矿山压力课程设计 Prepared on 22 November 2020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姓名：班级学号：指导老师：吴锋锋目录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）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，中部夹厚泥岩，赋存稳定，变异系数为%，可采指数为。
煤的容重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780~1104m。
工作面所采煤层厚度~，平均，煤层倾角为1~14o，平均5°。
工业储量，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；直接顶为灰黑色层理发育的砂质泥岩，层厚；老顶为浅灰色的坚硬中粒砂岩，成份以石英，长石为主，层厚；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；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。
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岩层序号岩性厚度/m 弹性模量/Mpa 抗压强度/Mpa 抗拉强度/Mpa 体积力（N/m3）C30 砂质泥岩27280 C29 细粒砂岩27640 C28 砂质泥岩27280 C27 砂岩层27630 C26 砂质泥岩27280 C25 细粒砂岩 1 27640 C24 泥岩18 27420 C23 砂质泥岩27280 C22 细粒砂岩27640 C21 泥岩18 27420 C20 砂质泥岩27280 C19 细粒砂岩27640 C18 泥质砂岩 3 27280 C17 细粒砂岩27640 C16 泥岩18 27420 C15 砂质泥岩27280 C14 细粒砂岩27640C13 泥质砂岩27280 C12 泥岩 1 18 27420 C11 砂质泥岩27280 C10 细粒砂岩27640 C9 砂质泥岩27280 C8 中粒砂岩27620 C7 砂质泥岩27280 C6 砂质泥岩 5 27280 C5 细粒砂岩27640 C4 泥岩18 27420 C3 中粒砂岩27620 C2 砂质泥岩27280 C1 3号煤15530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×。
切眼为×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。
其它参数老顶及其上附加岩层的碎胀系数，可取为~；直接顶碎胀系数，可取为~。
也可参照《矿山压力与岩层控制》教材中的相关参数取值。
一．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Q1(x )|m =E 1h 31∑h i m i=1γi /∑E i h 3im i=1 (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Q1(x )|m +1=E 1h 31∑h i m+1i=1γi /∑E i h 3i m+1i=1(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Q1(x )|m <Q1(x )|m +1 (3)将式( 1) , ( 2) 代入式( 3) 并化简可得311211i i m imi i m m h E h hE∑∑+=++>γγ(4)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层岩层开始往上逐层计算imi i m m h hEγ∑=++1211及hE i m ∑+1γ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kk kq R h l 2k = (k= 1,2,…,n), (5)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,MPa;q 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jk m j jk jk m i jk k k k h EhhE q kk,0,,0,30,0,∑∑===γ (k= 1,2,…,n -1) . (6)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 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lk<lk+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lk<lk+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==222h q γ27280*=(kPa)=++=333322332232223)()(h E h E h h h E q γγ33340.8*2.63(0.02728*2.630.02762*7.1)72.4*7.140.8*2.63++=按两端固支梁分别计算C2，C3岩层的破断距：==22222q R h l==36333)(2q R h l （36)(q 由下面计算可知）所以C3为关键层。
333*0.02762*7.1q h γ====++=333344334433334)()(h E h E h h h E q γγ =++++=35534433355443333335)()(h E h E h E h h h h E q γγγ =++++++=3663553443336655443333336)()(h E h E h E h E h h h h h E q γγγγ =++++++++=377366355344333776655443333337)()(h E h E h E h E h E h h h h h h E q γγγγγ按两端固支梁分别计算C3，C7岩层的破断距：==36333)(2q R h l==726777)(2q R h l （726)(q 由下面计算可知，且由下面可知C7关键层负载只到C(26）所以C7为关键层。
777h q γ===++=388377887737778)()(h E h E h h h E q γγ =++++=39938837799887737779)()(h E h E h E h h h h E q γγγ =++++++=310103993883771010998877377710)()(h E h E h E h E h h h h h E q γγγγ =++++++++=311113101039938837711111010998877377711)()(h E h E h E h E h E h h h h h h E q γγγγγ同理可求=712)(q ，=713)(q ，=714)(q ，=715)(q ，=716)(q ，=717)(q ，=718)(q ，=719)(q ，=720)(q ，=721)(q ，=722)(q ，=723)(q ，=724)(q ，=725)(q ，=726)(q ，=727)(q 。