工作面复合顶板稳定性动态评价方法研究

1、工作面复合顶板稳定性动态评价方法研究 摘要顶板灾害作为煤矿五大自然灾害之一，每年给国家财产和人民生命安全带来巨大损失。由于生产过程中顶板状况的动态变化性，使得人们很难及时掌握顶板的危险程度。本文建立与工作环境密切相关的动态指标体系，对变化指标进行分级处理，本文采用正态型隶属函数计算指标的隶属度，同时对首尾两个级别区间进行处理；采用层次分析法确定指标的权重。该方法结合顶板岩层的自然条件，对顶板灾害做出系统，实时和快捷的安全评价，为防止顶板事故的发生提供重要依据。关键词顶板稳定性；安全评价；评价指标； Study on the Evaluation of the Roof Stability fo

2、r Mining FaceAbstract As one of the five hazards of the coal mining, roof accident made a lot of the loss of lives and property. Base on the dynamical of the roof condition, it is hard to realize the danger of the roof for people. The paper gives serial indexes according to the environment of workin

3、g face. The membership grade is calculated by the normal membership function, while the first rank and the last rank are modified to match the fact. So that it could evaluate the roof stability quickly and easily. And the result of the evaluation can direct the manufacturing safely. Keywords roof st

4、ability；safety evaluation；evaluating index； 近年来，我国加大煤矿安全方面的投入，要求煤矿必须进行安全评估及评价。但由于煤矿顶板事故的发生具有极大的频繁性和偶然性，并且深受采煤过程中的不确定因素影响，这使得它还具有动态性的特点。而目前的安全评价仅采用的是对静态参数的评价，无法揭示生产过程中顶板灾害的危险程度变化。作者通过对顶板灾害的分析，确定与生产过程密切相关的动态指标，来建立一种实时，快捷的动态评价方法。1 指标体系的确定通过对近几年发生的顶板事故进行初步分析，影响顶板事故的原因主要有三方面，一是顶板本身的原因，如顶板破碎等。二是矿山压力影响，主要指

5、初次来压和周期来压。三是支护原因，包括支护不及时和支护质量不合格等。虽然顶板事故具有极大的偶然性，但事故发生前还是有明显的前兆的，如，发出声响、片帮煤增多、顶板出现离层等。考虑到安全评价指标本身的可行性、代表性和其独立性，选取过程中既要考虑静态指标又要考虑动态指标，指标的选取如下。 1）直接顶类别。直接顶是工作面空间直接维护控制的对象，其完整程度及运动特征将直接影响回采工作面的安全。而对于直接顶类别的划分，主要由以下几方面的因素确定：直接顶初次垮落步距与分层厚度、节理间距、抗压强度。由此可见，直接顶的类别包含对了顶板的主要特性的分析，它对顶板灾害的评价有着重要影响。2）基本顶级别。基本顶的级别

6、主要是根据基本顶的压力显现特征及其对工作面的影响强度来划分的。回采工作面矿压显现强烈程度有代表性的指标是顶板下沉和支架载荷。由数据统计分析，支架载荷主要由三个因素来确定，即：基本顶初次垮落步距（Lf）、直接顶厚度与采高的比值（N）和采高。因此，基本顶分级就可以由以上三个因素确定1。3）煤体强度。在回采过程中，煤体强度的大小，在一定程度上影响顶板的稳定性，尤其是架前的片帮冒顶与煤体强度有关。煤体强度小，煤壁站立时间短，容易片帮，进一步发展导致冒顶。煤体强度测试可用声波法在现场测得，或根据相邻采区、相邻矿井的同一煤层的相关数据。4）工作推进速度。工作面推进速度反映了工程状况，是影响顶板稳定性的一个

