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北京某大学《矿山压力与岩层控制》课程设计某矿综采工作面顶板控制（支护）初步设计小组成员：学院：安全工程学院专业班级：专业课程：矿山压力与岩层控制指导教师：2016 年1 月3日目录基础资料-----------------------------------------------------------2一、工作面条件-------------------------------------------------2二、设计内容---------------------------------------------------2第一章顶板的分级--------------------------------------------------3一、直接顶的分级------------------------------------------------3二、老顶的分级--------------------------------------------------31.老顶上的初次断裂步距----------------------------------------42.老顶分级----------------------------------------------------5 第二章支架选型----------------------------------------------------6一、支架高度----------------------------------------------------61.确定支架最大、最小高度--------------------------------------7二、支架工作阻力与初撑力确定----------------------------------81.合理支护强度------------------------------------------------82.支架额定阻力------------------------------------------------83.支柱的初撑力------------------------------------------------8三、支架类型确定---------------------------------------------- 9小结---------------------------------------------------------------10参考资料-----------------------------------------------------------11基础资料一、工作面条件所采煤层为近水平煤层，某综采工作面面长200米，煤层情况和围岩条件详见表1，工作面内无断层，水文条件简单。
课程编号：012102《矿山压力及岩层控制》（Ground Pressure and Strata Control）课程教学大纲48学时 3学分一、课程的性质、目的及任务《矿山压力与岩层控制》课程是采矿工程专业必修的专业核心课程和主干课程。
该课程全面反映了我国矿山压力与岩层控制研究方面所取得的科研成果和生产实践经验，适当介绍了可借鉴的国外相关理论和技术。
本课程的任务是使学生掌握：煤矿回采工作面和采区巷道矿山压力及其控制的基本理论和基础知识，采掘空间周围岩体内的应力重新分布规律，回采工作面围岩结构及其移动、破坏规律，支架－围岩相互作用关系以及矿山压力的控制方法等。
通过课程学习，使学生能够针对矿山生产地质条件，合理布置巷道和回采工作面，合理设计回采工作面顶板和巷道围岩的控制方法，掌握防治顶板事故和冲击地压预测、预防技术。
