綜放面頂板頂煤分類及研究摘要本文深入研究了煤層的埋深、強度和裂隙發(fā)育程度以及夾石層的層位、厚度和強度對綜放面頂煤可放性的影響，運用數值與經驗相結合的分類方法對頂煤進行了可放性分類。采用巖層質量指數法，綜合考慮影響巖層穩(wěn)定性的巖層強度、裂隙發(fā)育程度和分層厚度等“三因子”要素，對直接頂和老頂進行分類。關鍵詞:綜放面、頂煤分類、敏感性指標、夾石層、可放性、穩(wěn)定性、頂煤相對強度、頂板結構。概述世界主要產煤國家可用于井工開采的煤炭資源中，厚及特厚煤層儲量占 20-50%，厚煤層井工產量平均比重為 32%。我國是世界二主要產煤大國之一，厚煤層儲量十分豐富，約占儲量的 45.6%，產量占原煤產量的 44.8%以上。據 2000 年我國國有大中型煤礦統(tǒng)計，擁有 5.0m 以上厚煤層的生產礦井數量占生產礦井總數的 40.6%。可見，厚煤層開采在我國煤炭開采中起到舉足輕重的作用。由于各國煤層賦存條件和開采習慣的不同，厚煤層開采方法也是多種多樣。目前世界各國厚煤層的開采方法基本上可分為三類，即一次全厚開采、分層開采和放頂煤開采，其中以傾斜分層開采方法在世界各國厚煤層中應用最廣。自 80 年代我國應用放頂煤采煤方法以來，綜采放頂煤技術在我國得到了迅速發(fā)展。例如，1997 年年產超過百萬噸的 76 個綜采隊中，有22 個用放頂煤綜采的，其中年超過 2Mt 的 12 個綜采隊中，有 8 個用放頂煤綜采?？梢姡C采放頂煤開采方法是厚及特厚煤層開采技術發(fā)展方向之一，必將得到進一步的推廣和應用。盡管綜采放頂煤技術在我國得到了迅速的發(fā)展，并且取得了較好的技術經濟效果，但是在頂板控制中，對于綜采放頂煤工作面的頂板分類，目前一直沿用或套用了單一煤層及分層開采的理論依據和分類標準。這與實際情況有很大的差異性。根據目前的頂板分類方案進行的支護設計和支架選型在實用過程中存在著不適應性。對于綜采放頂煤工作面的頂板(頂煤)分類和異常壓力等問題，目前國內外尚未進行系統(tǒng)的分析研究，更沒有統(tǒng)一的理論、可行的頂板分類方案和切合實際的支架選型、支架工作阻力計算辦法可遵循。為此，本人在前人研究的基礎上，結合充州礦區(qū)實際，對綜采放頂煤工作面的頂板(頂煤)分類、活動規(guī)律和支架圍巖關系進行了專題研究，以便指導支架設計、支架選型和現(xiàn)場頂板管理。本課題的研究具有重要的理論和實踐意義，也將產生較大的社會及經濟效益。1 研究的主要內容和技術路線從研究現(xiàn)狀分析知，目前國內普遍參照 M T554-1996《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類》方案對綜采放頂煤工作面頂板進行分類。在這種分類中并未考慮頂煤在綜采放頂煤工作面頂板控制中的作用，從而導致支護設計和支架選型不切合實際情況。為此，本文將對綜采放頂煤工作面頂板(頂煤)分類從.以下幾個方面進行探討:(1)采用模糊數學的方法對綜采放頂煤工作面的頂煤進行分類。影響頂煤可放性的因素很多，本課題將主要探討煤層埋藏深度、強度、裂隙發(fā)育程度及煤層結構對頂煤穩(wěn)定性的影響，并據此對頂煤進行分類。(2)采用巖層質量指數法[17,181 對直接頂、老頂進行分類。影響巖層穩(wěn)定性的主要因素是巖層的強度、分層厚度和節(jié)理裂隙間距，常稱為三因子。為了能定量的表達巖層的穩(wěn)定性將決定巖層的“綜合強度”叫做巖層的質量。我們根據巖層質量指數對直接頂和老頂進行分類。(5)研究本分類方案在放頂煤工作面頂煤的可放性診斷、支架選型和放煤機構設計中的應用。根據以上研究內容的特點，本文采用的研究方法主要從理論研究方面進行，即本文共分六章，二、四、五章為主要研究內容，技術路線見圖圖 1.1 論文技術路線2 綜放面頂煤分類研究放頂煤采煤法是開采厚煤層的一種有效方祛，自 80 年代以來，我國進行了大量的理論研究與實踐[4_191。但是，實踐證明放頂煤采煤方法并非在所有的厚煤層條件下均可獲得成功。為了保證安全和避免經濟和資源的浪費，在工作面采用放頂煤方法之前，根據其具體地質條件，對頂煤進行分類。分類的目的是對放頂煤工作面頂煤的可放性進行評價，而且，通過結合頂板分類方案能為采煤方法的選擇、支架選型和綜放面放煤機構設計提供理論依據。2.1 分類方法的選擇目前國內外學者對頂煤分類有很多研究。綜合他們的研究成果，對頂煤的分類主要有兩種方法:一種是依據不同的權重，把各因索歸結為一個分類指標;另一種是運用模糊數學聚類分析的方法對頂煤進行分類?？