西曲矿8号煤层直接顶稳定性分析

张伟

（西山煤电西曲矿，山西古交030200）

引言

直接顶的稳定性是影响工作面顶板发生冒顶安全事故的主要因素。近年来，我国对于顶板稳定性及相应控制技术的研究取得了很多成果，刘海燕等[1]利用层次分析法确定了影响顶板稳定性的各因素的权重，并利用模糊聚类分析的方法对顶板进行了定量评价，刘少伟等[2]针对模糊评价计算量大的问题，利用计算机编程软件编写了模糊评价程序，极大地方便了模糊评价在实际生产中的应用；杨双锁等[3]利用有限元计算的方法，研究各因素对顶板稳定性的影响，并利用多因素回归分析的方法建立了顶板稳定性的回归方程，十分有利于矿井现场的使用；马念杰[4]、马占元[5]等利用理论分析和数值模拟等方法对顶板稳定性进行分类研究，并根据分类结果提出了相应的控制方案，这对实际生产中的顶板支护设计有着十分重要的借鉴意义。

1 影响因素权重的因素

顶板的稳定性主要包括两个方面，第一，顶板的下沉量，顶板下沉过大，则采场空间越小，影响工作面的正常生产；第二，顶板的完整程度，顶板越破碎，稳定性越差，发生顶板事故的可能性越大，而影响顶板完整性的主要因素即顶板内的应力状态。

顶板下沉量主要是指控顶距范围内顶板的最大位移，顶板的完整性用最小应力安全系数表示。根据已有资料，影响两者的主要因素包括岩层的弹性模量（E）、泊松比（n）、单轴抗压强度（RC）、分层厚度（h）和埋深（H）5个因素确定。

为方便应用，利用综合评分的方法将顶板下沉量和最小应力安全系数共同影响的变量Z作为综合评价指标，来定量表示顶板的稳定性。现利用AHP层次分析法确定各因素对顶板稳定性的影响权重。首先，判断矩阵A如表1所示。

表1 判断矩阵标度值

利用数学方法计算各因素所占权重，做归一化处理，见下页表2所示。

通过下页表2可以看出，各因素所占权重分别为：WT=[0.540.220.150.050.04]。

接下来对该结果进行一致性检验，首先需要计算矩阵的最大特征值

则矩阵的最大特征值为λ=5.25。然后利用一致性指标CI进行检验，其表达式如下：

式中RI为随机一致性指标，通过查表可知，对于五阶矩阵，其取值为1.12。

通过上面的计算，证明了该矩阵符合一致性检验。

2 顶板稳定性的定量评价

通过模拟计算[3]，对各因素进行拟合计算，得到关于顶板下沉量d的多因素线性回归分析方程为：

最小应力安全系数k的表达式为：

表2 各因素所占权重

利用综合评分方法，将式（1）、（2）利用式（3）表示为：

式中Z为顶板稳定性综合评价指标。

通过前面对各因素权重的计算，可以知道，岩石的抗压强度、埋深和分层厚度占总权重的91%，因此，实际应用中，可以将式（3）简化为下式所示

通过式（4）计算所得的结果，可以将顶板分为5级：Ⅰ级，极不稳定顶板（Z≤50）；Ⅱ级，不稳顶顶板（50＜Z≤100）；Ⅲ级，中等稳定顶板（100＜Z≤150）；Ⅳ级，稳定顶板（150＜Z≤200）；Ⅴ极，稳定顶板（Z＞200）。

3 西曲矿8号煤层顶板评价

利用式（4）对西曲矿8号煤层3个工作面的顶板进行综合评价，评价结果如表3所示。

通过表3可以看出，在三个工作面中煤层直接顶稳定性有一定的差别，18404工作面直接顶为2.50 m厚的石灰岩，属于Ⅲ级中等稳定顶板，28307工作面直接顶也为石灰岩，但其厚度达到3.85 m，因此属于Ⅳ级稳定顶板，18503工作面直接顶为砂质泥岩，抗压强度明显降低，属于Ⅱ不稳顶顶板。

表3 工作面评价

通过现场观测直接顶的来压步距，发现18404工作面直接顶初次来压步距约15 m，28307工作面初次来压步距约22 m，18305工作面初次来压步距约9 m，且来压最为强烈，也在一定程度上验证了评价结果的准确性。

4 结论

利用层次分析法确定影响直接顶稳定性的五个主要因素所占权重，发现岩层抗压强度、埋深和分层厚度占总权重的91%，起主要作用；利用综合评价公式对西曲矿3个工作面进行直接顶稳定性评价，并在生产实践中得到验证，为工作面顶板的管理维护提供了理论依据。

[1]刘海燕，伍法权，李增学，等.兖州煤田主采煤层顶板稳定性特征分析[J].岩石力学与工程学报，2006（7）：1 450-1 456.

[2]刘少伟，张辉，李耀晖，等.煤层顶板稳定性智能分区实现及工程应用[J].煤炭学报，2013，38（9）：1 531-1 536.

[3]杨双锁，靳钟铭.采场顶板稳定性定量分析及分类研究[J].山西矿业学院学报，1997（1）：29-33.

[4]马念杰，赵希栋，赵志强，等.深部采动巷道顶板稳定性分析与控制[J].煤炭学报，2015，40（10）：2 287-2 295.

[5]马占元.基于松动圈理论的复合顶板稳定性控制及应用[J].煤炭技术，2014，33（2）：70-72.