采矿工程专业实验指导书汇编.docx

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采矿工程专业实验指导书汇编

采矿工程专业课

实验指导书

采矿工程实验室

2008年10月

第一章《采矿学》实验

01学生实验守则

一、每次实验前必须做好复习和预习。

复习的内容为教科书上有关本次实验的教学内容；预习内容包括仔细阅读实验指导书和去实验室熟悉有关仪器设备。

二、经过预习应掌握该项实验的意义、目的、操作步骤。

对实验指导教师提出的检查性问题，应能回答，否则不得进行实验。

三、实验时态度应严肃认真，严格按教师及实验指导书上所讲的操做步骤进行实验，每台设备应按操作则进行，以免损坏设备或造成事故。

四、实验结束后，应在规定时间内提交实验报告。

实验报告必须独立完成。

书写、计算、制图要求公式、计算过程、单位齐全、清晰整齐。

实验成绩是期终考核成绩的一部分。

五、如实验结果未能达到要求或因故未做实验者，应申请补做实验，实验室同意后，在指定日期内进行补做。

02前言

采矿模型实验课是采矿专业学生在学习专业课采矿学课程时必不可少的重要教学环节。

对巩固同学客堂所学理论知识，增加生产实践知识，帮助同学建立矿井空间概念，进行工程素质的基本训练等起着重要作用，其效果好坏将直接影响上述课程学习。

为了使采矿实验模型课收到较好的效果，我们编写了这本指导书，其作用是使同学们对每次模型课的内容、要达到的目的、要求等能在课前及时预习，并根据要求作练习，以达到实验课的预期目的。

为了帮助同学进一步理解理论教学和采矿实验课教学内容，每次采矿实验课后附有一定量的作业题，根据题的难易程度，每类型为两道题，其中一道为较容易作的题，第二道难度稍高，在使用这些习题时，可以根据学生学习程度选作。

本指导书中作业题大致有四中类型，其一是对所给图以确切命名；其二是根据模型作其平面图和剖面图；其三是根据所给之平面图作指定位置的剖面图，或根据所给之剖面图作该剖面图之平面图；其四是根据所给之图名及原始条件设计平面图和剖面图。

