綜放面頂板頂煤分類(lèi)及研究摘要本文深入研究了煤層的埋深、強(qiáng)度和裂隙發(fā)育程度以及夾石層的層位、厚度和強(qiáng)度對(duì)綜放面頂煤可放性的影響，運(yùn)用數(shù)值與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的分類(lèi)方法對(duì)頂煤進(jìn)行了可放性分類(lèi)。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(qiáng)度、裂隙發(fā)育程度和分層厚度等“三因子”要素，對(duì)直接頂和老頂進(jìn)行分類(lèi)。關(guān)鍵詞:綜放面、頂煤分類(lèi)、敏感性指標(biāo)、夾石層、可放性、穩(wěn)定性、頂煤相對(duì)強(qiáng)度、頂板結(jié)構(gòu)。概述世界主要產(chǎn)煤國(guó)家可用于井工開(kāi)采的煤炭資源中，厚及特厚煤層儲(chǔ)量占 20-50%，厚煤層井工產(chǎn)量平均比重為 32%。我國(guó)是世界二主要產(chǎn)煤大國(guó)之一，厚煤層儲(chǔ)量十分豐富，約占儲(chǔ)量的 45.6%，產(chǎn)量占原煤產(chǎn)量的 44.8%以上。據(jù) 2000 年我國(guó)國(guó)有大中型煤礦統(tǒng)計(jì)，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?jiàn)，厚煤層開(kāi)采在我國(guó)煤炭開(kāi)采中起到舉足輕重的作用。由于各國(guó)煤層賦存條件和開(kāi)采習(xí)慣的不同，厚煤層開(kāi)采方法也是多種多樣。目前世界各國(guó)厚煤層的開(kāi)采方法基本上可分為三類(lèi)，即一次全厚開(kāi)采、分層開(kāi)采和放頂煤開(kāi)采，其中以?xún)A斜分層開(kāi)采方法在世界各國(guó)厚煤層中應(yīng)用最廣。自 80 年代我國(guó)應(yīng)用放頂煤采煤方法以來(lái)，綜采放頂煤技術(shù)在我國(guó)得到了迅速發(fā)展。例如，1997 年年產(chǎn)超過(guò)百萬(wàn)噸的 76 個(gè)綜采隊(duì)中，有22 個(gè)用放頂煤綜采的，其中年超過(guò) 2Mt 的 12 個(gè)綜采隊(duì)中，有 8 個(gè)用放頂煤綜采?？梢?jiàn)，綜采放頂煤開(kāi)采方法是厚及特厚煤層開(kāi)采技術(shù)發(fā)展方向之一，必將得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。盡管綜采放頂煤技術(shù)在我國(guó)得到了迅速的發(fā)展，并且取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，但是在頂板控制中，對(duì)于綜采放頂煤工作面的頂板分類(lèi)，目前一直沿用或套用了單一煤層及分層開(kāi)采的理論依據(jù)和分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。這與實(shí)際情況有很大的差異性。根據(jù)目前的頂板分類(lèi)方案進(jìn)行的支護(hù)設(shè)計(jì)和支架選型在實(shí)用過(guò)程中存在著不適應(yīng)性。對(duì)于綜采放頂煤工作面的頂板(頂煤)分類(lèi)和異常壓力等問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外尚未進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，更沒(méi)有統(tǒng)一的理論、可行的頂板分類(lèi)方案和切合實(shí)際的支架選型、支架工作阻力計(jì)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(shí)際，對(duì)綜采放頂煤工作面的頂板(頂煤)分類(lèi)、活動(dòng)規(guī)律和支架?chē)鷰r關(guān)系進(jìn)行了專(zhuān)題研究，以便指導(dǎo)支架設(shè)計(jì)、支架選型和現(xiàn)場(chǎng)頂板管理。本課題的研究具有重要的理論和實(shí)踐意義，也將產(chǎn)生較大的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。1 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(guó)內(nèi)普遍參照 M T554-1996《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類(lèi)》方案對(duì)綜采放頂煤工作面頂板進(jìn)行分類(lèi)。在這種分類(lèi)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(hù)設(shè)計(jì)和支架選型不切合實(shí)際情況。為此，本文將對(duì)綜采放頂煤工作面頂板(頂煤)分類(lèi)從.以下幾個(gè)方面進(jìn)行探討:(1)采用模糊數(shù)學(xué)的方法對(duì)綜采放頂煤工作面的頂煤進(jìn)行分類(lèi)。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(qiáng)度、裂隙發(fā)育程度及煤層結(jié)構(gòu)對(duì)頂煤穩(wěn)定性的影響，并據(jù)此對(duì)頂煤進(jìn)行分類(lèi)。(2)采用巖層質(zhì)量指數(shù)法[17,181 對(duì)直接頂、老頂進(jìn)行分類(lèi)。影響巖層穩(wěn)定性的主要因素是巖層的強(qiáng)度、分層厚度和節(jié)理裂隙間距，常稱(chēng)為三因子。為了能定量的表達(dá)巖層的穩(wěn)定性將決定巖層的“綜合強(qiáng)度”叫做巖層的質(zhì)量。我們根據(jù)巖層質(zhì)量指數(shù)對(duì)直接頂和老頂進(jìn)行分類(lèi)。(5)研究本分類(lèi)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。根據(jù)以上研究?jī)?nèi)容的特點(diǎn)，本文采用的研究方法主要從理論研究方面進(jìn)行，即本文共分六章，二、四、五章為主要研究?jī)?nèi)容，技術(shù)路線見(jiàn)圖圖 1.1 論文技術(shù)路線2 綜放面頂煤分類(lèi)研究放頂煤采煤法是開(kāi)采厚煤層的一種有效方祛，自 80 年代以來(lái)，我國(guó)進(jìn)行了大量的理論研究與實(shí)踐[4_191。但是，實(shí)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(jì)和資源的浪費(fèi)，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(duì)頂煤進(jìn)行分類(lèi)。分類(lèi)的目的是對(duì)放頂煤工作面頂煤的可放性進(jìn)行評(píng)價(jià)，而且，通過(guò)結(jié)合頂板分類(lèi)方案能為采煤方法的選擇、支架選型和綜放面放煤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。