基于灰色聚类方法对深部煤层顶板稳定性研究.pdf

中图分类号 婴 鱼兰 学科分类号 丝Q Q 论文编号 安徽理工大学 硕士学位论文 基于灰色聚类方法对深部煤层顶板稳定性研究 作者姓名绘釜 专业名称丕王猩 研究方向蚩王程 导师姓名挞越数援 导师单位塞邀堡王太堂 答辩委员会主席邵维 论文答辩日期2 0 1 6 年6 月4 日 安徽理工大学研究生院 2 0 1 6 年6 月1 0 日 万方数据 J I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I l l I I I I Y 3 0 10 4 6 9 AD i s s e r t a t i o ni nC i v i lE n g i n e e r i n g T h e A p p l i c a t i o no fG r e yC l u s t e r i n gi nt h eA n a l y s i so f S t a b i l i t yo fD e e pC o a lS e a m R o o f C a n d i d a t e X u D o n g S u p e r v i s o r L i n B i n S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e A n I - I u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y N o ．1 6 8 ，S h u n g e n gR o a d ，H u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，P ．R ．C H I N A 万方数据 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞徵望三太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名兰丛日期竺生年鱼月翌日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡兰太堂有保留、使用学位论文的 规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于盥 理工大堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 安徽理X - 大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后 适用本授权书 学位论文作者签名专磊謦签字日期冽 年易月驴日学位论文作者签名专磊誉签字日期冽 年易月扩日 导师签名 手；2 - ／＼＼r 签字日期弘，辞妇∥日 万方数据 摘要 摘要 现今，浅部煤炭开采殆尽，大力开采深部煤炭是必然趋势，发掘越深，各种 灾害越多，其中由顶板引发的也愈发频繁，如何准确评价深部煤层顶板稳定性就 值得深思。本文以朱集煤矿东井田1 3 ．1 这一主采煤层为研究对象，以钻孔详勘资 料和实验室试验数据为基础，探讨了岩石的力学性质随赋存深度加深的变化规律， 并从直接顶板的特征、顶板沉积特征和岩体结构特征这三个大方面，对岩层组合 强度、砂泥比特征、层理发育等1 2 个重要因素做了详尽的分析研究。 在确定的1 2 个指标的基础上，运用灰色变权聚类方法来评价1 3 ．1 煤层顶板 的稳定性，首先将各指标的真实数值和4 个灰类的数据无量纲化，再确定白化权 函数，由此计算出相应的聚类权重，最终通过公式运算获得各评价单元的聚类系 数。根据聚类系数不同，将所分析区域1 3 ．1 煤层顶板划分为四种稳定性不同的区 域。 结果表明1 3 ．1 煤层项板在分析区域内大多属于中等稳定区，大概占据分析 区域的4 0 ％，主要位于分析区域的中部和东部稳定顶板和不稳定顶板所占据区 域相差不大，约各占2 5 ％，非常稳定区分布最少，约占1 0 ％。 图【3 2 】表[ 1 4 1 参[ 5 6 】 关键词深部煤层；顶板稳定性；灰色聚类方法 分类号 T D l 6 3 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 A b s t r a c t T o d a y , a l o n g w i t ht h eu p p e rp a r tc o a lr e s o u r c e sd r i e du pg r a d u a l l yi no u rc o u n t r y , i ti sm o s tn e c e s s a r yt om i n ed e e pc o a ls e a m ．W i t hg r a d u a l l yd e e p e n i n gc o a lm i n i n g d e p t h ，s e a mr o o fd i s a s t e r sa 佗i n c r e a s i n g ，S Oh o w t oa c c u r a t e l ye v a l u a t et h es t a b i l i t yo f t h ed e e pc o a ls e a mr o o fw i l lb em u c ht op o n d e r ．T h eN o ．13 - l m a j o rc o a lr o o fo fZ h u j i m i n ea r ec h o s e nt ob et h er e s e a r c ho b j e c t si nt h i sp a p e r ．B a s e do nal a r g en u m b e ro f d e t a i l e ds u r v e yd a t ab yd r i l l i n ga n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t af r o ml a b o r a t o r y , t h ee f f e c to f d e p t ho nm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fd e 印r o c ki sd i s c u s s e da n d12f a c t o r s ，s u c ha s c o m b i n a t i o ns t r e n g t ho fr o c ks t r a t u m ，c h a r a c t e r i s t i c so ft h et h i c k n e s so fs a n d s t o n ea n d m u d s t o n er a t i oa n dd e v e l o p m e n to fb e d d i n g ，a f f e c t i n gc o a lr o o fs t a b i l i t y 锄℃a n a l y z e d s y n t h e t i c a l l yf r o mt h r e em a j o ra s p e c t s ，n a m e l yi st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ei m m e d i a t e r o o f , t h es e d i m e n t a r yc h a r a c t e r i s t i c so fr o o fa n dt h et h es t r u c t u r ec h a r a c t e ro fr o c k n 仫S S ． G r e yv a r i a b l ew e i g h tc l u s t e r i n gi sa d o p t e di nz o n i n ga n de v a l u a t i o no fs t a b i l i t yo f N o ．