專題部分煤礦綜放面頂板頂煤分類及應(yīng)用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(shù)值與經(jīng)驗相結(jié)合的分類方法對頂煤進行了可放性分類。采用巖層質(zhì)量指數(shù)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(guān)鍵詞：綜放面頂煤分類可放性穩(wěn)定性頂煤相對強度敏感性指標(biāo)夾石層頂板結(jié)構(gòu)AbstractThispaperanalysesmainfactsthatinfluencethecavinganddrawingcharacteristicsoftop-coal,suchasundergrounddeep,intensityandjointcrackofcoalseam;layerrelations,thicknessandintensityofrockparting.Accordingtothecavinganddrawingcharacteristicsoftop-coal,classifytop-coalwithclassificationofcombiningnumericalvaluewithexperience.Comprehensivesurveyingthreefactsthatinfluencethestabilityofstratum,suchasintensity,sliceheightandjointcrackintervalofstratum,classifyimmediateroofandmainroofwiththemethodofstratumqualityindex.Keywords:fullymechanizedtop-coalcavingfaceclassificationoftop-coalcavinganddrawingcharacteristicsstabilitytop-coalrelativeintensitysensibilitytargetrockpartingroofstructure

1緒論1.1課題的研究意義世界主要產(chǎn)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(chǎn)量平均比重為32%。我國是世界上主要產(chǎn)煤大國之一，厚煤層儲量十分豐富，約占儲量的45.6%，產(chǎn)量占原煤產(chǎn)量的44.8%以上.據(jù)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(chǎn)礦井?dāng)?shù)量占生產(chǎn)礦井總數(shù)的40.6%?？梢姡衩簩娱_采在我國煤炭開采中起到舉足輕重的作用。由魚各國煤層賦存條件和開采習(xí)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(yīng)用最廣.自80年代我國應(yīng)用放頂煤采煤方法以來，綜采放頂煤技術(shù)在我國得到了迅速發(fā)展。例如，1997年年產(chǎn)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。在充州礦區(qū)，截止到2000年，綜放產(chǎn)量占整個綜采產(chǎn)量的78.12%?？梢姡C采放頂煤開采方法是厚及特厚煤層開采技術(shù)發(fā)展方向之一，必將得到進一步的推廣和應(yīng)用。盡管綜采放頂煤技術(shù)在我國得到了迅速的發(fā)展，并且取得了較好的技術(shù)經(jīng)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(jù)和分類標(biāo)準(zhǔn)。這與實際情況有很大的差異性。根據(jù)目前的頂板分類方案進的支護設(shè)計和支架選型在實用過程中存在著不適應(yīng)性。例如，1994年興隆莊煤礦4314綜采放頂煤工作面首次出現(xiàn)四連桿斷裂、底座箱開裂等問題。1994-1996年，鮑店礦1308.1306綜放工作面、東灘14307綜放工作面也相繼出現(xiàn)類似問題。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(nèi)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(chǔ)上，結(jié)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(guān)系進行了專題研究。以便指導(dǎo)支架設(shè)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(chǎn)生較大的社會及經(jīng)濟效益。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在問題對煤層頂板分類這樣一個課題，國內(nèi)外眾多學(xué)者己做了大量工作。現(xiàn)簡單介紹如下:1.2.1國外頂板分類概況（1）原蘇聯(lián)的頂板分類最早而且著名的分類是按直接頂與采高的比值，將頂板分為四類，用以選擇相應(yīng)的采煤方法。近幾年具有代表性的分類是奧爾洛夫分類。該分類在綜采調(diào)壓實驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)支架與圍巖力學(xué)相互作用特征，將頂板分為三大類:輕型、中型、重型。每類中，又根據(jù)直接頂巖性，分層厚度及容許暴露面積，將直接頂分為三級:不穩(wěn)定、穩(wěn)定、堅硬頂板。在此基礎(chǔ)上，提出工作面相應(yīng)的臨界阻力選取數(shù)據(jù)。但該方案較為繁瑣，實用性差。（2）德國的頂板分類德國沒有完整的工作面頂板分類方案。比較流行的是原埃森研究所提出的方案，根據(jù)直接頂?shù)膸r性及結(jié)構(gòu)分為三類:①直接頂下位軟弱巖層(泥頁巖、碳質(zhì)頁巖)厚度大于1.0m；②該厚度小于1.0m；③下位巖層為砂質(zhì)頁巖，或粉砂巖。依此針對不同類型分別選擇相應(yīng)支架形式及支護強度。（3）法國的頂板分類根據(jù)頂板巖性引起的不同運動特征，將直接頂分為兩類:第一類主要為有砂頁巖或砂巖組成的厚層頂板。此類頂板具有側(cè)向膨脹特征。被裂隙分割的巖塊，冒落時彼此分離，使工作面出現(xiàn)臺階下沉。第二類頂板為層理發(fā)育的巖層，直接項巖塊參與支架一圍巖相互作用。由于平行層面的水平力的作用，造成巖塊相互擠壓，形成力學(xué)結(jié)構(gòu)。如果出現(xiàn)兩個方向的裂隙，將容易引起冒落。但此種分類未涉及老頂?shù)淖饔?，因而是不全面的。?）波蘭的頂板分類波蘭學(xué)者根據(jù)巖石沿層面垂直方向的抗拉強度即離層阻力將頂板分為六級:I級—Rn=0-0.5MPaII級—Rn=0.5-1.5MPaIII級—Rn=1.5-3.OMPaIV級—Rn=3.0-4.5MPaV級—Rn=4.5-6.0MPaVI級—Rn>6.0MPa注:Rn為離層阻力。其中，前三級為易冒落頂板，第四級頂板有一定自承能力，第五級采空區(qū)有懸頂，需人工處理頂板，第六級為極難冒落頂板，需采取特殊破頂及放頂措施。但是，頂板離層阻力的測定，在我國目前還沒有簡易辦法。1.2.2我國煤礦頂板分類概況1978年至1981年，煤炭科學(xué)研究院北京開采所、中國礦業(yè)大學(xué)、阜新礦業(yè)學(xué)院和大同、陽泉、徐州、阜新等22個礦務(wù)局、7個高等院校、4個研究所共同完成了我國《緩傾斜煤層工作面頂板分類方案》，并有煤炭工業(yè)部下發(fā)【81]煤科字第429號文件準(zhǔn)予試用。分類試行方案按穩(wěn)定狀態(tài)將直接頂分為4類，按老頂來壓顯現(xiàn)狀況將老頂分為4級，其試行方案見表1-1。