2.1 分類(lèi)方法的選擇目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)頂煤分類(lèi)有很多研究。綜合他們的研究成果，對(duì)頂煤的分類(lèi)主要有兩種方法:一種是依據(jù)不同的權(quán)重，把各因索歸結(jié)為一個(gè)分類(lèi)指標(biāo);另一種是運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)聚類(lèi)分析的方法對(duì)頂煤進(jìn)行分類(lèi)。康天合等在對(duì)影響頂煤的可放性因素分析的基礎(chǔ)上，對(duì) 5 個(gè)主要因素(開(kāi)采深度、煤層強(qiáng)度、煤體裂隙度、夾石層和煤層厚度)各取 5 個(gè)值進(jìn)行正交試驗(yàn)，以巖石力學(xué)理論為基礎(chǔ)，采用庫(kù)侖一莫爾準(zhǔn)則計(jì)算各單元平均破壞程度的大小，稱(chēng)其為破壞系數(shù) Z o 將各單元破壞系數(shù) Z 按面積進(jìn)行加權(quán)平均，得出各方案頂煤?jiǎn)卧骄茐南禂?shù) Zp,然后將試驗(yàn)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(duì)頂煤破壞性影響的主次排序和影響程度，將各個(gè)因素一起作多元回歸分析，得到頂煤可放性的綜合表達(dá)式 Yp 如式((2.1)所示，并根據(jù) Y;值的大小將頂煤按可放性分為5 類(lèi)。 yr=0.704+0.0006338H 一 0.00786Rc -} 0.238 一0.1797mi+0.01434md(2.1)式中：H—煤層開(kāi)采深度;Rc—煤層強(qiáng)度;mJ—最大臨界夾石層厚度:md—煤層厚度。還有應(yīng)用灰色局勢(shì)決策對(duì)頂煤進(jìn)行分類(lèi)[131?；疑诸?lèi)的實(shí)質(zhì)是針對(duì)給定的頂煤條件，從劃定的標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)方案中挑選效果最佳的從屬類(lèi)別。也就是，在對(duì)影響頂煤可放性的各因素分析的基礎(chǔ)上，確定分類(lèi)樣本 A; (i=1, 2,…，n)及相應(yīng)的分類(lèi)指標(biāo) a-t (k=1,2,·， 。)，aix=fK(xJ;選取分類(lèi)方案集，可放性分為(好，較好，一般，較差，差)5 類(lèi)，對(duì)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(lèi)效果測(cè)度函數(shù)式及分類(lèi)準(zhǔn)則式求 A，的最佳分類(lèi)。應(yīng)用模糊聚類(lèi)方法對(duì)頂煤進(jìn)行分類(lèi)，大體歸納為以下幾步(1)分類(lèi)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)預(yù)處理。目的是簡(jiǎn)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(jì)差正規(guī)化。(3)分類(lèi)指標(biāo)的加權(quán)處理。改變各指標(biāo)對(duì)分類(lèi)結(jié)果貢獻(xiàn)相等的地位，使其有主次之分。(4)采用歐氏距離法進(jìn)行標(biāo)定。從而建立一個(gè) mxm 的樣本之間的模糊相似關(guān)系矩陣。(5)聚類(lèi)。在建立的模糊等價(jià)矩陣的基礎(chǔ)上，以閥值兄進(jìn)行截取，從而得到分類(lèi)結(jié)果。以上兩種分類(lèi)方法均屬于數(shù)值分類(lèi)法。目前國(guó)內(nèi)外采用的巖體(煤體)分類(lèi)方法中除了數(shù)值分類(lèi)法還有經(jīng)驗(yàn)分類(lèi)法和經(jīng)驗(yàn)分類(lèi)與數(shù)值分類(lèi)相結(jié)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(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(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(zhǎng)彼消的關(guān)系，也就是說(shuō)，如果頂煤的可放性較強(qiáng)，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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)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、采放比及條件等因素的影響。因?yàn)轫斆旱目煞判耘c穩(wěn)定性有彼消此長(zhǎng)的關(guān)系，并且影響它們的因素相同，我們可以運(yùn)用其一來(lái)反映另一種性質(zhì)。即我們?cè)诓擅悍椒ǖ倪x擇、支架選型、放煤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和端面控制設(shè)計(jì)中選擇一個(gè)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(duì)頂煤進(jìn)行分類(lèi)。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(shí)，不可能將所有的影響因素都考慮進(jìn)去，在遵循分類(lèi)影響因素選擇原則的基礎(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(duì)頂煤質(zhì)量的影響，并據(jù)此對(duì)頂煤進(jìn)行分類(lèi)。己有的研究成果均是將各因素對(duì)可放性影響進(jìn)行單獨(dú)分析，其實(shí)有些影響因素之間并不是相互獨(dú)立的，而是存在著某種內(nèi)在聯(lián)系，應(yīng)將它們作為一個(gè)綜合因素討論對(duì)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(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史年代形成的地質(zhì)體，在開(kāi)采前，由于地應(yīng)力、煤化、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(jī)制，實(shí)際上是經(jīng)受過(guò)變形破壞的煤體在地應(yīng)力環(huán)境發(fā)生改變時(shí)再破壞的力學(xué)過(guò)程。這種地應(yīng)力環(huán)境的改變是由采礦活動(dòng)引起的。從采場(chǎng)前方至煤壁，由于上覆巖層的運(yùn)動(dòng)，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(shí)煤層的揭露使得煤體沿推進(jìn)方向的約束解除，最小主應(yīng)力逆推進(jìn)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(duì)象，則該區(qū)域煤體隨采礦活動(dòng)的進(jìn)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?