綜放面頂板控制設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究
作者：中國(guó)礦業(yè)商務(wù)網(wǎng)
2008-12-15 00:00
來源：不詳
頂板災(zāi)害是影響煤礦安全生產(chǎn)的重要災(zāi)害之一，因此，采場(chǎng)頂板控制設(shè)計(jì)是煤礦生產(chǎn)作業(yè)規(guī)程的重點(diǎn)內(nèi)容。在頂板控制設(shè)計(jì)中，由于頂板的復(fù)雜性，使很多有用的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)難以用精確的語(yǔ)言表達(dá)出來，有些僅存在于專家的頭腦中，難以集中起來成為系統(tǒng)的知識(shí)為現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)。因此，研制包容大量理論、實(shí)踐成果和專家知識(shí)的頂板控制設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)是十分必要的。
1 綜放面頂板控制設(shè)計(jì)步驟
綜放面的頂板控制設(shè)計(jì)是在分析具體煤層地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，預(yù)計(jì)頂板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定合理的支架圍巖關(guān)系，進(jìn)而進(jìn)行控制設(shè)計(jì)。其步驟和內(nèi)容見圖1。
圖1 綜放面頂板控制設(shè)計(jì)的步驟
在以上步驟中，關(guān)鍵是確定綜放面的支架圍巖關(guān)系。在確定支架圍巖關(guān)系之前，首先要對(duì)綜放面的頂板和頂煤進(jìn)行分類，進(jìn)而預(yù)計(jì)頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
2 綜放面頂板分類
2.1 巖層質(zhì)量指數(shù)
影響巖層穩(wěn)定性的因素有：巖層厚度、強(qiáng)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(qiáng)度、分層厚度和節(jié)理裂隙間距，常稱之為三因子。為了能定量表達(dá)巖層穩(wěn)定性，將由三因子決定的巖層“綜合強(qiáng)度”叫做巖層質(zhì)量。
某一因子對(duì)巖層質(zhì)量的隸屬度，是指對(duì)巖層質(zhì)量“極好”的隸屬程度，設(shè)μR、μD和μF分別為巖層單向抗壓強(qiáng)度、分層厚度和節(jié)理裂隙間距對(duì)巖層穩(wěn)定性的隸屬度，根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果，三因子對(duì)巖層質(zhì)量的隸屬度如式（1）所示：
式中μ（x）為巖層的質(zhì)量指數(shù)，它能夠定量地反映一個(gè)巖層在3個(gè)具體因子的條件下，對(duì)巖層穩(wěn)定性的影響程度。
2.2 直接頂分類
直接頂是指能在采空區(qū)不規(guī)則冒落的、不能在煤壁前方和采空區(qū)矸石上永久傳遞力的、其作用力必須由支架全部承擔(dān)的那部分巖層的總和。判斷某一巖層是否垮落成直接頂時(shí)，首先讀取該巖層的質(zhì)量指數(shù)，并判斷它屬于哪一個(gè)等級(jí)，然后計(jì)算采空區(qū)自由空間的高度。把計(jì)算出的采空區(qū)自由空間高度與巖層厚度相對(duì)照，檢驗(yàn)巖層是否全厚度垮、部分垮還是不垮成為鉸接結(jié)構(gòu)，判斷過程中用到的判斷因子的臨界值（閾值）是在大量試算和檢驗(yàn)后確定的。
整個(gè)推斷過程是一個(gè)循環(huán)過程，它逐一判斷輸入的巖層，直到得出明顯的結(jié)論為止。這個(gè)推斷過程模擬了人類專家推斷直接頂厚度的思維過程。
依據(jù)《緩傾斜采煤工作面頂板分類試行方案》，結(jié)合專家建議和對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，建立的分類準(zhǔn)則。
2.3 老頂分類