7、很重要的因素。相同的顶板条件下，不同的推进速度，顶板的稳定性不一样。因为顶板冒落频繁影响推进速度，而推进速度慢又进一步影响顶板的稳定。5）顶板下沉量。如果控顶区顶板下沉量超过临界值，则可能导致顶板破碎度增加，使顶板恶化。顶板下沉量应通过实测计算确定。一般综采工作面控顶区的最大顶板下沉量应在150mm以内，循环下沉量或活柱下缩量应在2530mm以内2。6）顶板冒落率。德国学者着重研究了梁端无支护空间的顶板冒落特征与支护参数及顶板岩性、开采深度、邻近层开采的关系。其计算方法是： 其中 d梁端前顶板的冒落宽度；a顶梁端至第一接顶点的距离b顶梁端至切割煤壁的距离c煤壁片帮深度2 指标的权重3。这是一种

8、简明实用的定性与定量相结合的多目标决策分析方法。特别是将决策者的经验给予量化，这对系统目标结构复杂，且缺乏必要的数据情况下更为实用，因此，近年来层次分析法在我国的应用发展较快。顶板稳定性判断矩阵的确定是根据专家和现场经验丰富的技术人员所给的两两判断矩阵基础上得到的，其中CR=0.032<0.1，所得矩阵都通过了一致性检验。通过计算，得到的判断矩阵及各指标的权重如下表所示：表1 顶板稳定性判断矩阵AB1B2B3B4B5B6权重B1132411/20.218B21/311/211/21/30.079B31/221321/30.162B41/41/311/21/40.067B5121/2211

9、/20.144B62334210.3303 指标隶属度的确定考虑到评价指标的特性及人们的分类习惯，现将顶板稳定性按从高到低分为四类：A稳定；B较稳定；C不稳定；D很不稳定。评价指标与顶板分类级别的对应如下表表2 评价指标状态的等级划分指标类型ABCD直接顶分类4类3类2类1类基本顶分类级级级级煤层强度>42412<1工作面推进速度>10m/d104m/d42m/d<2m/d顶板下沉量<20mm2060mm60150mm>150mm顶板冒落率<10%10%20%20%30>30%由文献3的结论所得，我们选用正态型隶属函数来求解各指标对不同等级的隶属

10、度。由式 a，b为常数，a>0，b>0，可知，a是表中因素参量对应区段的平均值。此外，表中所给级别参量范围的边界值是从一种级别到另一种级别的过渡值，也是一种模糊边界，应同时属于对应的两种级别，即两种级别的隶属度相等，因此有： 式中：为对应级别的相应参数的上、下边界值。以煤层强度指标为例，其隶属度函数如下如示。按照上述方法即可确定其他指标对稳定级别的隶属度。4 安全评价模型确定了指标的权重和隶属函数以后，就可以对采场顶板的稳定性进行评价。具体步骤如下：1） 通过层次分析法得到评价指标的权重集W，设为：（6）2） 将评价指标分别代入其隶属函数得到隶属度矩阵，即R，（7）3） 计算综合评

11、价结果B为：（8）式中“”为模糊算子，其种类组合非常多，由于顶板稳定性是由各影响因素共同作用的结果，为了避免信息丢失，本文采用普通加乘算法的加权平均型。4） 最后，根据最大隶属度原则，确定评价单元所属的等级4。5 实例分析本文以某矿的3207工作面为例，3207工作面为综放工作面，所采3#煤层倾角平缓，可采厚度大，地质构造及水文地质条件简单，埋藏深度中等，且煤层不自燃，煤尘无爆炸危险性。其直接顶类型为2类b，老顶类型为三级，煤硬度在1.5左右，推进速度为每天五个循环，大约为4m，来压期间的顶板下沉量在50mm左右，冒落率约为27%。将其数据代入隶属函数进行计算可得隶属度矩阵，由得：。由最大隶属度原则可知，该工作面顶板安全等级为C级，即不稳定。在生产过程中需要加强支护。6 结 论本文确定了顶板稳定性评价的6个评价指标，并构造了指标的隶属函数及各指标的权重，从而实现对采场顶板的综合评价。其中后三个指标均与煤矿生产过程中的采场环境有密切联系，通过这种动态与静态因素相结合的方式，人们可以实时的对顶板稳定进行动态评价，从而能够有针对性的指导安全生产，有效得防止顶板事故的发生。参考文献1岑传鸿. 顶板灾害防治M. 江苏: 中国矿业大学出版社, 1989.2史元伟.