大学生创新性实验采高与冒落带高度关系研究

郭文砚　刘建　赵光普　陶赛　芦冰

以中国矿业大学（北京）为例，通过采矿工程专业学生参加国家大学生创新性实验计划项目的具体情况，从采高与冒落带高度关系的课题实施情况对创新性实验计划进行了分析，对于国家大学生创新性实验计划的开展具有积极意义。

创新性实验计划 采高 冒落带

一、创新计划

国家大学生创新性实验计划（以下简称“创新计划”）是为在校大学生而设立、具有一定培养性质的资助项目，旨在探索并建立以问题和课题为核心的的教学模式，倡导以本科生为主体的创新性实验改革，调动学生的主动性、积极性和创造性，激发学生的创新思维和创新意识，在校园内形成创新教育氛围，建设创新教育文化，全面提升学生的创新实验能力。作为一名地矿类学校采矿系的学生，为了培养和提高自己的创新实践能力，并结合兴趣和本专业知识，我和同学积极联系本学院指导老师，并成功参与课题《采高与冒落带高度关系研究》，开始了课题的立项和实施。

二、前期准备

由于我们大部分成员还未学习专业课，对该课题涉及到的专业知识了解有限，这对我们来说既是一个机会，也是一个挑战。经过和导师的交流和沟通，在顺利完成项目申请书的同时，我们对该课题有了一定的了解。但仍需在前期阅读大量相关资料，进行讨论，对实验提出“创新”建议。

该课题为横向项目“同忻矿井综放顶板运移规律及控制技术研究”的子课题，研究不同采高条件下的冒落带高度变化规律，主要采用理论研究、实验模拟与现场实践相结合的方法。由于该研究是一个复杂系统问题，涉及大量力学、数学、地质、采矿等多学科知识，这就决定了首先要进行理论研究，并作一定的简化，继而进行相似模拟实验深入研究，最后通过工程实践进行验证总结。面对这些难题，我们没有知难而退，而是更加积极地阅读多个方面的文献，并上网搜集大量的相关资料，通过整理资料、交流经验、咨询导师，对采高、矿山压力、冒落带等专业知识有了一定的理论基础，对该课题的研究方向有更深层次的理解。前期的充分准备，不仅开阔了我们的思路，也为后期的实验室研究打下了坚实基础。

三、项目研究

随着理论学习的不断加深，我们小组也开始进入本项目最关键的相似模拟实验阶段。在老师的指导下，我们采用中国矿业大学（北京）相似模拟试验台，对煤岩层的实际物理力学性质进行相似模拟，将煤层以及上覆岩层按一定的几何比、容重比、强度比等相似常数，用煤、沙子、石膏、石灰等原材料模拟煤矿一定标高范围的煤层赋存情况。然后，在不同标高范围按一定间距布置多个测点，以便观测每点的位移量。之后，通过开采特定采高的煤层来观察冒落带以及岩层变形情况，并在一定的时间间隔内用经纬仪测定和记录测点的位移。最后，再用相应的数值分析方法处理数据，得出结论。整个实验过程不仅提高了小组成员的动手能力，更培养了我们观察、分析、提出和处理问题的思路，使理论与实践相结合，这也是该创新实验的一大创新之处。

四、结果分析

冒落带（或垮落带）是由采矿引起的上覆岩层破坏并向采空区垮落的岩层带。煤层开采后，将首先引起直接顶的垮落，并造成基本顶的断裂，引起应力重新分布，形成“砌体梁”结构。随着工作面的推进造成基本顶的周期来压，给采煤工作带来困难。煤层的开采必然引起岩体向采空区移动，引起采场和巷道顶板的下沉、垮落和来压现象。岩石破断后体积膨胀，使得在一定的破断之后岩石会充满采空区支撑上覆岩层。

根据公式：H=M/（K-1）cosα

其中：H为垮落带高度；K为冒落岩石碎胀系数；M为采高；cosα为煤层倾角的余弦值。

随着采高的增加，垮落带的高度增加，原来处于基本顶的岩层也处于了垮落带，不能形成“砌体梁”的结构，但仍以“悬臂梁”的结构形式产生周期破断和周期来压显现，周期来压的强度有所增大，来压的持续长度也有所增大，对工作面煤壁的稳定、巷道的支护造成更大的影响。

本实验通过采高与冒落带高度关系研究便于分析顶板运移规律和巷道支撑压力分布规律，提出有效的支护手段，从而保证矿井的安全生产，提高煤矿的生产效率，具有重要的现实意义和经济意义。不同采高条件下的冒落高度变化规律是矿压规律的一个重要方面，关于这方面的研究成果也相对较少，因此，通过理论研究、实验室模拟和现场实测得出的变化规律丰富了矿压理论，具有一定的理论意义。

五、结语

通过参与创新计划项目的实施，我们整个小组成员都收获颇丰。一方面，通过理论学习，我们提前掌握了许多专业知识，不仅培养了我们对专业课学习的兴趣，还为现阶段专业课的理解掌握打下一定的基础。另一方面，创新计划也为我们提供了进入实验室学习、使用先进设备的宝贵机会。小组成员通过原材料准备、模型制作、观察记录数据的分析处理数据等各个阶段的分工合作，达到了实验预期的成果，验证了不同采高对岩层冒落带的影响。而我们也这一整套流程中，培养了正确分析处理问题的能力，丰富了我们的经验，并充分提高了实践能力，让我们的科研思路更加开阔和严谨。

国家大学生创新性实验计划项目是我国在高等教育中实施素质教育的一种体现，通过在本科教育中不断开展和深化，有利于为国家和行业培养出复合型的优秀人才。因此，我们当代大学生应积极参与其中，不断进行思维创新，并学有所得、劳有所获，为建设创新型国家做出一份贡献。

参考文献：

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[3]张永强，邢继斌，杨永潇.煤体的动力学性质分析与超声波测试研究[J].产业与科技论坛，2011，10（20）：52.