表1-1原頂板分類試行方案注：表中D的單位為kg·f/cm2；L0、L的單位為m2。試行分類方案經(jīng)過近十年的試用，對于綜采選型及控制起到過重要作用，但也存在以下問題:(1)限于當(dāng)時的研究資料和研究水平，原分類方案未能提出對現(xiàn)場支護設(shè)計及頂板管理的指導(dǎo)方針。(2)按原方案要求，必須在測定工作面的頂板裂隙密度之后，才能進行分類。但實踐表明，裂隙測定十分困難且誤差較大，同時對未采工作面難以進行分類，因而難以事先為設(shè)計提供可靠依據(jù)。(3)裂隙密度固然對頂板穩(wěn)定性影響顯著，但裂隙方向的影響也不容忽視。(4)原方案中，直接頂?shù)谒念愂菆杂岔敯?，這在概念上易造成混淆。(5)老頂分級實際上是其來壓強度分級或礦壓顯現(xiàn)分級，而不是老頂本身強度分級。1991年，原統(tǒng)配煤礦總公司下達了“緩傾斜煤層回采工作面頂板分類修訂研究”的課題。本課題由煤炭科學(xué)研究總院北京開采所礦壓室承擔(dān)，搜集和總結(jié)了綜采和普采共約600個工作面的礦壓數(shù)據(jù)。完成了預(yù)定的任務(wù)。頂板分類修訂方案如下:(1)直接頂穩(wěn)定性分類①分類依據(jù)直接頂系指直接位于煤層之上的易垮巖層，直接頂初次垮落步距是綜合反映其固有穩(wěn)定性的權(quán)威性指標(biāo)。在直接頂中無貫穿裂隙時。其初次垮落步距可視其為與固支梁的極限斷裂步距等效。同時考慮到巖石強度，巖體結(jié)構(gòu)和裂隙的影響。在此基礎(chǔ)上，建立了修訂后的直接頂穩(wěn)定性分類準(zhǔn)則見表1.2.②直接頂分類指標(biāo)的選取規(guī)則平均分層厚度ho是指自下而上直接頂厚度1-1.5m內(nèi)分層厚度的平均值。而分層厚度可按放項線頂板的冒落臺階高度來確定。直接頂?shù)膯屋S抗壓強度，同樣取下部1-1.5m內(nèi)巖石石塊強度的平均值。直接頂初次垮落步距是指:從切眼開始推進的工作面，直至發(fā)生第一次垮落，其垮落厚度在工作面中部超過1.5m以上，且垮落長度超過工作面長度一半以上，切眼至工作面放頂線的距離。

表1-2直接頂穩(wěn)定性分類指標(biāo)及界限（修訂）注：lz－直接頂實際垮落步距，m；lzo－估算的直接頂初次垮落步距，m；Czcc－平均綜合弱化當(dāng)量，MPa；Rc－巖石抗壓強度，MPa；ho－下層直接頂平均分層厚度，m。(2)老頂來壓顯現(xiàn)分級①分級標(biāo)準(zhǔn)從滿足回采工作面頂板控制的要求出發(fā)。重點是老頂?shù)牡V壓顯現(xiàn)特征及其分級。反映老頂?shù)V壓顯現(xiàn)強烈程度的標(biāo)準(zhǔn)，是項板下沉和支架載荷。一次為目標(biāo)函數(shù)的自變量即主要影響因素是:(a)老頂初次垮落步距(L)；(b)直接項厚度與采高的比值(N):它是采空區(qū)老頂下方冒落巖石充填程度的綜合反映:(c)采高.運用模糊動態(tài)聚類與回歸分析相結(jié)合，對老頂進行分級，詳見表1-3。

表1-3老頂?shù)V壓顯現(xiàn)分級和使用條件注：單位：Lo－m；N=h1/M－無量綱；M－m。②老頂來壓顯現(xiàn)強度分級準(zhǔn)則的使用1、必須準(zhǔn)確搜集工作面及本煤層的地質(zhì)、技術(shù)和礦壓顯現(xiàn)資料。2、計算來壓當(dāng)量DH確定其所在的不等式區(qū)間。3、表中及公式中，直接頂厚度是指直接位于煤層之上的易垮落即能夠隨采隨落的巖層厚度.4、按本方案，在直接頂厚度不變的條件下，老頂級別將隨采高變化跟著變化。因而任何煤層，當(dāng)采高改變時，必須及時調(diào)整來壓級別，即重新考慮支架選型及巖層控制措施?，F(xiàn)行的MT554-1446《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類》存在的問題:(1)此方案不適用于綜采放頂煤工作面.在綜采放頂煤工作面，由于頂煤的存在而使直接頂和老頂?shù)倪\動規(guī)律有所改變。因此，如果運用在單一煤層及分層開采應(yīng)用的《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，造成與實際情況有很大差異性，在使用過程中也有很多不適應(yīng)性。(2)現(xiàn)行的《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類》方案分類目標(biāo)太多，不利于確定直接頂、老頂?shù)念悇e和級別，更不利于實現(xiàn)頂板分類專家系統(tǒng)。(3)現(xiàn)行分類方案對直接頂和老頂?shù)母拍罱忉尣磺?。直接頂和老頂?shù)母拍顟?yīng)該是:所謂直接頂，是指能在老塘不規(guī)則冒落的、不能向煤壁前方和老塘研石上永久傳遞力的、其作用力必須由支架全部承擔(dān)的那部分巖層的總和。所謂老頂，是指自身能形成平衡拱結(jié)構(gòu)、能永久地向煤壁前方和老塘研石上傳遞力的、其運動對采場有明顯的影響的、其作用力無需支架全部承擔(dān)的那部分巖層。1.2.3國內(nèi)外對頂煤的研究概況國內(nèi)外眾多學(xué)者對綜采放頂煤工作面的頂煤可放性、頂板結(jié)構(gòu)和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行了諸多研究。頂煤的可放性是指煤層頂部煤體在支承壓力作用下冒落和放出的難易程度.亦即頂煤冒落特性和放出特性的總和。頂煤是否具有良好的可放性是評判是否進行放頂煤開采的必要條件。影響頂煤可放性的因素很多，但從總體上可分為地質(zhì)因素和技術(shù)因素兩大類。眾多專家學(xué)者普遍認(rèn)為地質(zhì)因素主要有開采深度，煤層強度、裂隙發(fā)育程度，夾石層和煤層的厚度以及頂板條件等。技術(shù)因素主要有支架的架型和工作阻力、放煤口尺寸和位置、采放比和放煤步距等。煤層強度是煤層本身抗破壞能力的主要指標(biāo)，直接影響著頂煤在壓應(yīng)力作用下的破壞破碎過程和程度，與頂煤的可放性有著密切的關(guān)系，強度值越大，可放性越差，反之則較好。煤層厚度對可放性的影響實質(zhì)上是頂煤厚度的影響，因此底層采高一般取2.5-3.0m.較薄的頂煤相當(dāng)于“偽頂”，很難控制其在支架后部放煤口冒落，往往超前破碎，到放煤口處煤研混合:較厚的頂煤，上部難以充分松動，往往滯后冒落，降低可放性。煤體裂隙分布對其可放性的影響主要有兩個方面:一是裂隙面的存在降低了煤體的強度;二是裂隙的密度、組數(shù)和貫通性等的增大，使煤體冒落的塊度減小，易于放出。夾石層對頂煤可放性的影響與夾石層的巖性、層厚等有關(guān)。對于比煤軟的夾石層，它則成了頂煤體的弱面，夾石的存在增加了頂煤的可放性，而對于比煤硬的夾石，它則在頂煤體中形成了“骨架”，使頂煤整體強度增加，越硬、越厚對頂煤可放性影響越大。直接頂對頂煤可放性的影響表現(xiàn)為:一要能隨采隨冒:二要有一定的厚度。老頂是傳遞支承壓力的主要巖層.是影響KyH中K的主要因素。來壓前的頂煤的可放性好正是K值達到最大的結(jié)果.但不同老頂條件下放頂煤工作面的K值，除初次來壓時較大外，周期來壓時相差不大，因此在研究正常開采條件下的頂煤可放性時，不同老頂?shù)挠绊懣珊雎?。在綜采放頂煤采場，由于頂煤的存在，采場的頂板結(jié)構(gòu)與普通綜采工作面有所不同。張頂立教授認(rèn)為在綜采放頂煤采場上位直接頂中存在著“半拱式”結(jié)構(gòu)。由于煤層及開采條件的不同，“半拱式”結(jié)構(gòu)具有不同的表現(xiàn)形式和載荷特征，可以分為三種基本類型:“散體拱”結(jié)構(gòu)，“橋拱”結(jié)構(gòu)和“復(fù)合梁”結(jié)構(gòu)。