本指导书可供采矿工程专业在上采矿模型实验课时参考使用。

在使用本指导书中的习题时，要采用下述统一符号：

1.1采煤方法模型实验

（一）

1.1.1目的和要求

本次模型课的内容主要是学习单一煤层走向长壁采煤法和煤层群的采区巷道布置。

通过这次模型课的学习，结合课堂理论教学，了解掌握采区巷道布置的各种方式和回采工艺的各种类型，使同学们头脑里建立起采煤方法的空间概念。

1.1.2实验教学模型

1）单一煤层上山采区巷道布置；

2）近距离煤层联合采区巷道布置；

3）单一煤层倾斜长壁巷道布置；

4）多煤层倾斜长壁巷道布置；

5）单一厚煤层（倾斜分层）采区巷道布置；

1.1.3作业与思考

1.结合课堂教学，参考教材中有关附图，将以上模型与课本附图相比较。

复习采区巷道布置类型和各种回采工艺过程，并寻求模型与附图的差异，并将自己发现的问题简要写在模型课作业纸上；

2.根据模型作图：

a）绘出第1号模型－单一煤层上山采区巷道布置平、剖面图（可按1：

3～1：

5绘制），并在图中标出巷道名称及生产系统；

b）给出第2号模型－近距离煤层联合布置采区的平、剖面图，要求同1°；

c）给第2号模型－近距离煤层以确切的命名。

3．根据下列条件作图：

下面所给出的是采区巷道布置平、剖面图中的一个，请补画另一个。

a）大巷布置在底板岩石中，上山在下层煤中，煤层倾角10°的近距离煤层联合采区巷道布置平面图，求作剖面图：

并在平面图中标出生产系统，见附图（1-1）；

b）煤层赋存稳定，采区走向长1000m，依其剖面图求作平面图，并标注生产系统，见附图（1-2）；

c）煤层赋存稳定，采区走向长2000m，依其剖面图求作平面图，并标注生产系统，见附图（1-3）；

4.根据下列条件设计采区巷道平剖面图。

a）采区走向长2000m，倾斜长850m，含两层煤m1和m2，其厚分别为2.1m和3.5m，层间距为10m。

要求两层煤联合开采，上山布置在m2底板岩石中，不设岩石集中巷。

在图中标注巷道名称及主要生产系统。

下煤层m2底板等高线如图1-4所示；

b）采区走向长1800m，倾斜长800m，含一层煤m1，其厚度为4m。

要求上山布置在m3底板岩石中，不设岩石集中巷。

煤层m3底板等高线如图1-5所示

1.2采煤方法模型实验

（二）

1.2.1目的和要求

本次模型课由两个内容：

一是近水平煤层盘区巷道联合布置方式；其二是急倾斜煤层的采煤方法。

通过这次模型课的学习，结合课堂理论教学，了解掌握采区巷道布置的各种方式和回采工艺的各种类型，使同学们头脑里建立起来采煤方法的空间概念。

1.2.2实验教学模型

1.盘区巷道布置；

2.倾斜煤层采区巷道布置；

3.急倾斜倒台阶采煤法巷道布置；

4.机械化矿井生产系统；

5.综采工作面及其设备布置；

6.自移式液压支架模型（支撑、掩护和支掩式三种）；

7.单体液压支柱模型（内注式和外注式）；

1.2.3.作业与思考

1.结合课堂教学，参考教材中有关附图，将以上模型与课本附图相比较。

复习采区巷道布置类型和各种回采工艺过程，并寻求模型与附图的差异，并将自己发现的问题简要写在模型课作业纸上；

2.根据模型作图：

a）绘出第1号模型－石门盘区巷道布置平、剖面图（可按1：

3～1：

5绘制），并在图中标出巷道名称及生产系统；

b）给出第2号模型－倾斜煤层采区巷道布置采区的平、剖面图，要求同1）；

c）给出第3号模型－急倾斜煤层采区巷道布置采区的平、剖面图，要求同1）；

3.简述机械化矿井生产系统。

1.3矿井开拓模型实验

1.3.1目的和要求

本次模型课主要是为了了解矿井的各种开拓方式，结合课堂教学内容，弄清各种巷道的作用及其相互间的联系和交岔关系；弄清各种井底车场的布置方式、调车方式及各种调室设置，建立矿井开拓的空间概念，为今后的学习和工作打下良好的基础。

