煤礦頂板穩(wěn)定性影響因素分析與評價

喬宇鋼

(同煤集團安全監(jiān)管五人小組管理部地煤分部，山西 大同 037003)

0 引言

礦井的生產(chǎn)受到頂板、瓦斯、火災(zāi)和水害等災(zāi)害的影響，其中煤層頂板穩(wěn)定性狀態(tài)會直接影響礦井規(guī)模、采掘形式、井巷和采區(qū)方式以及支護方式。頂板災(zāi)害的發(fā)生受到自然、技術(shù)、管理等3方面的影響。為了避免礦井頂板事故的發(fā)生和確定事故發(fā)生的可能性，分析頂板災(zāi)害事故的發(fā)生原因和特點，建立評價體系是有必要的。

1 頂板穩(wěn)定性分析

1.1 頂板穩(wěn)定性分析方法

在頂板穩(wěn)定性研究分析基礎(chǔ)上，通常通過巖石力學(xué)、礦壓理論、結(jié)構(gòu)力學(xué)以及地質(zhì)學(xué)的理論知識，建立力學(xué)模擬模型，通過理論計算來分析這類問題。此外，也可以通過礦井的巖體結(jié)構(gòu)特征、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)情況、井巷頂板初次來壓步距、周期性來壓步距、井巷頂板變形量以及變形速度等因素對煤層頂板穩(wěn)定性進行綜合評價。

在研究煤層頂板穩(wěn)定性的問題上，從兩個方面來考慮，一方面應(yīng)考慮到煤層頂板的自然條件，即煤層埋藏深度、煤層厚度、煤層強度、地質(zhì)構(gòu)造狀況、水文水害情況以及煤層頂板破碎情況等特征。另一方面也應(yīng)注意通過煤層頂板監(jiān)測數(shù)據(jù)所反應(yīng)出的頂板狀況，如初次來壓步距、周期來壓步距、頂板變形速度和頂板變形量等。

1.2 頂板穩(wěn)定性的影響因素

采深方面：不同埋藏深度的煤層所引發(fā)的構(gòu)造力學(xué)壓力不同，淺層煤層開采所受到壓力主要來自于重力因素，而深度煤層所受到構(gòu)造應(yīng)力相對較為明顯，也是支護所受主要的地壓形式。

埋藏厚度、強度等方面：直接頂厚度、采高及老頂?shù)膸r層性質(zhì)等都對頂板壓力以及周期性來壓有直接影響。直接頂厚度、老頂?shù)膸r層性質(zhì)之間相互影響，采高一定情況下，老頂巖層性質(zhì)影響直接頂?shù)闹芷谛詠韷簭姸龋恢苯禹斶^薄時，老頂壓力明顯，周期性來壓易打破力學(xué)平衡，是冒頂事故的原因之一。

地質(zhì)構(gòu)造方面：不同的地質(zhì)構(gòu)造對煤層頂板都有不同的影響，斷層、節(jié)理、裂隙等也都會對煤層頂板的穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度的作用，其中正斷層影響最為明顯。

水文地質(zhì)方面：煤層上部水文地質(zhì)狀況也是明顯影響因素之一，影響比較明顯的為黏土性泥巖，其遇水后膨脹容易引發(fā)離層、冒頂，同時易吸水后巖層變軟，不易維護；也容易大范圍垮落，該類頂板淋水后會影響頂部錨桿支護效果。

2 評價體系的構(gòu)建

2.1 評價原則

頂板穩(wěn)定性評價模型的建立應(yīng)注重頂板災(zāi)害因素的全面性的同時，盡量簡化便于操作。按照評價體系構(gòu)造的原則，應(yīng)同時保證目的性、整體性、關(guān)聯(lián)性、可操作性以及可量化性。

目的性：頂板穩(wěn)定性指標體系的建立目的在于判別被評價井巷頂板穩(wěn)定性狀況，當可能發(fā)生事故時能進行及時預(yù)警和處置，同時對單個因素的細化定量分析，有助于分層管理、查找、針對性處置隱患源。

整體性：無論頂板事故發(fā)生致因是單個因素或者多個因素造成的，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定性達到一定程度，事故發(fā)生的幾率就會增大，考慮事故的發(fā)生應(yīng)當從整體出發(fā)。

關(guān)聯(lián)性：評價指標之間不是孤立的，不同指標之間存在不可忽視的聯(lián)系，例如自然性因素會影響監(jiān)測的技術(shù)數(shù)據(jù)指標，但同時技術(shù)數(shù)據(jù)也包含其他不可確定因素影響。