老頂是指自身能形成平衡結(jié)構(gòu)、能永久向煤壁前方和采空區(qū)矸石上傳遞力的、其運(yùn)動(dòng)對(duì)采場(chǎng)礦壓有明顯影響的、其作用力無需支架全部承擔(dān)的那部分巖層。老頂存在類拱式、拱梁式和梁式3種基本結(jié)構(gòu)，它們的形成條件、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、支撐壓力顯現(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(zhì)量指數(shù)的“量變”導(dǎo)致老頂結(jié)構(gòu)形式“質(zhì)變”的一個(gè)辯證過程，亦即老頂結(jié)構(gòu)形式隨巖層質(zhì)量指數(shù)的變化，存在一個(gè)“系列”。把老頂?shù)膸r層質(zhì)量指數(shù)與結(jié)構(gòu)形式結(jié)合起來，依據(jù)《緩傾斜采煤工作面頂板分類試行方案》，建立的分類準(zhǔn)則。
3 綜放面頂煤分類
3.1 影響頂煤穩(wěn)定性的因素分析
影響綜放面頂煤穩(wěn)定性的因素眾多，這里主要探討煤層的埋深、強(qiáng)度、裂隙發(fā)育程度及夾石層的層位、厚度和強(qiáng)度對(duì)頂煤質(zhì)量的影響。
通過對(duì)頂煤的地應(yīng)力環(huán)境分析，頂煤的變形和破壞主要處在壓剪區(qū)。在此區(qū)域，決定頂煤破碎程度的主要因素是支承壓力與煤層強(qiáng)度的比值，這個(gè)比值稱為頂煤相對(duì)強(qiáng)度。過去對(duì)頂煤穩(wěn)定性的研究中，把煤層埋深和強(qiáng)度認(rèn)為是獨(dú)立因素。但實(shí)踐表明，在采場(chǎng)推進(jìn)過程中，煤層埋深與強(qiáng)度是相互關(guān)聯(lián)的。頂煤相對(duì)強(qiáng)度把煤層的埋深和強(qiáng)度有機(jī)地結(jié)合起來，在頂煤分類中起關(guān)鍵作用。
煤體中節(jié)理裂隙發(fā)育大大降低了頂煤的綜合強(qiáng)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(zhì)松散體，從而在頂煤放出時(shí)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(hù)，將影響放頂煤工作的正常進(jìn)行，降低功效。
夾石層的層位、厚度和強(qiáng)度不同對(duì)頂煤穩(wěn)定性的影響也不同。煤層下部夾石層多被采煤機(jī)截割，對(duì)頂煤無影響；上部夾石層因其上的頂煤一般不超過1.0m，有時(shí)可以丟失，總體來看，上部夾石層對(duì)頂煤影響不大；但是，位于煤層中部的夾石層對(duì)頂煤的穩(wěn)定性具有較大影響。如果夾石層的厚度較薄時(shí)，可隨頂煤冒落，對(duì)頂煤影響不大；若大于300mm時(shí)可視為可放性“極差”的頂煤。夾石層對(duì)頂煤穩(wěn)定性的影響取決于夾石層強(qiáng)度比值。一般認(rèn)為，夾石層的強(qiáng)度大于煤層強(qiáng)度時(shí)對(duì)頂煤的穩(wěn)定性較好。
3.2 頂煤分類
運(yùn)用模糊統(tǒng)計(jì)回歸和典型函數(shù)方法建立了頂煤相對(duì)強(qiáng)度和夾石層層位對(duì)頂煤穩(wěn)定性的隸屬函數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和征求專家的意見，確定煤層裂隙度和夾石層的厚度、強(qiáng)度對(duì)頂煤穩(wěn)定性的隸屬度。
事實(shí)上，各分類指標(biāo)對(duì)頂煤穩(wěn)定性的影響程度是不同的。如果把這些分類指標(biāo)平等的對(duì)待，將會(huì)影響分類結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此運(yùn)用層次分析法確定的影響頂煤穩(wěn)定性的權(quán)值。
根據(jù)各影響因素的錄屬度和其權(quán)值，利用加權(quán)原理，求出目標(biāo)的流量（隸屬度），即各影響因素對(duì)頂煤穩(wěn)定性的綜合評(píng)價(jià)值，稱之為頂煤穩(wěn)定性指數(shù)。這個(gè)指數(shù)定量地反映出各因素對(duì)頂煤穩(wěn)定性“極穩(wěn)定”隸屬程度。