1.3.2实验教学模型

1.斜井片盘开拓（开拓单层煤）；

2.斜井片盘开拓（开拓两层煤）；

3.斜井多水平分区式开拓

4.立井单水平分区式开拓；

5.立井多水平分区式开拓；

6.立井-主要留井（煤层群开拓方式）；

7.立井-主要石门（煤层群开拓方式）；

8.全矿井通风与安全综合示意模型；

9.走向平硐开拓

10.垂直平硐开拓；

11.井底车场；

a）立井卧式环形车场；

b）立井立式环形车场；

c）立井刀把式车场；

d）立井斜式环形车场；

e）立井大巷皮带运输井底车场；

f）斜井梭式车场（底卸式）；

g）底卸式矿车卸载原理；

h）斜井平车场；

i）斜井甩车场。

1.3.3作业与思考

1.结合课堂教学，参考教材中有关附图，对照以上模型，复习开拓方式、开拓系统，寻求附图与模型的差异，并将自己发现的问题简要写在模型课作业纸上。

2.绘图

a）绘出第2号模型－片盘斜井开拓的开拓平、剖面图；

b）绘出第5号模型－立井多水平分区式开拓的平、剖面图；

注意：

①以上两模型之平、剖面图可大致按1：

3～1：

5的比例绘出，并使平、剖面图相互对应，在平面图中标出相应的剖面位置；

②图中开拓、准备及回采巷道均用双线表示；并对图中巷道进行标号，强巷道名称标注在图下面；

③在图中标注矿井的运煤、通风、运料等主要生产系统、并标注通风设施，如风门，风桥等；

④画图时采用前述图例。

3根据以下条件将平、剖面图补画完整并设计矿井通风设施形式及位置，并最终设计出通风系统

1）下面所给开拓平、剖面图内容不全，结合所学内容及平、剖面图将这些图补画完整，并设计矿井通风设施形式及位置，并最终设计出矿井通风系统。

见附图2-1和2-2。

2）附图2-3和2-4分别为矿井开拓平、剖面图的一部分，求作另一部分，并设计矿井通风设施形式及位置，并最终设计出矿井通风系统。

4根据下面所给条件作矿井开拓平、剖面图，在图中标注巷道名称、矿井通风设施、矿井通风及其他生产系统，并要一切说出井巷的掘进顺序。

1）作出立井单水平分带式开拓之平、剖面图，煤层底板等高线如图2-5所示，原始条件如下：

表土层后150m，井田走向长4km，倾斜长2.2km，含煤一层，厚度为3m，井田境界上至+300m等高线，下至-100等高线，左右边界如图所示，开采水平如图所示。

要求运输大巷布置在距煤层20m的底板岩层中，巷道用双线表示。

2）作出立井多水平分区式开拓平、剖面图，注矿井通风设施，设计矿井通风系统。

煤层底板等高线如附图2-6所示，原始条件如下：

井田走向长4km，倾斜长2.4km，表土层厚90m，含煤两层，上层m1煤厚2.5m，下层m2煤厚3m，层间距为15m，井田境界上至+100m等高线，下至-500等高线，左右边界如图所示，采区划分如图所示。

要求，两层煤联合开采，大巷布置在m2底板岩石中，二、三水平暗斜井延深，巷道用双线表示。

1.4其它采矿方法模型实验

1.4.1.目的和要求

本次模型课主要是为了了解矿井的水力充填采煤法、水力采煤、煤的地下气化等，结合课堂教学内容，弄清各种采煤方法的特点，采煤系统、采煤工艺等。

1.4.2.实验教学模型

1）水力充填法采煤；

2）水力采煤；

3）煤炭地下气化；

4）露天开采系统；

5）露天开采工艺；

1.4.3作业与思考

1）.结合课堂教学，参考教材中有关附图，对照以上模型，复习充填采煤法、水力采煤、煤的地下气化等内容，并将自己的心得简要写在模型课作业纸上。

2）.绘图或叙述生产系统

a）根据V型长壁采煤法模型，绘制采区巷道平、剖面图；

b）根据走向长壁水力采煤法采区巷道布置模型绘制平、剖面图；

c）根据水力化矿井模型，叙述水采生产系统；

d）根据煤炭地下气化模型，叙述煤炭地下气化原理及过程；

e）根据露天开采模型叙述轮斗铲带式输送机连续式开采工艺。

注意：

①以上两模型之平、剖面图可大致按1：

3～1：

5的比例绘出，并使平、剖面图相互对应，在平面图中标出相应的剖面位置；

②图中开拓、准备及回采巷道均用双线表示；并对图中巷道进行标号，巷道名称标注在图下面；

③在图中标注矿井的运煤、通风、运料等主要生产系统、并标注通风设施，如风门，风桥等；

④画图时采用前述图例。

1.5.现代化矿井系统模拟实验

1.5.1.目的和要求

本次模型课主要是为了对矿井各生产系统和生产环节以及它们之间的相互关系（时间和空间）等进行深刻全面的了解，建立起矿井的总体和系统概念，并为今后课程设计、毕业设计奠定良好基础。

1.5.2实验教学模型

现代化矿井模拟实验系统。

1.5.3实验方法

首先全面讲解现代化矿井地下开采条件、井田划分、开拓方式、采（盘）区布置、通风方式、主要生产系统，如矿井开掘顺序、采煤系统、主运输（提升）系统、辅助运输系统、通风系统以及矿井安全保障系统以及地面生产系统。