不同的結(jié)構(gòu)形式相應(yīng)的具有不同的礦壓控制方法。姜福興教授則把綜采放頂煤采場的頂板結(jié)構(gòu)分為1171“煤一煤”結(jié)構(gòu)，“巖一殲”結(jié)構(gòu)和巖梁結(jié)構(gòu)?！懊阂幻骸苯Y(jié)構(gòu)是指上方未冒頂煤與采空區(qū)己冒頂煤之間的拱式平衡，這種結(jié)構(gòu)人為不易破壞。因此，在這類采場，除特殊情況外，最好不用放頂煤方法開采，或在開采前采取措施對頂煤進行預(yù)處理?！皫r一研”結(jié)構(gòu)是指未垮巖層與己垮殲石擠壓而形成半拱結(jié)構(gòu).這種結(jié)構(gòu)是最為常見的。當(dāng)煤層存在大厚度堅硬巖層且直接頂厚度較小、頂煤較薄時可能形成梁式結(jié)構(gòu)。放頂煤采場在這三種不同結(jié)構(gòu)下具有不同的支架圍巖關(guān)系。1.3研究的主要內(nèi)容和技術(shù)路線從研究現(xiàn)狀分析知，目前國內(nèi)普遍參照MT554-1996《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項板進行分類。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(dǎo)致支護設(shè)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(shù)學(xué)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(jié)構(gòu)對頂煤穩(wěn)定性的影響，并據(jù)此對頂煤進行分類。(2)采用巖層質(zhì)量指數(shù)法對直接頂、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)定性將決定層的“綜合強度”叫做巖層的質(zhì)量。我們根據(jù)巖層質(zhì)量指數(shù)對直接頂和老頂進行分類。

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法，自80年代以來，我國進行了大量的理論研究與實踐。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(jīng)濟和資源的浪費，在工作面采用放頂煤方法之前，根據(jù)其具體地質(zhì)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(jié)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(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。2.1分類方法的選擇目前國內(nèi)外學(xué)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(jù)不同的權(quán)重，把各因素歸結(jié)為一個分類指標(biāo):另一種是運用模糊數(shù)學(xué)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(chǔ)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(xué)理論為基礎(chǔ)，采用庫侖一莫爾準(zhǔn)則計算各單元平均破壞程度的大小，稱其為破壞系數(shù)Zo將各單元破壞系數(shù)Z按面積進行加權(quán)平均，得出各方案頂煤單元平均破壞系數(shù)ZP,然后將試驗按影響因素分組，求出每組的頂煤破壞系數(shù)綜合指標(biāo)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Y(jié)a如式(2.1)所示，并根據(jù)稱值的大小將頂煤按可放性分為5類。Yｐ=0.704+0.0006338H-0.00786Rc+0.238C-0.1797Mj+0.01434Md(2.1)式中：H—煤層開采深度；Rc—煤層強度；C—裂隙分布對頂煤可放性的影響系數(shù)；Mj—最大臨界夾石層厚度;Md—煤層厚度。還有應(yīng)用灰色局勢決策對頂煤進行分類1131灰色分類的實質(zhì)是針對給定的頂煤條件，從劃定的標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)上，確定分類樣本式Ai(i=1,2,…,n)及相應(yīng)的分類指標(biāo)Aik(k=1,2,…,n)選取分類方案集，可放性分為(好，較好，一般，較差，差)5類，對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值為(1.0,0.8.0.6,0.4,0);確定權(quán)重分配(1.2,2.8,3.0,2.0,1.0)。由分類效果測度函數(shù)式及分類準(zhǔn)則式求Ai的最佳分類。應(yīng)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(biāo)原始數(shù)據(jù)預(yù)處理。目的是簡化頂煤可放性與其各影響因素的關(guān)系.(2)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。有標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化和計差正規(guī)化。(3)分類指標(biāo)的加權(quán)處理.改變各指標(biāo)對分類結(jié)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(biāo)定。從而建立一個mxm的樣本之間的模糊相似關(guān)系矩陣。(5)聚類。在建立的模糊等價矩陣的基礎(chǔ)上，以閥值兄進行截取，從而得到分類結(jié)果。以上兩種分類方法均屬于數(shù)值分類法。目前國內(nèi)外采用的巖體(煤體)分類方法中除了數(shù)值分類法還有經(jīng)驗分類法和經(jīng)驗分類與數(shù)值分類相結(jié)合的方法，如圖2-1所示。本文對頂煤分類的目的是為現(xiàn)場工程技術(shù)人員在采煤方法的選擇、支架選型和放煤機構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)，因此作者在考慮滿足工程技術(shù)需要和更加接近現(xiàn)場實用的思想指導(dǎo)下，采用數(shù)值分類和經(jīng)驗分類相結(jié)合的方法對綜采放頂煤工作面頂煤進行分類。圖2-1巖體（媒體）分類方法系列本文主要應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)的確定方法和水平截集解法[17-22似及數(shù)理統(tǒng)計對放頂煤工作面的頂煤進行分類.隸屬函數(shù)在模糊數(shù)學(xué)中具有重要地位，它如同概率分布函數(shù)在概率論中的地位。在解決某一實際問題時，一般要先確定隸屬函數(shù)，但隸屬函數(shù)又往往不直接給出，經(jīng)常需要在一些控制實驗的基礎(chǔ)上獲得，它的確定在一定程度上具有主觀性和經(jīng)驗性。確定隸屬函數(shù)的方法主要有模糊統(tǒng)計法和典型函數(shù)法。模糊集本身沒有明確范圍，因此只有設(shè)法將模糊集合轉(zhuǎn)化為普通集合，才能應(yīng)用通常的方法來處理，而水平截集則是在模糊集與普通集的互相轉(zhuǎn)化中起著重要橋梁作用的概念。把一個模糊集合論的問題轉(zhuǎn)化為一系列普通集合論的問題來處理的方法稱為水平截集解法。2.2頂煤的可放性與穩(wěn)定性的關(guān)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。