郭文硯　劉建　趙光普　陶賽　蘆冰

以中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）為例，通過(guò)采礦工程專業(yè)學(xué)生參加國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目的具體情況，從采高與冒落帶高度關(guān)系的課題實(shí)施情況對(duì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行了分析，對(duì)于國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的開(kāi)展具有積極意義。

創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃 采高 冒落帶

一、創(chuàng)新計(jì)劃

國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃（以下簡(jiǎn)稱“創(chuàng)新計(jì)劃”）是為在校大學(xué)生而設(shè)立、具有一定培養(yǎng)性質(zhì)的資助項(xiàng)目，旨在探索并建立以問(wèn)題和課題為核心的的教學(xué)模式，倡導(dǎo)以本科生為主體的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)改革，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)，在校園內(nèi)形成創(chuàng)新教育氛圍，建設(shè)創(chuàng)新教育文化，全面提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。作為一名地礦類(lèi)學(xué)校采礦系的學(xué)生，為了培養(yǎng)和提高自己的創(chuàng)新實(shí)踐能力，并結(jié)合興趣和本專業(yè)知識(shí)，我和同學(xué)積極聯(lián)系本學(xué)院指導(dǎo)老師，并成功參與課題《采高與冒落帶高度關(guān)系研究》，開(kāi)始了課題的立項(xiàng)和實(shí)施。

二、前期準(zhǔn)備

由于我們大部分成員還未學(xué)習(xí)專業(yè)課，對(duì)該課題涉及到的專業(yè)知識(shí)了解有限，這對(duì)我們來(lái)說(shuō)既是一個(gè)機(jī)會(huì)，也是一個(gè)挑戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)和導(dǎo)師的交流和溝通，在順利完成項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)的同時(shí)，我們對(duì)該課題有了一定的了解。但仍需在前期閱讀大量相關(guān)資料，進(jìn)行討論，對(duì)實(shí)驗(yàn)提出“創(chuàng)新”建議。

該課題為橫向項(xiàng)目“同忻礦井綜放頂板運(yùn)移規(guī)律及控制技術(shù)研究”的子課題，研究不同采高條件下的冒落帶高度變化規(guī)律，主要采用理論研究、實(shí)驗(yàn)?zāi)M與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合的方法。由于該研究是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題，涉及大量力學(xué)、數(shù)學(xué)、地質(zhì)、采礦等多學(xué)科知識(shí)，這就決定了首先要進(jìn)行理論研究，并作一定的簡(jiǎn)化，繼而進(jìn)行相似模擬實(shí)驗(yàn)深入研究，最后通過(guò)工程實(shí)踐進(jìn)行驗(yàn)證總結(jié)。面對(duì)這些難題，我們沒(méi)有知難而退，而是更加積極地閱讀多個(gè)方面的文獻(xiàn)，并上網(wǎng)搜集大量的相關(guān)資料，通過(guò)整理資料、交流經(jīng)驗(yàn)、咨詢導(dǎo)師，對(duì)采高、礦山壓力、冒落帶等專業(yè)知識(shí)有了一定的理論基礎(chǔ)，對(duì)該課題的研究方向有更深層次的理解。前期的充分準(zhǔn)備，不僅開(kāi)闊了我們的思路，也為后期的實(shí)驗(yàn)室研究打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

三、項(xiàng)目研究

隨著理論學(xué)習(xí)的不斷加深，我們小組也開(kāi)始進(jìn)入本項(xiàng)目最關(guān)鍵的相似模擬實(shí)驗(yàn)階段。在老師的指導(dǎo)下，我們采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）相似模擬試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)煤巖層的實(shí)際物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行相似模擬，將煤層以及上覆巖層按一定的幾何比、容重比、強(qiáng)度比等相似常數(shù)，用煤、沙子、石膏、石灰等原材料模擬煤礦一定標(biāo)高范圍的煤層賦存情況。然后，在不同標(biāo)高范圍按一定間距布置多個(gè)測(cè)點(diǎn)，以便觀測(cè)每點(diǎn)的位移量。之后，通過(guò)開(kāi)采特定采高的煤層來(lái)觀察冒落帶以及巖層變形情況，并在一定的時(shí)間間隔內(nèi)用經(jīng)緯儀測(cè)定和記錄測(cè)點(diǎn)的位移。最后，再用相應(yīng)的數(shù)值分析方法處理數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程不僅提高了小組成員的動(dòng)手能力，更培養(yǎng)了我們觀察、分析、提出和處理問(wèn)題的思路，使理論與實(shí)踐相結(jié)合，這也是該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的一大創(chuàng)新之處。