堤旌系仍趯τ绊戫斆旱目煞判砸蛩胤治龅幕A上，對 5 個主要因素(開采深度、煤層強度、煤體裂隙度、夾石層和煤層厚度)各取 5 個值進行正交試驗，以巖石力學理論為基礎，采用庫侖一莫爾準則計算各單元平均破壞程度的大小，稱其為破壞系數 Z o 將各單元破壞系數 Z 按面積進行加權平均，得出各方案頂煤單元平均破壞系數 Zp,然后將試驗按影響因素分組，求出每組的頂煤破壞系數綜合指標 Y。為了明確各因素對頂煤破壞性影響的主次排序和影響程度，將各個因素一起作多元回歸分析，得到頂煤可放性的綜合表達式 Yp 如式((2.1)所示，并根據 Y;值的大小將頂煤按可放性分為5 類。 yr=0.704+0.0006338H 一 0.00786Rc -} 0.238 一0.1797mi+0.01434md(2.1)式中：H—煤層開采深度;Rc—煤層強度;mJ—最大臨界夾石層厚度:md—煤層厚度。還有應用灰色局勢決策對頂煤進行分類[131?；疑诸惖膶嵸|是針對給定的頂煤條件，從劃定的標準分類方案中挑選效果最佳的從屬類別。也就是，在對影響頂煤可放性的各因素分析的基礎上，確定分類樣本 A; (i=1, 2,…，n)及相應的分類指標 a-t (k=1,2,·， 。)，aix=fK(xJ;選取分類方案集，可放性分為(好，較好，一般，較差，差)5 類，對應的標準值為(1.0, 0.8, 0.6, 0.4, 0);確定權重分配(1.2, 2.8, 3.0, 2.0,1.0)。由分類效果測度函數式及分類準則式求 A，的最佳分類。應用模糊聚類方法對頂煤進行分類，大體歸納為以下幾步(1)分類指標原始數據預處理。目的是簡化頂煤可放性與其各影響因素的關系。(2)數據標準化。有標準差標準化和計差正規(guī)化。(3)分類指標的加權處理。改變各指標對分類結果貢獻相等的地位，使其有主次之分。(4)采用歐氏距離法進行標定。從而建立一個 mxm 的樣本之間的模糊相似關系矩陣。(5)聚類。在建立的模糊等價矩陣的基礎上，以閥值兄進行截取，從而得到分類結果。以上兩種分類方法均屬于數值分類法。目前國內外采用的巖體(煤體)分類方法中除了數值分類法還有經驗分類法和經驗分類與數值分類相結合的方法，如圖 2.1 所示。2.2 頂煤的可放性與穩(wěn)定性的關系頂煤的可放性是指煤層頂部煤體在支承壓力的作用下冒落和放出的難易程度川。頂煤的穩(wěn)定性是指在頂板控制中頂煤的穩(wěn)定程度。頂煤的可放性與穩(wěn)定性是辨證的關系，相互之間既矛盾，又聯(lián)系。頂煤的可放性與穩(wěn)定性有此長彼消的關系，也就是說，如果頂煤的可放性較強，它的穩(wěn)定性就較弱，如果頂煤的可放性較差，那么，它的穩(wěn)定性就較好。頂煤的可放性是采煤方法的選擇和放煤機構設計的主要判據，而穩(wěn)定性是支架選型和端面頂板控制設計的主要依據。但是它們之間是相互聯(lián)系的。影響頂煤可放性和穩(wěn)定性的因素是相同的，它們都受到煤層埋藏深度、煤層硬度、裂隙發(fā)育程度、煤層結構特征、煤層厚度、采放比及條件等因素的影響。因為頂煤的可放性與穩(wěn)定性有彼消此長的關系，并且影響它們的因素相同，我們可以運用其一來反映另一種性質。即我們在采煤方法的選擇、支架選型、放煤機構設計和端面控制設計中選擇一個統(tǒng)一的依據，只是它們的判斷標準有所不同。這里主要依據頂煤的可放性對頂煤進行分類。影響頂煤可放性的因素眾多，因此，在確定頂煤可放性指標時，不可能將所有的影響因素都考慮進去，在遵循分類影響因素選擇原則的基礎上，這里主要探討煤層的埋藏深度、硬度、裂隙發(fā)育程度及夾石層對頂煤質量的影響，并據此對頂煤進行分類。己有的研究成果均是將各因素對可放性影響進行單獨分析，其實有些影響因素之間并不是相互獨立的，而是存在著某種內在聯(lián)系，應將它們作為一個綜合因素討論對可放性的影響效果。2.3 頂煤的地應力環(huán)境煤是經過漫長的地質歷史年代形成的地質體，在開采前，由于地應力、煤化、構造運動等因素的共同作用，己經發(fā)生了變形，甚至遭受了破壞。因此，頂煤的破壞機制，實際上是經受過變形破壞的煤體在地應力環(huán)境發(fā)生改變時再破壞的力學過程。這種地應力環(huán)境的改變是由采礦活動引起的。從采場前方至煤壁，由于上覆巖層的運動，作用在煤層頂面上的垂直應力產生先集中后衰減的的現(xiàn)象;同時煤層的揭露使得煤體沿推進方向的約束解除，最小主應力逆推進方向逐漸減小。若取原始應力區(qū)采高以上某區(qū)域煤體為研究對象，則該區(qū)域煤體隨采礦活動的進行其圍壓不斷發(fā)生變化。應力環(huán)境改變的必然結果是煤巖內部結構發(fā)生變化，頂煤破壞連續(xù)發(fā)生并不斷積累?