可操作性：評價指標體系的建立其根本目的在于為生產(chǎn)提供便利，再完善的模型不便于操作，不能廣泛應(yīng)用就失去建立的意義。

可量化性：評價結(jié)果不能只為了劃分某種狀態(tài)，只有通過量化處理，才能客觀反映出現(xiàn)實狀態(tài)，并能判別主要隱患，單純定性只是基礎(chǔ)，量化處理最后結(jié)果才是目的。

2.2 頂板穩(wěn)定性評價模型

模型建立：頂板穩(wěn)定性模型是整個評價的根本和核心，對評價結(jié)果的正確性和可靠性起決定作用。應(yīng)以頂板事故災(zāi)害的特殊表象為出發(fā)點，分析可能對井巷中頂板的穩(wěn)定性狀況造成影響的因素，同時選擇能夠正確反映穩(wěn)定狀況的量化數(shù)據(jù)，綜合各類因素客觀反映頂板穩(wěn)定性狀況。同時評價指標的確定不能過于復(fù)雜，指標過多不便于計算，同時可能由此建立矩陣所計算的權(quán)重值會發(fā)生數(shù)值偏差。最終將煤層頂板穩(wěn)定性評價模型通過層次分析法，劃分為目標層、子目標層、因素層3個層次。根據(jù)指標體系的特點又將指標體系分為自然、技術(shù)2個方面，最后再細化為10個子因素：開采深度、煤層強度、煤層厚度、地質(zhì)構(gòu)造、水文影響程度、頂板破碎程度、初次來壓步距、周期來壓步距、頂板變形速度、頂板變形量。

圖1 煤礦頂板穩(wěn)定性分析評價模型

量化處理：整體評價模型確定之后，必須根據(jù)各因素的特點對其進行量化處理，并根據(jù)最終評價結(jié)果的正確性，合理確定各因素之間的權(quán)重比重。①自然因素。頂板災(zāi)害發(fā)生直接由所在區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)及開采條件所影響，煤礦的開采深度、煤層厚度、煤層強度都會對巷道的圍巖狀況造成影響。因而選擇開采深度、煤層強度、煤層厚度、地質(zhì)構(gòu)造、水文影響程度和頂板破碎程度6個方面來評價頂板的自然影響因素。指標的劃分可分為定性指標和定量指標2種，定性指標以專家打分為主，通過專家對影響頂板穩(wěn)定性和易導(dǎo)致頂板災(zāi)害的指標因素確定分級范圍和劃分區(qū)間；定量指標應(yīng)依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》以及相應(yīng)的國家、行業(yè)標準中的相關(guān)規(guī)定進行規(guī)定；②技術(shù)因素。通過對礦井中頂?shù)装宓膰鷰r進行及時監(jiān)控，并通過測量的數(shù)據(jù)能反映頂?shù)装宄袎呵闆r、災(zāi)變可能性等，所以選擇初次來壓步距、周期來壓步距、頂板變形速率、頂板變形量這4個指標作為技術(shù)因素用以評價頂?shù)装宓姆€(wěn)定性狀況。

權(quán)重值：根據(jù)層次分析法的相關(guān)理論，可以求得各指標之間的權(quán)重值，結(jié)果見表1。

表1 頂板穩(wěn)定性評價指標相關(guān)參數(shù)值

評價計算：將量化值引入到評價指標體系中，對煤礦煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性評價模型進行評價，其計算公式如下

(1)

式中：A—頂?shù)装宸€(wěn)定性評價結(jié)果；Bi—頂板影響因素評分值；Ki—頂板影響因素權(quán)重值。

2.3 頂板穩(wěn)定性評價結(jié)果分級

將頂板穩(wěn)定性的評價結(jié)果分為5級體系，見表2。

表2 頂板穩(wěn)定性評價分級表

2.4 應(yīng)用實例

根據(jù)前面的研究，以某工作面為例進行頂板穩(wěn)定性分析。根據(jù)表1所示參數(shù)標準，建立打分向量如下：B=[0.5，0.8，0.3，0.7，1.0，0.6，0.8，0.7，0.6，0.6]，結(jié)合式(1)可得穩(wěn)定性評分為

根據(jù)表2所建立的評價等級劃分可知，該工作面頂板穩(wěn)定，危害較小，不會發(fā)生頂板事故。

3 結(jié)論

(1)通過對影響頂板事故的因素進行分析，分析埋藏深度、埋藏厚度、強度、地質(zhì)狀況以及水文水害等因素可能會對頂板穩(wěn)定性造成影響。

(2)從自然因素和技術(shù)因素2個方面選擇10個影響因素構(gòu)成頂板穩(wěn)定性評價體系，結(jié)合國家、行業(yè)標準及專家打分2個方面確定評價體系的權(quán)重和量化分級范圍。并將評價結(jié)果劃分為5個不同安全等級，根據(jù)不同穩(wěn)定情況確定處置方案。