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(guān)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(guān)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(gòu)設(shè)計的主要判據(jù)，而穩(wěn)定性是支架選型和端面頂板控制設(shè)計的主要依據(jù)。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(jié)構(gòu)特征、煤層厚度、采放比及頂板條件等因素的影響。因為頂煤的可放性與穩(wěn)定性有彼消此長的關(guān)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(zhì)。即我們在采煤方法的選擇、支架選型、放煤機構(gòu)設(shè)計和端面控制設(shè)計中選擇一個統(tǒng)一的依據(jù)，只是它們的判斷標(biāo)準(zhǔn)有所不同.這里主要依據(jù)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(biāo)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(29]的基礎(chǔ)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(zhì)量的影響，并據(jù)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同，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(nèi)在聯(lián)系，應(yīng)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(yīng)力環(huán)境煤是經(jīng)過漫長的地質(zhì)歷史年代形成的地質(zhì)體，在開采前，由于地應(yīng)力、煤化、構(gòu)造運動等因素的共同作用，己經(jīng)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(jīng)受過變形破壞的煤體在地應(yīng)力環(huán)境發(fā)生改變時再破壞的力學(xué)過程。這種地應(yīng)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(yīng)力產(chǎn)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(yīng)力逆推進方向逐漸減小。若取原始應(yīng)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(yīng)力環(huán)境改變的必然結(jié)果是煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，頂煤破壞連續(xù)發(fā)生并不斷積累[z;基于對頂煤破壞過程的認(rèn)識、支承壓力的分布特點以及現(xiàn)場實測的結(jié)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(yīng)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。圖2-2頂煤分區(qū)2.3.1原始應(yīng)力區(qū)煤層遠離工作面位置，未受采動支承壓力的影響?？梢哉J(rèn)為，煤層上方處于靜水壓力狀態(tài)。因此，煤層面上垂直應(yīng)力為:其中ri、hi為上覆巖層容重和厚度，n為覆巖數(shù)目。煤層內(nèi)水平應(yīng)力為:式中μ為煤的泊松比。T.L.SZABO研究了各向異性對N的影響，認(rèn)為在地應(yīng)力環(huán)境中具有代表意義的煤體p=0.346。有上述分析可知，原始應(yīng)力區(qū)煤體處于(δ1，δ2，δ3)高圍壓狀態(tài)，最大主應(yīng)力δ1與另外兩個主應(yīng)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：則?≦sin-1(1-2μ)=17.9°,而煤的內(nèi)摩擦角一般在28°～35°，顯然原始應(yīng)力區(qū)媒體不可能發(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(nèi)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(dǎo)作用。就具有致密結(jié)構(gòu)的物體而言，各組成微粒結(jié)合緊密，欲改變其間距是困難的。但煤巖中隨機分布著Grifith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。Grifith準(zhǔn)則就反映了這一破壞機制。格氏準(zhǔn)則認(rèn)為，物體內(nèi)存在隨機分布的裂紋，若裂尖拉應(yīng)力超出其特征強度，則物體發(fā)生破壞。其表達式為:式中S1為單軸抗拉強度。由于其不能反映中間主應(yīng)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(zhǔn)則，其表達式為:在主應(yīng)力空間中。(2.8)為以δ1=δ2=δ3為旋轉(zhuǎn)軸、與δ1=δ2=-S1、δ1=δ3=-S1、δ2=δ3=-S1三線相切的拋物面。拋物面經(jīng)過坐標(biāo)原點，表示坐標(biāo)原點處的應(yīng)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(biāo)原點表示不受力的狀態(tài)。盡管煤巖類材料抗拉強度較低，但是屈服面應(yīng)延伸至受拉區(qū).利用坐標(biāo)變換對三維格氏準(zhǔn)則進行了修正。J,修正后的三維Grifith準(zhǔn)則為：式中I1為第一應(yīng)力張量不變量；J2為第二應(yīng)力偏張量不變量。對于原始應(yīng)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(dāng)煤體的抗拉強度St<[St]時，煤體發(fā)生Grifith破壞，處于所謂“潛塑性”破壞狀態(tài)；否則，煤體保持原來結(jié)構(gòu)。2.3.2壓剪區(qū)(主破壞區(qū))煤層采出后，在圍巖應(yīng)力重新分布的范圍內(nèi)，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(yīng)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δ1作用下，由于工作面內(nèi)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(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，水平應(yīng)力δ3降低，垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力差位(δ1-δ3)增大，同時為頂煤變形提供了相應(yīng)的自由位移空間，使其沿推進方向在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)破碎或塑性變形。