；趯斆浩茐倪^程的認識、支承壓力的分布特點以及現(xiàn)場實測的結果，按破壞形式的不同，將頂煤沿推進方向分為三個區(qū)域:原始應力區(qū)、壓剪區(qū)(主破壞區(qū))和裂隙貫通區(qū)，如圖 2.2 所示。2.3.1 原始應力區(qū)煤層遠離工作面位置，未受采動支承壓力的影響。可以認為，煤層上方處于靜水壓力狀態(tài)。因此，煤層面上垂直應力為:其中 r; ,權為上覆巖層容重和厚度，n 為覆巖數目。煤層內水平應力為:式中產為煤的泊松比。T.L.SZABO 研究了各向異性對聲的影響，認為在地應力環(huán)境中具有代表意義的煤體 a =0.346.有上述分析可知，原始應力區(qū)煤體處于(t 719 62 , (73)高圍壓狀態(tài)，最大主應力口:與另外兩個主應力的比值為:又因為完整煤塊的剪切強度條件如((2.5)式:若將(( 2.4)代入((2.5)，則有:而煤的內摩擦角一般在 280^-350，顯然原始應力區(qū)煤體不可能發(fā)生剪切破壞煤樣壓裂實驗表明，對于高圍壓狀態(tài)的煤體由于其內部包含大量微裂隙，若有破壞現(xiàn)象發(fā)生，則靜水壓力起主導作用。就具有致密結構的物體而言，各組成微粒結合緊密，欲改變其間距是困難的。但煤巖中隨機分布著裂紋和缺陷，在高圍壓下晶粒有運動的空間，因而即使是高靜水壓力也可能使其發(fā)生破壞。Griffith 準則就反映了這一破壞機制。格氏準則認為，物體內存在隨機分布的裂紋，若裂尖拉應力超出其特征強度，則物體發(fā)生破壞。其表達式為:式中 S:為單軸抗拉強度。由于其不能反映中間主應力對材料破壞的影響，Murrell 于 1963 年對其進行了修正，成為三維 Griffith 準則，其表達式為:在主應力空間中，(2.8)為以 a, = a:二。3 為旋轉軸、三線相切的拋物面。拋物面經過坐標原點，表示坐標原點處的應力滿足破壞條件。眾所周知，材料在不受力的情況下是不會屈服破壞的，而坐標原點表示不受力的狀態(tài)。盡管煤巖類材料抗拉強度較低，三維格氏準則進行了修正。修正后的三維但是屈服面應延伸至受拉區(qū)。利用坐標變換對式中 I，為第一應力張量不變量;為第二應力偏張量不變量。對于原始應力狀態(tài)下的煤體，將(( 2.2)和((2.3)式代入(2.9)式得到 [St]為一定開采深度下煤體發(fā)生破壞的極限抗拉強度。當煤體的抗拉強度 St[St]時，煤體發(fā)生 Griffith 破壞，處于所謂“潛塑性”破不狀態(tài);否則，煤體保持原來結構。2.3.2 壓剪區(qū)(主破壞區(qū))煤層采出后，在圍巖應力重新分布的范圍內，作用在煤層、巖層和殲石上的垂直壓力稱為“支承壓力” 。在單一自重應力場條件下，采場周圍的巖體上的支承壓力來源于上覆巖層的重量在工作面前上方，頂煤處在工作面超前支承壓力口，作用下，由于工作面內頂煤的放出，使工作面前上方頂煤部分失去后部支撐，圍巖應力狀態(tài)發(fā)生變化，水平應力 63 降低垂直應力與水平應力差((a:一。 ，)增大，同時為頂煤變形提供了相應的自由位移空間，使其沿推進方向在一定范圍內出現(xiàn)破碎或塑性變形。以最大主應力口。發(fā)生集中的地點開始，越靠近工作面，最大剪應力就越大，摩爾 1 園越靠近煤塊強度曲線。在工作面前方某一點，支承壓力的增大和最小主應力的減小使得應力圓達到煤體強度線，煤體發(fā)生壓剪破壞。此時，支承壓力 a，也達到了峰值。由塑性力學知道[31)s 剪切破壞面(線)聯(lián)結起來便為滑移線，因此，在煤層面支承壓力峰值處下方存在一條滑移線，將頂煤分為彈性區(qū)和塑性區(qū)。頂煤分區(qū)就是以此滑移線為界，其外為原始應力區(qū)，其內至煤壁為主破壞區(qū)。當然主破壞區(qū)的范圍也不是一成不變的，頂煤硬度越大，Cr 護值越大，發(fā)生壓剪破壞的邊界就越靠近工作面，使支承壓力峰值也越靠近工作面。當煤體極堅硬時，煤壁前方頂煤中應力恒有 al 沙 C cos 0 + C3('+ sin 0)],'(1 一 sin，壓剪破壞不能發(fā)生，可能不存在壓剪區(qū)，此時支承壓力峰值在煤壁處。2.3.3 裂隙貫通區(qū)由于采煤機過后移架時，一般要降低頂梁，使得頂煤進入支架上方底面卸載。在頂板運動產生的頂板壓力、頂煤自重的作用下，其端部產生拉應力，從而端部可能發(fā)生拉斷破壞。以端部拉裂紋為界，頂煤分割為主破壞區(qū)和裂隙貫通區(qū)。頂煤在支架上方受到頂板和支架的擠壓作用，水平約束減少，其受力類似于實驗室?guī)r樣的單軸壓縮。