13 一lc o a ls e a mr o o fo fZ h u j im i n eb a s e do n12e v a l u a t i o ni n d i c a t o r s ．F i r s to fa l l ， t h er e a lv a l u eo f e a c hi n d e xa n d4g r a yc l a s s e so fd i m e n s i o n l e s sp r o c e s s i n g ，a c c o r d i n g t ow h i t e n i z a t i o nw e i g h tf u n c t i o n si sc a l c u l a t e df o rt h ec l u s t e r i n gw e i g h t so fa l l i n d i c a t o r s ，a n dt h e nt h ec l u s t e r i n gc o e f f i c i e n to fe a c he v a l u a t i o nu n i ti sc a l c u l a t e db y t h ef o r m u l ao p e r a t i o n ．A c c o r d i n gt od i f f e r e n tc l u s t e r i n gc o e f f i c i e n t , t h eN o ．13 - lc o a l s e a mr o o fi nt h es t u o ya r e ai sd i v i d e di n t of o u rd i f f e r e n tt y p e so fa r e ab a s e dO i lt h e s t a b i l i t yo fs e a mr o o f ． T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em a i nd i s t r i b u t i o nt y p eo ft h eN o ．13 - lc o a ls e a mr o o f i nt h es t u d ya r e ai sm e d i u ms t a b l er o o f , w h i c ha c c o u n t sf o ra b o u t4 0 ％i nt h es t u a y a r e a , m a i n l yd i s t r i b u t e di nc e n t r a la n de a s t e r nr e g i o n s ．S t a b l er o o fa n du n s t a b l er o o f o c c u p ya b o u t2 5 ％o f t h ea r e ar e s p e c t i v e l y ．V c 巧s t a b l er o o fo c c u p i e st h es m a l l e s t , a b o u t1 0 ％． F i g u r e [ 3 2 】t a b l e [ 1 4 】r e f e r e n c e 【5 6 】 K e yW o r d s D e e pc o a ls e a m ，s t a b i l i t yo fc o a ls e a mr o o f , t h ea p p l i c a t i o no fg r e y c l u s t e r i n g C h i n e s eb o o k sc a t a l o g T D16 3 ．Ⅱ． 万方数据 目录 目录 摘 要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 弓I 言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 1 ．1 选题背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 ．3 研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 研究区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．1 自然地理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．2 地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 ．1 区域地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 2 ．2 ．2 井田地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．3 地质构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．3 ．1 区域构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 ．2 井田构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l3 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 深部岩石的力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 3 ．1 力学试验结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．1 ．1 单轴强度试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．1 ．2 抗拉强度试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．1 ．3 抗剪强度指标试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l8 3 ．2 1 3 ．1 煤层直接顶板特征研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 0 41 3 一l 煤层顶板的沉积特征研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 l 4 ．1 1 3 ．1 煤层顶板沉积特征结果统计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．．I I I ．． 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 4 ．2 1 3 ．1 煤层顶板主体岩性分区⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 4 ．3 1 3 ．1 煤层顶板沉积组合特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 4 ．3 ．1 顶板沉积层序特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 4 ．3 ．2 顶板岩性组合类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．