了解矿山压力研究的基本方法，具备分析和解决矿山压力问题的能力。
二、适用专业采矿工程。
三、先修课程材料力学、岩石力学。
四、课程的基本要求1．掌握矿山压力、矿山压力显现、矿山压力控制等基本概念，了解研究矿山压力的目的、意义。
2．掌握开采空间围岩应力重新分布规律，原岩应力、构造应力、支承压力、极限平衡状态、超前支承压力、残余支承压力等概念，岩体内的弹性变形能。
3．掌握回采工作面及其采空区上覆岩层所形成的“竖三带”与“横三区”；掌握直接顶的稳定性，老顶岩层“梁”与“板”模型，老顶岩层破断块体形成的“砌体梁”结构及其稳定性；了解“关键层”理论、采场岩层移动与控制以及底板岩层破坏规律。
4．掌握回采工作面老顶初次来压、周期来压及其来压步距；掌握矿山压力显现的影响因素，顶板压力的构成及其估算，老顶来压预报方法。
5．掌握直接顶分类与老顶分级。
掌握工作面支架与围岩相互作用关系，工作面支架的基本类型和性能，支架合理工作阻力的构成及其估算；支撑式、掩护式、支撑掩护式支架的特点及其适应条件。
掌握综采工作面端面顶板稳定性影响因素；综放工作面顶板稳定性影响因素。
《矿⼭压⼒及岩层控制》教学⼤纲《矿⼭压⼒及岩层控制》教学⽂件⼀、课程⼤纲（⼀）⼤纲说明1.课程的任务本课程是煤矿开采技术专业的⼀门重要的必修课。
《矿⼭压⼒及岩层控制》主要介绍了回采⼯作⾯和采区巷道矿⼭压⼒及其控制的基本理论和基本知识。
通过本课程的学习使学⽣对矿⼭压⼒的产⽣及应采取的控制措施有⼀个较为全⾯的了解，为学⽣以后的⽣产实践奠定较为全⾯⽽扎实的理论基础。
2.课程的教学基本要求以矿⼭压⼒基本概念的讲解为前体，突出矿压与岩层控制的具体应⽤。
将课程模块化分为采煤⼯作⾯和掘进⼯作⾯，每⼀部分均简要阐述原理，⽽后重点分析⼯作⾯的矿⼭压⼒显现规律，最终落脚于矿⼭压⼒的控制。
3.教学⽅法和教学形式本课程采⽤远程教学和⾯授辅导相结合的⽅式开展教学。
远程教学包括学⽣收看⽹上的IP课件和⽹上教学辅导等教学形式；⾯授辅导考虑学⽣在职和成⼈的特点和需求，在业余时间进⾏有针对性的学习指导。
（⼆）媒体使⽤和教学过程建议1.课程教学总时数和学分本课程3学分，共24学时，开设于第三学期。
2.教学媒体（1）⽂字教材⽂字教材采⽤《矿⼭压⼒与岩层控制》，主编：蒋⾦泉。
中国矿业⼤学出版社（2007年11⽉版）。
（2）压缩流媒体（IP）课件针对课程教学内容中的重点、难点，录制系统讲解的视频课件。
IP课件总学时为24学时。
3.教学环节（1）⾯授辅导与⾃学⾯授辅导依据教学⼤纲，密切配合IP课件和教学辅导资源，采⽤重点讲解、专题讨论、答疑等⽅式，通过解题思路分析和基本⽅法训练，培养学⽣分析问题和解决问题的能⼒。
（2）考试成绩本课程采⽤形成性考核和终结性考核相结合的⽅式。
形成性考核包括3次（最少）平时作业，平时作业成绩占学期总成绩的50%。
终结性考核即期末考试，期末考试成绩占学期总成绩的50%。
课程总成绩按百分制记分，60分为合格。
4.学时分配（三）教学内容和教学要求1.绪论（2学时）（1）了解矿⼭压⼒及其控制的基本概念和学习本课程的意义。
采矿与安全工程实验教学中心－采矿工程实验指导书中国矿业大学（北京）采矿与安全工程实验教学中心目录第一部分矿山压力及其控制－实验指导书 (1)实验1 相似材料模拟试验 (1)一、实验目的 (1)二、原理说明 (1)三、实验设备 (3)四、实验内容 (5)五、实验注意项 (6)六、思考题 (6)七、实验报告 (6)实验2 矿压观测仪器仪表的使用 (6)一、实验目的 (6)二、原理说明 (6)三、实验设备 (10)四、实验内容 (12)五、实验注意项 (16)六、思考题 (16)七、实验报告 (16)第二部分采矿方法与地下工程—实验指导书 (17)实验1 采矿方法与地下工程实验 (17)一、实验目的 (17)二、实验原理 (17)三、实验设备 (17)四、实验内容 (18)五、实验注意项 (18)六、思考题 (18)七、实验报告 (18)第三部分充填实验室－实验指导书 (19)实验1 充填材料性能实验 (19)一、实验目的 (19)二、原理说明 (19)三、实验设备 (19)四、实验内容 (19)五、实验注意项 (20)六、思考题 (20)七、实验报告 (20)实验2 充填料浆管道输送试验 (20)一、实验目的 (20)二、原理说明 (21)三、实验设备 (21)四、实验内容 (21)五、实验注意项 (21)七、实验报告 (22)第四部分煤矿开采实验室—实验指导书 (23)实验1 倾斜分层采煤法、煤层群巷道布置 (23)一、实验目的 (23)二、原理说明 (23)三、实验设备 (23)四、实验内容 (23)五、实验注意项 (23)六、思考题 (24)七、实验报告 (24)实验2 近水平煤层开采 (24)一、实验目的 (24)二、原理说明 (24)三、实验设备 (25)四、实验内容 (25)五、实验注意项 (25)六、思考题 (25)七、实验报告 (26)实验3 急倾斜煤层开采 (26)一、实验目的 (26)二、原理说明 (26)三、实验设备 (26)四、实验内容 (26)五、实验注意项 (27)六、思考题 (27)七、实验报告 (27)实验4 矿井开拓 (27)一、实验目的 (28)二、原理说明 (28)三、实验设备 (28)四、实验内容 (28)五、实验注意项 (28)六、思考题 (28)七、实验报告 (29)实验5 采煤工艺与矿井开发 (29)一、实验目的 (29)二、原理说明 (29)三、实验设备 (29)四、实验内容 (30)五、实验注意项 (30)六、思考题 (30)七、实验报告 (30)实验6 矿井开采和生产系统 (31)二、原理说明 (31)三、实验设备 (31)四、实验内容 (31)五、实验注意项 (31)六、思考题 (32)七、实验报告 (32)第五部分工业工程原理—实验指导书 (33)实验1 流程程序分析 (33)一、实验目的 (33)二、实验步骤 (33)三、实验设备 (33)四、实验内容 (33)五、实验注意事项 (34)六、实验报告要求 (35)实验2 双手操作分析 (35)一、实验目的 (35)二、实验步骤 (35)三、实验设备 (36)四、实验内容 (36)五、实验注意事项 (36)六、实验报告要求 (37)第六部分工程CAD上机—实验指导书 (38)实验1 《工程CAD》上机实验 (38)一、实验目的 (38)二、实验步骤 (38)三、实验设备 (38)四、实验内容 (38)五、实验注意事项 (39)六、实验报告 (39)第七部分设施规划与物流分析－实验指导书 (40)实验1 设施规划与物流分析实验指导书 (40)一、实验目的 (40)二、实验原理 (40)三、主要实验设备及仪器 (40)四、实验内容 (40)五、生产线平衡与工位布置的实验内容与要求 (40)六、思考题 (42)七、实验报告 (42)第八部分生产计划与控制—实验指导书 (43)实验1 用Excel Solver解生产计划问题上机实验 (43)一、实验目的 (43)二、实验步骤 (43)三、实验设备 (43)五、实验注意项 (44)六、实验报告 (44)第九部分系统工程－实验指导书 (45)实验1 用项目管理软件编制和优化矿山项目进度计划 (45)一、实验目的 (45)二、实验步骤 (45)三、实验设备 (45)四、实验内容 (46)五、实验注意项 (47)六、实验报告 (47)实验2 建立线性规划配采（煤）模型并上机解算 (47)一、实验目的 (47)二、实验步骤 (47)三、实验设备 (48)四、实验内容 (48)五、实验注意事项 (48)六、实验报告 (49)第十部分工业企业财务管理—实验指导书 (50)实验1 成本计算的品种法实训 (50)一、实验目的 (50)二、实验步骤 (50)三、实验设备 (50)四、实验内容 (50)五、实验注意事项 (59)六、实验报告要求 (59)第一部分矿山压力及其控制－实验指导书课时：2个学时先修课程：煤矿开采学、岩土工程、矿山地质学实验1 相似材料模拟试验一、实验目的掌握相似材料模拟实验的主要作用、主要方法了解相似材料模拟试验的基本理论：三个相似定律了解相似材料的组成：主料、骨料、胶结物等了解影响相似材料强度的因素掌握模拟岩层的非连续面（如断层、层理、节理等）的方法了解相似材料模拟实验的基本步骤了解相似材料模拟实验的观测、数据采集方法二、原理说明相似材料模拟试验的基本理论：三个相似定律相似理论是研究模型与其代表的原型之间相似性质与规律的理论，由三个基本定律组成。
矿山压力与岩层控制实习指导书1. 实习目的本次实习的主要目的是让学生们了解矿山压力与岩层控制的基本概念和处理方法，增强对矿山安全的认识和应变能力，提高实践技能。
2. 实习内容本次实习分为三个部分，分别是矿山压力测量、岩层控制技术和矿山安全应急处理。
2.1 矿山压力测量在矿山开采和运输过程中，由于地形、地质、人为因素等影响，会产生各种不同形式和程度的压力。
采用科学、规范的方法进行矿山压力的测量，有助于提早预警并处理潜在的安全隐患。
学生们将掌握以下内容：•矿山压力的来源和影响因素。
•矿山压力测量的基本原理和方法。
•矿山压力数据采集和分析技术。
2.2 岩层控制技术岩层控制技术是指在地下开采中，通过采用加强和限制措施，使矿山岩壁稳定，减少或预防地质灾害的发生。
学生们将学习以下内容：•岩层控制技术的种类和特点。
•岩层控制计划的编制方法和实施步骤。
•岩层控制后效果的评估和监测方法。
2.3 矿山安全应急处理矿山是一个安全事故易发区域，尤其是在地下开采中常见挖斜、边坡坍塌等情况，因此必须建立科学的应急处理机制，提高面对突发事件的能力。
学生们将学习以下内容：•矿山安全应急处理的基本原则和流程。
•矿山事故中的应急战术和技术。
•实际矿山安全应急演练。
3. 实习设施为了确保实习效果和安全，学校将为每组学生配备必要的设备和器材，包括：•矿山压力计、量规、测量仪器等。
•岩层控制装备、安全帽、救生绳等。
•安全检测仪、防毒面罩等。
同时，学校将邀请专业老师进行指导，确保整个实习过程的安全和顺利进行。
4. 实习注意事项•在实习班次开始前，必须认真阅读实习手册，了解实习要求、安全注意事项等内容。
•在实习过程中，必须严格按照安全、规范操作，并做好安全防护工作。
•在进行岩层控制操作时，务必根据地质条件和实际情况选择合适的控制方式。
•在进行矿山安全应急演练时，必须根据现实情况认真实施应急处理措施，并遵守统一指挥原则，充分发挥小组协作作用。
《矿山压力及其控制》实验指导书
实验一相似材料模拟
一、实验目的
本实验的目的是训练和培养学生对相似模拟概念，使其具有一定的科研能力，了解矿井生产在时间和空间上的配合关系,巩固课堂教学所学专业知识,使学生进一步深入了解和掌握矿山压力及其控制，从而提高学生理论联系实际,分析和解决实际问题的能力,主要是以下几个方面：
1．了解相似模拟的理论基础；
2．掌握相似模拟模型的设计方法；
3．了解相似模拟在矿山中的应用；
4．根据设计的方案，制作实验模型，并观察记录整个实验过程，分析实验现象和实验规律。
二、实验设备
1．相似模拟模型架
2．DQ-2.5电子式强力试验机
3．静态应变测试系统
4．试模若干
5．位移计、应变片、微型压力盒
三、实验步骤
1．向学生讲述相似模拟的发展方向及应用；
