西曲礦8號煤層直接頂穩定性分析

張偉

（西山煤電西曲礦，山西古交030200）

引言

直接頂的穩定性是影響工作面頂板發生冒頂安全事故的主要因素。近年來，我國對于頂板穩定性及相應控制技術的研究取得了很多成果，劉海燕等[1]利用層次分析法確定了影響頂板穩定性的各因素的權重，并利用模糊聚類分析的方法對頂板進行了定量評價，劉少偉等[2]針對模糊評價計算量大的問題，利用計算機編程軟件編寫了模糊評價程序，極大地方便了模糊評價在實際生產中的應用；楊雙鎖等[3]利用有限元計算的方法，研究各因素對頂板穩定性的影響，并利用多因素回歸分析的方法建立了頂板穩定性的回歸方程，十分有利于礦井現場的使用；馬念杰[4]、馬占元[5]等利用理論分析和數值模擬等方法對頂板穩定性進行分類研究，并根據分類結果提出了相應的控制方案，這對實際生產中的頂板支護設計有著十分重要的借鑒意義。

1 影響因素權重的因素

頂板的穩定性主要包括兩個方面，第一，頂板的下沉量，頂板下沉過大，則采場空間越小，影響工作面的正常生產；第二，頂板的完整程度，頂板越破碎，穩定性越差，發生頂板事故的可能性越大，而影響頂板完整性的主要因素即頂板內的應力狀態。

頂板下沉量主要是指控頂距范圍內頂板的最大位移，頂板的完整性用最小應力安全系數表示。根據已有資料，影響兩者的主要因素包括巖層的彈性模量（E）、泊松比（n）、單軸抗壓強度（RC）、分層厚度（h）和埋深（H）5個因素確定。

為方便應用，利用綜合評分的方法將頂板下沉量和最小應力安全系數共同影響的變量Z作為綜合評價指標，來定量表示頂板的穩定性。現利用AHP層次分析法確定各因素對頂板穩定性的影響權重。首先，判斷矩陣A如表1所示。

表1 判斷矩陣標度值

利用數學方法計算各因素所占權重，做歸一化處理，見下頁表2所示。

通過下頁表2可以看出，各因素所占權重分別為：WT=[0.540.220.150.050.04]。

接下來對該結果進行一致性檢驗，首先需要計算矩陣的最大特征值

則矩陣的最大特征值為λ=5.25。然后利用一致性指標CI進行檢驗，其表達式如下：

式中RI為隨機一致性指標，通過查表可知，對于五階矩陣，其取值為1.12。

通過上面的計算，證明了該矩陣符合一致性檢驗。

2 頂板穩定性的定量評價

通過模擬計算[3]，對各因素進行擬合計算，得到關于頂板下沉量d的多因素線性回歸分析方程為：

最小應力安全系數k的表達式為：

表2 各因素所占權重

利用綜合評分方法，將式（1）、（2）利用式（3）表示為：

式中Z為頂板穩定性綜合評價指標。

通過前面對各因素權重的計算，可以知道，巖石的抗壓強度、埋深和分層厚度占總權重的91%，因此，實際應用中，可以將式（3）簡化為下式所示

通過式（4）計算所得的結果，可以將頂板分為5級：Ⅰ級，極不穩定頂板（Z≤50）；Ⅱ級，不穩頂頂板（50＜Z≤100）；Ⅲ級，中等穩定頂板（100＜Z≤150）；Ⅳ級，穩定頂板（150＜Z≤200）；Ⅴ極，穩定頂板（Z＞200）。

3 西曲礦8號煤層頂板評價

利用式（4）對西曲礦8號煤層3個工作面的頂板進行綜合評價，評價結果如表3所示。

通過表3可以看出，在三個工作面中煤層直接頂穩定性有一定的差別，18404工作面直接頂為2.50 m厚的石灰巖，屬于Ⅲ級中等穩定頂板，28307工作面直接頂也為石灰巖，但其厚度達到3.85 m，因此屬于Ⅳ級穩定頂板，18503工作面直接頂為砂質泥巖，抗壓強度明顯降低，屬于Ⅱ不穩頂頂板。

表3 工作面評價

通過現場觀測直接頂的來壓步距，發現18404工作面直接頂初次來壓步距約15 m，28307工作面初次來壓步距約22 m，18305工作面初次來壓步距約9 m，且來壓最為強烈，也在一定程度上驗證了評價結果的準確性。

4 結論

利用層次分析法確定影響直接頂穩定性的五個主要因素所占權重，發現巖層抗壓強度、埋深和分層厚度占總權重的91%，起主要作用；利用綜合評價公式對西曲礦3個工作面進行直接頂穩定性評價，并在生產實踐中得到驗證，為工作面頂板的管理維護提供了理論依據。

[1]劉海燕，伍法權，李增學，等.兗州煤田主采煤層頂板穩定性特征分析[J].巖石力學與工程學報，2006（7）：1 450-1 456.

[2]劉少偉，張輝，李耀暉，等.煤層頂板穩定性智能分區實現及工程應用[J].煤炭學報，2013，38（9）：1 531-1 536.

[3]楊雙鎖，靳鐘銘.采場頂板穩定性定量分析及分類研究[J].山西礦業學院學報，1997（1）：29-33.

[4]馬念杰，趙希棟，趙志強，等.深部采動巷道頂板穩定性分析與控制[J].煤炭學報，2015，40（10）：2 287-2 295.

[5]馬占元.基于松動圈理論的復合頂板穩定性控制及應用[J].煤炭技術，2014，33（2）：70-72.