矿山压力课程设计
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
01
姓名：
班级一
学号：—
指导老师：吴锋锋
2015622
目录
矿山压力与岩层控制课程设计 (3)
1 课程设计的目的 (3)
2课程设计的内容 (3)
3课程设计资料 (3)
3.1 工作面地质条件 (3)
3.2 工作面生产技术条件 (5)
3.3 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10
2.1直接顶初次跨落步距： (10)
2.2老顶初次断裂步距如下： (11)
2.3老顶初次断裂步距如下： (12)
三:结合三铰拱平衡理论，计算上覆岩层“三带”中垮落带高度；13
(13)
1:什么是三铰拱平衡理论？
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； (14)
1液压支架的基本形式 (14)
2.1顶底板性质 (14)
2.2煤层条件 (15)
2.3经济成本 (16)
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。
(19)
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1~2,盖山厚度292~480m。煤层底板标高488~624m,地面标高780~1104叶工作面所采煤层厚度4.56~6.83m,平均6.30m，煤层倾角为1~14o,平均5°。工业储量6439345.35t, 可采储量6246165t。
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0.20 m；直接顶为灰黑色层理发育的砂质泥岩，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 2.80 m；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
C29细粒砂岩0.765.180.57.127640 C28砂质泥岩 6.740.869.8 5.9727280 C27砂岩层20.0568.7584.6 4.83527630 C26砂质泥岩 6.140.869.8 5.9727280 C25细粒砂岩165.180.57.127640 C24泥岩0.81836.7 2.527420 C23砂质泥岩 4.740.869.8 5.9727280 C22细粒砂岩 2.965.180.57.127640 C21泥岩 1.151836.7 2.527420 C20砂质泥岩 2.4540.869.8 5.9727280 C19细粒砂岩0.965.180.57.127640 C18泥质砂岩340.869.8 5.9727280 C17细粒砂岩 1.8565.180.57.127640 C16泥岩 1.41836.7 2.527420 C15砂质泥岩 1.240.869.8 5.9727280 C14细粒砂岩 1.6565.180.57.127640 C13泥质砂岩 1.540.869.8 5.9727280 C12泥岩11836.7 2.527420 C11砂质泥岩 1.540.869.8 5.9727280 C10细粒砂岩 1.565.180.57.127640 C9砂质泥岩11.3540.869.8 5.9727280 C8中粒砂岩 3.572.488.7 6.5727620 C7砂质泥岩15.140.869.88.9727280 C6砂质泥岩540.869.8 5.9727280 C5细粒砂岩 2.165.180.57.127640 C4泥岩 6.11836.7 2.527420 C3中粒砂岩7.172.488.7 6.5727620 C2砂质泥岩 2.6340.869.8 5.9727280 C13号煤 6.38.417.550.7315530
3.2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 1.15~1.33;直接顶碎胀系数，可
取为1.33~1.50。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
(1式中:q1 ( x ) m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
⑵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)|m ⑶ 将式(1) , ( 2)代入式(3)并化简可得 m E m1h；「h i i ■ m/' E i h： i=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 m E m 汕m 辽 hJ i 7m +S E i h 往上逐层计算 「3 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.0 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 5 T (k= 1,2,…,n), ⑸ 式中:h k 为第k 层硬岩层的厚度，m;R k 为第k 层硬岩层的抗拉强度，MPaq 为第 k 层硬岩层承受的载荷,MPa. 由式(1)可知,q k 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 式(6),(7)中，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;m k 为第k 层硬岩层所控软岩层的层数；E k,j ,h k,j ,C k,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j= 0时，即为硬岩层的力学参数 例如E 1,0,h 1,0,C 1,0分别为第1层硬岩层的弹性模 量、厚度及容重,E 1,1,h 1,1,C 1,1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 lkvlk+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 层硬岩层的破断距?若重 q k m k = E k,0h k,0 二 h k,j k,j i =0 m k -■ E k,j h k,j j =0 (k= 1,2,…-n). 新计算的第k 层硬岩层的破断距小于第k+1层硬岩层的破断距,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+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，其载荷作用于第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lkvlk+1(k=1,2,…,n-1)是否成立，及当 lk>lk+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 q 2 二小2 =27280*2.63=71.7(kPa) 按两端固支梁分别计算C2, C3岩层的破断距: "h 2、2R 2 二 '■ q 2 33.9m l 3 =人3 i '(q 6 )3 40.4m ((q 6 )3 由下面计算可知) 所以C3为关键层。 E 3h/( 3h 3 4h 「s h s 6馆 7h 7)= 142.63kPa 按两端固支梁分别计算C3, C7岩层的破断距: (q 3)2 2h 2 3h 3 )_ 40.8*2.63 3 (0.02728*2.63 0.02762*7.1) E z h ； E 3h 3 3 3 72.4*7.1 40.8*2.63 =7.46kPa 2R 3 q 3 7* h 3 =0.02762*7.1 = 196.102kPa (q ) E 3h\ 4h 4 3h 3) (q Z E 4h ： E 3h 3 313.88kPa (q 5)3 虽 3^ 4^ 5h 5 )二 E 3h 3 E 4h 4 E s h s 356.84kPa (q 6)3 _ E3 h\ 3h 3 4h 4 s h s 6 馆) E s h 3 乍4忙 E s h ； E 6h 6 404.87kPa (q 7)3 E s h E q h ： E shs E 6h 3 E 7h ；