之后让学生通过计算机操作矿井各系统的运行，并设定不同的条件，熟悉各生产系统及其配合，掌握采掘之间的时空关系，在此基础上，分析研究各生产系统及其布置的合理性。

1.5.4作业与思考

1.叙述现代化矿井模拟系统中的基本生产系统。

2.结合实际条件分析现代化矿井开拓开采系统的合理性。

3.结合模拟系统分析矿井通风方式的合理性。

4.分析条带式布置与采区式布置在巷道系统、通风、运输等方面的特点。

5.分析模拟系统中的采掘接替关系。

第二章《矿山压力测试技术》实验

0.1学生实验守则

一、每次实验前必须做好复习和预习。

复习的内容为教科书上有关本次实验的教学内容；预习内容包括仔细阅读实验指导书和去实验室熟悉有关仪器设备。

二、经过预习应掌握该项实验的意义、目的、操作步骤。

对实验指导教师提出的检查性问题，应能回答，否则不得进行实验。

三、实验时态度应严肃认真，严格按教师及实验指导书上所讲的操做步骤进行实验，每台设备应按操作则进行，以免损坏设备或造成事故。

四、实验结束后，应在规定时间内提交实验报告。

实验报告必须独立完成。

书写、计算、制图要求公式、计算过程、单位齐全、清晰整齐。

实验成绩是期终考核成绩的一部分。

五、如实验结果未能达到要求或因故未做实验者，应申请补做实验，实验室同意后，在指定日期内进行补做。

2.1矿压观测仪器仪表的演示实验

2.1.1实验目的及要求

1.熟悉常用矿压观测仪器仪表的原理及构造；

2.掌握工作面和巷道的“三量”的观测方法。

。

2.1.2矿压观测仪器仪表原理、构造和使用方法

1.位移观测仪器：

A.测杆；

B.测枪；

C.测尺；

D.数显式顶板动态仪；

E.表显式顶板动态仪；

F.数显式顶板报警仪；

G.收敛计；

H.多点位移计；

I.顶板离层仪；

位移观测仪器主要用于工作面、巷道的位移观测，研究工作面顶底板或巷道围岩运动规律，预测预报顶板活动状况，为支护设备的选型以及安全生产提供指导依据。

其中A～G观测仪器主要用于工作面、巷道围岩表面位移的观测，而H和I观测仪器主要用于工作面、巷道岩体内部的位移观测；巷道位移观测点的布置如图2-1，工作面顶底板位移观测点布置如图2-1。

2.载荷观测仪器：

A.钢铉式测力计；

B.机械式测力计；

C.电感式测力计；

D.液压式测力计；

E.液压枕；

F.钻孔液压枕；

G.涨楔式液压枕

H.锚索测力计；

I.锚杆侧力计；

J.锚杆扭矩扳手；

K.锚所涨拉千斤顶；

L.园图式压力自记仪。

载荷观测仪器主要用于工作面、巷道的载荷观测，研究工作面顶底板或巷道围岩与支架相互作用关系，为支护设备的选型、支护密度，支护强度的设计提供依据以及安全生产提供指导依据。

其中A～E观测仪器主要用于工作面、巷道围岩与支架载荷观测；F和G观测仪器主要用于工作面前方煤岩体内部超前支承压力观测；H～K主要用于锚杆受力状态的检测（包括初锚力和锚固力），L用于综采支架载荷的观测；巷道支架载荷观测点布置如图2-3，工作面顶支架观测点布置如图2-4。