4 1 3 ．1 煤层顶板砂泥比分布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 4 ．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 51 3 1 煤层顶板的岩体结构特征研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯_ ⋯⋯⋯⋯。2 9 5 ．1 1 3 ．1 煤层顶板的岩体性质研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 5 ．2 1 3 ．1 煤层顶板岩体结构面的特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 l 5 ．2 ．1 沉积结构面特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 5 ．2 ．2 构造结构面特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 5 ．2 ．3 工程结构面特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 l 5 ．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 6 灰色系统理论在煤层顶板稳定性评价中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 6 ．1 灰色聚类法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 6 ．2 灰色变权聚类法分区评价基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 6 ．3 建立分区评价数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．oooo．oo o o o 0 0 4 4 6 ．3 ．1 评价指标体系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 6 ．3 ．2 各评价指标分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 6 ．3 ．3 数学模型运算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 6 ．4 顶板稳定性分区⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 6 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 7 结论与建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 3 7 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 7 ．2 建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 作者简介及读研期间主要科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．I V ． 万方数据 目录 C o n t e n t s A b s t r a c ti nC h i n e s e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 C h a p t e rlE x o r d i u m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．1T h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2P r e s e n tr e s e a r c h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．3T h em a i nc o n t e n ta n dt e c h n i c a lr o u t e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 ．1C o n t e n to f r e s e a r c h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 ．2T e e h n i c a lr o u t e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 C h a p t e r2G e n e r a ls i t u a t i o no fs t u d ya r e a ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 ．1N a t u r a lg e o g r a p h y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．2S t r a t a ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 ．1R e g i o n a ls t r a t a ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．2 ．2C o a ls t r a t u m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．3G e o l o g i c a ls t r u c t u r e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．3 ．1R e g i o n a lg e o l o g i c a ls t r u c t u r e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．12 2 ．3 ．2C o a lg e o l o g i c a ls t r u c t u r e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。13 2 ．4C o n c l u s i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15 C h a p t e r 3M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fd e e pr o c k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．16 3 ．1R e s u l t sa n da n a l y s i so fm e c h a n i c a le x p e r i m e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16 3 ．1 ．1U n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 3 ．1 ．2T e n s i l es t r e n g t ht e s t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．