极近距离煤层回采巷道围岩分类与支护研究

李晓斌，何富连，2，秦宾宾，吕凯，何文瑞

1.中国矿业大学(北京)能源与矿业学院，北京 100083；2.共伴生能源精准开采北京市重点实验室，北京 100083

我国煤炭开采主要以井工开采为主，地下围岩本身结构特征、物理力学性质存在差异性，且受到水、温度等不确定因素的影响，使得围岩性质更加复杂多变，围岩稳定性类型也不相同[1]。不同类别的围岩稳定性不仅对巷道断面形状、支护方式和支护参数有影响，还会影响施工工艺和施工方法的选择。因此，开展围岩稳定性分类的相关研究是必要的[2]。

目前国内采矿学者对围岩稳定性分类进行了探索。蒋金泉等[3]基于模糊聚类分析法对回采巷道围岩稳定性分类提出了回采巷道的支护设计；陈坤福等[4]提出了包含地应力因素的围岩稳定性判据和围岩分类方法，为巷道支护提供新的思路；朱一丁等[5]运用支持向量机方法研究了围岩影响指标与围岩类别之间的非线性关系并得到验证；贺超峰等[6]基于编程语言研发了围岩分类可视化系统，实现计算机对巷道围岩的分类；谭云亮、单仁亮等[7-8]基于人工神经网络的方法对回采巷道进行分类，得到各个类别的聚类中心；汪明武等[9-10]通过建立基于联系云的围岩稳定性可拓评价模型，实现围岩稳定性的等级评价。上述学者通过模糊聚类分析、人工神经网络和云理论等方法探讨了围岩稳定性的分类问题，取得较好的进展，但只是使用一种方法对普通地质条件下的围岩稳定性类别研究，未能针对极近距离煤层条件下的围岩进行分类，未能有效对围岩稳定性作出合理评价，与实际情况存在偏差。为此笔者针对极近距离煤层巷道围岩特点，将模糊综合评判法和灰色关联度法相结合，提出了能够与此特殊地质条件相耦合的巷道支护方式，为类似地质条件下的围岩控制提供新的思维模式。

1 工程背景

某矿9号煤和10号煤为极近距离煤层，两层煤之间平均距离为2 m，中间夹层主要成分为破碎的炭质泥岩，稳定性较差，节理裂隙比较发育。 9号煤层已经采完，现在开采的10号煤层面临1001运输平巷围岩稳定性差、顶板控制难等问题。其工作面综合柱状图如图1所示。

图1 工作面综合柱状图Fig.1 Generalised stratigraphy column of working face

2 煤巷围岩稳定性分类指标

本研究从考虑影响煤巷围岩稳定性因素入手，确定煤巷围岩稳定性分类指标。主要包括两部分：一部分是围岩自身性质，另一部分是围岩应力环境。在确定1001运输平巷围岩稳定性分类指标时，选择7个分类指标[11]：属于围岩自身性质的有巷道顶板强度σ顶、煤层强度σ煤、巷道底板强度σ底和围岩完整性指数D；属于围岩应力环境的有巷道埋藏深度H、本区段采动影响系数N和相邻区段采动影响指标X。

通过相关力学实验测定和计算，巷道顶板强度为8.61 MPa，底板强度为39.6 MPa，煤层强度为9.5 MPa；围岩完整性指数表征节理、裂隙对围岩强度的影响用直接顶初次垮落步距替代。由工作面矿压观测结果可知，直接顶平均初次垮落步距为15.2 m，巷道埋藏深度取200 m；本区段采动影响系数等于直接顶厚度与煤层采高之比，1001运输平巷上方顶板厚为2.0 m，但其上方为9号煤层采空区，采空区内岩石随直接顶垮落而垮落，垮落高度较高，取采动影响系数为4；相邻区段采动影响指标用实际护巷煤柱宽度15 m表示。

