[转帖]综放面顶板控制设计专家系统的基础研究

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<strong>综放面顶板控制设计专家系统的基础研究</strong> <hr noshade="true" size="1"/><table cellspacing="8" cellpadding="0" width="500" border="0"><tbody><tr><td class="da"><p>作者：司荣军 姜福兴 王其军<br/><br/>顶板灾害是影响煤矿安全生产的重要灾害之一，因此，采场顶板控制设计是煤矿生产作业规程的重点内容。在顶板控制设计中，由于顶板的复杂性，使很多有用的经验知识难以用精确的语言表达出来，有些仅存在于专家的头脑中，难以集中起来成为系统的知识为现场服务。因此，研制包容大量理论、实践成果和专家知识的顶板控制设计的专家系统是十分必要的。<br/><br/>1 综放面顶板控制设计步骤<br/><br/>综放面的顶板控制设计是在分析具体煤层地质条件的基础上，预计顶板的运动规律，确定合理的支架围岩关系，进而进行控制设计。其步骤和内容见图1。<br/><br/><img src="http://www.safety.com.cn/data_zonghe/tu/20060420-0101.gif" align="center" alt=""/><br/><br/>图1 综放面顶板控制设计的步骤<br/><br/>在以上步骤中，关键是确定综放面的支架围岩关系。在确定支架围岩关系之前，首先要对综放面的顶板和顶煤进行分类，进而预计顶板运动规律。<br/><br/>2 综放面顶板分类<br/><br/>2.1 岩层质量指数<br/><br/>影响岩层稳定性的因素有：岩层厚度、强度、分层厚度、节理裂隙间距、组分的均匀性、水的作用程度等。在这些因素中，起主要作用的是岩层强度、分层厚度和节理裂隙间距，常称之为三因子。为了能定量表达岩层稳定性，将由三因子决定的岩层“综合强度”叫做岩层质量。<br/><br/>某一因子对岩层质量的隶属度，是指对岩层质量“极好”的隶属程度，设μ_R、μ_D和μ_F分别为岩层单向抗压强度、分层厚度和节理裂隙间距对岩层稳定性的隶属度，根据有关研究结果，三因子对岩层质量的隶属度如式（1）所示：<br/><br/><img src="http://www.safety.com.cn/data_zonghe/tu/20060420-0101a.gif" align="center" alt=""/><br/><br/>式中μ（x）为岩层的质量指数，它能够定量地反映一个岩层在3个具体因子的条件下，对岩层稳定性的影响程度。<br/><br/>2.2 直接顶分类<br/><br/>直接顶是指能在采空区不规则冒落的、不能在煤壁前方和采空区矸石上永久传递力的、其作用力必须由支架全部承担的那部分岩层的总和。判断某一岩层是否垮落成直接顶时，首先读取该岩层的质量指数，并判断它属于哪一个等级，然后计算采空区自由空间的高度。把计算出的采空区自由空间高度与岩层厚度相对照，检验岩层是否全厚度垮、部分垮还是不垮成为铰接结构，判断过程中用到的判断因子的临界值（阈值）是在大量试算和检验后确定的。<br/><br/>整个推断过程是一个循环过程，它逐一判断输入的岩层，直到得出明显的结论为止。这个推断过程模拟了人类专家推断直接顶厚度的思维过程。<br/><br/>依据《缓倾斜采煤工作面顶板分类试行方案》，结合专家建议和对大量现场实际数据的统计分析，建立的分类准则见表1。<br/><br/>表1 直接顶分类准则表<br/><br/><a href="http://www.safety.com.cn/data_zonghe/biao/20060420-0201.htm">见表</a><br/><br/>2.3 老顶分类<br/><br/>老顶是指自身能形成平衡结构、能永久向煤壁前方和采空区矸石上传递力的、其运动对采场矿压有明显影响的、其作用力无需支架全部承担的那部分岩层。老顶存在类拱式、拱梁式和梁式3种基本结构，它们的形成条件、运动规律、支撑压力显现规律及其控制的要求，既有区别又有联系，是老顶岩层质量指数的“量变”导致老顶结构形式“质变”的一个辩证过程，亦即老顶结构形式随岩层质量指数的变化，存在一个“系列”。把老顶的岩层质量指数与结构形式结合起来，依据《缓倾斜采煤工作面顶板分类试行方案》，建立的分类准则见表2。