以最大主應(yīng)力δ1發(fā)生集中的地點開始，越靠近工作面，最大剪應(yīng)力就越大，摩爾圓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(yīng)力的減小使得應(yīng)力圓達到煤體強度線，煤體發(fā)生壓剪破壞。此時，支承壓力δ1也達到了峰值。由塑性力學(xué)知道,剪切破壞面(線)聯(lián)結(jié)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(yīng)力區(qū)，其內(nèi)至煤壁為主破壞區(qū)。當(dāng)然主破壞區(qū)的范圍也不是一成不變的，頂煤硬度越大，C、?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(dāng)煤體極堅硬時，煤壁前方頂煤中應(yīng)力恒有δ1<[2Cos?+δ3(1+sin?)]/(1-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(chǎn)生的頂板壓力、頂煤自重的作用下，其端部產(chǎn)生拉應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力區(qū)的頂煤承受上覆巖層自垂作用，δ1=∑riHi為上覆巖層數(shù)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δ1=K∑riHi由活動的傳遞巖梁產(chǎn)生，j為活動的傳遞巖梁的數(shù)目;裂隙貫通區(qū)內(nèi)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(chǎn)生。理論研究和實踐表明，頂板變形和破壞主要在壓裂階段,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(zhì)量的關(guān)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(rèn)為是獨立因素，互不關(guān)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。根據(jù)前面的頂煤應(yīng)力環(huán)境分析和力學(xué)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(guān)聯(lián)的，并不是獨立的。它們在頂煤分類中起關(guān)鍵作用，現(xiàn)在用模糊數(shù)學(xué)的方法來定量表達頂煤質(zhì)量。這里所說的頂煤質(zhì)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(zhì)量的隸屬函數(shù)。頂煤的相對強度x=KγH/δc式中K為應(yīng)力集中系數(shù)，根據(jù)壓力遂洞理論，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(zhì)量模糊分級見表2-1。表2-1頂煤質(zhì)量模糊分級表(2)把頂煤相對強度賦以具體數(shù)值，各級數(shù)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(jié)果。詳見表2-2。表2-2頂煤相對強度各等級數(shù)值(3)確定隸屬函數(shù)將各級的特征值與對應(yīng)的隸屬度進行回歸，得到相應(yīng)的隸屬函數(shù)。頂煤相對強度的隸屬函數(shù)如(2.11)所示:2.4.2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(guān)，就單個裂隙來講，有(2.12)所示關(guān)系式：就實質(zhì)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(zhì)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(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗和征求部分專家、學(xué)者的意見.得出裂隙間距對應(yīng)的隸屬度見表2-3。表2-3煤層節(jié)理裂隙間距與隸屬度值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(jù)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的夾矸；②中部夾石層:指位于整個層厚的中部夾矸；③下部夾石層:指據(jù)底板1.5-2.5m內(nèi)的下部夾矸。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.Om，如果夾矸較薄，可隨頂煤和直接頂?shù)拿奥涠奥?；如果較厚，為保證煤質(zhì)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(shè)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l,令夾石層層位系數(shù)為y=l/d。則夾石層層位對頂煤可放性的隸屬函數(shù)如式(2.13)。l和d的位置關(guān)系如圖2-3所示。其中，當(dāng)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(dāng)夾石層位于頂板附近時，對放頂煤影響不大，可放性較強。圖2-3頂煤中夾石層層位關(guān)系圖(2)夾石層的厚度根據(jù)原煤炭工業(yè)部煤生字【1955)第104號文件規(guī)定:當(dāng)煤層中夾石層單層厚度大于300mm時，夾矸將影響頂煤冒落。因此以300mm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(yīng)隸屬度見表2-4。表2-4夾石層厚度與隸屬度（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(rèn)為，只有當(dāng)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(dāng)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(chǎn)生影響。夾石層強度對應(yīng)隸屬度見表2-5。表2-5夾石層強度與隸屬度2.5頂煤可放性因素權(quán)值的確定事實上，各分類指標(biāo)對頂煤可放性有不同程度的影響。如果把這些分類指標(biāo)乎等的對待，將會影響分類結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，在對頂煤進行分類分析時，為區(qū)分各分類指標(biāo)對頂煤可放性的不同影響程度，需對每個指標(biāo)進行加權(quán)處理。所謂加權(quán)處理就是在各個分類指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)乘以相應(yīng)的權(quán)值。本文采用層次分析法確定影響頂煤可放性因素的權(quán)值。2.5.1建立層次結(jié)構(gòu)圖建立層次結(jié)構(gòu)圖時，把目標(biāo)層列在最高層，把為實現(xiàn)目標(biāo)涉及到的約束條件，評價準(zhǔn)則或策略列在中間層，把實現(xiàn)總目標(biāo)所采取的重大措施列在最低層。各層間的因素有關(guān)的用直線相連。頂煤可放性分類因素的權(quán)值層次結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。2.5.2構(gòu)造判斷矩陣判斷矩陣就是把n個因素排成m階矩陣，通過對因素兩兩比較，并根據(jù)因素的重要程度來確定矩陣中各因素值的大小。