；趯?duì)頂煤破壞過(guò)程的認(rèn)識(shí)、支承壓力的分布特點(diǎn)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果，按破壞形式的不同，將頂煤沿推進(jìn)方向分為三個(gè)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。2.3.1 原始應(yīng)力區(qū)煤層遠(yuǎn)離工作面位置，未受采動(dòng)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 r; ,權(quán)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:式中產(chǎn)為煤的泊松比。T.L.SZABO 研究了各向異性對(duì)聲的影響，認(rèn)為在地應(yīng)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(yīng)力區(qū)煤體處于(t 719 62 , (73)高圍壓狀態(tài)，最大主應(yīng)力口:與另外兩個(gè)主應(yīng)力的比值為:又因?yàn)橥暾簤K的剪切強(qiáng)度條件如((2.5)式:若將(( 2.4)代入((2.5)，則有:而煤的內(nèi)摩擦角一般在 280^-350，顯然原始應(yīng)力區(qū)煤體不可能發(fā)生剪切破壞煤樣壓裂實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)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(jī)分布著裂紋和缺陷，在高圍壓下晶粒有運(yùn)動(dòng)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(zhǔn)則就反映了這一破壞機(jī)制。格氏準(zhǔn)則認(rèn)為，物體內(nèi)存在隨機(jī)分布的裂紋，若裂尖拉應(yīng)力超出其特征強(qiáng)度，則物體發(fā)生破壞。其表達(dá)式為:式中 S:為單軸抗拉強(qiáng)度。由于其不能反映中間主應(yīng)力對(duì)材料破壞的影響，Murrell 于 1963 年對(duì)其進(jìn)行了修正，成為三維 Griffith 準(zhǔn)則，其表達(dá)式為:在主應(yīng)力空間中，(2.8)為以 a, = a:二。3 為旋轉(zhuǎn)軸、三線相切的拋物面。拋物面經(jīng)過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，表示坐標(biāo)原點(diǎn)處的應(yīng)力滿(mǎn)足破壞條件。眾所周知，材料在不受力的情況下是不會(huì)屈服破壞的，而坐標(biāo)原點(diǎn)表示不受力的狀態(tài)。盡管煤巖類(lèi)材料抗拉強(qiáng)度較低，三維格氏準(zhǔn)則進(jìn)行了修正。修正后的三維但是屈服面應(yīng)延伸至受拉區(qū)。利用坐標(biāo)變換對(duì)式中 I，為第一應(yīng)力張量不變量;為第二應(yīng)力偏張量不變量。對(duì)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(kāi)采深度下煤體發(fā)生破壞的極限抗拉強(qiáng)度。當(dāng)煤體的抗拉強(qiáng)度 St[St]時(shí)，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(lái)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(chēng)為“支承壓力” 。在單一自重應(yīng)力場(chǎng)條件下，采場(chǎng)周?chē)膸r體上的支承壓力來(lái)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(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 63 降低垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力差((a:一。 ，)增大，同時(shí)為頂煤變形提供了相應(yīng)的自由位移空間，使其沿推進(jìn)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)力口。發(fā)生集中的地點(diǎn)開(kāi)始，越靠近工作面，最大剪應(yīng)力就越大，摩爾 1 園越靠近煤塊強(qiáng)度曲線。在工作面前方某一點(diǎn)，支承壓力的增大和最小主應(yīng)力的減小使得應(yīng)力圓達(dá)到煤體強(qiáng)度線，煤體發(fā)生壓剪破壞。此時(shí)，支承壓力 a，也達(dá)到了峰值。由塑性力學(xué)知道[31)s 剪切破壞面(線)聯(lián)結(jié)起來(lái)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，Cr 護(hù)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(jiān)硬時(shí)，煤壁前方頂煤中應(yīng)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(shí)支承壓力峰值在煤壁處。2.3.3 裂隙貫通區(qū)由于采煤機(jī)過(guò)后移架時(shí)，一般要降低頂梁，使得頂煤進(jìn)入支架上方底面卸載。在頂板運(yùn)動(dòng)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(lèi)似于實(shí)驗(yàn)室?guī)r樣的單軸壓縮。對(duì)于硬度不同的頂煤，超前支承壓力對(duì)其破壞程度不同，在支架上方可能會(huì)出現(xiàn)不同的破壞機(jī)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(kāi)采深度和煤層強(qiáng)度由頂煤所處地應(yīng)力環(huán)境分析可知，頂煤破壞的三個(gè)區(qū)域其作用力來(lái)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，a, = Y- r; H; , i 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，作用力大小為 o', = KE ri Hi ,由活動(dòng)的傳遞巖梁產(chǎn)生，.1 為活動(dòng)的傳遞巖梁的數(shù)目;裂貫通區(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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。