，作出各個(gè)影響因素的影響水平與各個(gè)參量最大變形值的平均值的趨勢如圖1所示，以沉降值為例。

從圖1所示的分析數(shù)據(jù)中，可以清晰的得到，對(duì)沉降值、水平移動(dòng)值和水平變形值來說，隨著煤層厚度及充填率的變化，上述三個(gè)參量變形值變化非常明顯，說明沉降值、水平移動(dòng)值和水平變形值對(duì)煤厚及充填率的變化是很敏感的，而采深、采寬的變化對(duì)上述三個(gè)參量的波動(dòng)較小，說明其對(duì)此兩個(gè)參數(shù)相對(duì)不敏感；各個(gè)影響因素對(duì)沉降值影響的主次秩序是：充填率、煤厚、采寬、采深；對(duì)水平移動(dòng)值影響的主次秩序是：煤厚、充填率、采寬、采深；對(duì)水平變形值影響的主次秩序是：煤厚、充填率、采深、采寬。

對(duì)傾斜和曲率值來說，隨著采深、煤厚和充填率的變化，上述兩個(gè)參量變形值變化非常明顯，說明傾斜和曲率值對(duì)采深、煤厚和充填率的變化是很敏感的，而采寬的變化對(duì)上述兩個(gè)參量的波動(dòng)較小，說明其對(duì)此參數(shù)相對(duì)不敏感；各個(gè)影響因素對(duì)傾斜值影響的主次秩序是：采深、充填率、煤厚、采寬；對(duì)曲率值影響的主次秩序是：煤厚、充填率、采寬、采深。

2.2 地表變形回歸分析

對(duì)模擬計(jì)算所得數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，不同變形參量與采深、煤厚、采寬及充填率的回歸方程為（以下沉值為例）：

下沉（單位：mm）：

式中，H—采深，m；M—煤厚，m；L—采寬，m；η—充填率，%。

3 結(jié)論

（1）不同影響因素對(duì)其的影響程度不同，各個(gè)影響因素對(duì)沉降、傾斜、曲率、水平移動(dòng)、水平變形影響程度的次序分別為：充填率—煤厚—采寬—采深、采深—煤厚—充填率—采寬、采深—煤厚—充填率—采寬、煤厚—充填率—采寬—采深、煤厚—充填率—采深—采寬。

（2）根據(jù)含交互作用的部分多元二次模型，通過MΑTLΑB回歸分析，得出了地表變形沉降參量與采深、煤厚、采寬及充填率的回歸方程。

［1］田書群.寺溝下覆煤層采動(dòng)作用下公路橋基變形失穩(wěn)機(jī)理數(shù)值模擬分析［J］.公路工程，2007（06）∶118-122.

［2］谷拴成，洪興.概率積分法在山區(qū)淺埋煤層地表移動(dòng)預(yù)計(jì)中的應(yīng)用［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（01）∶45-50+69.

［3］喬乃琛，姜巖，趙琦，徐永梅.建筑物下壓煤充填開采優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2012（11）∶19-23.

［4］瞿群迪，姚強(qiáng)嶺，李學(xué)華，榮同義.充填開采控制地表沉陷的關(guān)鍵因素分析［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010（04）∶458-462.

［5］李叔磊，馮濤，李石林.條帶膏體充填開采地表沉陷研究［J］.采礦技術(shù)，2012（06）∶9-11+14.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.063