在綜放面生產(chǎn)過程中，采煤專家和工程技術(shù)人員對(duì)頂煤的穩(wěn)定性有模糊語(yǔ)義評(píng)價(jià)，將頂煤穩(wěn)定性分為“極穩(wěn)定”、“穩(wěn)定”、“一般”、“不穩(wěn)定”和“極不穩(wěn)定”5個(gè)模糊分級(jí)。因?yàn)槟：龜?shù)學(xué)中的水平截集解法是模糊集與普通集互相轉(zhuǎn)化的橋梁，在此，應(yīng)用水平截集解法把現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中定性評(píng)價(jià)與頂煤穩(wěn)定性指數(shù)聯(lián)系起來，對(duì)頂煤的穩(wěn)定性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，并對(duì)頂煤進(jìn)行分類。
4 綜放面頂板分類與頂煤分類的關(guān)系
放頂煤采場(chǎng)的需控巖層，不僅有直接頂和老頂，還有頂煤。由于頂煤從垮落到放完是一個(gè)完全動(dòng)態(tài)的過程，顯然，在此過程中直接頂?shù)暮穸仁亲兓?，老頂?shù)暮穸扰c位態(tài)也是變化的。因此，在推斷直接頂厚度中計(jì)算采空區(qū)的自由高度時(shí)，與單一煤層采場(chǎng)相比而言，要考慮頂煤的放出率和殘余頂煤的碎脹系數(shù)。所以綜放采場(chǎng)的直接頂厚度計(jì)算方法與單一煤層開采的直接頂厚度計(jì)算方法有所不同。
直接頂和老頂對(duì)頂煤的穩(wěn)定性有一定的影響。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(shí)踐證明，來壓之前頂煤穩(wěn)定性較差，但在正常期間一般無明顯影響，且放頂煤采場(chǎng)K值多在2.0左右，因此老頂影響冒放結(jié)構(gòu)形式，而造成頂煤放出率的變化。
根據(jù)頂煤的開采深度和強(qiáng)度比值、裂隙發(fā)育程度和頂煤結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。在不同的頂板結(jié)構(gòu)下，計(jì)算支護(hù)強(qiáng)度的公式也不同。不同的頂煤類別，會(huì)影響直接頂與老頂接觸應(yīng)力的大小。
5 結(jié)語(yǔ)
作為基礎(chǔ)研究，筆者僅對(duì)綜放面頂板和頂煤的分類進(jìn)行了探討，為綜放面頂板控制設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的開發(fā)奠定基礎(chǔ)
1 綜放面頂板控制設(shè)計(jì)步驟
綜放面的頂板控制設(shè)計(jì)是在分析具體煤層地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，預(yù)計(jì)頂板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定合理的支架圍巖關(guān)系，進(jìn)而進(jìn)行控制設(shè)計(jì)。其步驟和內(nèi)容見圖1。
圖1 綜放面頂板控制設(shè)計(jì)的步驟
在以上步驟中，關(guān)鍵是確定綜放面的支架圍巖關(guān)系。在確定支架圍巖關(guān)系之前，首先要對(duì)綜放面的頂板和頂煤進(jìn)行分類，進(jìn)而預(yù)計(jì)頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
2 綜放面頂板分類
2.1 巖層質(zhì)量指數(shù)
影響巖層穩(wěn)定性的因素有：巖層厚度、強(qiáng)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(qiáng)度、分層厚度和節(jié)理裂隙間距，常稱之為三因子。為了能定量表達(dá)巖層穩(wěn)定性，將由三因子決定的巖層“綜合強(qiáng)度”叫做巖層質(zhì)量。