理論研究和實(shí)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(shí)，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(qiáng)度的比值，這個(gè)比值可稱(chēng)為頂煤相對(duì)強(qiáng)度。在過(guò)去對(duì)頂煤可放性研究中都考慮了開(kāi)采深度和煤層強(qiáng)度，把開(kāi)采深度和煤層強(qiáng)度認(rèn)為是獨(dú)立因素，互不關(guān)聯(lián)。但是實(shí)踐證明，在采場(chǎng)推進(jìn)過(guò)程中，由于受采動(dòng)的影響，支承壓力對(duì)頂煤的破碎起決定作用[12-15]。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(qiáng)度時(shí)，才能引起頂煤的破壞。因此，開(kāi)采深度和煤層強(qiáng)度是相互關(guān)聯(lián)的，并不是獨(dú)立的。它們?cè)陧斆悍诸?lèi)中起關(guān)鍵作用?，F(xiàn)在用模糊數(shù)學(xué)的方法來(lái)定量表達(dá)頂煤質(zhì)量。這里所說(shuō)的頂煤質(zhì)量是指頂煤的綜合強(qiáng)度。首先將頂煤相對(duì)強(qiáng)度在語(yǔ)義上進(jìn)行模糊分級(jí)，然后確定每級(jí)的量值范圍，最后確定各級(jí)對(duì)頂煤質(zhì)量的隸屬函數(shù)。頂煤的相對(duì)強(qiáng)度 x=K 聲/。 ‘，式中 K 為應(yīng)力集中系數(shù)，根據(jù)壓力遂洞理論[301，一般取 K=2。但是，在現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐中，不同的礦井 K 取值有所不同。(1)模糊分級(jí)頂煤質(zhì)量模糊分級(jí)見(jiàn)表 2.1頂煤分類(lèi)頂煤質(zhì)量非常好、好、一般、壞、非常壞(2)把頂煤相對(duì)強(qiáng)度賦以具體數(shù)值，各級(jí)數(shù)值的范圍來(lái)源于人們對(duì)各等級(jí)的普遍看法，專(zhuān)家建議和實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)定結(jié)果。詳見(jiàn)表 2.2.(3)確定隸屬函數(shù)將各級(jí)的特征值與對(duì)應(yīng)的隸屬度進(jìn)行回歸得到相應(yīng)的隸屬函數(shù)。頂煤相對(duì)強(qiáng)度的隸屬函數(shù)如((2.11)所示:式中：x—頂煤的相對(duì)強(qiáng)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(duì)巖體強(qiáng)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(gè)裂隙來(lái)講，有(2.12)所示關(guān)系式:式中Rcr—裂紋巖石的抗壓強(qiáng)度;R,—整體巖石的抗壓強(qiáng)度;Cr—沿裂紋面的粘結(jié)力;C—整體巖石的粘結(jié)力;i—沿裂紋方向的摩擦因數(shù);f—整體巖石的摩擦因數(shù);cos2B—載荷與裂紋面的夾角。就實(shí)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(qiáng)度。總的來(lái)講，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(guò)一定限度后，由于頂煤過(guò)分松軟，難于支護(hù)，將影響放頂煤工作的正常進(jìn)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(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和征求部分專(zhuān)家、學(xué)者的意見(jiàn)，得出裂隙間距對(duì)應(yīng)的隸屬度見(jiàn)表 2.3.2.4.3 夾石層對(duì)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(qiáng)度不同對(duì)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(lèi):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(gè)層厚的中部夾研;③下部夾石層:指距底板 1.5-2.5m 內(nèi)的下部夾研。對(duì)于綜采放頂煤開(kāi)采，下部夾石層多為采煤機(jī)截割，對(duì)頂煤的可放性無(wú)影響;上部夾石層因其上的頂煤一般不超過(guò) 1.Orn，如果夾研較薄，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(shí)的將這部分煤連同夾石層一起丟失?？傮w上來(lái)看，上部夾石層對(duì)頂煤可放性影響不大。但是，位于煤層中部的夾石層對(duì)頂煤可放性具有較大的影響。我們?cè)O(shè)整個(gè)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?yuàn)A石層層位系數(shù) jr--1/d。則夾石層層位對(duì)頂煤可放性的隸屬函數(shù)如式((2.13). I 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(shí)，對(duì)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(shí)，對(duì)放頂煤影響不大可放性較強(qiáng)。(2)夾石層的厚度根據(jù)原煤炭工業(yè)部煤生字[1955]第 104 號(hào)文件規(guī)定:當(dāng)煤層中夾石層單層厚度大于300mm 時(shí)，夾研將影響頂煤冒落。因此以 300riim 為界，大于 300mm 時(shí)視頂煤可放性“極差” ，厚度越小則可放性越好。夾石層厚度對(duì)應(yīng)隸屬度見(jiàn)表 2.4.(3)夾石層的強(qiáng)度夾石層強(qiáng)度對(duì)頂煤可放性的影響取決于夾石層強(qiáng)度與煤層強(qiáng)度之比值。一般認(rèn)為，只有當(dāng)夾石層強(qiáng)度大于煤層強(qiáng)度時(shí)，才會(huì)對(duì)頂煤冒落造成不良影響，且?jiàn)A石層強(qiáng)度越大頂煤越難冒落。當(dāng)夾石層強(qiáng)度小于煤層強(qiáng)度時(shí)，夾石層作為中間軟弱層隨其下部頂煤的冒落而冒落，不會(huì)對(duì)頂煤的可放性產(chǎn)生影響。夾石層強(qiáng)度對(duì)應(yīng)隸屬度見(jiàn)表 2.5.2.5 綜放面頂煤可放性分類(lèi)2.5.1 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,ki,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(duì)頂煤可放性的綜合評(píng)價(jià)值，為使用方便，我們稱(chēng)之為頂煤可放性綜合指數(shù) Uo頂煤的可放性指數(shù) U 一般在【0, I〕取值，若某一因子非常特別而使U 大于 1 時(shí)，我們可以默認(rèn)為 1。