基于AHP法的采空区底板破...范围最大影响因素辨识与分析_宫立昊.pdf

基于 AHP 法的采空区底板破坏范围最大影响因素辨识与分析*宫立昊1，李福程2（1.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛266590；2.华能灵台邵寨煤业有限责任公司，甘肃 平凉744400）摘要：为了更加准确探究一般情况下采空区底板破坏范围最大影响因素，以邵寨煤矿2201工作面为背景，采用层次分析（AHP）和数值模拟的研究方法对采空区底板破坏范围最大影响因素进行辨识与分析。首先基于滑移线场理论及底板屈服破坏深度公式分析采空区底板破坏特征，初步判断底板破坏范围主控因素；其次基于AHP法建立采空区底板破坏范围层次综合评价模型，通过定性指标模糊量化方法计算采空区底板破坏范围主控因素权重并做重要度排序比较，辨识确定出煤层采高对底板破坏范围影响最大；最后利用FLAC3D数值模拟来验证采高对该矿采空区下底板破坏范围影响程度的显著性，通过设计不同采高下工作面回采的模拟方案来分析采空区底板应力分布及位移变化情况。关键词：AHP法；采空区；底板破坏范围；最大影响因素；数值模拟中图分类号：TD323;TD325文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 014 08Identification and Analysis of Largest Influencing Factors of FailureRange of Goaf Floor Based on AHP MethodGONG Lihao1,LI Fucheng2(1.College of Energy and Mining Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China;2.Huaneng Lingtai Shaozhai Coal Industry Company Limited,Pingliang 744400,China)Abstract：In order to more accurately explore the largest influencing factors of the bottom plate failurerange of the goaf under normal circumstances,taking the 2201 working face of Shaozhai coal mine asthe background,the research methods of analytic hierarchy process(AHP)and numerical simulationwere used to identify and analyze the largest influencing factors of the bottom plate failure range of thegoaf area.Firstly,based on the slip line field theory and the bottom plate yield failure depth formula,the failure characteristics of the goaf bottom plate are analyzed,and the main control factors of thebottom plate failure range are preliminarily determined;secondly,a comprehensive evaluation model ofthe failure range of the goaf bottom plate is established based on the AHP method,and the weight ofthe main control factors of the failure range of the goaf bottom plate is calculated by qualitative indexfuzzy quantification method and the importance ranking is compared,and the coal seam mining heightis identified and determined to have the greatest impact on the bottom plate failure range;finally,FLAC3Dnumerical simulation was used to verify the significance of the influence of the mining heighton the failure range of the bottom plate under the goaf of the mine,and the stress distribution anddisplacement change of the bottom plate in the goaf were analyzed by designing the simulation schemeof the recovery of the working surface under different mining heights.Key words:AHP method;goaf;failure range of floor;maximum influencing factors;numericalsimulation第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0030引言采空区底板破坏规律及范围特征研究一直是当前煤矿安全生产十分关注的重大课题，特别针对矿井底板突水防治以及近距离煤层采空区下回采巷道支护控制等问题具有重要的指导意义。