對于硬度不同的頂煤，超前支承壓力對其破壞程度不同，在支架上方可能會出現(xiàn)不同的破壞機制，相應的，在支架后方的冒落形態(tài)也有差異。2.4 頂煤可放性影響因素研究2.4.1 開采深度和煤層強度由頂煤所處地應力環(huán)境分析可知，頂煤破壞的三個區(qū)域其作用力來源大小，邊界條件各不相同。處于原始應力區(qū)的頂煤承受上覆巖層自垂作用，a, = Y- r; H; , i 為上覆巖層數目，煤體四周可視為固定邊界;處于主破壞區(qū)頂煤承受支承壓力升高部分的作用，作用力大小為 o', = KE ri Hi ,由活動的傳遞巖梁產生，.1 為活動的傳遞巖梁的數目;裂貫通區(qū)內的頂煤，同樣受升高部分支承壓力作用，且隨煤壁越近，支承壓力越小，由已斷裂巖層的運動產生。理論研究和實踐表明，頂板變形和破壞主要在壓裂階段[’ “·川，壓裂階段就處在頂煤的壓剪區(qū)(主破壞區(qū))。同時，決定頂煤質量的關鍵是頂煤在壓裂階段的破碎程度。在此階段，決定頂煤破碎程度的主要是支承壓力與煤層強度的比值，這個比值可稱為頂煤相對強度。在過去對頂煤可放性研究中都考慮了開采深度和煤層強度，把開采深度和煤層強度認為是獨立因素，互不關聯(lián)。但是實踐證明，在采場推進過程中，由于受采動的影響，支承壓力對頂煤的破碎起決定作用[12-15]。根據前面的頂煤應力環(huán)境分析和力學理論，只有在支承壓力值不小于煤層強度時，才能引起頂煤的破壞。因此，開采深度和煤層強度是相互關聯(lián)的，并不是獨立的。它們在頂煤分類中起關鍵作用?，F(xiàn)在用模糊數學的方法來定量表達頂煤質量。這里所說的頂煤質量是指頂煤的綜合強度。首先將頂煤相對強度在語義上進行模糊分級，然后確定每級的量值范圍，最后確定各級對頂煤質量的隸屬函數。頂煤的相對強度 x=K 聲/。 ‘，式中 K 為應力集中系數，根據壓力遂洞理論[301，一般取 K=2。但是，在現(xiàn)場工程實踐中，不同的礦井 K 取值有所不同。(1)模糊分級頂煤質量模糊分級見表 2.1頂煤分類頂煤質量非常好、好、一般、壞、非常壞(2)把頂煤相對強度賦以具體數值，各級數值的范圍來源于人們對各等級的普遍看法，專家建議和實驗室、現(xiàn)場的測定結果。詳見表 2.2.(3)確定隸屬函數將各級的特征值與對應的隸屬度進行回歸得到相應的隸屬函數。頂煤相對強度的隸屬函數如((2.11)所示:式中：x—頂煤的相對強度，x=KyH/a,，一般 K=2o2. 4. 2 頂煤的裂隙發(fā)育程度一般巖體都程度不同的含有節(jié)理裂隙，煤層更是如此。節(jié)理裂隙對巖體強度的影響與節(jié)理裂隙的走向、密度和充填材料有關，就單個裂隙來講，有(2.12)所示關系式:式中Rcr—裂紋巖石的抗壓強度;R,—整體巖石的抗壓強度;Cr—沿裂紋面的粘結力;C—整體巖石的粘結力;i—沿裂紋方向的摩擦因數;f—整體巖石的摩擦因數;cos2B—載荷與裂紋面的夾角。就實質而言，煤體中節(jié)理裂隙發(fā)育大大降低了頂煤的綜合強度?？偟膩碇v，裂隙發(fā)育程度高利于頂煤的再次破碎與冒落成均質松散體，從而在頂煤放出時具有明顯的規(guī)律性，回收率高。但裂隙發(fā)育超過一定限度后，由于頂煤過分松軟，難于支護，將影響放頂煤工作的正常進行，降低了功效。因此，理想的節(jié)理裂隙發(fā)育程度以間距在 0.2-0.4m為宜。根據現(xiàn)場經驗和征求部分專家、學者的意見，得出裂隙間距對應的隸屬度見表 2.3.2.4.3 夾石層對頂煤可放性的影響厚煤層中存在夾石層的現(xiàn)象是比較普遍的。夾石層的層位、厚度和強度不同對頂煤可放性的影響也不同。(1)夾石層的層位根據夾石層在煤層中所處的層位，可將夾石層分為三類:①上部夾石層:指距頂板小于 1.0- 1.5m 的夾研;②中部夾石層:指位于整個層厚的中部夾研;③下部夾石層:指距底板 1.5-2.5m 內的下部夾研。對于綜采放頂煤開采，下部夾石層多為采煤機截割，對頂煤的可放性無影響;上部夾石層因其上的頂煤一般不超過 1.Orn，如果夾研較薄，可隨頂煤和直接頂的冒落而冒落;如果較厚，為保證煤質可有意識的將這部分煤連同夾石層一起丟失?？傮w上來看，上部夾石層對頂煤可放性影響不大。但是，位于煤層中部的夾石層對頂煤可放性具有較大的影響。我們設整個頂煤的厚度為 d，夾石層中間值與頂煤下底之間距離為 1,令夾石層層位系數 jr--1/d。則夾石層層位對頂煤可放性的隸屬函數如式((2.13). I 和 d的位置關系如圖 2.3 所示。其中，當夾石層位于支架上方附近時，對放頂煤的影響很大，可放性很差;當夾石層位于頂板附近時，對放頂煤影響不大可放性較強。