2．讲述相似模拟在矿山中的应用；
3．学生根据给定的实验条件设计采矿相似模拟方案；
4．根据方案制作实验模型，并观察记录整个实验过程，分析实验现象和实验规律。
四、实验内容
(一)理论基础
欲使模型与实体相似，必须满足各对应量成一定比例关系及各对应量所组成的数学物理方程相同。
具体说来，要保证模型和实体下列三方面相似：
1．几何相似：
要求模型与实体几何形状相似。
因此，要求长度比αL为常数，即，αL＝L H /L M为常数。
式中：L表示广义长度，脚标H表示实体，M表示模型，下同。
通常模拟采场αL＝50—100，模拟巷道αL＝20—50。
2．运动相似：
要求模型与实体所有各对应点的运动情况相似。
即要求备对应点的速度、加速度、运动时间等都成一定比例。
因此，要求时间比αt为常数，即αt= t H / t M ,式中t表示各对应点完成沿几何相似的轨迹运动所需时间。
3．动力相似：
要求模型与实体的所有作用力都相似。
矿山压力主要考虑覆岩自重，因此，要求重力相似，使容重比αγ为常数，即αγ= γH /γM 。
式中γ为容重。
由“αL，αt ，αγ依各对应量间所组成的物理方程式，还可推得位移、应变、应力等其它比例关系，例如，应力比为ασ=αLαγ
其中σ——对应点应力。
(二)相似材料模型法·
这种方法借助于石膏或石蜡为胶结物的人工材料，参照现场实际条件，以不同配比装成平面或立体模型，研究回来工作面上覆岩层移动，岩体应力状态，支承压力及图岩与支架相互作用关系等问题。
实践证明，用它研究采动后地表及围岩变形、移动和垮落过程及影响范围是有效的。
研究采空区及回采空间上覆岩层破坏特征的模型照片如图1所示。
相似材料是装在模型架上试验的。
如图2所示，平面模型架的主体由槽钢和角钢或角铁组成，架子两边上有孔，用以固定模扳。
架子尺寸主要取决于αL，一般长2—6m，高1.5—
2.5m,宽0.1—0.25 m。
五、相似材料模型制作、试验程序及注意事项如下：
1．选定模型比例：一般为1:50或l:100，使模型形状大小与实体几何相似。
2．选定材料配比:常用的相似材料以石膏为胶结物，混入砂子、石灰和高岭土等。
其强度和容重要保证与实体力学相似。
3．装料制作模型：架设好模板后，将按配比搅匀的材料分层倒入模型架，然后耙平、压紧，并在分层间用云母粉隔离。
装料前应做好充分准备，装填要求速度快，一次装完。
与此同时，按计划装入观测仪器，如电阻应变仪。
4．加载准备采动：模型采深模拟主要靠回采工作面上覆岩层自重，如不足，还可用杠杆和千斤项加载。
与此同时，用有机玻璃维护好模型，以防采动后模拟岩层流失。
并安置好岩层移动测点等，为观测作好一切准备。
5．采动观测记录：按观测目的或开掘出巷道，或按确定截深连续或间隔回来煤层，形成工作面。
与此同时进行观测和拍照。
围岩位移可用网格法、千分表、电阻应变仪、定时照相等方法测定。
支架压力和岩体应力可直接用液压测力计或通过围岩变形和应变间接的测定。
在采动观测记录过程中，要注意湿度、温度，以及模拟工艺的影响。
应保证模型上出现的矿压显现与实体上发生的矿压显现近似。
图1
图2
六、实验结果
1．根据给定的条件，设计得到采矿相似模型设计方案。
2．相似材料模型制作、试验程序及注意那些事项？
3．在加压过程中，记录得到的应力应变数据，并描述实验模型的变化情况。
4．根据实验数据和实验现象，分析反映的矿山压力显现规律。
实验二支护设备使用
一、实验目的
1．了解几种主要的几种仪器的使用情况。
2．掌握单体支柱，液压支架的特点
3．各类锚杆的特点
二、实验设备
1．金属摩擦单体支柱，液压单体支柱；
2．液压支架模型；
3．各类锚杆
三、实验步骤
通过各种仪器的演示使学生能今后对现场工作有一定的适应能力。
四、实验内容
1.了解金属摩擦单体支柱的结构和工作原理。