這個(gè)指數(shù)能夠定量地反映頂煤相對(duì)強(qiáng)度、裂隙發(fā)育程度和煤層結(jié)構(gòu)等因素對(duì)頂煤可放性的影響程度，或是對(duì)頂煤可放性“極易”的隸屬度。2. 5. 2 頂煤的分類(lèi)在放頂煤工作面生產(chǎn)過(guò)程中，采煤專(zhuān)家和現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員對(duì)頂煤的可放性都有模糊語(yǔ)義評(píng)價(jià)，將頂煤可放性分為“極難” 、 “難” 、 “一般” 、 “易”和“極易”五個(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)與頂煤可放性指數(shù)聯(lián)系起來(lái)，對(duì)頂煤的可放性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，并對(duì)頂煤進(jìn)行分類(lèi)。3 綜放面頂板分類(lèi)及與頂煤分類(lèi)的關(guān)系采場(chǎng)中一切礦壓顯現(xiàn)的根源，是由采動(dòng)引起的上覆巖層的運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)規(guī)律。對(duì)于綜采放頂煤工作面的上覆巖層來(lái)說(shuō)，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(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(yùn)動(dòng)對(duì)采場(chǎng)礦壓有明顯影響的、其作用力無(wú)需支架全部承擔(dān)的那部分巖層。在綜采放頂煤采場(chǎng)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(duì)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(qiáng)度、層位關(guān)系的頂煤的組合會(huì)形成不同的頂板結(jié)構(gòu)形式。在工程實(shí)踐中，我們可以根據(jù)不同的頂板結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)、支架選型和放煤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。3.1 綜放面頂板分類(lèi)國(guó)內(nèi)外眾多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)采煤工作面頂板分類(lèi)有許多研究，從給出的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不難看出兩個(gè)問(wèn)題:一是分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)所考慮的因素較多，現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐中難以實(shí)現(xiàn);二是雖然考慮各方面因素，但是沒(méi)有形成一個(gè)統(tǒng)一的指標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)，在計(jì)算機(jī)編程時(shí)難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分類(lèi)。運(yùn)用巖層質(zhì)量指數(shù)對(duì)綜放面的頂板進(jìn)行分類(lèi)，以上兩個(gè)問(wèn)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(shí)，要求將巖層的強(qiáng)度、裂隙度和分層厚度對(duì)巖層穩(wěn)定性的隸屬度歸結(jié)的一個(gè)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(yùn)動(dòng)。就單一巖層而言，影響其運(yùn)動(dòng)因素有: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，我們常稱(chēng)之為三因子 1171。在三因子中，強(qiáng)度用巖石的單向抗壓強(qiáng)度代表，分層厚度可由打鉆或從采空區(qū)側(cè)實(shí)測(cè)得到，節(jié)理裂隙間距可由順槽或采空區(qū)殲石塊度目測(cè)得到，它包括成組原生裂隙和采動(dòng)裂隙，有時(shí)采動(dòng)裂隙在巖層穩(wěn)定性中占主導(dǎo)地位。為了能定量的表達(dá)巖層穩(wěn)定性，不妨將由三因子決定的巖層“綜合強(qiáng)度”叫做巖層質(zhì)量。用這個(gè)語(yǔ)義上的概念表達(dá)巖層穩(wěn)定性的好壞。3.1.2 巖層質(zhì)最的模糊表征方法模糊數(shù)學(xué)(Fuzzy Mathematics)是本世紀(jì)數(shù)學(xué)上的一項(xiàng)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(wèn)題，是概念外延不明確(或不完全)的事物分類(lèi)、評(píng)判或定量表達(dá)。它是人們語(yǔ)義概念與量化概念之間的橋梁。近年來(lái)，模糊數(shù)學(xué)在專(zhuān)家系統(tǒng)研究中發(fā)揮了極其重要的作用 [2。一]，我國(guó)研制的肝病醫(yī)療診斷專(zhuān)家系統(tǒng)、氣象預(yù)報(bào)專(zhuān)家系統(tǒng)等，都成功地應(yīng)用了模糊數(shù)學(xué)。從國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況看，模糊數(shù)學(xué)對(duì)解決這樣的問(wèn)題十分有效:(1)研究對(duì)象本身的性質(zhì)處于“灰箱”戴“黑箱”狀態(tài)，無(wú)法精確測(cè)定或用精確的方程予以表達(dá)，有時(shí)這些性質(zhì)具有統(tǒng)計(jì)性。(2)解釋研究對(duì)象的知識(shí)，很多尚處于經(jīng)驗(yàn)狀態(tài)，難以確切的表達(dá)。(3)人類(lèi)專(zhuān)家根據(jù)其本身的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用一定的思維方式，能夠比較準(zhǔn)確的推斷出符合實(shí)際的結(jié)論。分類(lèi)方案的對(duì)象是頂板，它完全符合上述，七個(gè)特點(diǎn)。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(yǔ)義上的等級(jí)，使之與習(xí)慣的評(píng)價(jià)“好” “壞”等概念相對(duì)應(yīng)。三因子與巖層質(zhì)量間語(yǔ)義上的關(guān)系可用表 3.1 表示。