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1、中国矿业大学矿业工程学院矿山压力与岩层控制课程设计7 OF m2姓 名：班 级一学 号：指导老师：吴锋锋2015.6.22目录矿山压力与岩层控制课程设计31 课程设计的目的 32 课程设计的内容 33 课程设计资料 33.1 工作面地质条件 33.2 工作面生产技术条件 53.3 其它参数 5一依据岩层控制的关键层理论，确定主、亚关键层位置； 6二计算直接顶初次跨落步距，老顶初次断裂步距，老顶周期来压步距 112.1 直接顶初次跨落步距： 112.2 老顶初次断裂步距如下： 122.3 老顶初次断裂步距如下： 14三 :结合三铰拱平衡理论，计算上覆岩层“三带”中垮落带高度； 15151：什么是
2、三铰拱平衡理论？四：依据液压支架选型原则及步骤，考虑大采高综采、综采放顶煤（采煤机割煤高度2.5m ）开采 2 种条件，分别计算顶板压力大小，进行液压支架工作的合理选型，画出支架简图； 161 液压支架的基本形式 162.1 顶底板性质 162.2 煤层条件 182.3 经济成本 19五： 假定回采巷道选用锚网支护， 理论计算确定锚杆的型号、 间排距及支护方案简图。 22矿山压力与岩层控制课程设计1 课程设计的目的矿山压力与岩层控制课程设计是 矿山压力与岩层控制采矿专业主干课程的一个重要实践环节。 通过课程设计使学生了解和掌握矿山压力与岩层控制的研究方法， 加深对课程知识的理解， 为以后的毕业
3、设计及矿压理论研究奠定基础，使学生具备运用该方法解决采矿工程实际问题的能力。2 课程设计的内容结合某一给定回采工作面的地质及生产技术条件， 设计完成以下内容， 并配有必要的图表。2）依据覆岩岩性特征，采用力学分析计算直接顶初次垮落步距，老顶初次断裂步距，老顶周期来压步距；3）结合三铰拱平衡理论，计算上覆岩层“三带”中垮落带高度；4）依据液压支架选型原则及步骤，考虑大采高综采、综采放顶煤（采煤机割煤高度2.5m）开采2种条件，分别计算顶板压力大小，进行液压支架工作的合理选型，画出支架简图；5）假定回采巷道选用锚网支护，理论计算确定锚杆的型号、间排距及支护方案简图。3 课程设计资料3.1 工作面地
4、质条件某综采工作面井下位置西为东四辅撤运输巷，北为正在掘进的另一工作面，南为另一工作面采空区，东为矿界，工作面之间留有60m的煤柱。所采煤层为3#煤层，煤体黑色，条带状结构，中部夹 0.2m厚泥岩，赋存稳定，变异系数为0.08%,可采指数为1.0。煤的容重1.46t/m3,煤质普氏硬度 12,盖山厚度292480mo煤层底板标高 488624m,地面标高7801104mo工作面所采煤层 厚度4.566.83m,平均6.30m,煤层倾角为114o,平土5。工业储量6439345.351可采储量62461651依据该工作面钻孔数据，煤层上方伪顶为黑色炭质泥岩，层厚为0.20m；直接顶为灰黑色层理发
5、育的砂质泥岩， 层厚2.43m；老顶为浅灰色的坚硬中粒砂岩，成份以石英，长石为主，层厚 7.10m；直接底为灰黑色砂质泥岩，中厚层状，有斜节理，含云母碎片，中夹薄层细砂岩，层厚2.80m；老底为黑灰色泥岩，有节理，质不坚硬，局部夹薄层状砂泥岩、粉砂岩，层厚7.52m=工作面上覆岩层及其物理力学参数如表1所示。表1覆岩岩层其物理力学参数厚度/m/Mpa/Mpa/MpaN/m 3C30砂质泥岩6.640.869.85.9727280C29细粒砂岩0.765.180.57.127640C28砂质泥岩6.740.869.85.9727280C27砂岩层20.0568.7584.64.83527630C
6、26砂质泥岩6.140.869.85.9727280C25细粒砂岩165.180.57.127640C24泥岩0.81836.72.527420C23砂质泥岩4.740.869.85.9727280C22细粒砂岩2.965.180.57.127640C21泥岩1.151836.72.527420C20砂质泥岩2.4540.869.85.9727280C19细粒砂岩0.965.180.57.127640C18泥质砂岩340.869.85.9727280C17细粒砂岩1.8565.180.57.127640C16泥岩1.41836.72.527420C15砂质泥岩1.240.869.85.9727
7、280C141.6565.180.57.127640C131.540.869.85.9727280C12泥岩11836.72.527420C11砂质泥岩1.540.869.85.9727280C10细粒砂岩1.565.180.57.127640C9砂质泥岩11.3540.869.85.9727280C8中粒砂岩3.572.488.76.5727620C7砂质泥岩15.140.869.88.9727280C6砂质泥岩540.869.85.9727280C5细粒砂岩2.165.180.57.127640C4泥岩6.11836.72.527420C3中粒砂岩7.172.488.76.5727620C