3 模糊综合评判方法

3.1 模糊综合评判数学模型

设评判因素集合U={顶板强度，煤层强度，底板强度，本区段采动影响，巷道埋藏深度，相邻区段采动影响，围岩完整性指数}，共7个因素，用U={u1，u2，…，u7}表示；评语集合V={Ⅰ类，Ⅱ类，Ⅲ类，Ⅳ类，Ⅴ类}，共5个类别，用V={v1，v2，…，v5}表示。对于集合U中第i(i=1，2，…，7)个评判因素ui，第i个评判矩阵Ri为

(1)

7个评判因素的评判矩阵R为

(2)

评判因素的权重矩阵A为

(3)

通过模糊变换运算，可得到评语集合V上的一个模糊矩阵B，即综合评价结果：

B=A·R=[b1b2…b5]

(4)

根据最大隶属原则，找出B中元素最大值即可确定围岩稳定性等级[12]。

3.2 模糊综合评判矩阵求解过程

模糊综合评判过程的关键是评判矩阵R的确定，具体求解过程如图2所示。

图2 模糊综合评判矩阵求解过程Fig.2 Process of determining fuzzy comprehensive evaluation matrix

(1) 分类指标原始数据线性化处理包括对原始数据线性化处理和聚类中心线性化处理[13]。原始数据线性化处理见表1。

表1 原始数据线性化处理

注：Y为能保持稳定状态的煤柱宽度，取30 m；Z、λ为待定系数，Z取0.86，λ取29.1。

聚类中心是一类巷道围岩所有样本的核心[14]，以每类样本巷道各指标的平均值为基础，得到经线性化处理后巷道围岩稳定性各指标的聚类中心，见表2。

表2 线性化处理后的聚类中心

(2) 数据标准化处理分两步进行：第一步标准差标准化，处理后的数据无量纲；第二步极差正规化，处理后的数据在[0，1]之间。处理后的各指标参数标准差标准化矩阵P和极差正规化矩阵Q为

(5)

(6)

(3) 经过距离差值、取倒数、归一化和矩阵转置处理，最终得到综合判别矩阵R。

(7)

3.3 模糊综合评判的结果

3.3.1 各指标权重确定

权重是用来说明分类指标的相对重要程度。常见确定权重的方法有层次分析法、专家打分法和线性回归法等[15]。1001运输平巷各分类指标的权重见表3。

各分类指标权重矩阵为

A=

(8)

表3 分类指标的权值

3.3.2 模糊矩阵的确定

由式(7)和式(8)得出模糊矩阵：

(9)

3.3.3 1001运输平巷围岩类别判定

模糊矩阵中各元素分别代表对各类巷道围岩的隶属程度。1001运输平巷对Ⅰ—Ⅴ类巷道围岩的隶属度分别为0.184 6、0.211 7、0.186 6、0.177 6、0.239 4。其中Ⅴ类围岩的隶属度最大，所以1001运输平巷围岩类别为Ⅴ类，是极不稳定围岩。

4 灰色关联度分析法验证围岩类别

由表1得出1001运输平巷各指标参数线性化矩阵：

(10)

由表2得出标准样本指标参数线性化矩阵：

(11)

(1) 计算累加量：

(12)

(13)

(14)

(15)

由式(13)、式(14)和式(15)得出母序列xt(i)矩阵H1和子序列x0(i)矩阵H2：

(16)

(17)

(3) 计算绝对差值矩阵I：

Δt0(i)=|xt(i)-x0(i)|

(18)

由式(16)、式(17)和式(18)得出绝对差值矩阵I：

(19)

(4) 计算关联系数矩阵J：

(20)

其中，Δt0(min)=min{Δt0(i)}；Δt0(max)= max{Δt0(i)}；Δ(min)=min{Δt0(min)}；Δ(max)=Δt0(max)；σ=0.5×Δ(max)。

由式(19)和式(20)得出关联系数矩阵J：

(21)

(5) 计算关联度矩阵K：

(22)

由式(21)和式(22)得出关联度矩阵K：

(23)

