煤矿顶板稳定性影响因素分析与评价

乔宇钢

(同煤集团安全监管五人小组管理部地煤分部，山西 大同 037003)

0 引言

矿井的生产受到顶板、瓦斯、火灾和水害等灾害的影响，其中煤层顶板稳定性状态会直接影响矿井规模、采掘形式、井巷和采区方式以及支护方式。顶板灾害的发生受到自然、技术、管理等3方面的影响。为了避免矿井顶板事故的发生和确定事故发生的可能性，分析顶板灾害事故的发生原因和特点，建立评价体系是有必要的。

1 顶板稳定性分析

1.1 顶板稳定性分析方法

在顶板稳定性研究分析基础上，通常通过岩石力学、矿压理论、结构力学以及地质学的理论知识，建立力学模拟模型，通过理论计算来分析这类问题。此外，也可以通过矿井的岩体结构特征、地质构造、水文地质情况、井巷顶板初次来压步距、周期性来压步距、井巷顶板变形量以及变形速度等因素对煤层顶板稳定性进行综合评价。

在研究煤层顶板稳定性的问题上，从两个方面来考虑，一方面应考虑到煤层顶板的自然条件，即煤层埋藏深度、煤层厚度、煤层强度、地质构造状况、水文水害情况以及煤层顶板破碎情况等特征。另一方面也应注意通过煤层顶板监测数据所反应出的顶板状况，如初次来压步距、周期来压步距、顶板变形速度和顶板变形量等。

1.2 顶板稳定性的影响因素

采深方面：不同埋藏深度的煤层所引发的构造力学压力不同，浅层煤层开采所受到压力主要来自于重力因素，而深度煤层所受到构造应力相对较为明显，也是支护所受主要的地压形式。

埋藏厚度、强度等方面：直接顶厚度、采高及老顶的岩层性质等都对顶板压力以及周期性来压有直接影响。直接顶厚度、老顶的岩层性质之间相互影响，采高一定情况下，老顶岩层性质影响直接顶的周期性来压强度；直接顶过薄时，老顶压力明显，周期性来压易打破力学平衡，是冒顶事故的原因之一。

地质构造方面：不同的地质构造对煤层顶板都有不同的影响，断层、节理、裂隙等也都会对煤层顶板的稳定性产生不同程度的作用，其中正断层影响最为明显。

水文地质方面：煤层上部水文地质状况也是明显影响因素之一，影响比较明显的为黏土性泥岩，其遇水后膨胀容易引发离层、冒顶，同时易吸水后岩层变软，不易维护；也容易大范围垮落，该类顶板淋水后会影响顶部锚杆支护效果。

2 评价体系的构建

2.1 评价原则

顶板稳定性评价模型的建立应注重顶板灾害因素的全面性的同时，尽量简化便于操作。按照评价体系构造的原则，应同时保证目的性、整体性、关联性、可操作性以及可量化性。

目的性：顶板稳定性指标体系的建立目的在于判别被评价井巷顶板稳定性状况，当可能发生事故时能进行及时预警和处置，同时对单个因素的细化定量分析，有助于分层管理、查找、针对性处置隐患源。

整体性：无论顶板事故发生致因是单个因素或者多个因素造成的，造成系统的不稳定性达到一定程度，事故发生的几率就会增大，考虑事故的发生应当从整体出发。

关联性：评价指标之间不是孤立的，不同指标之间存在不可忽视的联系，例如自然性因素会影响监测的技术数据指标，但同时技术数据也包含其他不可确定因素影响。

可操作性：评价指标体系的建立其根本目的在于为生产提供便利，再完善的模型不便于操作，不能广泛应用就失去建立的意义。

可量化性：评价结果不能只为了划分某种状态，只有通过量化处理，才能客观反映出现实状态，并能判别主要隐患，单纯定性只是基础，量化处理最后结果才是目的。

2.2 顶板稳定性评价模型

模型建立：顶板稳定性模型是整个评价的根本和核心，对评价结果的正确性和可靠性起决定作用。应以顶板事故灾害的特殊表象为出发点，分析可能对井巷中顶板的稳定性状况造成影响的因素，同时选择能够正确反映稳定状况的量化数据，综合各类因素客观反映顶板稳定性状况。同时评价指标的确定不能过于复杂，指标过多不便于计算，同时可能由此建立矩阵所计算的权重值会发生数值偏差。最终将煤层顶板稳定性评价模型通过层次分析法，划分为目标层、子目标层、因素层3个层次。根据指标体系的特点又将指标体系分为自然、技术2个方面，最后再细化为10个子因素：开采深度、煤层强度、煤层厚度、地质构造、水文影响程度、顶板破碎程度、初次来压步距、周期来压步距、顶板变形速度、顶板变形量。

图1 煤矿顶板稳定性分析评价模型

量化处理：整体评价模型确定之后，必须根据各因素的特点对其进行量化处理，并根据最终评价结果的正确性，合理确定各因素之间的权重比重。①自然因素。顶板灾害发生直接由所在区域内的地质及开采条件所影响，煤矿的开采深度、煤层厚度、煤层强度都会对巷道的围岩状况造成影响。因而选择开采深度、煤层强度、煤层厚度、地质构造、水文影响程度和顶板破碎程度6个方面来评价顶板的自然影响因素。指标的划分可分为定性指标和定量指标2种，定性指标以专家打分为主，通过专家对影响顶板稳定性和易导致顶板灾害的指标因素确定分级范围和划分区间；定量指标应依据《煤矿安全规程》以及相应的国家、行业标准中的相关规定进行规定；②技术因素。通过对矿井中顶底板的围岩进行及时监控，并通过测量的数据能反映顶底板承压情况、灾变可能性等，所以选择初次来压步距、周期来压步距、顶板变形速率、顶板变形量这4个指标作为技术因素用以评价顶底板的稳定性状况。

权重值：根据层次分析法的相关理论，可以求得各指标之间的权重值，结果见表1。

表1 顶板稳定性评价指标相关参数值

评价计算：将量化值引入到评价指标体系中，对煤矿煤层顶底板稳定性评价模型进行评价，其计算公式如下

(1)

式中：A—顶底板稳定性评价结果；Bi—顶板影响因素评分值；Ki—顶板影响因素权重值。

2.3 顶板稳定性评价结果分级

将顶板稳定性的评价结果分为5级体系，见表2。

表2 顶板稳定性评价分级表

2.4 应用实例

根据前面的研究，以某工作面为例进行顶板稳定性分析。根据表1所示参数标准，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]，结合式(1)可得稳定性评分为

根据表2所建立的评价等级划分可知，该工作面顶板稳定，危害较小，不会发生顶板事故。

3 结论

(1)通过对影响顶板事故的因素进行分析，分析埋藏深度、埋藏厚度、强度、地质状况以及水文水害等因素可能会对顶板稳定性造成影响。

(2)从自然因素和技术因素2个方面选择10个影响因素构成顶板稳定性评价体系，结合国家、行业标准及专家打分2个方面确定评价体系的权重和量化分级范围。并将评价结果划分为5个不同安全等级，根据不同稳定情况确定处置方案。