圖2-4層次結(jié)構(gòu)圖表2-6因素重要程度的判斷值根據(jù)表2-6，對各因素進行比較，見表2-7，并建立判斷矩陣C。表2-7各因素重要性比較2.5.3檢驗相容性根據(jù)表2-7建立判斷矩陣，用一系列的判斷方法都表明矩陣相容性很好。2.5.4層次單排序由上述可知，判斷矩陣C的相容性很好。判斷矩陣C經(jīng)歸一化后，即為同一層次相應(yīng)元素對于上一層次相對重要性的排序權(quán)值，即層次單因素排序。2.5.5層次總排序?qū)哟慰偱判蚓褪怯嬎阃粚哟嗡幸蛩貙ψ罡邔?目標(biāo)層)相對重要性的排序權(quán)值，這一過程是最高層到最低層逐層進行的。由上可知，準(zhǔn)則層中元素B對方案層中元素C的單排序矩陣為:（0.51,0.19,0.1,0.1,0.1）綜上所述，綜放面頂煤可放性分類的五個指標(biāo)權(quán)值確定如表2-8。2.6綜放面頂煤可放性分類2.6.1頂煤可放性指數(shù)根據(jù)各影響因素的隸屬度U;和其權(quán)重值A(chǔ)i，利用加權(quán)原理公式(2.14)，求出目標(biāo)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(shù)U。頂煤的可放性指數(shù)U一般在[0,1]取值，若某一因子非常特別而使U大于1時，我們可以默認(rèn)為1。這個指數(shù)能夠定量地反映頂煤相對強度、裂隙發(fā)育程度和煤層結(jié)構(gòu)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。2.6.2頂煤的分類在放頂煤工作面生產(chǎn)過程中，采煤專家和現(xiàn)場工程技術(shù)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(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)場實踐中定性評價與頂煤可放性指數(shù)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。(1)樣本的數(shù)理統(tǒng)計分析從全國選取40個礦井的放頂煤煤層作為樣本進行分析。表2.9是全國部分礦井放頂煤工作面的頂煤可放性指數(shù)及相應(yīng)的模糊分級。

表2-9全國部分礦井放頂煤工作面的頂煤可放性指數(shù)及模糊分級從表2-9中可以看出，屬于語義上“極易”的有5個煤層，屬于“易”的有6個煤層，屬于“一般”的有16個煤層，屬于“難”的有13個煤層。沒有“極難”的煤層，因為“極難”煤層可放性較小，對于實際生產(chǎn)不利，降低經(jīng)濟效益，因此對于“極難”煤層一般不使用放頂煤開采方法.將屬于不同模糊級別的煤層可放性指數(shù)進行統(tǒng)計整理，根據(jù)公式(2.15)、(2.16)和(2.17)得到如表2-10所示的統(tǒng)計量。表2-1各模糊級別的統(tǒng)計量下面應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計中的區(qū)間估計方法來確定各模糊級別的置信區(qū)間。對于各模糊級別，我們希望估計出一個范圍，并希望知道這個范圍包含參數(shù)θ真值的可信程度。這種形式的估計稱為區(qū)間估計，這樣的區(qū)間即所謂置信區(qū)間。置信區(qū)間就是設(shè)總體X的分布函數(shù)F(x；B)含有一個未知參數(shù)θ。對于給定值α(0<α<1)，若有樣本X1，X2，X3，…，Xn確定的兩個統(tǒng)計量滿足則稱隨機區(qū)間是θ的置信度為1-α的置信區(qū)間，分別稱為置信度為1-α的雙側(cè)置信區(qū)間的置信下限和置信上限，1-α稱為置信度。在已知樣本均值和樣本方差S2的情況下，給定置信μ度為1-α，并設(shè)X1，X2，X3，…，Xn為總體的樣本，求均值μ的置信區(qū)間。1、為已知，此時采用(2.19)的函數(shù)，己得到μ的置信度為1-α的置信區(qū)間(2.20)。2、為未知，此時不能使用(2.20)給出的區(qū)間，因其中含有未知數(shù)考慮到S2是的無偏估計，將（2.19）中的換成，由參考文獻第六章定理二。知并且右邊的分布t(n-1)不依賴于任何未知參數(shù)?？傻糜谑堑玫溅痰闹眯哦葹?-α的置信區(qū)間本文設(shè)各個模糊級別的頂煤的可放性指數(shù)近似的服從正態(tài)分布，確定置信度為0.95,運用以上公式計算得到各個模糊級別的置信區(qū)間如表2-11所示。表2-11各模糊級別的置信區(qū)間(2)頂煤的分類標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)各個模糊級別的置信區(qū)間，結(jié)合專家和現(xiàn)場技術(shù)人員的建議，應(yīng)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(shù)聯(lián)系起來，定量地將頂煤分為五類如表2-12所示。頂煤的分類為我們采煤方法的選擇、頂板控制設(shè)計和放煤機構(gòu)設(shè)計提供了可靠依據(jù)。表2-11頂煤類別2.7敏感性指標(biāo)的識別在對頂煤進行可放性診斷時，需要綜合考慮影響頂煤可放性的主要因素，如煤層的相對強度(開采深度與煤層強度的比值)、煤層的裂隙發(fā)育程度、夾石層的層位、夾石層的厚度和夾石層的強度等。但是，在這些因素中，有某單一因素在一定程度上使頂煤冒放非常困難，即使采用頂煤冒放的輔助措施，頂煤的可放性也較小，如果采用放頂煤方法開采，會造成資源浪費。因此，在某單一因素到達某臨界條件時，我們就認(rèn)為該工作面不適于采用放頂煤法。這樣，我們就稱某單一因素的臨界條件為敏感性指標(biāo)。經(jīng)過現(xiàn)場實測和理論分析，針對影響頂煤可放性的因素，得出如下幾個敏感性指標(biāo):(1)頂煤的相對強度值小于0.5。頂煤的相對強度是指支承壓力(KγH)與頂煤的絕對強度(Rc)的比值。只有頂煤的相對強度不小于1.0時，頂煤才被破壞，不過在放頂煤現(xiàn)場可以采用松動爆破等輔助措施使頂煤破壞冒落。但是，頂煤相對強度值小于0.5時，即使采用輔助措施，頂煤冒放也非常困難。(2)夾石層的厚度大于0.4m。對于綜采放頂煤而言，生產(chǎn)和實踐證明，0.3m以下的夾石層多呈片狀或板狀冒落，對頂煤放出一般影響不是太大。0.3-0.4m時，頂煤的可放性“極差”。但若夾石層厚度大于0.4m時，即使可冒，也呈大塊狀體。由于冒落的夾研塊徑過大，相互擠壓難冒，甚至堵塞放煤口。(3)夾石層的層位系數(shù)小于0.3。夾石層的層位系數(shù)y是指夾石層中間值與頂煤下底之間距離為1與整體頂煤厚度d的比值，即y=l/d。在y小于0.3時，如果夾石層強度較大，則夾研塊徑較大，相互擠壓難冒，甚至堵塞放煤口:即使夾石層強度小，冒落后大大提高了含研率，影響煤質(zhì)，同時影響上部頂煤的冒落。(4)夾石層的單軸抗壓強度大于35MPa。強度大于35MPa的多為砂巖類巖層，例如粉砂巖，砂質(zhì)頁巖等。這些夾石層冒落時塊度較大，易形成橋拱式結(jié)構(gòu)，其上的頂煤難以放出。