(2)夾石層的厚度根據原煤炭工業(yè)部煤生字[1955]第 104 號文件規(guī)定:當煤層中夾石層單層厚度大于300mm 時，夾研將影響頂煤冒落。因此以 300riim 為界，大于 300mm 時視頂煤可放性“極差” ，厚度越小則可放性越好。夾石層厚度對應隸屬度見表 2.4.(3)夾石層的強度夾石層強度對頂煤可放性的影響取決于夾石層強度與煤層強度之比值。一般認為，只有當夾石層強度大于煤層強度時，才會對頂煤冒落造成不良影響，且夾石層強度越大頂煤越難冒落。當夾石層強度小于煤層強度時，夾石層作為中間軟弱層隨其下部頂煤的冒落而冒落，不會對頂煤的可放性產生影響。夾石層強度對應隸屬度見表 2.5.2.5 綜放面頂煤可放性分類2.5.1 頂煤可放性指數根據各影響因素的隸屬度 U;和其權重值,ki,利用加權原理公式((2.14)，求出目標的流量(隸屬度)，即各影響因素對頂煤可放性的綜合評價值，為使用方便，我們稱之為頂煤可放性綜合指數 Uo頂煤的可放性指數 U 一般在【0, I〕取值，若某一因子非常特別而使U 大于 1 時，我們可以默認為 1。這個指數能夠定量地反映頂煤相對強度、裂隙發(fā)育程度和煤層結構等因素對頂煤可放性的影響程度，或是對頂煤可放性“極易”的隸屬度。2. 5. 2 頂煤的分類在放頂煤工作面生產過程中，采煤專家和現(xiàn)場工程技術人員對頂煤的可放性都有模糊語義評價，將頂煤可放性分為“極難” 、 “難” 、 “一般” 、 “易”和“極易”五個模糊分級。因為模糊數學中的水平截集解法是模糊集與普通集互相轉化的橋梁，在此，應用水平截集解法把現(xiàn)場實踐中定性評價與頂煤可放性指數聯(lián)系起來，對頂煤的可放性進行定量評價，并對頂煤進行分類。3 綜放面頂板分類及與頂煤分類的關系采場中一切礦壓顯現(xiàn)的根源，是由采動引起的上覆巖層的運動。由于上覆巖層的巖性、厚度、層位關系及構造情況不同，因此，它們存在著多種多樣的運動規(guī)律。對于綜采放頂煤工作面的上覆巖層來說，它包括頂煤、直接頂和老頂。頂煤是指在支架后部放落回收的厚煤層上位煤層。直接頂，是指能在老塘不規(guī)則冒落的、不能在煤壁前方和老塘殲石上永久傳遞力的、其作用力必須由支架全部承擔的那部分巖層的總和。所謂老頂，是指自身能形成平衡結構、能永久的向煤壁前方和老塘研石上傳遞力的、其運動對采場礦壓有明顯影響的、其作用力無需支架全部承擔的那部分巖層。在綜采放頂煤采場的上覆巖層中，頂煤、直接頂和老頂并不是孤立的，是相互聯(lián)系和相互作用的。對于不同的巖性、分層厚度、裂隙程度的直接頂和老頂與不同的埋深、強度、層位關系的頂煤的組合會形成不同的頂板結構形式。在工程實踐中，我們可以根據不同的頂板結構形式進行支護設計、支架選型和放煤機構設計。3.1 綜放面頂板分類國內外眾多專家學者對采煤工作面頂板分類有許多研究，從給出的分類標準不難看出兩個問題:一是分類標準所考慮的因素較多，現(xiàn)場工程實踐中難以實現(xiàn);二是雖然考慮各方面因素，但是沒有形成一個統(tǒng)一的指標進行分類，在計算機編程時難以實現(xiàn)自動分類。運用巖層質量指數對綜放面的頂板進行分類，以上兩個問題就迎刃而解。巖層質量指數是指在定量判斷巖層穩(wěn)定性的好壞時，要求將巖層的強度、裂隙度和分層厚度對巖層穩(wěn)定性的隸屬度歸結的一個數值。3.1.1 影響巖層穩(wěn)定性的主要因素煤系地層屬于沉積巖，煤層采出后，頂板由下而上運動。就單一巖層而言，影響其運動因素有:厚度、強度、分層厚度、節(jié)理裂隙間距、組分的均勻性、水的作用程度等。在這些因素中，起主要作用的是巖層強度、分層厚度和節(jié)理裂隙間距，我們常稱之為三因子 1171。在三因子中，強度用巖石的單向抗壓強度代表，分層厚度可由打鉆或從采空區(qū)側實測得到，節(jié)理裂隙間距可由順槽或采空區(qū)殲石塊度目測得到，它包括成組原生裂隙和采動裂隙，有時采動裂隙在巖層穩(wěn)定性中占主導地位。為了能定量的表達巖層穩(wěn)定性，不妨將由三因子決定的巖層“綜合強度”叫做巖層質量。用這個語義上的概念表達巖層穩(wěn)定性的好壞。3.1.2 巖層質最的模糊表征方法模糊數學(Fuzzy Mathematics)是本世紀數學上的一項重大突破，它的出現(xiàn)使大規(guī)模的工業(yè)控制成為可能。模糊數學解決的主要問題，是概念外延不明確(或不完全)的事物分類、評判或定量表達。它是人們語義概念與量化概念之間的橋梁。近年來，模糊數學在專家系統(tǒng)研究中發(fā)揮了極其重要的作用 [2。一]，我國研制的肝病醫(yī)療診斷專家系統(tǒng)、氣象預報專家系統(tǒng)等，都成功地應用了模糊數學。