郭俊慶 楊永康 康天合

（太原理工大學采礦工藝研究所，山西省太原市，030024）

綜放采場控頂區(qū)頂煤下沉量影響因素的數(shù)值試驗研究

郭俊慶 楊永康 康天合

（太原理工大學采礦工藝研究所，山西省太原市，030024）

運用正交方法進行數(shù)值試驗，分析不同因素對綜放采場控頂區(qū)頂煤下沉量的影響規(guī)律，并提出相應的控制方法。研究結果表明：（1）控頂區(qū)內頂煤下沉量與5個因素顯著相關，影響程度依次為：埋深＞煤的單軸抗壓強度＞支架支撐力＞煤厚＞工作面長度；（2）根據(jù)實際條件，可通過頂煤注水或爆破降低煤強度、提高支架初撐力、減少工作面長度等措施控制頂煤的下沉量。（3）數(shù)值試驗和現(xiàn)場實測對比結果說明各因素對頂煤下沉量綜合影響規(guī)律的結論是可靠的。

綜放采場 頂煤下沉量 影響因素 數(shù)值試驗 控制方法

本文采用正交試驗方法，運用FLAC3D有限差分軟件研究綜放開采過程中實際煤層賦存條件對控頂區(qū)內頂煤下沉量的影響規(guī)律，提出相應的控制方法，并通過公務素地區(qū)1604工作面的現(xiàn)場實測，對結論的可靠性進行了對比分析。

1 試驗方案

正交試驗方案是一種研究與處理多因素的試驗設計法，它可以通過少量的實驗次數(shù)，找到較好的實驗結果，并簡捷地對其進行進一步的分析。

根據(jù)國內外放頂煤開采技術的研究現(xiàn)狀，將埋深、煤厚、工作面長度、煤的單軸抗壓強度和支架支撐力5個參數(shù)選定為本次試驗中頂煤下沉量的影響因素。為了全面反映煤層狀況，對每個因素確定5個水平，組成5因素5水平問題，見表1。采用正交試驗方法設計出表2所示的25個計算方案。

表1 試驗因素與水平

表2 正交試驗方案

2 試驗模型

選用FLAC3D有限差分軟件建立試驗模型，根據(jù)地層條件，確定模型的相關尺寸為：模型高度135～543m，其中頂板巖層厚度依方案不同分別為100m、200m、300m、400m和500m，煤層厚度為5m、7m、9m、11m和13m，底板厚30 m；模型長度為380m，即工作面推進方向起始端留50m實體煤柱，推進長度245m，停采線前方留85m煤柱；模型寬度取80～230m，因考慮對稱性，沿工作面長度方向取一半，兩端各留30m煤柱。在模型兩側僅約束水平位移，底板約束水平和垂直位移，上部模擬全厚，為自由邊界。模型內各單元均考慮自重的影響。

3 模擬過程

模型建好后，沿工作面推進方向每次開挖5m，開采高度2.8m，計算至平衡，依次循環(huán)，直至工作面推進至停采線處。

在計算過程中，頂煤、頂板垮落規(guī)律按現(xiàn)場經驗數(shù)值來模擬，其中頂煤初次垮落步距10m，直接頂初次垮落步距15m，基本頂初次來壓步距25 m。工作面控頂距取5m，將煤壁后5～10m的頂煤取出。直接頂垮落后，按碎脹系數(shù)1.35填充采空區(qū)，直接頂厚12.3m，碎脹后厚16.61m。基本頂周期來壓步距為10m，即煤壁后5～15m的基本頂發(fā)生周期性垮落，基本頂和上覆巖層垮落后的初始碎脹系數(shù)取1.2，其中，上覆巖層垮落厚度取值依據(jù)各方案的煤層厚度不同而異，見表3。

表3 不同煤層厚度條件下采空區(qū)基本頂垮落厚度取值

4 試驗結果及其分析

4.1 各因素對頂煤下沉量的影響規(guī)律

25個正交試驗方案控頂區(qū)頂煤下沉量的計算結果見表2。按照各因素不同水平，對表2計算結果進行分組，見表4。

隨后對各因素作一元回歸分析，可得各因素對頂煤下沉量的影響規(guī)律，見圖1。

（1）隨著開采深度的增大，頂煤下沉量呈對數(shù)規(guī)律增加，見圖1（a），在埋深小于400m時，增加幅度較大。

（2）隨煤厚的增加，頂煤下沉量呈負對數(shù)規(guī)律降低，見圖1（b），主要由于增大煤厚導致頂煤厚度范圍的壓縮變形量增大。

表4 各因素不同水平頂煤下沉量S的計算結果

圖1 各因素對頂煤下沉量S的影響規(guī)律

（3）隨工作面長度的增加，頂煤下沉量呈指數(shù)規(guī)律增加，見圖1（c）。

（4）隨煤單軸抗壓強度的增加，頂煤下沉量呈現(xiàn)先增后減的二次多項式規(guī)律變化，見圖1（d），先增是因為Rc增加后，頂煤壓縮量減小，吸收老頂回轉變形的能力降低，后降則由于Rc繼續(xù)增大，導致頂煤開始承受一定的頂板作用力。

