窄煤柱巷道非均匀变形因素及稳定性控制_李壮壮.pdf

窄煤柱巷道非均匀变形因素及稳定性控制*李壮壮1，李永亮2，杨鹏飞3，肖成龙4，陈正拜4，李剑楠1（1.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京100083；2.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京100083；3.应急管理部信息研究院，北京100029；4.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京100083）摘要：为探究煤柱宽度、顶板体积模量、煤层体积模量、巷道高度与巷道宽度5因素对窄煤柱巷道非均匀变形影响的显著程度，以丰汇煤矿15104综放工作面窄煤柱巷道为工程背景，设计正交试验进行FLAC3D数值模拟。由正交试验可知，煤柱宽度对巷道的非均匀变形影响最显著，得出窄煤柱巷道非均匀变形的多元线性回归模型。通过数值模拟分析不同煤柱宽度的巷道围岩应力及位移的非均匀演变规律，最终确定煤柱宽度为8 m。将高精度数字图像相关方法（DIC）应用于相似模拟试验，综合现场调研、正交试验、数值模拟、相似模型试验得出窄煤柱巷道的非均匀变形破坏机制，基本顶破断回转对窄煤柱巷道的偏转挤压是致使巷道非均匀变形的直接原因。针对窄煤柱巷道的非均匀变形提出差异化支护方案并应用于现场，巷道非均匀变形得到了有效控制。关键词：正交试验；窄煤柱巷道；非均匀变形；数字图像相关方法；差异化支护中图分类号：TD322;TD353文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 005 09Non-uniform Deformation Factors and Stability Control of NarrowCoal Pillar RoadwayLI Zhuangzhuang1,LI Yongliang2,YANG Pengfei3,XIAO Chenglong4,CHEN Zhengbai4,LI Jiannan1(1.School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;2.School of Energy and Mining Engineering,China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing 100083,China;3.Information Institute of the Ministry of Emergency Management of the PRC，Beijing 100029,China;4.School ofMechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology-Beijing,Beijing 100083,China)Abstract：In order to investigate the influences of coal pillar width,bulk modulus of roof,bulkmodulus of coal,roadway height and width,taking the narrow coal pillar roadway in fully mechanizedworking face of Fenghui coal mine 15104 as engineering background,design the orthogonal test forFLAC3Dnumerical simulation.As can be seen from the orthogonal test,the width of coal pillars plays aprominent role in the non-uniform deformation of narrow coal pillar roadway.Multivariate linearregression model for non-uniform deformation of narrow coal pillar roadway.Non-uniform evolution lawof stress and displacement of surrounding rock of roadway with different coal pillar width by numericalsimulation.The coal pillar width is suggested as 8m.The high precision digital image correlationmethod(DIC)is applied to the similar simulation test.The non-uniform deformation and failure mechanismof narrow coal pillar roadway is obtained by comprehensive field investigation,orthogonal test,numerical simulation and similar model test.The deflection and extrusion of the narrow coal pillarroadway caused by the basic roof breaking rotation is the direct cause of the non-uniform deformationof the roadway.Aiming at the non-uniform deformation of narrow coal pillar roadway,a differentialsupport scheme is put forward and applied in the field,and the non-uniform deformation of roadway iseffectively controlled.Key words:orthogonal test;narrow coal pillar roadway;non-uniform deformation;digital imagecorrelation method;differentiated support第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0020引言综放工作面留设窄煤柱具有提高煤炭采出率、延长矿井服务年限等优点，留设窄煤柱在我国得到了广泛应用。