綜放面頂板控制設計專家系統的基礎研究
作者：中國礦業商務網
2008-12-15 00:00
來源：不詳
頂板災害是影響煤礦安全生產的重要災害之一，因此，采場頂板控制設計是煤礦生產作業規程的重點內容。在頂板控制設計中，由于頂板的復雜性，使很多有用的經驗知識難以用精確的語言表達出來，有些僅存在于專家的頭腦中，難以集中起來成為系統的知識為現場服務。因此，研制包容大量理論、實踐成果和專家知識的頂板控制設計的專家系統是十分必要的。
1 綜放面頂板控制設計步驟
綜放面的頂板控制設計是在分析具體煤層地質條件的基礎上，預計頂板的運動規律，確定合理的支架圍巖關系，進而進行控制設計。其步驟和內容見圖1。
圖1 綜放面頂板控制設計的步驟
在以上步驟中，關鍵是確定綜放面的支架圍巖關系。在確定支架圍巖關系之前，首先要對綜放面的頂板和頂煤進行分類，進而預計頂板運動規律。
2 綜放面頂板分類
2.1 巖層質量指數
影響巖層穩定性的因素有：巖層厚度、強度、分層厚度、節理裂隙間距、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、分層厚度和節理裂隙間距，常稱之為三因子。為了能定量表達巖層穩定性，將由三因子決定的巖層“綜合強度”叫做巖層質量。
某一因子對巖層質量的隸屬度，是指對巖層質量“極好”的隸屬程度，設μR、μD和μF分別為巖層單向抗壓強度、分層厚度和節理裂隙間距對巖層穩定性的隸屬度，根據有關研究結果，三因子對巖層質量的隸屬度如式（1）所示：
式中μ（x）為巖層的質量指數，它能夠定量地反映一個巖層在3個具體因子的條件下，對巖層穩定性的影響程度。
2.2 直接頂分類
直接頂是指能在采空區不規則冒落的、不能在煤壁前方和采空區矸石上永久傳遞力的、其作用力必須由支架全部承擔的那部分巖層的總和。判斷某一巖層是否垮落成直接頂時，首先讀取該巖層的質量指數，并判斷它屬于哪一個等級，然后計算采空區自由空間的高度。把計算出的采空區自由空間高度與巖層厚度相對照，檢驗巖層是否全厚度垮、部分垮還是不垮成為鉸接結構，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后確定的。
整個推斷過程是一個循環過程，它逐一判斷輸入的巖層，直到得出明顯的結論為止。這個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《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場實際數據的統計分析，建立的分類準則。
2.3 老頂分類
老頂是指自身能形成平衡結構、能永久向煤壁前方和采空區矸石上傳遞力的、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。老頂存在類拱式、拱梁式和梁式3種基本結構，它們的形成條件、運動規律、支撐壓力顯現規律及其控制的要求，既有區別又有聯系，是老頂巖層質量指數的“量變”導致老頂結構形式“質變”的一個辯證過程，亦即老頂結構形式隨巖層質量指數的變化，存在一個“系列”。把老頂的巖層質量指數與結構形式結合起來，依據《緩傾斜采煤工作面頂板分類試行方案》，建立的分類準則。
3 綜放面頂煤分類
3.1 影響頂煤穩定性的因素分析
影響綜放面頂煤穩定性的因素眾多，這里主要探討煤層的埋深、強度、裂隙發育程度及夾石層的層位、厚度和強度對頂煤質量的影響。
通過對頂煤的地應力環境分析，頂煤的變形和破壞主要處在壓剪區。在此區域，決定頂煤破碎程度的主要因素是支承壓力與煤層強度的比值，這個比值稱為頂煤相對強度。過去對頂煤穩定性的研究中，把煤層埋深和強度認為是獨立因素。但實踐表明，在采場推進過程中，煤層埋深與強度是相互關聯的。頂煤相對強度把煤層的埋深和強度有機地結合起來，在頂煤分類中起關鍵作用。
煤體中節理裂隙發育大大降低了頂煤的綜合強度。總的來講，裂隙發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律性，回收率高。但裂隙發育超過一定限度后，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，降低功效。