（略）
2．掌握液压单体支柱的分类、结构特点、工作原理及适用条件。
分类：
液压单体支柱分为外注油式和内注油式。
内注油式：使用工作介质是机油，通过摇动手把，操纵支柱内手摇泵，把油从低压腔压入高压腔，通过安全阀保持额定工作阻力，手摇泵最大油压可达70－100kN。
外注油式：靠外部供油，油压取决于外部油泵压力大小。
工作原理：
内注式——升柱时，操纵液压泵，无压油自活柱腔内通过吸油孔进入泵体。
再经过活塞加压，自单向球阀压至柱体内，使得活柱上升。
当支柱超过额定工作阻力时，工作液由通道进入安全阀，保持工作阻力恒定。
支柱卸载时，操纵把手，打开卸载阀，工作液从柱体腔内经过中心通道，经卸载阀流入活柱上腔。
图1 外注式和内注式单体液压支柱结构示意图
外注式：靠外部泵站经管路系统通过注液枪向支柱供液。
回收时打开卸载阀，把工作介质排到支柱外部，活柱靠自重和弹簧力回缩。
各自结构特点：
1）外注式需管路系统，柱体内不需手摇泵，结构简单，重量轻，成本低，内注式灵活；2）外注式要消耗乳化液； 3）外注式支设速度由液压泵流量决定。
流量大，支设快。
适用条件：
内注式——薄煤层，工作面行人困难，来回拉枪困难。
外注式——缓及倾斜中厚煤层工作面中。
3．液压支架的基本分类、各自的结构特点和适用条件。
我国将液压支架分为三类：支撑式、掩护式、支撑掩护式。
1）支撑式：结构上没有掩护梁，对顶板的作用是支撑。
图2 支撑式支架
支撑式支架支护性能：支撑力大，作用点在支架中后部，切顶性能好；对顶板重复支撑次数多，易把完整的顶板压碎；抗水平载荷能力差，稳定性差；护矸能力差，矸石易窜入工作空间；支架工作空间和通风断面大。
适用条件：适应于缓倾斜、顶板稳定的薄与中厚煤层。
2）掩护式：结构上有掩护梁，单排立柱连接掩护梁或直接支撑顶梁对顶板起支撑作用。
掩护式支架支护性能：支撑力较小，切顶性能差，顶梁短，支撑力集中在靠近煤壁顶板，支护强度较大、均匀，掩护性好，能承受较大水平推力，对顶板反复支撑次数少，能带压移架。
图3 掩护式支架
适用条件：顶梁短，立柱倾斜布置，作业空间和通风断面小。
用于直接顶中等稳定以下，顶板周期来压不强烈的采煤工作面。
3）支撑掩护式：结构上有掩护梁，双排或多排立柱大部或全部通过顶梁对顶板起支撑作用。
支撑掩护式支架支护性能：顶梁长度较掩护梁长，增加了支撑力，缩短了掩护梁长度，同时改善了支架底座与底板受力情况。
但控顶距加大，支架昂贵，重量较大，支架结构复杂。
适用条件：适用于直接顶中等稳定、稳定和坚硬，周期压力强烈，底板软硬均可，煤层倾角一般不大于25°，煤层厚度1～4.5m，沼气涌出量适中的采煤工作面。
图4 支撑掩护式支架
4．常见锚杆
1)木锚杆。
我国使用的木锚杆有两种，即普通木锚杆和压缩木锚杆。
2)钢筋或钢丝绳砂浆锚杆。
以水泥砂桨作为锚杆与围岩的粘结剂。
3)倒楔式金属锚杆。
这种锚杆曾经是使用最为广泛的锚杆形式之一。
由于它加工简单，安装方便，具有一定的锚固力，因此这种锚杆在一定范围内至今还在使用。
4)管缝式锚杆。
是一种全长摩擦锚固式锚杆。
这种锚杆具有安装简单、锚固可靠、初锚力大、长时锚固力随围岩移动而增长等特点。
5)树脂锚杆。
用树脂作为锚杆的粘结剂，成本较高。
6)快硬膨胀水泥锚杆。
采用普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥加入外加剂而成，具有速凝、早强、减水、膨胀等特点。
7)双快水泥锚杆。
是由成品早强水泥和双快水泥按一定比例混合而成的。
具有快硬快凝、早强的特点。
五、实验结果
1．请分析掩护式液压支架的特点？
2．比较金属摩擦单体支柱和液压单体支柱的使用特点。
3．你认为目前有那些仪器，谈谈你的看法，今后发展那些仪器有前景。