柏建彪、李学华、马念杰、张农等通过理论与现场研究得到窄煤柱巷道围岩破坏机理和变形控制技术，种照辉、付玉凯等通过正交实验分析不同因素对巷道变形的影响程度，肖同强、单仁亮、柴敬、徐剑坤等设计相似模型实验研究围岩变形。前人的研究多集中于某一特定工程背景下的分析，与某一特定因素对窄煤柱巷道的影响研究，对于窄煤柱巷道非均匀变形各影响因素的显著程度鲜有学者研究。本文以丰汇煤矿15104工作面窄煤柱巷道为工程背景，通过设计正交试验，探究煤柱宽度、顶板体积模量、煤层体积模量、巷道高度和巷道宽度5因素对窄煤柱巷道非均匀变形影响的显著程度，得到窄煤柱巷道非均匀变形的多元线性回归模型。为解决传统电测方法的局限性，将高精度数字图像相关方法（DIC）应用于采场覆岩移动相似模拟试验。综合现场调研、正交试验、数值模拟、相似模型试验得出巷道非均匀变形破坏机制，最终针对窄煤柱巷道的非均匀变形提出差异化支护方案。*国家自然科学基金项目(52174095)51窄煤柱巷道正交试验设计1.1工程背景丰汇煤矿位于沁水煤田东北部，主采煤层15#煤，厚度4.24.9 m，平均厚度4.5 m，平均煤层倾角8，煤质松软,含04层的泥岩夹矸，属于简单结构煤层；直接顶由8.0 m的深灰色泥岩与0.45 m的14#煤构成，泥岩层理发育且含植物化石；基本顶平均厚度6.0 m，以灰色砂质泥岩为主；底板为黑色砂质泥岩，疏松易碎，厚6.7 m。15104工作面平均埋深345 m，采用走向长壁采煤法，工作面长度180 m，该工作面轨道顺槽为窄煤柱巷道，巷道顶底板物理力学参数如表1所示。表1煤岩层物理力学参数1.2试验设计正交试验基于概率论、数理统计学与正交性原理，其原理为选取部分典型试验点代替全面试验，被挑选出的试验点具有“均匀分散，齐整可比”特点，正交试验能显著减少试验工作量，但不会降低试验结果的精确性，是一种科学而高效的试验方法。基于沿空巷道上覆岩体关键块理论设计窄煤柱巷道正交试验，窄煤柱巷道上覆岩层结构特征如图1所示，巷道基本顶岩层“O-X”破断后形成块体，工作面端头的弧形破断面形成关键块B，关键块B与实体煤侧关键块A、窄煤柱侧关键块C相互挤压咬合，形成铰接结构。关键块B侧向断裂回转，使煤体产生不均衡的支承压力，巷道采空区侧的围岩受力显著大于实体煤侧，致使窄煤柱巷道产生显著非均匀变形。图1窄煤柱巷道关键块力学模型选取窄煤柱巷道关键块力学结构模型中煤柱宽度、顶板体积模量、煤层体积模量、巷道高度、巷道宽度5因素设计正交试验，探究其对巷道非均匀变形的影响程度，不同的煤柱宽度反映煤柱不同高宽比，不同的巷道宽度和高度反映窄煤柱巷道不同高宽比，5因素各选取5水平，为保证试验结果可靠性，正交试验预留空列，采用L25（56）正交试验表，正交试验的因素水平分布如表2所示。根据15104工作面窄煤柱巷道地质条件，建立FLAC3D数值模型，模型尺寸长宽高=400 m20 m100 m，巷道埋深345 m，模拟工作面长180 m。模型底部固定垂直位移，左右边界固定水平位移，水平侧压系数1.2，各边界施加相应埋深的自重应力，数值计算采用莫尔-库伦准则。表2正交试验因素水平表2正交试验分析2.1正交试验结果为探究上述5因素对窄煤柱巷道变形的影响规律，在巷道两顶角及两帮中部共布置4个测点，测得顶板两侧垂直位移与两帮水平位移，计算两侧位移差值。除正交试验选取的5因素外，25组数值模型的其余参数均一致，正交试验方案及结果如表3所示。表3正交试验方案及结果2.2极差分析极差分析法由于简单易懂、直观形象，是正交试验中常用的分析方法，因素极差R=max(ki)-min(ki)（1）其中，各试验指标平均值ki=1rKi（2）式中r各水平重复次数；Ki同一水平所对应的试验结果之和。极差大小不同，代表各因素对巷道的非均匀变形影响显著程度不同，极差越大说明该因素对巷道非均匀变形作用越显著，极差分析结果如表4所示。体积模量/GPa10.08.612.63.42.33.8密度/kgm-32 6622 6502 7502 5201 3702 600岩层名称细砂岩粉砂岩灰岩泥岩煤砂质泥岩剪切模量/GPa7.55.99.32.00.62.4内摩擦角/()323039262228内聚力/MPa4.23.25.151.51.21.7抗拉强度/MPa2.52.32.511.00.51.2窄煤柱巷道非均匀变形因素及稳定性控制李壮壮，等第42卷第03期Vol.42 No.03煤柱宽度/m顶板体积模量/GPa煤层体积模量/GPa巷道高度/m巷道宽度/mABCDE1421.53328423.53.531262.544416834.54.5520103.555水平影响因素B1（2）2（4）3（6）4（8）5（10）12345123451234512345A1（4）11112（8）22223（12）33334（16）44445（20）5555试验编号S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10S11S12S13S14S15S16S17S18S19S20S21S22S23S24S25C1（1.5）2（2）3（2.5）4（3）5（3.5）234513