張偉

（西山煤電西曲礦，山西古交030200）

引言

直接頂?shù)姆€(wěn)定性是影響工作面頂板發(fā)生冒頂安全事故的主要因素。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)于頂板穩(wěn)定性及相應(yīng)控制技術(shù)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(wěn)定性的各因素的權(quán)重，并利用模糊聚類分析的方法對(duì)頂板進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)，劉少偉等[2]針對(duì)模糊評(píng)價(jià)計(jì)算量大的問(wèn)題，利用計(jì)算機(jī)編程軟件編寫了模糊評(píng)價(jià)程序，極大地方便了模糊評(píng)價(jià)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用；楊雙鎖等[3]利用有限元計(jì)算的方法，研究各因素對(duì)頂板穩(wěn)定性的影響，并利用多因素回歸分析的方法建立了頂板穩(wěn)定性的回歸方程，十分有利于礦井現(xiàn)場(chǎng)的使用；馬念杰[4]、馬占元[5]等利用理論分析和數(shù)值模擬等方法對(duì)頂板穩(wěn)定性進(jìn)行分類研究，并根據(jù)分類結(jié)果提出了相應(yīng)的控制方案，這對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的頂板支護(hù)設(shè)計(jì)有著十分重要的借鑒意義。

1 影響因素權(quán)重的因素

頂板的穩(wěn)定性主要包括兩個(gè)方面，第一，頂板的下沉量，頂板下沉過(guò)大，則采場(chǎng)空間越小，影響工作面的正常生產(chǎn)；第二，頂板的完整程度，頂板越破碎，穩(wěn)定性越差，發(fā)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(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)。

頂板下沉量主要是指控頂距范圍內(nèi)頂板的最大位移，頂板的完整性用最小應(yīng)力安全系數(shù)表示。根據(jù)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(qiáng)度（RC）、分層厚度（h）和埋深（H）5個(gè)因素確定。

為方便應(yīng)用，利用綜合評(píng)分的方法將頂板下沉量和最小應(yīng)力安全系數(shù)共同影響的變量Z作為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，來(lái)定量表示頂板的穩(wěn)定性?，F(xiàn)利用AHP層次分析法確定各因素對(duì)頂板穩(wěn)定性的影響權(quán)重。首先，判斷矩陣A如表1所示。

表1 判斷矩陣標(biāo)度值

利用數(shù)學(xué)方法計(jì)算各因素所占權(quán)重，做歸一化處理，見(jiàn)下頁(yè)表2所示。

通過(guò)下頁(yè)表2可以看出，各因素所占權(quán)重分別為：WT=[0.540.220.150.050.04]。

接下來(lái)對(duì)該結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，首先需要計(jì)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(biāo)CI進(jìn)行檢驗(yàn)，其表達(dá)式如下：

式中RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，通過(guò)查表可知，對(duì)于五階矩陣，其取值為1.12。

通過(guò)上面的計(jì)算，證明了該矩陣符合一致性檢驗(yàn)。

2 頂板穩(wěn)定性的定量評(píng)價(jià)

通過(guò)模擬計(jì)算[3]，對(duì)各因素進(jìn)行擬合計(jì)算，得到關(guān)于頂板下沉量d的多因素線性回歸分析方程為：

最小應(yīng)力安全系數(shù)k的表達(dá)式為：

表2 各因素所占權(quán)重

利用綜合評(píng)分方法，將式（1）、（2）利用式（3）表示為：

式中Z為頂板穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。

通過(guò)前面對(duì)各因素權(quán)重的計(jì)算，可以知道，巖石的抗壓強(qiáng)度、埋深和分層厚度占總權(quán)重的91%，因此，實(shí)際應(yīng)用中，可以將式（3）簡(jiǎn)化為下式所示

通過(guò)式（4）計(jì)算所得的結(jié)果，可以將頂板分為5級(jí)：Ⅰ級(jí)，極不穩(wěn)定頂板（Z≤50）；Ⅱ級(jí)，不穩(wěn)頂頂板（50＜Z≤100）；Ⅲ級(jí)，中等穩(wěn)定頂板（100＜Z≤150）；Ⅳ級(jí)，穩(wěn)定頂板（150＜Z≤200）；Ⅴ極，穩(wěn)定頂板（Z＞200）。

3 西曲礦8號(hào)煤層頂板評(píng)價(jià)

利用式（4）對(duì)西曲礦8號(hào)煤層3個(gè)工作面的頂板進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。

通過(guò)表3可以看出，在三個(gè)工作面中煤層直接頂穩(wěn)定性有一定的差別，18404工作面直接頂為2.50 m厚的石灰?guī)r，屬于Ⅲ級(jí)中等穩(wěn)定頂板，28307工作面直接頂也為石灰?guī)r，但其厚度達(dá)到3.85 m，因此屬于Ⅳ級(jí)穩(wěn)定頂板，18503工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，抗壓強(qiáng)度明顯降低，屬于Ⅱ不穩(wěn)頂頂板。

表3 工作面評(píng)價(jià)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)直接頂?shù)膩?lái)壓步距，發(fā)現(xiàn)18404工作面直接頂初次來(lái)壓步距約15 m，28307工作面初次來(lái)壓步距約22 m，18305工作面初次來(lái)壓步距約9 m，且來(lái)壓最為強(qiáng)烈，也在一定程度上驗(yàn)證了評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

利用層次分析法確定影響直接頂穩(wěn)定性的五個(gè)主要因素所占權(quán)重，發(fā)現(xiàn)巖層抗壓強(qiáng)度、埋深和分層厚度占總權(quán)重的91%，起主要作用；利用綜合評(píng)價(jià)公式對(duì)西曲礦3個(gè)工作面進(jìn)行直接頂穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，并在生產(chǎn)實(shí)踐中得到驗(yàn)證，為工作面頂板的管理維護(hù)提供了理論依據(jù)。

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

[2]劉少偉，張輝，李耀暉，等.煤層頂板穩(wěn)定性智能分區(qū)實(shí)現(xiàn)及工程應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，38（9）：1 531-1 536.

[3]楊雙鎖，靳鐘銘.采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性定量分析及分類研究[J].山西礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1997（1）：29-33.

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

[5]馬占元.基于松動(dòng)圈理論的復(fù)合頂板穩(wěn)定性控制及應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2014，33（2）：70-72.