16 3 ．1 ．3S h e a rs t r e n g t ht e s t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 3 ．2T h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ei m m e d i a t er o o f o nN o ．1 3 - 1c o a ls e a m ⋯⋯⋯⋯。1 8 3 ．3C o n c l u s i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 C h a p t e r4S e d i m e n t a r yc h a r a c t e r i s t i c so f t h er o o f o n N o ．1 3 - 1c o a l5 e a n l ⋯⋯⋯⋯2 1 4 ．1T h es t a t i s t i c a lr e s u l t so fs e d i m e n t a r yc h a r a c t e r i s t i c so ft h er o o f ⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．V ． 万方数据 4 ．2M a i nl i t h o l o g yd i s t r i b u t i o no f t h er o o f o n N o ．1 3 - lc o a ls e a m ⋯⋯⋯⋯⋯2 2 4 ．3T h ec o m b i n a t i o no fs e d i m e n t a r yf a c i e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 4 ．3 ．1R o o fs e d i m e n ts t r u c t u r ea n df e a t u r e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 4 ．3 ．2T h et y p e so fl i t h o l o g yc o m b i n a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”2 6 4 ．4D i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h et h i c k n e s so fs a n d s t o n ea n dm u d s t o n e r a t i o ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．5C o n c l u s i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 8 C h a p t e r5T h ec h m 佻t e r i s t i c so f s t r u c t u r e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 5 ．1T h er e s e a r c ho nr o c kn a t u r eo f t h er o o f ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 9 5 ．2T h ec h a r a c t e r i s t i c so f r o c ks t r u c t u r a lp l a n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 5 ．2 ．1T h ec h a r a c t e r i s t i c so f S e d i m e n t a r ys t r u c t u r a lp l a n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 5 ．2 ．2T h ec h a r a c t e r i s t i c so ft e c t o n i cs t r u c t u r a lp l a n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 5 ．2 ．3T h ec h a r a c t e r i s t i c so f e n g i n e e r i n gs t r u c t u r a lp l a n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 5 ．3C o n c l u s i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 l C h a p t e r6A p p l i c a t i o no f g r e ys y s t e mt h e o r yi ne v a l u a t i o no f t h er o o f s t a b i l i t y ．⋯4 3 6 ．1G r e yc l u s t e rm e t h o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 6 ．2T h eb a s i cp r i n c i p l eo f z o n i n gb yg r e yv a r i a b l ew e i g h tc l u s t e r i n g ⋯⋯⋯⋯．4 3 6 ．3E s t a b l i s h i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lo f z o n i n ge v a l u a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 6 ．3 ．1E v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．z 扣4 6 ．3 ．2E v a l u a t i o ni n d i c e sc l a s s i f i c a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 6 ．3 ．3M a t h e m a t i c a lm o d e lo p e r a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 6 ．4Z o n i n go f t h er o o f s t a b i l i t y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 6 ．5C o n c l u s i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 C h a p t e r7C o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 7 ．1M a i nc o n c l u s i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 7 ．