由关联度矩阵可知，r50=0.934 7最大，即子序列1001运输平巷对母序列中的第5组标准样本的关联度最大，与模糊综合评判结果相一致。

5 煤巷围岩控制技术

回采巷道围岩分类是根据支护的难易程度对巷道围岩稳定性进行分类的，以便为巷道支护、设计和施工提供科学依据和指导[17-18]。1988年煤炭工业部发布的《缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案》将回采巷道围岩稳定性分为5类，即非常稳定(Ⅰ类)、稳定(Ⅱ类)、中等稳定(Ⅲ类)、不稳定(Ⅳ类)和极不稳定(Ⅴ类)[19]。根据预测的巷道围岩稳定性类别，相应的回采巷道棚式支护形式及参数关系[20]见表4。

表4 围岩分类与支护的对应关系

图3 巷道支护方案Fig.3 Roadway support scheme

5.1 控制技术

通过采用模糊综合判别法和灰色关联度分析法得出1001运输平巷围岩属于极不稳定围岩，需要对巷道围岩进行加强支护。根据工作面现场地质条件，巷道顶板为2 m的炭质泥岩，较薄处不到1 m。如果采用锚杆索支护技术主动支护巷道，不仅无法保证有效的锚固点和锚固力，而且会主动破坏巷道顶板，影响其自稳能力。应采用金属支架的支护方式，沿顶板掘进在不破坏顶板结构的情况下及时对巷道进行支护，维持顶板的完整性。

5.2 具体参数

巷道围岩采用梯形钢梁棚支护，如图3所示。棚梁、棚腿都采用U29型钢，棚梁长3.82 m，棚腿长2.55 m，棚距600 mm。钢梁上木背板密排，密排混凝土背板上木垛接顶，木楔背紧。木板梁规格： 1 500 mm×150 mm×50 mm。棚腿应向上方倾斜并与顶、底垂线呈1°～2°迎山角，用以保持棚的稳定性。架棚时，在棚腿之间上、中、下上撑木，防止棚倾倒，撑木长： 550 mm×60 mm×10 mm。在棚腿上、下各焊短钢筋，用于挡撑木。在架设钢梁棚时，两帮用木背板密排，煤帮与背板之间必须用煤或碎石块充填满。

5.3 效果分析

为了对巷道围岩支护效果进行评价，在掘进和回采期对巷道表面位移进行矿压监测，利用所得数据作出巷道围岩变形曲线，如图4、图5所示。由图4可知，在巷道掘进期间，支护完成后围岩变形量非常小，1001运输平巷两个测站的顶底板最大变形量为95 mm，两帮最大变形

量为20 mm；由图5可知，在巷道回采期间，随着距离工作面越来越近，围岩变形量逐渐增大，1001运输平巷两个测站的顶底板最大变形量为112 mm，两帮最大变形量为77 mm。由上述分析可得，巷道在掘进和回采期间的围岩变形量均在可控范围内，能够较好地满足工作面安全生产的需要。

图4 掘进期间巷道围岩变形曲线Fig.4 Deformation curve of roadway surrounding rock during driving

6 结 论

(1) 通过建立模糊综合评判的数学模型，得到模糊综合判别矩阵R。

(2) 1001运输平巷对Ⅰ—Ⅴ类巷道围岩的隶属度分别为0.184 6、0.211 7、0.186 6、0.177 6、0.239 4，围岩属于V类，即极不稳定围岩，与灰色关联度分析法验证结果相一致。

(3) 根据数学方法评判结果和极近距离煤层特殊的地质条件，提出了能够与薄层破碎顶板相耦合的极近距离煤层回采巷道支护方式。

(4) 通过现场实践，极近距离煤层回采巷道采用梯形、U形钢梁棚支护后，巷道掘进期间平均顶底板最大变形量为95 mm，两帮最大变形量为20 mm，回采期间顶底板最大变形量为112 mm，两帮最大变形量为77 mm。围岩控制效果良好，为类似地质条件围岩支护研究提供了参考和借鉴。