（5）隨支架支撐力的增大，頂煤下沉量呈負對數(shù)規(guī)律下降，見圖1（e），這是支架對頂煤向上作用的結果，一方面減少了頂煤厚度范圍的松動變形量，另一方面對頂板的下沉起到一定的約束作用。

由上述規(guī)律可知，通過頂煤注水或爆破降低煤的單軸抗壓強度、提高支架支撐力和減小工作面長度等措施可有效控制頂煤的下沉量。

4.2 各因素對頂煤下沉量影響程度的主次排序

運用極差分析方法，分析表4中的計算結果，可得5個因素對控頂區(qū)頂煤下沉量影響的極差值：

埋深RH＝78.37－15.29＝63.08（mm）；煤厚RM＝68.18－37.62＝30.56（mm）；工作面長度RL＝71.00－42.12＝28.88（mm）；

煤單軸抗壓強度RRc＝65.61－20.88＝44.73（mm）；

支架支撐力RP＝69.12－37.69＝31.43（mm）。

根據(jù)5個因素的極差值大小，可得各因素對頂煤下沉量影響程度的主次排序，依次為：埋深＞煤單軸抗壓強度＞支架支撐力＞煤厚＞工作面長度。

4.3 各因素對頂煤下沉量的綜合影響規(guī)律

運用多元回歸方法分析H、M、L、Rc和P對頂煤下沉量的綜合影響規(guī)律，得到：

式中：S——頂煤下沉量，m；

H——埋深，m；M——煤厚，m；

L——工作面長度，m；

Rc——煤的單軸抗壓強度，MPa；

P——支架支撐力，kN。

式（1）的相關檢驗系數(shù)R2＝0.7426，F(xiàn)檢驗中F＝10.9615，大于F0.05＝2.74，表現(xiàn)為顯著相關。由上式可計算出在以上因素作用下控頂區(qū)頂煤底部的下沉量。

公務素地區(qū)16＃煤層1604綜放工作面采用走向長壁綜放開采，底層割煤高度2.6m，全部垮落法管理頂板。工作面長300m，煤層平均厚度8.07m，平均采深140m，考慮裂隙后煤層單軸抗壓強度為6.6MPa。采場選用ZFS5600/18.5/28型支撐掩護式綜放支架，初撐力5232kN。將各參數(shù)代人式（1），計算可得頂煤下沉量為32.3mm。

1604工作面充分采動時，在其長度方向布置5個測點，實測得頂煤的下沉量依次為26.15mm、29.77mm、37.64mm、33.42mm和31.48mm。對比可發(fā)現(xiàn)，上述實測值與理論計算值接近，說明本文對控頂區(qū)頂煤下沉量影響因素的數(shù)值試驗方法得當、結論可靠。

5 結論

根據(jù)表2試驗方案，通過對控頂區(qū)頂煤下沉量影響因素的正交試驗研究，得出的主要結論為：

（1）不同因素對綜放采場控頂區(qū)頂煤下沉量影響的主次排序為：埋深＞煤單軸抗壓強度＞支架支撐力＞煤厚＞工作面長度。

（2）根據(jù)實際條件，通過頂煤注水或爆破降低煤強度、提高支架初撐力、減少工作面長度等措施可有效控制頂煤的下沉量，以此實現(xiàn)采場穩(wěn)定性控制，并提高頂煤的放出率。

（3）1604工作面控頂區(qū)頂煤下沉量數(shù)值試驗值和現(xiàn)場實測值基本相當，說明各因素對頂煤下沉量綜合影響規(guī)律的結論是可靠的。

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Numerical experiment on influence factors of the subsidence of top coal in roof－control area in fully mechanized caving face

Guo Junqing，Yang Yongkang，Kang Tianhe
（Institute of Mining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China）

Based on the numerical experiment through orthogonal method，the effects of different factors were studied on the subsidence of top coal in roof－control area in fully mechanized caving face，and the corresponding control methods were proposed.Some conclusions were drawn as follows：（1）The subsidence of top coal is significantly related to five factors and in turn by influence degree they are：buried depth＞uniaxial compressive strength of coal＞the support setting load＞thickness of coal seam＞face length.（2）Some measures can be taken to control the subsidence of top coal，such as reducing the uniaxial compressive strength of coal by top coal injection or blasting，improving the support setting load，reducing face length，etc..（3）The results of numerical experiment and field measurement suggest that the above conclusions are reliable.

fully mechanized caving face，top coal subsidence，influence factors，numerical experiment，control method

TD327

A

郭俊慶（1987－），男，山西臨汾人，碩士，研究方向為巖石力學與煤層氣開采。

（責任編輯 張毅玲）