某一因子對(duì)巖層質(zhì)量的隸屬度，是指對(duì)巖層質(zhì)量“極好”的隸屬程度，設(shè)μR、μD和μF分別為巖層單向抗壓強(qiáng)度、分層厚度和節(jié)理裂隙間距對(duì)巖層穩(wěn)定性的隸屬度，根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果，三因子對(duì)巖層質(zhì)量的隸屬度如式（1）所示：
式中μ（x）為巖層的質(zhì)量指數(shù)，它能夠定量地反映一個(gè)巖層在3個(gè)具體因子的條件下，對(duì)巖層穩(wěn)定性的影響程度。
2.2 直接頂分類
直接頂是指能在采空區(qū)不規(guī)則冒落的、不能在煤壁前方和采空區(qū)矸石上永久傳遞力的、其作用力必須由支架全部承擔(dān)的那部分巖層的總和。判斷某一巖層是否垮落成直接頂時(shí)，首先讀取該巖層的質(zhì)量指數(shù)，并判斷它屬于哪一個(gè)等級(jí)，然后計(jì)算采空區(qū)自由空間的高度。把計(jì)算出的采空區(qū)自由空間高度與巖層厚度相對(duì)照，檢驗(yàn)巖層是否全厚度垮、部分垮還是不垮成為鉸接結(jié)構(gòu)，判斷過程中用到的判斷因子的臨界值（閾值）是在大量試算和檢驗(yàn)后確定的。
整個(gè)推斷過程是一個(gè)循環(huán)過程，它逐一判斷輸入的巖層，直到得出明顯的結(jié)論為止。這個(gè)推斷過程模擬了人類專家推斷直接頂厚度的思維過程。
依據(jù)《緩傾斜采煤工作面頂板分類試行方案》，結(jié)合專家建議和對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，建立的分類準(zhǔn)則。
2.3 老頂分類
老頂是指自身能形成平衡結(jié)構(gòu)、能永久向煤壁前方和采空區(qū)矸石上傳遞力的、其運(yùn)動(dòng)對(duì)采場(chǎng)礦壓有明顯影響的、其作用力無需支架全部承擔(dān)的那部分巖層。老頂存在類拱式、拱梁式和梁式3種基本結(jié)構(gòu)，它們的形成條件、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、支撐壓力顯現(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(zhì)量指數(shù)的“量變”導(dǎo)致老頂結(jié)構(gòu)形式“質(zhì)變”的一個(gè)辯證過程，亦即老頂結(jié)構(gòu)形式隨巖層質(zhì)量指數(shù)的變化，存在一個(gè)“系列”。把老頂?shù)膸r層質(zhì)量指數(shù)與結(jié)構(gòu)形式結(jié)合起來，依據(jù)《緩傾斜采煤工作面頂板分類試行方案》，建立的分類準(zhǔn)則。
3 綜放面頂煤分類
3.1 影響頂煤穩(wěn)定性的因素分析
影響綜放面頂煤穩(wěn)定性的因素眾多，這里主要探討煤層的埋深、強(qiáng)度、裂隙發(fā)育程度及夾石層的層位、厚度和強(qiáng)度對(duì)頂煤質(zhì)量的影響。
通過對(duì)頂煤的地應(yīng)力環(huán)境分析，頂煤的變形和破壞主要處在壓剪區(qū)。在此區(qū)域，決定頂煤破碎程度的主要因素是支承壓力與煤層強(qiáng)度的比值，這個(gè)比值稱為頂煤相對(duì)強(qiáng)度。過去對(duì)頂煤穩(wěn)定性的研究中，把煤層埋深和強(qiáng)度認(rèn)為是獨(dú)立因素。但實(shí)踐表明，在采場(chǎng)推進(jìn)過程中，煤層埋深與強(qiáng)度是相互關(guān)聯(lián)的。頂煤相對(duì)強(qiáng)度把煤層的埋深和強(qiáng)度有機(jī)地結(jié)合起來，在頂煤分類中起關(guān)鍵作用。
煤體中節(jié)理裂隙發(fā)育大大降低了頂煤的綜合強(qiáng)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(zhì)松散體，從而在頂煤放出時(shí)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(hù)，將影響放頂煤工作的正常進(jìn)行，降低功效。