夾石層的層位、厚度和強度不同對頂煤穩定性的影響也不同。煤層下部夾石層多被采煤機截割，對頂煤無影響；上部夾石層因其上的頂煤一般不超過1.0m，有時可以丟失，總體來看，上部夾石層對頂煤影響不大；但是，位于煤層中部的夾石層對頂煤的穩定性具有較大影響。如果夾石層的厚度較薄時，可隨頂煤冒落，對頂煤影響不大；若大于300mm時可視為可放性“極差”的頂煤。夾石層對頂煤穩定性的影響取決于夾石層強度比值。一般認為，夾石層的強度大于煤層強度時對頂煤的穩定性較好。
3.2 頂煤分類
運用模糊統計回歸和典型函數方法建立了頂煤相對強度和夾石層層位對頂煤穩定性的隸屬函數，根據現場實驗和征求專家的意見，確定煤層裂隙度和夾石層的厚度、強度對頂煤穩定性的隸屬度。
事實上，各分類指標對頂煤穩定性的影響程度是不同的。如果把這些分類指標平等的對待，將會影響分類結果的準確性。因此運用層次分析法確定的影響頂煤穩定性的權值。
根據各影響因素的錄屬度和其權值，利用加權原理，求出目標的流量（隸屬度），即各影響因素對頂煤穩定性的綜合評價值，稱之為頂煤穩定性指數。這個指數定量地反映出各因素對頂煤穩定性“極穩定”隸屬程度。
在綜放面生產過程中，采煤專家和工程技術人員對頂煤的穩定性有模糊語義評價，將頂煤穩定性分為“極穩定”、“穩定”、“一般”、“不穩定”和“極不穩定”5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場實踐中定性評價與頂煤穩定性指數聯系起來，對頂煤的穩定性進行定量評價，并對頂煤進行分類。
4 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。由于頂煤從垮落到放完是一個完全動態的過程，顯然，在此過程中直接頂的厚度是變化的，老頂的厚度與位態也是變化的。因此，在推斷直接頂厚度中計算采空區的自由高度時，與單一煤層采場相比而言，要考慮頂煤的放出率和殘余頂煤的碎脹系數。所以綜放采場的直接頂厚度計算方法與單一煤層開采的直接頂厚度計算方法有所不同。
直接頂和老頂對頂煤的穩定性有一定的影響。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，實踐證明，來壓之前頂煤穩定性較差，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不同。不同的頂煤類別，會影響直接頂與老頂接觸應力的大小。
5 結語
作為基礎研究，筆者僅對綜放面頂板和頂煤的分類進行了探討，為綜放面頂板控制設計專家系統的開發奠定基礎
1 綜放面頂板控制設計步驟
綜放面的頂板控制設計是在分析具體煤層地質條件的基礎上，預計頂板的運動規律，確定合理的支架圍巖關系，進而進行控制設計。其步驟和內容見圖1。
圖1 綜放面頂板控制設計的步驟
在以上步驟中，關鍵是確定綜放面的支架圍巖關系。在確定支架圍巖關系之前，首先要對綜放面的頂板和頂煤進行分類，進而預計頂板運動規律。
2 綜放面頂板分類
2.1 巖層質量指數
影響巖層穩定性的因素有：巖層厚度、強度、分層厚度、節理裂隙間距、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、分層厚度和節理裂隙間距，常稱之為三因子。為了能定量表達巖層穩定性，將由三因子決定的巖層“綜合強度”叫做巖層質量。
某一因子對巖層質量的隸屬度，是指對巖層質量“極好”的隸屬程度，設μR、μD和μF分別為巖層單向抗壓強度、分層厚度和節理裂隙間距對巖層穩定性的隸屬度，根據有關研究結果，三因子對巖層質量的隸屬度如式（1）所示：
式中μ（x）為巖層的質量指數，它能夠定量地反映一個巖層在3個具體因子的條件下，對巖層穩定性的影響程度。
2.2 直接頂分類
直接頂是指能在采空區不規則冒落的、不能在煤壁前方和采空區矸石上永久傳遞力的、其作用力必須由支架全部承擔的那部分巖層的總和。判斷某一巖層是否垮落成直接頂時，首先讀取該巖層的質量指數，并判斷它屬于哪一個等級，然后計算采空區自由空間的高度。把計算出的采空區自由空間高度與巖層厚度相對照，檢驗巖層是否全厚度垮、部分垮還是不垮成為鉸接結構，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后確定的。
整個推斷過程是一個循環過程，它逐一判斷輸入的巖層，直到得出明顯的結論為止。這個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《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場實際數據的統計分析，建立的分類準則。