<br/><br/>表2 老顶分类表<br/><br/><a href="http://www.safety.com.cn/data_zonghe/biao/20060420-0202.htm">见表</a><br/><br/>3 综放面顶煤分类<br/><br/>3.1 影响顶煤稳定性的因素分析<br/><br/>影响综放面顶煤稳定性的因素众多，这里主要探讨煤层的埋深、强度、裂隙发育程度及夹石层的层位、厚度和强度对顶煤质量的影响。<br/><br/>通过对顶煤的地应力环境分析，顶煤的变形和破坏主要处在压剪区。在此区域，决定顶煤破碎程度的主要因素是支承压力与煤层强度的比值，这个比值称为顶煤相对强度。过去对顶煤稳定性的研究中，把煤层埋深和强度认为是独立因素。但实践表明，在采场推进过程中，煤层埋深与强度是相互关联的。顶煤相对强度把煤层的埋深和强度有机地结合起来，在顶煤分类中起关键作用。<br/><br/>煤体中节理裂隙发育大大降低了顶煤的综合强度。总的来讲，裂隙发育程度高利于顶煤的再次破碎与冒落成均质松散体，从而在顶煤放出时具有明显的规律性，回收率高。但裂隙发育超过一定限度后，由于顶煤过分松软，难于支护，将影响放顶煤工作的正常进行，降低功效。<br/><br/>夹石层的层位、厚度和强度不同对顶煤稳定性的影响也不同。煤层下部夹石层多被采煤机截割，对顶煤无影响；上部夹石层因其上的顶煤一般不超过1.0m，有时可以丢失，总体来看，上部夹石层对顶煤影响不大；但是，位于煤层中部的夹石层对顶煤的稳定性具有较大影响。如果夹石层的厚度较薄时，可随顶煤冒落，对顶煤影响不大；若大于300mm时可视为可放性“极差”的顶煤。夹石层对顶煤稳定性的影响取决于夹石层强度比值。一般认为，夹石层的强度大于煤层强度时对顶煤的稳定性较好。<br/><br/>3.2 顶煤分类<br/><br/>运用模糊统计回归和典型函数方法建立了顶煤相对强度和夹石层层位对顶煤稳定性的隶属函数，根据现场实验和征求专家的意见，确定煤层裂隙度和夹石层的厚度、强度对顶煤稳定性的隶属度。<br/><br/>事实上，各分类指标对顶煤稳定性的影响程度是不同的。如果把这些分类指标平等的对待，将会影响分类结果的准确性。因此运用层次分析法确定的影响顶煤稳定性的权值见表3。<br/><br/>表3 各分类指标的权值<br/><br/><a href="http://www.safety.com.cn/data_zonghe/biao/20060420-0203.htm">见表</a><br/><br/>根据各影响因素的录属度和其权值，利用加权原理，求出目标的流量（隶属度），即各影响因素对顶煤稳定性的综合评价值，称之为顶煤稳定性指数。这个指数定量地反映出各因素对顶煤稳定性“极稳定”隶属程度。<br/><br/>在综放面生产过程中，采煤专家和工程技术人员对顶煤的稳定性有模糊语义评价，将顶煤稳定性分为“极稳定”、“稳定”、“一般”、“不稳定”和“极不稳定”5个模糊分级。因为模糊数学中的水平截集解法是模糊集与普通集互相转化的桥梁，在此，应用水平截集解法把现场实践中定性评价与顶煤稳定性指数联系起来，对顶煤的稳定性进行定量评价，并对顶煤进行分类，见表4。<br/><br/>表4 顶煤分类表<br/><br/><a href="http://www.safety.com.cn/data_zonghe/biao/20060420-0204.htm">见表</a><br/><br/>4 综放面顶板分类与顶煤分类的关系<br/><br/>放顶煤采场的需控岩层，不仅有直接顶和老顶，还有顶煤。由于顶煤从垮落到放完是一个完全动态的过程，显然，在此过程中直接顶的厚度是变化的，老顶的厚度与位态也是变化的。因此，在推断直接顶厚度中计算采空区的自由高度时，与单一煤层采场相比而言，要考虑顶煤的放出率和残余顶煤的碎胀系数。所以综放采场的直接顶厚度计算方法与单一煤层开采的直接顶厚度计算方法有所不同。<br/><br/>直接顶和老顶对顶煤的稳定性有一定的影响。就直接顶而言，能随采随冒并具有一定的厚度是放顶煤开采顶煤冒落后顺利放出的条件，否则将造成部分顶煤的丢失。老顶是传递支承压力的主要岩层，实践证明，来压之前顶煤稳定性较差，但在正常期间一般无明显影响，且放顶煤采场K值多在2.0左右，因此老顶影响冒放结构形式，而造成顶煤放出率的变化。<br/><br/>根据顶煤的开采深度和强度比值、裂隙发育程度和顶煤结构将顶煤分为不同类别、不同类别的顶煤与不同类别的直接顶和老顶将组合成不同类型的顶板结构。在不同的顶板结构下，计算支护强度的公式也不同。不同的顶煤类别，会影响直接顶与老顶接触应力的大小。<br/><br/>5 结语<br/><br/>作为基础研究，笔者仅对综放面顶板和顶煤的分类进行了探讨，为综放面顶板控制设计专家系统的开发奠定基础。<br/><br/>信息来源：《矿业安全与环保》</p></td></tr></tbody></table>