2S u g g e s t i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 5 R e f e r e n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．． ；6 C o m p l i m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 】R e s u m eo f a u t h o r ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．⋯．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．6 1 ．Ⅵ． 万方数据 引 言 己I 言 Jl口 我国是煤炭大国，已探明的煤炭储量位居世界第三，煤炭的年产量雄踞世界 第一。虽然近年来国家提倡使用清洁能源，但考虑到我国人口多，又正处于工业 快速发展的黄金时期，煤炭资源仍然是不可或缺的。有专家估计，到2 0 5 0 年，煤 炭资源仍要在我国的能源使用中占据5 0 ％的份额。根据全国的地质勘查，在我国 已探明的煤炭储量中，厚煤层的储量有将近一半，这也是我国每年的主要产煤来 源，所以研究如何安全开采厚煤层，评价厚煤层的安全开采环境十分重要。 随着对煤炭需求的增加和煤矿开采强度的不断加大，浅部煤炭日趋枯竭，发 掘深部煤炭资源成为煤炭工业的迫切任务，但深部环境表现出“高应力、高地温、 高渗压”，这样与浅部环境下的岩石性质差异就很大【5 】，随之而来的就是日益增多 的工程难题和灾害【6 】，其中，由顶板稳定引起的灾害占据绝大部分【7 。8 J 。所以，研 究影响煤层顶板稳定的各类因素，并评价其开采地质环境就有很大的价值。 本文在收集淮南矿区朱集矿矿井资料的基础上，以1 3 一l 煤层这一深部厚煤层 为研究对象，分析选定影响顶板稳定的因素，并根据各因素的综合分析结果将分 析区域分成几个稳定性不同的部分，这对以后使用哪种设备、选择哪种方法管理 顶板、加固巷道有指导作用。 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 选题背景和意义 随着经济快速发展，人类对煤矿资源开采力度越来越大，开采深度也越来越 深，伴随而来的工程灾害和技术难题日益增多，从而使得对地下空间岩体破坏及 其破坏规律的探究受到更多重视。煤炭资源的挖掘打破了原本处于平衡下的地应 力，顶板出现裂缝，甚至垮落及渗水等状况就会随之出现。随着越向深处挖掘， 各种水文及地质条件变化越大，越难掌控，顶板灾害发生的概率越大，灾害类型 也越复杂，这让专家学者不得不更加关心顶板稳定性问题。 煤层顶板稳定性是非常复杂的问题，涉及到的因素更是方方面面的，有自然 因素，如水文地质条件、顶板形成时的沉积环境等，也有人工因素，像人类生产 活动对其的影响就属于这一类。这些因素都不是孤立的，各自的影响力也不同， 它们既存在内在联系，又互相制约，这就形成了一个复杂且不可割裂的系统【9 】。 这个复杂系统中有一部分信息我们已经深入掌握，还有些信息以目前手段我们无 法准确确定，这就是一种信息不完全明朗的灰色系统，故而引入灰色系统理论中 的灰色聚类方法对煤层顶板稳定性进行定量评价【l o 】。这样，有利于将各评价因 素的模糊关系进行聚类组合，为预测深部煤层顶板稳定性提出一种新思路。 1 ．2 研究现状 1 影响顶板稳定性因素分析郭德勇I l l 】等以平顶山八矿己组煤层顶板为研 究对象，综合考察了岩体结构、直接顶板厚度、水文地质条件等客观条件及施工 生产对稳定性的影响；张超【1 2 】从多个角度探讨了煤层项板稳定性，包括顶板的 赋存环境、水文地质条件及顶板岩性组合等；刘海燕I ”】等在对兖州某煤田主采 煤层稳定性特征进行分析后，认为沉积学特征、构造特征、力学性质都是影响 煤层顶板稳定性的重要因子；刘海燕【1 4 】等还着重研究了顶板小构造发育特征， 得出结果小构造性质不同、组合方式不同或者位置不同都会对顶板稳定性产 生不同影响；王怀洪【1 5 J 等对龙固井田主采煤层的顶板特征进行了深入研究，总结 出五种顶板岩性组合类型及其各自的稳定性；刘钦甫【1 6 】等以淮南煤田1 3 ．1 煤层 顶板为研究对象，深入探讨了其地质条件，结果得到沉积学因素是顶板稳定性的 主控因素，而小构造和岩性组合等是次要的影响因素；吴铁洲1 1 7 】指出地质条件是 影响直接顶板稳定程度的根本因素，同时顶板岩性也是不可忽略的重要因素； ．2 - 万方数据 第l 章绪论 孟召平【1 8 】等通过将现场观测和数值模拟分析结合起来，探讨了断裂结构面这一 因素对顶板稳定性的影响彭苏萍【1 9 】等通过相似模拟试验方法讨论了断层这一 因素对顶板稳定性的影响，认为断层带及其影响范围内的顶板稳定性低。T u l u m 叫1 等经过研究发现与地形相关的一些应力，其产生的应力轴旋转效应对煤层群 的稳定性有影响，并做出相关分析；M ．I ．／i , l v a r e z - F e m 矗n d e z l 2 1 】等研究认为应力状态 对煤层开采最具有影响力，并采用数值分析的手段研究了无底柱分段崩落法在千 米深处煤层开采中的应力变化及变形。 2 顶板稳定性预测与评价郭德勇阻】等综合矿井各方面资料，从其地质构造、 构造应力场及顶板岩性和力学特征等角度出发，提出了矿井地质构造特征解析 法，这是预测煤层顶板稳定性程度好坏的一种新方法；于双忠【2 3 】等提出利用分类 图表来分析顶板稳定性，他们所采用的图表是由岩石强度、结构面、水对岩体的 影响以及原岩地应力状态这四个指标综合而成的；刘海燕【l3 】等在分析兖州煤层顶 板稳定性时则引入了层次分析法原理和模糊综合评判理论，这二者的结合运用是 一个创新，以此将该地主采煤层顶板划分为稳定性不同的4 级区域；杨双锁【2 4 】等 则在顶板稳定性分析中使用了有限单元法，这同样具有一定的创新意义；柴敬【2 5 1 等综合考虑了工作面矿压规律和顶板分类、构造特征及基岩结构等因素，从岩体 结构及其破坏规律方面探讨了岩层稳定性；涂敏瞄】利用模糊聚类法预测了两淮及 其周边部分地区若干采煤工作面顶板的稳定性，并对其进行了分类；邱占林【2 7 J 等 运用模糊综合评判理论对谢桥矿区的主采煤层进行评价，其评价体系由顶板岩性、 直接顶厚度、顶板分层数、岩石单轴抗压强度、岩石质量指标和岩芯采取率6 个 指标组成；张保东【2 8 】等将单因素分析与二级模糊综合评判有机结合起来，用以评 价顶板稳定性，这种方法充分利用了煤田的详勘地质资料，具有一定的新颖性； 曹庆奎【2 9 】等在评价煤层顶板稳定性时创造性地使用了加权灰色模型，并以此为基 础，提出了将主观赋权和客观赋权相结合的灰色加权关联模型；刘钦甫例等为达 到综合定量评价煤层顶板稳定性的目的，事先对指标进行优选和量化，并基于此 建立了一个数学一地质模型，该模型适应双高矿井开采地质条件，这种方法在实 际生产中得到了很好的应用；丁述理【3 l 】等选取出若干独立因素，这些因素能反映 某地区某段岩石 体 工程稳定性，再对这些因素进行单因素分析，通过这种方 式得出的结果，更加具有代表性，更能准确地反映出该地区岩石 体 工程稳定性 的实际状况。Q i u ，B ．和L u o ，Y [ 3 2 】等提出建立良好的地表沉陷预测模型，用以评价煤 层群开采时支柱的稳定性及计算其强度；E s t e r h u i z e nG S l 3 孓3 5 】等经过通过建立基于 ．3 - 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 强度折减法的数值模型，提出了分析煤巷稳定性的新方法，并认为这种方法要优 于用经验法分析。 1 ．3 研究内容及技术路线 1 ．3 ．1 研究内容 对朱集煤矿顶板稳定性的研究中，对1 3 ．1 煤层项板主要开展以下几个方面的 研究工作 1 ．朱集矿深部岩石力学性质特征的研究 1 岩石力学性质测试 测试岩石的力学参数，包括单轴抗压强度、抗拉强度、变形模量、弹性模量、 泊松比等，对这些参数随深度变化趋势进行探究。 2 1 3 ．