從國內外的應用情況看，模糊數學對解決這樣的問題十分有效:(1)研究對象本身的性質處于“灰箱”戴“黑箱”狀態(tài)，無法精確測定或用精確的方程予以表達，有時這些性質具有統(tǒng)計性。(2)解釋研究對象的知識，很多尚處于經驗狀態(tài)，難以確切的表達。(3)人類專家根據其本身的經驗，運用一定的思維方式，能夠比較準確的推斷出符合實際的結論。分類方案的對象是頂板，它完全符合上述，七個特點。因此，可用模糊數學的方法表征巖層的質量。首先建立三因子語義上的等級，使之與習慣的評價“好” “壞”等概念相對應。三因子與巖層質量間語義上的關系可用表 3.1 表示。將表 3.1 中三因子的各等級賦以具體的數值，每個等級的數值范圍是相當穩(wěn)定的。各級的數值范圍來源于人們對各等級的看法、專家建議和現(xiàn)場實驗室的測定結果。由于我國煤層頂板單向抗壓強度一般在 100MPa 以下，所以強度的等級以 1 OOMPa 為上界，大于 100MPa 的堅硬巖層特設為第六類，這種分類與表2.1 不完全對應，分層厚度與節(jié)理裂隙間距等級是與抗壓強度相對應的，因此，也分為第六類。表 3.2 是我國 16 個礦區(qū) 116 個采場頂板單向抗壓強度各等級數值及對應巖性的研究結果 表 3.3 是與表 3.2 相對應的分層厚度及節(jié)理裂隙間距各等級數值及其關系表。在支護設計時，如果有三因子的實際測定結果，則用測定結果運算，否則，可根據表 3.2 和表 3.3 近似選擇三因子的數值。應該指出的是，以上闡述的單向抗壓強度、分層厚度和節(jié)理裂隙間距的分級表和統(tǒng)計關系，只是為了在缺乏具體測量結果時才應用，當有測定結果時，應該采用實測的結果。3.1.3 三因子對巖層質量的隸屬函數某一因子對巖層質量的隸屬函數，指的是又一“巖層質量”這個論域的隸屬程度，也可理解為對巖層質量“極好”的隸屬程度。單向抗壓強度、分層厚度和節(jié)理裂隙間距對巖層質量的隸屬函數(18l 如式(3.1), (3.2)和(3.3)所示。式中:μr—單向抗壓強度、分層厚度和節(jié)理裂隙間距對巖層質量的隸屬度;μd —單向抗壓強度(MPa) 、分層厚度(m)和節(jié)理裂隙間距 (M).由于回歸出的隸屬函數在自變量的兩個極端可能使隸屬度出現(xiàn)負值或大于 1 的情況，所以當 μr小于 0.1 時，系統(tǒng)默認為 0.1，當 μd大于 1.0 時，系統(tǒng)默認為 1.0。3.1.4 巖層質量指數的計算頂板控制設計對巖層質量有定量要求，巖層的質量有三因子決定，三因子對巖層質量的影響程度又有隸屬函數決定，隸屬函數在[[O' l]之間取值。如果三因子對巖層質量的影響權重分別為 aR,aD,aF，則三因子對巖層質量的平均隸屬度}(x)為:三因子對巖層質量的影響權重，根據有關研究結果 I181，分層影響權重約為 0.35，節(jié)理裂隙約為 0.31，單向抗壓強度約為 0.34?？紤]到樣本點的局限性以及允許的誤差范圍，一般情況下均取 0.33，歸一化處理后，(3.4)式變?yōu)?我們定義 Ax)為巖層的質量指數，它一般在[[0, 1]間取值，若某一因子特別而使,u(x)大于 1 時，系統(tǒng)默認為 1。它能夠定量地反映一個巖層在三個具體因子的條件下，對巖層穩(wěn)定性的影響程度，或是對巖層質量“極好”的隸屬度。如用不同的閥值去裁 Ax)，將得到巖層質量“極壞” 、 “壞” 、“一般” 、 “好”和“極好”的等級，它與普遍的模糊概念相對應。在 Ax) 1 的范圍內，如果巖層的厚度一定，巖層的穩(wěn)定性隨 P(x)單調地變化，亦即由 Ax)唯一地決定巖層的運動步距，這個方法考慮了分層與節(jié)理裂隙對巖層運動的影響。當 P(x)=1 時，對應著堅硬大厚度頂板(其強度一般大于 100MPa，分層厚度和節(jié)理裂隙均大于 1.3m)，此類頂板分層和節(jié)理裂隙變?yōu)榇我匾蛩?，其變形、破壞的?guī)律更接近于連續(xù)介質理論，因此，可以用巖板或巖梁理論預計運動步距。根據上述研究結果，一個巖層的穩(wěn)定性可以用一個量化指標—巖層質量指數來表示，這個指標反映了巖層分層厚度、節(jié)理裂隙間距對巖層變形能力的“削弱”程度。3.1.5 頂板質量指數的表達方法為了得到需控巖層的運動參數(直接頂厚度、初垮步距、懸頂距、完整性指數等)，首先必須對直接頂和老頂的質量狀況進行評價，并用老頂和直接頂的質量指數來表示。