3.其他观测仪器：

A.电阻应变片；

B.空心包体应变计；

C.孔径变形应变计；

D.环氧树脂应变计；

E.混凝土应变计；

F.银泊式应变计；

G.液压电阻式传感器；

H.电阻式位移计；

I.测力销；

J.声波传感器

K.围岩裂隙测定仪。

2.1.3思考问题

1）工作面、巷道矿压观测主要有哪些内容？

2）影响矿压观测结果的主要因素有哪些？

3）你对本实验的建议和意见。

2.2测力计的标定实验

2.2.1实验目的

1、熟悉几种测力计的工作原理及结构；

2、通过测力计的标定，并绘出几种测力计的特性曲线，评价它们各自的特性。

2.2.2实验设备和仪器

1）YE-600材料试验机；

2）钢弦式测力计；

3）机械式测力计；

4）液压式测力计；

5）其他工具一套。

2.2.3实验原理

1.钢铉式测力计：

钢铉式

测力计的结构原理如图2－5所示。

钢弦4固定于测力计的承压膜2上，当外来压力作用于测力计的偏心盖1上，使承压膜2中心受集中力而发生挠曲变形使钢弦张紧，随着钢弦的张紧程度的不同，弦的内应力σ发生变化，弦的自振频率f也相应地发生变化。

弦的张应力越大，自振频率越高，相反，弦的张应力越小，自振频率越低，可见，钢弦振动频率的变化反映了加于测力计上载荷的变化，如果能测出钢弦的频率变化，就可以利用它来测定施加于测力计上的载荷大小。

钢铉振动频率与铉的应力具有下列关系：

式中：

L--钢弦的长度；

σ--钢弦的应力；

ρ0--钢弦的密度。

而钢弦张应力σ又与承压膜所受压力p成函数关系，即

σ＝φ1（p）

故承压膜所收受的压力p2与钢弦振动频率增量f成函数关系：

p=φ2（f）

式中：

f--测力计受压后钢弦振动频率增量；

P--测力计承压膜所受载荷；

2.机械式测力计：

机械式测力计的结构原理如图2－6所示。

当外载荷作用上压盖，上压盖上的力在作用于承压膜3上，使承压膜发生挠曲变形，固定在承压膜上的杠杆转动，非等臂杠杆5将承压膜微小变形进行放大，再用百分表测出杠杆的放大后的变形量，变形量与外载荷的大致成线性关系，其外载荷P与变形量△S按下式计算：

P=φ（△S）

=K*△S

式中：

P--测力计承压膜所受的载荷，KN；

K--刚度系数,KN/mm；

△S—杠杆放大后的变形量,mm。

3.液压式测力计：

液压式测力计的结构原理如图2－7所示。

当外载荷作用上压盖1，上压盖上的力在作用于活塞2上，使液压缸内的液压油3压力增高，液压油通过管路，使压力表内的弹簧管变形，在经过连杆放大机构带动指针摆动，显示出液压缸内的压力值，其显示压力值p0与外载荷成正比关系，其关系式如下：

p0=φ（P）

P=3.14d2·p0/4

式中：

P--测力计承压膜所受的压力，N；

　p0--测力计的表压力，

；

ｄ--液压缸的直径，ｍ。

2.2.4实验步骤

1、将测力计置于压力机承压板中心，并调整球形座，使测力计上、下表面受力均匀接触。

2、选择压力机度盘，一般使度盘最大值应大于测力计额定载荷的1.2倍，挂上相应的摆锤，缓冲阀也调至相应的位置。

3、接通电源，启动试验机，关闭回油阀，打开送油阀以较快速度预压1～3次至满载荷，以消除加工时残余应力和检查加载情况。

4、以每分钟20KN的加载速度进行分级加载，每级20KN同时读一组数据，均匀加载至额定载荷，在额定载荷处保持5分钟，以相同级数卸载并读数，加、卸载的读数填入记录表2-1。

每个测力计加、卸载重复进行三次。

表2-1测力计标定实验记录表

测力计编号：

标定日期：

载荷

KN

第一次

第二次

第三次

平均值

加载

卸载

加载

卸载

加载

卸载

加载

卸载

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

280

300

2.2.5实验结果处理

1.分别以各测力计三次加、卸的读数，纵坐标为载荷P（KN），横坐标为输出量（频率f、变形△S、表压力p0），绘制各测力计的特性曲线见图2-8（a）。

2.分别以各测力计三次加、卸时测读数的平均值，纵坐标为压力P（KN），横坐标为输出量（频率f、变形△S、表压力p0），绘制各测力计的平均特性曲线见图2-8（b）。