一般情况下，煤层受采动影响打破原有的原岩应力平衡状态，围岩应力进行重新分布，导致部分区域出现应力集*国家自然科学基金项目（51574156；52074166）14中区，尤其是在工作面支承压力及区段煤柱集中载荷等作用下，应力就会通过煤柱向采空区下底板岩层传递扩散，对底板岩层产生强烈影响，造成一定的卸压变形和破坏。但由于矿井地质条件和煤层赋存条件的多样性，其破坏范围主要影响因素各有差异，且在不同条件下的影响因素决定性重要程度亦有所不同。因此有必要对其破坏范围影响因素进行系统分析，尤其是对决定性最大的影响因素进行辨识与分析，有利于保障工作面底板突水安全有效防治以及近距离采空区下破碎煤巷围岩控制等，促进矿井持续高效安全生产。本文为更加准确辨识一般情况下采空区底板破坏范围最大影响因素并进行分析，以邵寨煤矿2201工作面为工程背景，其底板岩层为近距离煤层夹层小厚度砂岩，在原有塑性力学滑移线场理论及底板屈服破坏最大深度公式初判主控因素的基础上，基于AHP法建立采空区底板破坏范围层次综合评价模型，通过定性指标模糊量化方法计算采空区底板破坏范围主控因素权重并做重要度排序比较，辨识确定出最大影响因素。最后利用FLAC3D数值模拟验证最大影响因素对该矿采空区下底板破坏范围影响程度的显著性，通过变化权重最大影响因素设计不同模拟方案来分析工作面开挖后采空区底板垂直应力分布及垂直位移变化情况。1工程背景2201工作面为邵寨煤矿二盘区北翼的第1个采煤工作面，从两顺槽及切眼实际揭露情况看，煤厚变化幅度较小，煤层厚度在1.103.01 m，平均1.45 m，沉积稳定。煤层倾角07，平均4，属于近水平煤层。该工作面长220 m，直接底为粉砂岩，平均厚度1.75 m，基本底为粉砂质泥岩，平均厚度2.60 m，总体上中部高、切眼和停采线两头低，具体布置如图1所示。图12201工作面布置图2采空区底板采动破坏范围理论分析2.1滑移线场理论及底板破坏深度公式推导随着工作面正常推采，在其上方支承压力作用下，采空区底板下部岩层在一定范围内达到弹性极限时，岩体会发生塑性变形，形成塑性区。当支承压力达到最大荷载时，使得底板塑性区内部分岩体发生完全破环，支承压力范围内塑性破坏区连成一片，致使采空区底板底鼓，同时已经产生塑性变形的岩体向采空区内侧转移，形成连续的滑动面。此时底板岩层受到的破坏程度达到最大。采空区底板岩体的滑移线场如图2所示，其底板破坏范围主要有3个区域：主动极限区、过渡区、被动极限区。由于主动极限区岩体所受压力超过其极限强度，从而产生塑性变形，竖向受压，进而横向膨胀延伸挤压过渡区和被动极限区岩体，最终使得采空区底板膨胀变形底鼓。图2支承压力作用下底板屈服破坏深度.主动极限区.过渡区.被动极限区塑性流动破坏往往沿着最大剪应力的方向，在塑性区内，将各点最大剪应力方向作为切线而连接起来的线就称之为滑移线。根据文献10可知，采空区下底板岩层屈服破坏深度的最大值hmax=M cos flnkH+ccot ccot 4fcos(f/2+/4)e(f/2+/4)tanf（1）式中M煤层采高；k应力集中系数；采场覆岩的平均容重；H埋深；c煤体内聚力；煤体的内摩擦角；f摩擦因数，f=tan；三轴应力系数，=(1+sin)/(1-sin)；f底板岩层内摩擦角。2.2底板破坏范围主要影响因素分析由上述推导的采空区底板岩层屈服破坏深度公式可知，采空区底板破坏范围主要影响因素包含煤层采高M、应力集中系数k、煤层埋深H、煤体内聚力c、煤体的内摩擦角、底板岩层内摩擦角f。依据式（1）通过控制变量法把多因素问题变成多个单因素问题，通过只改变某一个因素变量，从而研究该因素对底板破坏深度的影响，最后根据各个影响因素对破坏深度的曲线斜率变化快慢，初步判断对底板破坏范围影响较大的因素。根据邵寨煤矿地质资料，2煤埋深H700 m，基于AHP法的采空区底板破坏范围最大影响因素辨识与分析宫立昊，等第42卷第03期Vol.42 No.03北2201工作面回风顺槽2502联络巷2201工作面联络巷2201工作面运输顺槽回采方向北翼1#联络巷北翼辅助运输大巷bcdher0 x0kHa15取煤层采高M=1.45 m，底板岩层内摩擦角f=35，煤体内聚力c=0.8 MPa，平均容重=25 kN/m3，应力集中系数k=2.0，煤体内摩擦角=15，摩擦因数f=0.3，三轴应力系数=1.7。（1）采高对底板破坏深度影响以采高为自变量，控制其他影响因素不变，依据式（1）对底板破坏深度随采高变化而变化得到曲线（见图3）。由图3可知，底板最大破坏深度随采高增大而增大，图像近似直线且整体变化程度较快，持续单调递增。图3采高与底板破坏深度关系曲线图（2）应力集中系数对底板破坏深度影响应力集中系数与底板破坏深度关系曲线如图4所示，由曲线可知，应力集中系数与底板破坏深度呈正比关系，且斜率逐渐变小的单调递增。图4应力集中系数与底板破坏深度关系曲线图（3）煤层埋深对底板破坏深度影响煤层埋深与底板破坏深度关系曲线如图5所示，由曲线可知，煤层埋深与底板破坏深度呈正比关系，且斜率逐渐变小的单调递增。（4）煤体内聚力及内摩擦角对底板破坏深度影响煤体内聚力及内摩擦角与底板破坏深度关系曲线如图6所示，由曲线可知，随着煤体内聚力逐渐增大，底板破坏深度逐渐减小，呈单调递减趋势；随着煤体内摩擦角逐渐增大，底板破坏深度逐渐增大，曲线整体呈上升趋势。图5煤层埋深与底板破坏深度关系曲线图图6煤体内聚力及内摩擦角与底板破坏深度关系曲线图（5）底板岩层内摩擦角对底板破坏深度影响底板岩层内摩擦角与底板破坏深度关系曲线如图7所示，由曲线可知，底板岩层内摩擦角与底板破坏深度呈正比关系，且斜率逐渐变大的单调递增。图7底板岩层内摩擦角与底板破坏深度关系曲线图综上所述，采用控制变量方法对每个影响因素分别作出与底板破坏深度关系曲线，通过观察曲线斜率变化情况