將表 3.1 中三因子的各等級(jí)賦以具體的數(shù)值，每個(gè)等級(jí)的數(shù)值范圍是相當(dāng)穩(wěn)定的。各級(jí)的數(shù)值范圍來(lái)源于人們對(duì)各等級(jí)的看法、專(zhuān)家建議和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)定結(jié)果。由于我國(guó)煤層頂板單向抗壓強(qiáng)度一般在 100MPa 以下，所以強(qiáng)度的等級(jí)以 1 OOMPa 為上界，大于 100MPa 的堅(jiān)硬巖層特設(shè)為第六類(lèi)，這種分類(lèi)與表2.1 不完全對(duì)應(yīng)，分層厚度與節(jié)理裂隙間距等級(jí)是與抗壓強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的，因此，也分為第六類(lèi)。表 3.2 是我國(guó) 16 個(gè)礦區(qū) 116 個(gè)采場(chǎng)頂板單向抗壓強(qiáng)度各等級(jí)數(shù)值及對(duì)應(yīng)巖性的研究結(jié)果 表 3.3 是與表 3.2 相對(duì)應(yīng)的分層厚度及節(jié)理裂隙間距各等級(jí)數(shù)值及其關(guān)系表。在支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，如果有三因子的實(shí)際測(cè)定結(jié)果，則用測(cè)定結(jié)果運(yùn)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。應(yīng)該指出的是，以上闡述的單向抗壓強(qiáng)度、分層厚度和節(jié)理裂隙間距的分級(jí)表和統(tǒng)計(jì)關(guān)系，只是為了在缺乏具體測(cè)量結(jié)果時(shí)才應(yīng)用，當(dāng)有測(cè)定結(jié)果時(shí)，應(yīng)該采用實(shí)測(cè)的結(jié)果。3.1.3 三因子對(duì)巖層質(zhì)量的隸屬函數(shù)某一因子對(duì)巖層質(zhì)量的隸屬函數(shù)，指的是又一“巖層質(zhì)量”這個(gè)論域的隸屬程度，也可理解為對(duì)巖層質(zhì)量“極好”的隸屬程度。單向抗壓強(qiáng)度、分層厚度和節(jié)理裂隙間距對(duì)巖層質(zhì)量的隸屬函數(shù)(18l 如式(3.1), (3.2)和(3.3)所示。式中:μr—單向抗壓強(qiáng)度、分層厚度和節(jié)理裂隙間距對(duì)巖層質(zhì)量的隸屬度;μd —單向抗壓強(qiáng)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(shù)在自變量的兩個(gè)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小于 0.1 時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)為 0.1，當(dāng) μd大于 1.0 時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)為 1.0。3.1.4 巖層質(zhì)量指數(shù)的計(jì)算頂板控制設(shè)計(jì)對(duì)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(duì)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[[O' l]之間取值。如果三因子對(duì)巖層質(zhì)量的影響權(quán)重分別為 aR,aD,aF，則三因子對(duì)巖層質(zhì)量的平均隸屬度}(x)為:三因子對(duì)巖層質(zhì)量的影響權(quán)重，根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果 I181，分層影響權(quán)重約為 0.35，節(jié)理裂隙約為 0.31，單向抗壓強(qiáng)度約為 0.34?？紤]到樣本點(diǎn)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(zhì)量指數(shù)，它一般在[[0, 1]間取值，若某一因子特別而使,u(x)大于 1 時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)為 1。它能夠定量地反映一個(gè)巖層在三個(gè)具體因子的條件下，對(duì)巖層穩(wěn)定性的影響程度，或是對(duì)巖層質(zhì)量“極好”的隸屬度。如用不同的閥值去裁 Ax)，將得到巖層質(zhì)量“極壞” 、 “壞” 、“一般” 、 “好”和“極好”的等級(jí)，它與普遍的模糊概念相對(duì)應(yīng)。在 Ax) 1 的范圍內(nèi)，如果巖層的厚度一定，巖層的穩(wěn)定性隨 P(x)單調(diào)地變化，亦即由 Ax)唯一地決定巖層的運(yùn)動(dòng)步距，這個(gè)方法考慮了分層與節(jié)理裂隙對(duì)巖層運(yùn)動(dòng)的影響。當(dāng) P(x)=1 時(shí)，對(duì)應(yīng)著堅(jiān)硬大厚度頂板(其強(qiáng)度一般大于 100MPa，分層厚度和節(jié)理裂隙均大于 1.3m)，此類(lèi)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(zhì)理論，因此，可以用巖板或巖梁理論預(yù)計(jì)運(yùn)動(dòng)步距。根據(jù)上述研究結(jié)果，一個(gè)巖層的穩(wěn)定性可以用一個(gè)量化指標(biāo)—巖層質(zhì)量指數(shù)來(lái)表示，這個(gè)指標(biāo)反映了巖層分層厚度、節(jié)理裂隙間距對(duì)巖層變形能力的“削弱”程度。3.1.5 頂板質(zhì)量指數(shù)的表達(dá)方法為了得到需控巖層的運(yùn)動(dòng)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(duì)直接頂和老頂?shù)馁|(zhì)量狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，并用老頂和直接頂?shù)馁|(zhì)量指數(shù)來(lái)表示。在下述 2 個(gè)假設(shè)條件下，直接頂和老頂?shù)馁|(zhì)量狀況可用(3.6)式來(lái)表達(dá):(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(duì)各自質(zhì)量的影響不計(jì);（2)假設(shè)三因子的隸屬度與巖層質(zhì)量指數(shù) Ax)間存在近似線性的關(guān)系。式中Uu,Uz:—直接頂和老頂質(zhì)量指數(shù);N, m—組成直接頂和老頂?shù)膸r層數(shù);Hi, Ui—第 i 層的厚度和質(zhì)量指數(shù)。顯然，Uu 和 Uz 越大，老頂和直接頂越堅(jiān)硬，反之亦然。