3.根据标定结果对测力计的性能进行综合评定，其主要性能指标：

a.精度：

即最大绝对误差与测力计额定载荷的百分比。

式中：

△X1max--测力计输出得最大绝对误差；

　　pmax--测力计的额定载荷，KN。

b.灵敏度：

即最大输出值与相应的最大输入值的比。

式中：

Xmax--测力计输出得最大值；

　　pmax--测力计额定载荷，KN。

c.滞后性：

在加、卸载中输出值的最大差值与额定载荷时输出值的比

式中：

△x2max--测力计输出得最大值；

　　Xmax--测力计额定载荷时输出值，KN。

d.非线性：

测力计平均特性曲线和坐标原点到最大输出值连线的最大偏差与额定载荷时输出值的比。

式中：

△x3max--测力计平均特性曲线和坐标原点到最大输出值连线的最大偏差；

　　Xmax--测力计额定载荷时输出值，KN。

2.2.6思考问题

1.测定计为何要定期进行标定？

2.影响测力计标定结果的主要因素有那些？

3.你对本实验的建议和意见。

2.3岩石声波传播速度测试实验

2.3.1、实验目的

1.掌握声波岩石参数测定仪的正确操作方法。

2.学会测定岩石的动弹性力学参数的方法。

2.3.2、实验仪器、工具、材料

1.SYC－2型声波岩石参数测定仪一台或UTA-2000型超声波检测分析仪一台；

2.纵、横波压电式换能器各一套；

3.岩石试件三块；

4.混凝土试件三块；

5.游标卡尺一把；

6.测试导线一套；

7.横波测试夹具一套；

8.黄油少许；

9.银箔或锡箔10块。

2.3.3、实验原理

根据弹性波在弹性介质中的传播规律，超声测试系统利用超声波作为信息载体，而超声波是由声波仪的发射机发射电脉冲信号经发射换能器转换成机械振动信号，机械振动信号可在介质中传播，穿过被测介质后再由接收换能器把机械振动信号转换成电信号送至接受机进行放大处理，通过测试系统精确测定声波穿越介质所经过的时间，计算出声波速度，从而可换算出岩石或混凝土的动弹性参数,其声波速度与介质的物理学参数的关系为:

2.3.4、实验步骤

1.测定前核对岩石名称和试件编号，并对试件的颜色、颗粒、层理、裂隙、分化程度、含水状态等问题进行描述。

2.用游标卡尺测量试件尺寸，测量精度至0.02mm；

3.按照声波仪的操作规程连接线联好，仔细检查各开关、旋钮的初时位置，开机预热3～5分钟，分别将纵波和横波收，发射换能器辐射面对接，中间用黄油作为耦合剂，分别测试纵、横波换能器及仪器收发系统延迟时间top和tos，测试系统如图2-9所示。

3.横波测试，在两横波换能器之间放入岩石试件，试件与换能器之间垫入银箔或锡箔3～5层，然后放入横波测试夹具内，并适当加压至接受波清晰为止，测出纵波传播时间ts。

4.纵波测试，在两纵波换能器之间放入岩石试件，试件与换能器之间涂上耦合剂，测出横波传播时间tp，测试系统如图2-10所示。

5.每组岩石或混凝土各测三个试件，波速测试后，称量每个试件的重量，测试的的结果填入表2-2。

表2-2岩石、混凝土声波测试记录表

系统延迟时间：

t0p=

；t0s=

试件编号

岩石名称

岩性描述

试件尺寸

试件质量

纵波测试

横波测试

动弹性参数

走时

单值

m/s

均值

m/s

走时

单值

m/s

均值

m/s

泊松比

弹性摸量

剪切摸量

体积摸量

2.3.5结果整理

1、按下式计算纵波及横波传播时间：

tp＝tp/－top

ts＝ts/－tos

式中：

tp、ts－－纵、横波在岩石试件中的传播时间（μs）；

tp/、ts/－－进行纵、横波测试时的仪器读数值（μs）；

top、tos－－纵横、波换能与仪器系统的延迟时间（μs）。

2