2.3 老頂分類
老頂是指自身能形成平衡結構、能永久向煤壁前方和采空區矸石上傳遞力的、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。老頂存在類拱式、拱梁式和梁式3種基本結構，它們的形成條件、運動規律、支撐壓力顯現規律及其控制的要求，既有區別又有聯系，是老頂巖層質量指數的“量變”導致老頂結構形式“質變”的一個辯證過程，亦即老頂結構形式隨巖層質量指數的變化，存在一個“系列”。把老頂的巖層質量指數與結構形式結合起來，依據《緩傾斜采煤工作面頂板分類試行方案》，建立的分類準則。
3 綜放面頂煤分類
3.1 影響頂煤穩定性的因素分析
影響綜放面頂煤穩定性的因素眾多，這里主要探討煤層的埋深、強度、裂隙發育程度及夾石層的層位、厚度和強度對頂煤質量的影響。
通過對頂煤的地應力環境分析，頂煤的變形和破壞主要處在壓剪區。在此區域，決定頂煤破碎程度的主要因素是支承壓力與煤層強度的比值，這個比值稱為頂煤相對強度。過去對頂煤穩定性的研究中，把煤層埋深和強度認為是獨立因素。但實踐表明，在采場推進過程中，煤層埋深與強度是相互關聯的。頂煤相對強度把煤層的埋深和強度有機地結合起來，在頂煤分類中起關鍵作用。
煤體中節理裂隙發育大大降低了頂煤的綜合強度。總的來講，裂隙發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律性，回收率高。但裂隙發育超過一定限度后，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，降低功效。
夾石層的層位、厚度和強度不同對頂煤穩定性的影響也不同。煤層下部夾石層多被采煤機截割，對頂煤無影響；上部夾石層因其上的頂煤一般不超過1.0m，有時可以丟失，總體來看，上部夾石層對頂煤影響不大；但是，位于煤層中部的夾石層對頂煤的穩定性具有較大影響。如果夾石層的厚度較薄時，可隨頂煤冒落，對頂煤影響不大；若大于300mm時可視為可放性“極差”的頂煤。夾石層對頂煤穩定性的影響取決于夾石層強度比值。一般認為，夾石層的強度大于煤層強度時對頂煤的穩定性較好。
3.2 頂煤分類
運用模糊統計回歸和典型函數方法建立了頂煤相對強度和夾石層層位對頂煤穩定性的隸屬函數，根據現場實驗和征求專家的意見，確定煤層裂隙度和夾石層的厚度、強度對頂煤穩定性的隸屬度。
事實上，各分類指標對頂煤穩定性的影響程度是不同的。如果把這些分類指標平等的對待，將會影響分類結果的準確性。因此運用層次分析法確定的影響頂煤穩定性的權值。
根據各影響因素的錄屬度和其權值，利用加權原理，求出目標的流量（隸屬度），即各影響因素對頂煤穩定性的綜合評價值，稱之為頂煤穩定性指數。這個指數定量地反映出各因素對頂煤穩定性“極穩定”隸屬程度。
在綜放面生產過程中，采煤專家和工程技術人員對頂煤的穩定性有模糊語義評價，將頂煤穩定性分為“極穩定”、“穩定”、“一般”、“不穩定”和“極不穩定”5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場實踐中定性評價與頂煤穩定性指數聯系起來，對頂煤的穩定性進行定量評價，并對頂煤進行分類。
4 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。由于頂煤從垮落到放完是一個完全動態的過程，顯然，在此過程中直接頂的厚度是變化的，老頂的厚度與位態也是變化的。因此，在推斷直接頂厚度中計算采空區的自由高度時，與單一煤層采場相比而言，要考慮頂煤的放出率和殘余頂煤的碎脹系數。所以綜放采場的直接頂厚度計算方法與單一煤層開采的直接頂厚度計算方法有所不同。
直接頂和老頂對頂煤的穩定性有一定的影響。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，實踐證明，來壓之前頂煤穩定性較差，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不同。不同的頂煤類別，會影響直接頂與老頂接觸應力的大小。
5 結語
作為基礎研究，筆者僅對綜放面頂板和頂煤的分類進行了探討，為綜放面頂板控制設計專家系統的開發奠定基礎