3綜放面頂板分類及與頂煤分類的關(guān)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(guān)系及構(gòu)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研石上永久傳遞力的、其作用力必須由支架全部承擔(dān)的那部分巖層的總和。所謂老頂，是指自身能形成平衡結(jié)構(gòu)、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(dān)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(guān)系的頂煤的組合會形成不同的頂板結(jié)構(gòu)形式。在工程實踐中，我們可以根據(jù)不同的頂板結(jié)構(gòu)形式進行支護設(shè)計、支架選型和放煤機構(gòu)設(shè)計。3.1綜放面頂板分類國內(nèi)外眾多專家學(xué)者對采煤工作面頂板分類有許多研究，從給出的分類標(biāo)準(zhǔn)不難看出兩個問題:一是分類標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(zhì)量指數(shù)1[17.!81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(zhì)量指數(shù)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(jié)的一個數(shù)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，我們常稱之三因子。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(cè)實測得到，節(jié)理裂隙間距可由順槽或采空區(qū)研石塊度目測得到，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(dǎo)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(zhì)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(zhì)里的模糊表征方法模糊數(shù)學(xué)是本世紀(jì)數(shù)學(xué)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(shù)學(xué)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(shù)學(xué)在專家系統(tǒng)研究中發(fā)揮了極其重要的作用，我國研制的肝病醫(yī)療診斷專家系統(tǒng)、氣象預(yù)報專家系統(tǒng)等，都成功地應(yīng)用了模糊數(shù)學(xué)。從國內(nèi)外的應(yīng)用情況看，模糊數(shù)學(xué)對解決這樣的問題十分有效:(1)研究對象本身的性質(zhì)處于“灰箱”或“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(zhì)具有統(tǒng)計性.(2)解釋研究對象的知識，很多尚處于經(jīng)驗狀態(tài)，難以確切的表達。(3)人類專家根據(jù)其本身的經(jīng)驗，運用一定的思維方式，能夠比較準(zhǔn)確的推斷出符合實際的結(jié)論。分類方案的對象是頂板，它完全符合上述幾個特點。因此，可用模糊數(shù)學(xué)的方法表征巖層的質(zhì)量。首先建立三因子語義上的等級，使之與習(xí)慣的評價“好”“壞”等概念相對應(yīng)。三因子與巖層質(zhì)量間語義上的關(guān)系可用表3-1表示。表3-1三因子與巖層質(zhì)量的語義關(guān)系將表3-1中三因子的各等級賦以具體的數(shù)值，每個等級的數(shù)值范圍是相當(dāng)穩(wěn)定的。各級的數(shù)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(jié)果。由于我國煤層頂板單向抗壓強度一般在1OOMPa以下，所以強度的等級以1OOMPa為上界，大于100MPa的堅硬巖層特設(shè)為第六類，這種分類與表2.1不完全對應(yīng)，分層厚度與節(jié)理裂隙間距等級是與抗壓強度相對應(yīng)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(shù)值及對應(yīng)巖性的研究結(jié)果。表3-3是與表3-2相對應(yīng)的分層厚度及節(jié)理裂隙間距各等級數(shù)值及其關(guān)系表。在支護設(shè)計時，如果有三因子的實際測定結(jié)果，則用測定結(jié)果運算，否則，可根據(jù)表3-2和表3-3近似選擇三因子的數(shù)值。表3-2單向抗壓強度各等級數(shù)值與其對應(yīng)的參考巖性表表3-3分層厚度、節(jié)理裂隙間距各等級數(shù)值及其關(guān)系表應(yīng)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(guān)系，只是為了在缺乏具體測量結(jié)果時才應(yīng)用，當(dāng)有測定結(jié)果時，應(yīng)該采用實測的結(jié)果。3.1.3三因子對巖層質(zhì)量的隸屬函數(shù)某一因子對巖層質(zhì)量的隸屬函數(shù)，指的是對“巖層質(zhì)量”這個論域的隸屬程度，也可理解為對巖層質(zhì)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(zhì)量的隸屬函數(shù)如式(3.1),(3.2)和(3.3)所示。由于回歸出的隸屬函數(shù)在自變量的兩個極端可能使隸屬度出現(xiàn)負(fù)值或大于1的情況，所以當(dāng)μR、μD、μF時，系統(tǒng)默認(rèn)為0.1，當(dāng)大于1.0時，系統(tǒng)默認(rèn)為1.0.頂板控制設(shè)計對巖層質(zhì)量有定量要求，巖層的質(zhì)量有三因子決定，三因子對巖層質(zhì)量的影響程度又有隸屬函數(shù)決定，隸屬函數(shù)在[0,1]之間取值。如果三因子對巖層質(zhì)量的影響權(quán)重分別為aR、aD,、aF則三因子對巖層質(zhì)量的平均隸屬度μ(x)為:我們定義μ(x)為巖層的質(zhì)量指數(shù)，它一般在[0.1]間取值，若某一因子特別而使μ(x)大于1時，系統(tǒng)默認(rèn)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(zhì)量“極好”的隸屬度。如用不同的閥值去截μ(x)，將得到巖層質(zhì)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(yīng)。在μ(x)<1的范圍內(nèi)，如果巖層的厚度一定，巖層的穩(wěn)定性隨μ(x)單調(diào)地變化，亦即由μ(x)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(dāng)μ(x)=1時，對應(yīng)著堅硬大厚度頂板(其強度一般大于IOOMPa，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匾蛩兀渥冃?、破壞的?guī)律更接近于連續(xù)介質(zhì)理論，因此，可以用巖板或巖梁理論預(yù)計運動步距。根據(jù)上述研究結(jié)果，一個巖層的穩(wěn)定性可以用一個量化指標(biāo)—巖層質(zhì)量指數(shù)來表示，這個指標(biāo)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。3.1.4頂板質(zhì)量指數(shù)的表達方法為了得到需控巖層的運動參數(shù)(直接頂厚度、初垮步距、懸頂距、完整性指數(shù)等)，首先必須對直接頂和老頂?shù)馁|(zhì)量狀況進行評價，并用老頂和直接頂?shù)馁|(zhì)量指數(shù)來表示。