3.1.6 直接頂分類(lèi)(1)直接頂運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律概述隨著采場(chǎng)從開(kāi)切眼推進(jìn)，巖層懸露的面積越來(lái)越大，在采場(chǎng)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(gè)巖層組成時(shí)，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\(yùn)動(dòng)情況?？迓浞绞揭环矫媸侵赶噜弾r層是同時(shí)運(yùn)動(dòng)還是分開(kāi)運(yùn)動(dòng)(即巖層運(yùn)動(dòng)的組合方式)，另一方面是指直接頂垮落時(shí)是剪切失穩(wěn)垮落還是鉸接失穩(wěn)垮落(即垮落的機(jī)理)。初次垮落完成后，直接頂進(jìn)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(gè):開(kāi)采條件、直接頂本身的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和老頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)性質(zhì)。在放頂煤采場(chǎng)開(kāi)采條件中最重要的是采高和頂煤的放出率。直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)性質(zhì)由巖層強(qiáng)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\(yùn)動(dòng)性質(zhì)中，對(duì)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?lèi)原煤炭部頒布的《緩傾斜采煤工作面頂板分類(lèi)試行方案》在現(xiàn)場(chǎng)有很大的影響，對(duì)認(rèn)識(shí)頂板運(yùn)動(dòng)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(lèi)系統(tǒng)軟件依據(jù)《緩傾斜采煤工作面頂板分類(lèi)試行方案》 ，結(jié)合專(zhuān)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，建立見(jiàn)表 3.4 一所示直接頂分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。3.1.7 老頂分級(jí)(1)老頂運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律概述直接頂初次垮落完成后，采場(chǎng)進(jìn)入老頂初次來(lái)壓階段。隨著采場(chǎng)的推進(jìn)，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(shí)刻結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，形成工作面來(lái)壓。老頂初次來(lái)壓時(shí)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)并不完全遵循上述規(guī)律，當(dāng)采場(chǎng)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(shí)，巖梁的鉸接點(diǎn)可能引起滑動(dòng)而導(dǎo)致失穩(wěn)。初次來(lái)壓完成后，老頂即進(jìn)入周期來(lái)壓階段，周期來(lái)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(kāi)采條件下，一個(gè)采場(chǎng)的周期來(lái)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)。(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(chǎng)，則由人依據(jù)柱狀圖判斷。通過(guò)考察專(zhuān)家的思維過(guò)程和大量觀測(cè)的結(jié)果，認(rèn)為判斷老頂?shù)暮穸瓤梢罁?jù)以下 10 條知識(shí)，具體運(yùn)用時(shí)，這些知識(shí)將形成一個(gè)推理網(wǎng)絡(luò)，逐一“過(guò)濾”直接頂以上的巖層，直至推斷出老頂?shù)暮穸?。①若本巖層質(zhì)量指數(shù)大于下位巖層，且屬于“好”以上等級(jí)，則兩巖層分開(kāi)運(yùn)動(dòng)。②層質(zhì)量屬“好”以下等級(jí)且大于或等于其下位巖層質(zhì)量指數(shù)，則兩巖層同時(shí)運(yùn)動(dòng)。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(shí)運(yùn)動(dòng)。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(shí)，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(jí)，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(jí)，則全厚度劃入老頂。⑨兩巖層若分開(kāi)運(yùn)動(dòng)，則屬兩個(gè)巖梁。⑩分開(kāi)運(yùn)動(dòng)的巖層組數(shù)((6 倍采高附近層位內(nèi))即為老頂巖梁的個(gè)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 TF 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(lèi)拱式、拱梁式和梁式三種基本結(jié)構(gòu) 1171，它們的形成條件、運(yùn)動(dòng)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(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)辨證過(guò)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” 。類(lèi)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(gè)半拱，隨采場(chǎng)推進(jìn)，該半拱周期性運(yùn)動(dòng)，為區(qū)別于靜態(tài)拱的概念，故稱(chēng)之為“類(lèi)拱” ，如圖 3.1 所示。類(lèi)拱的兩個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)數(shù)隨巖體強(qiáng)度、厚度而變化。它的兩個(gè)極端情況，一是類(lèi)拱的上限，即有多個(gè)巖塊組成:二是巖塊只有 3-4 個(gè)，可對(duì)塊間的平衡進(jìn)行力學(xué)分析。這種結(jié)構(gòu)的下限呈類(lèi)拱的特征，上限呈堅(jiān)硬老頂結(jié)構(gòu)的特征，因此，稱(chēng)之為“拱梁”結(jié)構(gòu)，如圖 3.2 所示。