8、2砂质泥岩2.6340.869.85.9727280C13号煤6.38.417.550.73155303.2 工作面生产技术条件工作面顺槽沿煤层底板布置，设计为矩形断面，采用锚网支护方式，断面大 小均为5.0X 3.8m。切眼为8.5X 3.8m的矩形断面。工作面采用全部机械化的走向 长壁大采高后退式自然垮落综合机械化采煤方法。工作面设计采高为6.0m。3.3 其它参数老顶及其上附加岩层的碎胀系数，可取为 1.151.33;直接顶碎胀系数，可取为1.331.5Q也可参照矿山压力与岩层控制教材中的相关参数取值。.依据岩层控制的关键层理论，确定主、亚关键层位置；将对岩体局部或直至地表的全部岩体的运
9、动起控制作用的坚硬岩层称为关键层，前者称为亚关键层，后者称为主关键层 关键层判别方法分为以下3个步骤 进行：第1步，由下往上确定覆岩中的坚硬岩层位置.此处的坚硬岩层非一般意义 上的坚硬岩层，它是指那些在变形中挠度小于其下部岩层，而不与其下部岩层协 调变形的岩层.假设第1层岩层为坚硬岩层，其上直至第 m层岩层与之协调 变形，而第m+ 1层岩层不与之协调变形，则第m + 1层岩层是第2层坚硬岩 层.由于第1层至第m层岩层协调变形，则各岩层曲率相同，各岩层形成组合 梁，由组合梁原理可导出作用在第 1层硬岩层上的载荷为mmQiglm = E i h hy/E EJ】: (1)式中：q1 ( x ) m
10、为考虑到第m层岩层对第1层坚硬岩层形成的载荷；hi , i , Ei分 别为第i岩层的厚度、容重、弹性模量(i = 1,2,，m).考虑到第m + 1层对第1层坚硬岩层形成的载荷为m + 1 m + 1十 i = Eh,E %匕/ Ejh: (2)由于第m + 1层为坚硬岩层，其挠度小于下部岩层的挠度，第m + 1层以上岩层已不再需要其下部岩层去承担它所承受的载荷，则必然有Ql(x)|mQl(x)|m+ 1将式(1) , ( 2)代入式(3)并化简可得Em1hm21hii m1 Eihi3i 1式(4)即为判别坚硬岩层位置的公式.具体判别时，从煤层上方第1层岩层开始mE dh2 d h . m
11、 1Eihm 1m 1 i i m 1 i往上逐层计算i 1 及当满足式(4)则不再往上计算，此时从第1 层岩层往上第m+1层岩层为第1层硬岩层.从第1层硬岩层开始，按上述方法确定 第2层硬岩层的位置，以此类推,直至确定出最上一层硬岩层(设为第n层硬岩层).通过对坚硬岩层位置的判别，得到了覆岩中硬岩层位置及其所控软岩层组第2步，计算各硬岩层的破断距.坚硬岩层破断是弹性基础上板的破断问题，但 为了简化计算，硬岩层破断距采用两端固支梁模型计算，则第k层硬岩层破断距Lk可由下式计算lk hk.2:(k= 1,2,，n),(5)式中:hk为第k层硬岩层的厚度，m;Rk为第k层硬岩层的抗拉强度，MPa;
12、q为第k层硬岩层承受的载荷,MPa.由式(1)可知,qk可按下式确定由于表土层的弹性模量可视为 0,设表土层厚度为H,容重为C,则最上一层硬岩层即第n层硬岩层上的载荷可按下式计算mkqk Ek,0hk,0 i 0,j k,jmkEk,j j 0(k= 1,2,.-中.(6)式(6),(7加，下标k代表第k层硬岩层;下标j代表第k层硬岩层所控软岩层组 的分层号；e为第k层硬岩层所控软岩层的层数；Ek,j,hk,j,Ck,j分别为第k层硬岩层所 控软岩层组中第j层岩层弹性模量、分层厚度及容重，单位分别为GPa,m,MN/m3.当上=0时，即为硬岩层的力学参数.例如E1,0h,0Q,0分别为第1层硬
13、岩层的弹性模量、厚度及容重，Ei,i,hi,i,Ci,i分别为第1层硬岩层所控软层组中第1层软岩的弹性 模量、厚度及容重.第3步，按以下原则对各硬岩层的破断距进行比较，确定关键层位置.1)第k层硬岩层若为关键层，其破断距应小于其上部所有硬岩层的破断距，即 满足 lklk+1 (k= 1,2，,n-1) . (8)2)若第k层硬岩层破断距lk大于其上方第k+1层硬岩层破断距，则将第k+1 层硬岩层承受的载荷加到第k层硬岩层上，重新计算第k层硬岩层白破断距.若重 新计算的第k层硬岩层的破断距小于第k+1层硬岩层白破断距，则取lk=lk+1.说明 此时第k层硬岩层破断受控于第k+1层硬岩层，即第k+
14、1层硬岩层破断前，第k层 硬岩层不破断，一旦第k+1层硬岩层破断，具载荷作用于第k层硬岩上，导致第k层 硬岩随之破断.这一现象在文献2的数值模拟研究中得到了证实，限于篇幅，在此 不作详细介绍.3)从最下一层硬岩层开始逐层往上判别lklk+1时重新计算第k层硬岩层破断距.例如，假设由第1,2步确定出覆岩中有3 层硬岩层各自破断距分别为L1,L2,L3,具体计算过程如下(q3)2E2h3( 2h23h3)E2h3E3h3q22h2 27280*2.63=71.7(kPa)340,8*2,63 (0.02728*2.630.02762*7.1)3372,4*7,140,8*2,63=7.46kPa按两端周支梁分别计算C2, C3岩层的破断距:l2