在下述2個假設(shè)條件下，直接頂和老頂?shù)馁|(zhì)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(nèi)，巖層的層數(shù)和層位關(guān)系對各自質(zhì)量的影響不計；(2)假設(shè)三因子的隸屬度與巖層質(zhì)量指數(shù)μ(x)間存在近似線性的關(guān)系。顯然，μE和μZ越大，老頂和直接頂越堅硬，反之亦然。3.1.5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(dāng)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(yīng)考慮各巖層的垮落方式，這樣才能全面反映直接頂?shù)倪\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(zhì)和老頂?shù)倪\動性質(zhì)。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?shù)倪\動性質(zhì)由巖層強度、厚度、分層厚度、節(jié)理裂隙間距、碎脹系數(shù)決定。老頂?shù)倪\動性質(zhì)中，對直接頂厚度影響最大的是老頂?shù)膹澢两盗?，它控制著采空區(qū)的自由空間大小，從而影響到直接頂?shù)暮穸取?3)直接頂?shù)姆诸愒禾坎款C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(rèn)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(jù)《緩傾斜采煤工作面頂板分類試行方案》，結(jié)合專家建議和對大量現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，建立見表3-4所示直接頂分類標(biāo)準(zhǔn)。3.1.6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(jié)構(gòu)，隨著結(jié)構(gòu)的下沉和變形，在某一時刻結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，形成工作面來壓。老頂初次來壓時結(jié)構(gòu)的運動并不完全遵循上述規(guī)律，當(dāng)采場出現(xiàn)近乎平行傾向的斷層、巖層變薄或發(fā)生嚴(yán)重相變時，巖梁的鉸接點可能引起滑動而導(dǎo)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(jié)構(gòu)的變形引起的，在一定煤層地質(zhì)條件和開采條件下，一個采場的周期來壓步距是相當(dāng)穩(wěn)定的，各步距之間的誤差一般在3-5m之內(nèi)。表3-4直接頂分類表(2)老頂厚度的推斷在以往的研究中，老頂?shù)暮穸纫话阏J(rèn)為在6^-8倍采高范圍之內(nèi)，到了具體采場，則由人依據(jù)柱狀圖判斷。通過考察專家的思維過程和大量觀測的結(jié)果，認(rèn)為判斷老頂?shù)暮穸瓤梢罁?jù)以下10條知識，具體運用時，這些知識將形成一個推理網(wǎng)絡(luò)，逐一“過濾”直接頂以上的巖層，直至推斷出老頂?shù)暮穸取?、若本巖層質(zhì)量指數(shù)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(zhì)量屬“好”以下等級且大于或等于其下位巖層質(zhì)量指數(shù)，則兩巖層同時運動。3、本巖層質(zhì)量指數(shù)小于其下位巖層質(zhì)量指數(shù)，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(shù)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(zhì)量屬“極壞”，且厚度超出6倍采高層位很多時，則以8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(nèi)，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。分開運動的巖層組數(shù)(6倍采高附近層位內(nèi))即為老頂巖梁的個數(shù)，各巖梁厚度之和為老頂?shù)目偤穸?。一般情況下，直接頂與老頂厚度之和大于等于6倍采高后，停止老頂?shù)呐袛唷?3)老頂?shù)娜N基本結(jié)構(gòu)頂板的結(jié)構(gòu)形式主要是指老頂?shù)钠胶饨Y(jié)構(gòu)形式。老頂存在類拱式、拱梁式和梁式三種基本結(jié)構(gòu)，它們的形成條件、運動規(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”的一個辨證過程，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“系列”。類拱式結(jié)構(gòu)是代表松軟老頂結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是代表中硬老頂結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中巖塊的個數(shù)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(xué)分析。這種結(jié)構(gòu)的下限呈類拱的特征，上限呈堅硬老頂結(jié)構(gòu)的特征，因此，稱之為“拱梁”結(jié)構(gòu)，如圖3-2所示。圖3-1類拱式老頂結(jié)構(gòu)梁式結(jié)構(gòu)是代表堅硬老頂結(jié)構(gòu)的，它有2-3個巖塊擠鉸而成，如圖3-3所示。梁式結(jié)構(gòu)的兩個極端情況，一是拱梁結(jié)構(gòu)的上限，二是由一個長巖塊組成的平衡結(jié)構(gòu)，如圖3-4所示。圖3-2拱梁式老頂結(jié)構(gòu)圖3-3梁氏老頂結(jié)構(gòu)圖3-4一個巖塊組成的老頂結(jié)構(gòu)有的采場因直接頂和第一老頂厚度較小，第二老頂?shù)倪\動仍對采場產(chǎn)生較大的影響，因此，上述三種基本結(jié)構(gòu)有時以組合的形式出現(xiàn)。（4）老頂?shù)姆旨壊煌瑥姸壤享敳蓤龅膶崪y結(jié)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?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式是隨巖層強度的量變而質(zhì)變的。也就是說，老頂?shù)膸r層質(zhì)量指數(shù)不同，就對應(yīng)著不同的老頂結(jié)構(gòu)形式。依據(jù)《緩傾斜采煤工作面頂板分類試行方案》，結(jié)合專家建議和對大量現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，建立見表2-5所示老頂分級標(biāo)準(zhǔn)，并有相應(yīng)的老頂結(jié)構(gòu)形式。表2-5老頂分級標(biāo)準(zhǔn)3.2綜放面頂板分類與頂煤分類的關(guān)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?shù)倪\動效應(yīng)將被“弱化”，變?yōu)榇我目刂茖ο?。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?shù)暮穸仁亲兓?，老頂?shù)暮穸扰c位態(tài)也是變化的。團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。從(3.7)式可以看出，由于頂煤放出率的變化，將影響直接頂