在下述 2 個假設條件下，直接頂和老頂的質量狀況可用(3.6)式來表達:(1)在已判定的直接頂和老頂范圍內，巖層的層數和層位關系對各自質量的影響不計;（2)假設三因子的隸屬度與巖層質量指數 Ax)間存在近似線性的關系。式中Uu,Uz:—直接頂和老頂質量指數;N, m—組成直接頂和老頂的巖層數;Hi, Ui—第 i 層的厚度和質量指數。顯然，Uu 和 Uz 越大，老頂和直接頂越堅硬，反之亦然。3.1.6 直接頂分類(1)直接頂運動的一般規(guī)律概述隨著采場從開切眼推進，巖層懸露的面積越來越大，在采場的走向方向，巖層懸露到一定距離后，將發(fā)生斷裂和垮落。當直接頂由多個巖層組成時，除了考慮初次垮落步距及厚度外，還應考慮各巖層的垮落方式，這樣才能全面反映直接頂的運動情況。垮落方式一方面是指相鄰巖層是同時運動還是分開運動(即巖層運動的組合方式)，另一方面是指直接頂垮落時是剪切失穩(wěn)垮落還是鉸接失穩(wěn)垮落(即垮落的機理)。初次垮落完成后，直接頂進入周期垮落階段。(2)直接頂厚度的推斷影響直接頂厚度的主要因素有三個:開采條件、直接頂本身的運動性質和老頂的運動性質。在放頂煤采場開采條件中最重要的是采高和頂煤的放出率。直接頂的運動性質由巖層強度、厚度、分層厚度、節(jié)理裂隙間距、碎脹系數決定。老頂的運動性質中，對直接頂厚度影響最大的是老頂的彎曲沉降量，它控制著采空區(qū)的自由空間大小，從而影響到直接頂的厚度。(3)直接頂的分類原煤炭部頒布的《緩傾斜采煤工作面頂板分類試行方案》在現(xiàn)場有很大的影響，對認識頂板運動規(guī)律、搞好頂板管理，起到了十分積極的作用。頂板(頂煤)分類系統(tǒng)軟件依據《緩傾斜采煤工作面頂板分類試行方案》 ，結合專家建議和對大量現(xiàn)場實際數據的統(tǒng)計分析，建立見表 3.4 一所示直接頂分類標準。3.1.7 老頂分級(1)老頂運動的一般規(guī)律概述直接頂初次垮落完成后，采場進入老頂初次來壓階段。隨著采場的推進，在采空區(qū)老頂巖層逐漸離層、沉降，繼而在巖梁端部和中部發(fā)生斷裂，形成結構，隨著結構的下沉和變形，在某一時刻結構失穩(wěn)，形成工作面來壓。老頂初次來壓時結構的運動并不完全遵循上述規(guī)律，當采場出現(xiàn)近乎平行傾向的斷層、巖層變薄或發(fā)生嚴重相變時，巖梁的鉸接點可能引起滑動而導致失穩(wěn)。初次來壓完成后，老頂即進入周期來壓階段，周期來壓是由老頂巖層的斷落或結構的變形引起的，在一定煤層地質條件和開采條件下，一個采場的周期來壓步距是相當穩(wěn)定的，各步距之間的誤差一般在 3-5m 之內。(2)老頂厚度的推斷在以往的研究中，老頂的厚度一般認為在 6-8 倍采高范圍之內，到了具體采場，則由人依據柱狀圖判斷。通過考察專家的思維過程和大量觀測的結果，認為判斷老頂的厚度可依據以下 10 條知識，具體運用時，這些知識將形成一個推理網絡，逐一“過濾”直接頂以上的巖層，直至推斷出老頂的厚度。①若本巖層質量指數大于下位巖層，且屬于“好”以上等級，則兩巖層分開運動。②層質量屬“好”以下等級且大于或等于其下位巖層質量指數，則兩巖層同時運動。③本巖層質量指數小于其下位巖層質量指數，則兩巖層同時運動。④若本巖層處于 6 倍采高附近層位且超出 6 倍層位的厚度不足 2m，則巖層屬老頂(全厚度)。⑤若本巖層處于 6 倍采高附近層位且超出 6 倍采高層位的厚度大于 2m，則巖層在 6 倍采高附近按自然分層的整倍數分離成兩部分，一部分屬于老頂，另一部分屬于緩沉帶。 ⑥若本巖層質量屬“極壞” ，且厚度超出 6 倍采高層位很多時，則以倍采高為老頂厚度上限，否則全厚度劃入老頂。⑦若本巖層屬“好”以下等級，且位于 6倍采高的層位內，則巖層屬老頂。⑧若本巖層屬“極好”等級，則全厚度劃入老頂。⑨兩巖層若分開運動，則屬兩個巖梁。⑩分開運動的巖層組數((6 倍采高附近層位內)即為老頂巖梁的個數，各巖梁厚度之和為老頂的總厚度。一般情況下，直接頂與老頂厚度之和大于 TF 于 6 倍采高后，停止老頂的判斷。(3)老頂的三種基本結構頂板的結構形式主要是指老頂的平衡結構形式。老頂存在類拱式、拱梁式和梁式三種基本結構 1171，它們的形成條件、運動規(guī)律、又撐壓力顯現(xiàn)規(guī)律及其控制的要求，既有區(qū)別又有聯(lián)系，是老頂巖層質量指數的“量變’導致老頂結構形式“質變”的一個辨證過程，亦即老頂結構形式隨巖層質量指數的變化，存在一個“系列” 。類拱式結構是代表松軟老頂結構的，它有小塊狀巖體擠壓而成，其傳遞力的跡線像 一個半拱，隨采場推進，該半拱周期性運動，為區(qū)別于靜態(tài)拱的概念，故稱之為“類拱” ，如圖 3.1 所示。