梁式結(jié)構(gòu)是代表堅(jiān)硬老頂結(jié)構(gòu)的，它有 2^-3 個(gè)巖塊擠鉸而成，如圖3.3 所示。梁式結(jié)構(gòu)的兩個(gè)極端情況，一是拱梁結(jié)構(gòu)的上限，二是由一個(gè)長(zhǎng)巖塊組成的平衡結(jié)構(gòu)，如圖 3.4 所示。有的采場(chǎng)因直接頂和第一老頂厚度較小，第二老頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)仍對(duì)采場(chǎng)產(chǎn)生較大的影響，因此，上述三種基本結(jié)構(gòu)有時(shí)以組合的形式出現(xiàn)。(4)老頂?shù)姆旨?jí)不同強(qiáng)度老頂采場(chǎng)的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，老頂運(yùn)動(dòng)在煤壁前方的影響距離、順槽與采場(chǎng)礦壓峰值的時(shí)間差、順槽礦壓顯現(xiàn)的烈度和峰值頻度，都隨老頂強(qiáng)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(qiáng)度的量變而質(zhì)變的。也就是說(shuō)，老頂?shù)膸r層質(zhì)量指數(shù)不同，就對(duì)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(lèi)試行方案》 ，結(jié)合專(zhuān)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，建立見(jiàn)表 2.5 所示老頂分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并有相應(yīng)的老頂結(jié)構(gòu)形式。3.2 綜放面頂板分類(lèi)與頂煤分類(lèi)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。并且由于頂煤的存在，老頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)效應(yīng)將被“弱化” ，變?yōu)榇我目刂茖?duì)象(26]。在放頂煤采場(chǎng)，由于頂煤從垮落到放完是一個(gè)完全動(dòng)態(tài)的過(guò)程，顯然，在此過(guò)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。因此放頂煤采場(chǎng)的直接頂厚度計(jì)算公式與單一煤層開(kāi)采的直接頂厚度計(jì)算公式有所不同，如((3.7)式所示。式中 MZ—直接頂?shù)暮穸?H—采高;T—頂煤厚度:C—?dú)埫汉穸?SA—老頂在觸研處的沉降量，據(jù)有關(guān)研究結(jié)果，S A = (0.15-0.25) h，在放頂煤采場(chǎng) h=H+nT, nT為頂煤放出率，在一般頂板的采場(chǎng)，S A=0.2h?；厥章逝c C 的關(guān)系是KM為頂煤垮落后的碎脹系數(shù)。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?shù)暮穸群臀粦B(tài)，進(jìn)而形成放頂煤采場(chǎng)的不同頂板結(jié)構(gòu)。直接頂和老頂對(duì)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(kāi)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(lái)壓前夕頂煤冒放性較好，但在正常期間一般無(wú)明顯影響，且放頂煤采場(chǎng) K 值多在 2.0左右，因此老頂?shù)挠绊戄^小。但從冒放結(jié)構(gòu)的控制而言，老頂會(huì)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(kāi)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(lèi)別，不同類(lèi)別的頂煤與不同類(lèi)別的直接頂和老頂將組合成不同類(lèi)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)度的公式也是不同的。在這其中，不同的頂煤類(lèi)別，將會(huì)影響直接頂與老頂接觸應(yīng)力的大小。將直接頂和老頂?shù)姆诸?lèi)與頂煤分類(lèi)相結(jié)合，這樣能把放頂煤采場(chǎng)頂板的結(jié)構(gòu)描述的更全面、更具體，彌補(bǔ)了原有頂板分類(lèi)方案不適合放頂煤采場(chǎng)的不足。4 主要結(jié)論本文運(yùn)用數(shù)值與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的分類(lèi)方法，綜合考慮影響頂煤可放性的各種因素，對(duì)綜放面的頂煤進(jìn)行分類(lèi):采用巖層質(zhì)量指數(shù)法，依據(jù)影響巖層穩(wěn)定性的主要因素對(duì)直接頂和老頂進(jìn)行了分類(lèi)。本文主要研究結(jié)論如下:(1)對(duì)影響頂煤可放性的因素進(jìn)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(guān)系、厚度和強(qiáng)度對(duì)頂煤可放性的影響。已有的研究成果均是將各因素對(duì)可放性影響進(jìn)行單獨(dú)分析，其實(shí)有些影響因素之間并不是相互獨(dú)立的，而是存在著某種內(nèi)在聯(lián)系，本文將它們作為一個(gè)綜合因素討論對(duì)可放性的影響效果。首次引用了“頂煤相對(duì)強(qiáng)度”概念，使頂煤分類(lèi)不脫離“采深”這個(gè)關(guān)鍵因素。(2)運(yùn)用數(shù)值與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的分類(lèi)方法對(duì)綜放面頂煤進(jìn)行了分類(lèi)。國(guó)內(nèi)外對(duì)巖體(煤體)分類(lèi)的方法主要有數(shù)值分類(lèi)法、經(jīng)驗(yàn)分類(lèi)法和數(shù)值與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的分類(lèi)方法。為了滿(mǎn)足工程需要，本文采用數(shù)值和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的分類(lèi)方法對(duì)頂煤進(jìn)行分類(lèi)。應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)中的水平截集法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)把現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中定性評(píng)價(jià)與頂煤的可放性指數(shù)聯(lián)系起來(lái)，定量地將頂煤分為可放性“極難” 、 “難” 、 “一般” 、 “易”和“極易”五類(lèi)。