四、結(jié)果分析

冒落帶（或垮落帶）是由采礦引起的上覆巖層破壞并向采空區(qū)垮落的巖層帶。煤層開(kāi)采后，將首先引起直接頂?shù)目迓?，并造成基本頂?shù)臄嗔?，引起?yīng)力重新分布，形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)。隨著工作面的推進(jìn)造成基本頂?shù)闹芷趤?lái)壓，給采煤工作帶來(lái)困難。煤層的開(kāi)采必然引起巖體向采空區(qū)移動(dòng)，引起采場(chǎng)和巷道頂板的下沉、垮落和來(lái)壓現(xiàn)象。巖石破斷后體積膨脹，使得在一定的破斷之后巖石會(huì)充滿采空區(qū)支撐上覆巖層。

根據(jù)公式：H=M/（K-1）cosα

其中：H為垮落帶高度；K為冒落巖石碎脹系數(shù)；M為采高；cosα為煤層傾角的余弦值。

隨著采高的增加，垮落帶的高度增加，原來(lái)處于基本頂?shù)膸r層也處于了垮落帶，不能形成“砌體梁”的結(jié)構(gòu)，但仍以“懸臂梁”的結(jié)構(gòu)形式產(chǎn)生周期破斷和周期來(lái)壓顯現(xiàn)，周期來(lái)壓的強(qiáng)度有所增大，來(lái)壓的持續(xù)長(zhǎng)度也有所增大，對(duì)工作面煤壁的穩(wěn)定、巷道的支護(hù)造成更大的影響。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)采高與冒落帶高度關(guān)系研究便于分析頂板運(yùn)移規(guī)律和巷道支撐壓力分布規(guī)律，提出有效的支護(hù)手段，從而保證礦井的安全生產(chǎn)，提高煤礦的生產(chǎn)效率，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義。不同采高條件下的冒落高度變化規(guī)律是礦壓規(guī)律的一個(gè)重要方面，關(guān)于這方面的研究成果也相對(duì)較少，因此，通過(guò)理論研究、實(shí)驗(yàn)室模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出的變化規(guī)律豐富了礦壓理論，具有一定的理論意義。

五、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)參與創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目的實(shí)施，我們整個(gè)小組成員都收獲頗豐。一方面，通過(guò)理論學(xué)習(xí)，我們提前掌握了許多專業(yè)知識(shí)，不僅培養(yǎng)了我們對(duì)專業(yè)課學(xué)習(xí)的興趣，還為現(xiàn)階段專業(yè)課的理解掌握打下一定的基礎(chǔ)。另一方面，創(chuàng)新計(jì)劃也為我們提供了進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)、使用先進(jìn)設(shè)備的寶貴機(jī)會(huì)。小組成員通過(guò)原材料準(zhǔn)備、模型制作、觀察記錄數(shù)據(jù)的分析處理數(shù)據(jù)等各個(gè)階段的分工合作，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)預(yù)期的成果，驗(yàn)證了不同采高對(duì)巖層冒落帶的影響。而我們也這一整套流程中，培養(yǎng)了正確分析處理問(wèn)題的能力，豐富了我們的經(jīng)驗(yàn)，并充分提高了實(shí)踐能力，讓我們的科研思路更加開(kāi)闊和嚴(yán)謹(jǐn)。

國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目是我國(guó)在高等教育中實(shí)施素質(zhì)教育的一種體現(xiàn)，通過(guò)在本科教育中不斷開(kāi)展和深化，有利于為國(guó)家和行業(yè)培養(yǎng)出復(fù)合型的優(yōu)秀人才。因此，我們當(dāng)代大學(xué)生應(yīng)積極參與其中，不斷進(jìn)行思維創(chuàng)新，并學(xué)有所得、勞有所獲，為建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家做出一份貢獻(xiàn)。

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