類拱的兩個極端情形，一是有碎塊體不規(guī)則擠壓而成的半拱;二是由節(jié)理裂隙非常發(fā)育的層狀頂板的多個巖塊規(guī)則排列而成的半拱。拱梁式結構是代表中硬老頂結構的，它有多個巖塊規(guī)則排列、擠鉸而成，其傳遞力的跡線呈折線狀，結構中巖塊的個數隨巖體強度、厚度而變化。它的兩個極端情況，一是類拱的上限，即有多個巖塊組成:二是巖塊只有 3-4 個，可對塊間的平衡進行力學分析。這種結構的下限呈類拱的特征，上限呈堅硬老頂結構的特征，因此，稱之為“拱梁”結構，如圖 3.2 所示。梁式結構是代表堅硬老頂結構的，它有 2^-3 個巖塊擠鉸而成，如圖3.3 所示。梁式結構的兩個極端情況，一是拱梁結構的上限，二是由一個長巖塊組成的平衡結構，如圖 3.4 所示。有的采場因直接頂和第一老頂厚度較小，第二老頂的運動仍對采場產生較大的影響，因此，上述三種基本結構有時以組合的形式出現(xiàn)。(4)老頂的分級不同強度老頂采場的實測結果表明，老頂運動在煤壁前方的影響距離、順槽與采場礦壓峰值的時間差、順槽礦壓顯現(xiàn)的烈度和峰值頻度，都隨老頂強度的增加而增加，它證明了老頂的結構形式是隨巖層強度的量變而質變的。也就是說，老頂的巖層質量指數不同，就對應著不同的老頂結構形式。依據《緩傾斜采煤工作面頂板分類試行方案》 ，結合專家建議和對大量現(xiàn)場實際數據的統(tǒng)計分析，建立見表 2.5 所示老頂分級標準，并有相應的老頂結構形式。3.2 綜放面頂板分類與頂煤分類的關系放頂煤采場的需控巖層，不僅有直接頂和老頂，還有頂煤。并且由于頂煤的存在，老頂的運動效應將被“弱化” ，變?yōu)榇我目刂茖ο?26]。在放頂煤采場，由于頂煤從垮落到放完是一個完全動態(tài)的過程，顯然，在此過程中直接頂的厚度是變化的，老頂的厚度與位態(tài)也是變化的。因此放頂煤采場的直接頂厚度計算公式與單一煤層開采的直接頂厚度計算公式有所不同，如((3.7)式所示。式中 MZ—直接頂的厚度;H—采高;T—頂煤厚度:C—殘煤厚度;SA—老頂在觸研處的沉降量，據有關研究結果，S A = (0.15-0.25) h，在放頂煤采場 h=H+nT, nT為頂煤放出率，在一般頂板的采場，S A=0.2h?；厥章逝c C 的關系是KM為頂煤垮落后的碎脹系數。從((3.7)式可以看出，由于頂煤放出率的變化，將影響直接頂厚度的變化，從而改變老頂的厚度和位態(tài)，進而形成放頂煤采場的不同頂板結構。直接頂和老頂對頂煤的冒放性有一定的影響。就直接頂而言，能隨采隨冒并具有一定的厚度是放頂煤開采頂煤冒落后順利放出的條件，否則將造成部分頂煤的丟失。老頂是傳遞支承壓力的主要巖層，實踐證明來壓前夕頂煤冒放性較好，但在正常期間一般無明顯影響，且放頂煤采場 K 值多在 2.0左右，因此老頂的影響較小。但從冒放結構的控制而言，老頂會影響冒放結構形式，而造成頂煤放出率的變化。根據頂煤的開采深度和強度比值、裂隙發(fā)育程度和頂煤結構將頂煤分為不同類別，不同類別的頂煤與不同類別的直接頂和老頂將組合成不同類型的頂板結構。在不同的頂板結構下，計算支護強度的公式也是不同的。在這其中，不同的頂煤類別，將會影響直接頂與老頂接觸應力的大小。將直接頂和老頂的分類與頂煤分類相結合，這樣能把放頂煤采場頂板的結構描述的更全面、更具體，彌補了原有頂板分類方案不適合放頂煤采場的不足。4 主要結論本文運用數值與經驗相結合的分類方法，綜合考慮影響頂煤可放性的各種因素，對綜放面的頂煤進行分類:采用巖層質量指數法，依據影響巖層穩(wěn)定性的主要因素對直接頂和老頂進行了分類。本文主要研究結論如下:(1)對影響頂煤可放性的因素進行了研究。頂煤的可放性是指煤層頂部煤體在支承壓丈的作用下冒落和放出的難易程度。影響頂煤可放性的因素眾多，本文主要探討煤層的埋藏深度、硬度、裂隙發(fā)育程度及夾石層的層位關系、厚度和強度對頂煤可放性的影響。已有的研究成果均是將各因素對可放性影響進行單獨分析，其實有些影響因素之間并不是相互獨立的，而是存在著某種內在聯(lián)系，本文將它們作為一個綜合因素討論對可放性的影響效果。首次引用了“頂煤相對強度”概念，使頂煤分類不脫離“采深”這個關鍵因素。(2)運用數值與經驗相結合的分類方法對綜放面頂煤進行了分類。國內外對巖體(煤體)分類的方法主要有數值分類法、經驗分類法和數值與經驗相結合的分類方法。為了滿足工程需要，本文采用數值和經驗相結合的分類方法對頂煤進行分類。應用模糊數學中的水平截集法和數理統(tǒng)計把現(xiàn)場實踐中定性評價與頂煤的可放性指數聯(lián)系起來，定量地將頂煤分為可放性“極難” 、 “難” 、 “一般” 、 “易”和“極易”五類。