夾石層的層位、厚度和強(qiáng)度不同對(duì)頂煤穩(wěn)定性的影響也不同。煤層下部夾石層多被采煤機(jī)截割，對(duì)頂煤無影響；上部夾石層因其上的頂煤一般不超過1.0m，有時(shí)可以丟失，總體來看，上部夾石層對(duì)頂煤影響不大；但是，位于煤層中部的夾石層對(duì)頂煤的穩(wěn)定性具有較大影響。如果夾石層的厚度較薄時(shí)，可隨頂煤冒落，對(duì)頂煤影響不大；若大于300mm時(shí)可視為可放性“極差”的頂煤。夾石層對(duì)頂煤穩(wěn)定性的影響取決于夾石層強(qiáng)度比值。一般認(rèn)為，夾石層的強(qiáng)度大于煤層強(qiáng)度時(shí)對(duì)頂煤的穩(wěn)定性較好。
3.2 頂煤分類
運(yùn)用模糊統(tǒng)計(jì)回歸和典型函數(shù)方法建立了頂煤相對(duì)強(qiáng)度和夾石層層位對(duì)頂煤穩(wěn)定性的隸屬函數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和征求專家的意見，確定煤層裂隙度和夾石層的厚度、強(qiáng)度對(duì)頂煤穩(wěn)定性的隸屬度。
事實(shí)上，各分類指標(biāo)對(duì)頂煤穩(wěn)定性的影響程度是不同的。如果把這些分類指標(biāo)平等的對(duì)待，將會(huì)影響分類結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此運(yùn)用層次分析法確定的影響頂煤穩(wěn)定性的權(quán)值。
根據(jù)各影響因素的錄屬度和其權(quán)值，利用加權(quán)原理，求出目標(biāo)的流量（隸屬度），即各影響因素對(duì)頂煤穩(wěn)定性的綜合評(píng)價(jià)值，稱之為頂煤穩(wěn)定性指數(shù)。這個(gè)指數(shù)定量地反映出各因素對(duì)頂煤穩(wěn)定性“極穩(wěn)定”隸屬程度。
在綜放面生產(chǎn)過程中，采煤專家和工程技術(shù)人員對(duì)頂煤的穩(wěn)定性有模糊語(yǔ)義評(píng)價(jià)，將頂煤穩(wěn)定性分為“極穩(wěn)定”、“穩(wěn)定”、“一般”、“不穩(wěn)定”和“極不穩(wěn)定”5個(gè)模糊分級(jí)。因?yàn)槟：龜?shù)學(xué)中的水平截集解法是模糊集與普通集互相轉(zhuǎn)化的橋梁，在此，應(yīng)用水平截集解法把現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中定性評(píng)價(jià)與頂煤穩(wěn)定性指數(shù)聯(lián)系起來，對(duì)頂煤的穩(wěn)定性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，并對(duì)頂煤進(jìn)行分類。
4 綜放面頂板分類與頂煤分類的關(guān)系
放頂煤采場(chǎng)的需控巖層，不僅有直接頂和老頂，還有頂煤。由于頂煤從垮落到放完是一個(gè)完全動(dòng)態(tài)的過程，顯然，在此過程中直接頂?shù)暮穸仁亲兓?，老頂?shù)暮穸扰c位態(tài)也是變化的。因此，在推斷直接頂厚度中計(jì)算采空區(qū)的自由高度時(shí)，與單一煤層采場(chǎng)相比而言，要考慮頂煤的放出率和殘余頂煤的碎脹系數(shù)。所以綜放采場(chǎng)的直接頂厚度計(jì)算方法與單一煤層開采的直接頂厚度計(jì)算方法有所不同。
直接頂和老頂對(duì)頂煤的穩(wěn)定性有一定的影響。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(shí)踐證明，來壓之前頂煤穩(wěn)定性較差，但在正常期間一般無明顯影響，且放頂煤采場(chǎng)K值多在2.0左右，因此老頂影響冒放結(jié)構(gòu)形式，而造成頂煤放出率的變化。
根據(jù)頂煤的開采深度和強(qiáng)度比值、裂隙發(fā)育程度和頂煤結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。在不同的頂板結(jié)構(gòu)下，計(jì)算支護(hù)強(qiáng)度的公式也不同。不同的頂煤類別，會(huì)影響直接頂與老頂接觸應(yīng)力的大小。
5 結(jié)語(yǔ)
作為基礎(chǔ)研究，筆者僅對(duì)綜放面頂板和頂煤的分類進(jìn)行了探討，為綜放面頂板控制設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的開發(fā)奠定基礎(chǔ)
