喬宇鋼

(同煤集團(tuán)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(huì)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(hù)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(diǎn)，建立評(píng)價(jià)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(guò)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(shí)，建立力學(xué)模擬模型，通過(guò)理論計(jì)算來(lái)分析這類問(wèn)題。此外，也可以通過(guò)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(lái)壓步距、周期性來(lái)壓步距、井巷頂板變形量以及變形速度等因素對(duì)煤層頂板穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

在研究煤層頂板穩(wěn)定性的問(wèn)題上，從兩個(gè)方面來(lái)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(qiáng)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(guò)煤層頂板監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所反應(yīng)出的頂板狀況，如初次來(lái)壓步距、周期來(lái)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(kāi)采所受到壓力主要來(lái)自于重力因素，而深度煤層所受到構(gòu)造應(yīng)力相對(duì)較為明顯，也是支護(hù)所受主要的地壓形式。

埋藏厚度、強(qiáng)度等方面：直接頂厚度、采高及老頂?shù)膸r層性質(zhì)等都對(duì)頂板壓力以及周期性來(lái)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?lái)壓強(qiáng)度；直接頂過(guò)薄時(shí)，老頂壓力明顯，周期性來(lái)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(duì)煤層頂板都有不同的影響，斷層、節(jié)理、裂隙等也都會(huì)對(duì)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(shí)易吸水后巖層變軟，不易維護(hù)；也容易大范圍垮落，該類頂板淋水后會(huì)影響頂部錨桿支護(hù)效果。

2 評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

2.1 評(píng)價(jià)原則

頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型的建立應(yīng)注重頂板災(zāi)害因素的全面性的同時(shí)，盡量簡(jiǎn)化便于操作。按照評(píng)價(jià)體系構(gòu)造的原則，應(yīng)同時(shí)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(biāo)體系的建立目的在于判別被評(píng)價(jià)井巷頂板穩(wěn)定性狀況，當(dāng)可能發(fā)生事故時(shí)能進(jìn)行及時(shí)預(yù)警和處置，同時(shí)對(duì)單個(gè)因素的細(xì)化定量分析，有助于分層管理、查找、針對(duì)性處置隱患源。

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

關(guān)聯(lián)性：評(píng)價(jià)指標(biāo)之間不是孤立的，不同指標(biāo)之間存在不可忽視的聯(lián)系，例如自然性因素會(huì)影響監(jiān)測(cè)的技術(shù)數(shù)據(jù)指標(biāo)，但同時(shí)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(píng)價(jià)指標(biāo)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(píng)價(jià)結(jié)果不能只為了劃分某種狀態(tài)，只有通過(guò)量化處理，才能客觀反映出現(xiàn)實(shí)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(píng)價(jià)模型

模型建立：頂板穩(wěn)定性模型是整個(gè)評(píng)價(jià)的根本和核心，對(duì)評(píng)價(jià)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(diǎn)，分析可能對(duì)井巷中頂板的穩(wěn)定性狀況造成影響的因素，同時(shí)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(shí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定不能過(guò)于復(fù)雜，指標(biāo)過(guò)多不便于計(jì)算，同時(shí)可能由此建立矩陣所計(jì)算的權(quán)重值會(huì)發(fā)生數(shù)值偏差。最終將煤層頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型通過(guò)層次分析法，劃分為目標(biāo)層、子目標(biāo)層、因素層3個(gè)層次。根據(jù)指標(biāo)體系的特點(diǎn)又將指標(biāo)體系分為自然、技術(shù)2個(gè)方面，最后再細(xì)化為10個(gè)子因素：開(kāi)采深度、煤層強(qiáng)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(lái)壓步距、周期來(lái)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(píng)價(jià)模型

量化處理：整體評(píng)價(jià)模型確定之后，必須根據(jù)各因素的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行量化處理，并根據(jù)最終評(píng)價(jià)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(kāi)采條件所影響，煤礦的開(kāi)采深度、煤層厚度、煤層強(qiáng)度都會(huì)對(duì)巷道的圍巖狀況造成影響。因而選擇開(kāi)采深度、煤層強(qiáng)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(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)頂板的自然影響因素。指標(biāo)的劃分可分為定性指標(biāo)和定量指標(biāo)2種，定性指標(biāo)以專家打分為主，通過(guò)專家對(duì)影響頂板穩(wěn)定性和易導(dǎo)致頂板災(zāi)害的指標(biāo)因素確定分級(jí)范圍和劃分區(qū)間；定量指標(biāo)應(yīng)依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》以及相應(yīng)的國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行規(guī)定；②技術(shù)因素。通過(guò)對(duì)礦井中頂?shù)装宓膰鷰r進(jìn)行及時(shí)監(jiān)控，并通過(guò)測(cè)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(lái)壓步距、周期來(lái)壓步距、頂板變形速率、頂板變形量這4個(gè)指標(biāo)作為技術(shù)因素用以評(píng)價(jià)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(biāo)之間的權(quán)重值，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)參數(shù)值

評(píng)價(jià)計(jì)算：將量化值引入到評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，對(duì)煤礦煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性評(píng)價(jià)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，其計(jì)算公式如下

(1)

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

2.3 頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果分級(jí)

將頂板穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)結(jié)果分為5級(jí)體系，見(jiàn)表2。

表2 頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分級(jí)表

2.4 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)前面的研究，以某工作面為例進(jìn)行頂板穩(wěn)定性分析。根據(jù)表1所示參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，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(píng)分為

根據(jù)表2所建立的評(píng)價(jià)等級(jí)劃分可知，該工作面頂板穩(wěn)定，危害較小，不會(huì)發(fā)生頂板事故。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)影響頂板事故的因素進(jìn)行分析，分析埋藏深度、埋藏厚度、強(qiáng)度、地質(zhì)狀況以及水文水害等因素可能會(huì)對(duì)頂板穩(wěn)定性造成影響。

(2)從自然因素和技術(shù)因素2個(gè)方面選擇10個(gè)影響因素構(gòu)成頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系，結(jié)合國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及專家打分2個(gè)方面確定評(píng)價(jià)體系的權(quán)重和量化分級(jí)范圍。并將評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為5個(gè)不同安全等級(jí)，根據(jù)不同穩(wěn)定情況確定處置方案。