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成庄煤矿设计

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成庄煤矿设计毕业论文

前言

采矿工程毕业设计是采矿工程专业全部教学进程中的最后一个环节，同时也是对学生成绩的最终考核，其目的是使学生在采矿工程总体上深入认识矿井各个生产系统和各个生产环节之间的相互联系和制约关系，培养学生综合运用各门学科的理论知识，分析和解决采矿工程技术问题的能力；培养和锻炼学生独立地、创造性地进行工作的能力；培养学生搜集、整理、运用科技资料和生产技术经验的能力；进一步训练撰写技术文件和绘制工程图件的基本技能。

进行矿井设计是一个涉及井巷工程、采煤方法、矿山机械、矿井通风与安全、矿山环保等诸多技术科学方面的系统工程，虽然本次设计题目中存在一些理想的条件，但是通过这次设计，我已经基本掌握了矿井设计的方法和步骤，培养了搜集、整理、运用科技资料和生产技术经验的能力，训练了撰写技术文件和解决实际问题的能力。

这些，对于我以后的工作和学习都是非常有益的。

本设计以《毕业设计论文大纲》为依据，按照《安全规程》的要求。

由于本人知识水平和知识范围的限制，设计中难免有不当和错误之处，恳请审阅老师批评指正。

1矿区概况及井田地质特征

1.1矿区概况

1.1.1地理位置及交通

成庄煤矿（以下简称井田），位于沁水煤田南翼，晋城市西北20km处，跨泽州和沁水两县。

工业广场位于泽州县下村镇史村,地理坐标为北纬35°34′11″—35°39′50″,东经112°36′06″—112°43′49″。

成庄井田北至大阳井田南界，南至寺河井田北界，东以煤层露头及小窑为界，西与潘庄井田为邻，东西长约10.0km，南北宽约9.7km，面积74.3338km2。

太（原）—焦（作）铁路由井田东10余km处通过，侯（马）—月（山）铁路从西南约7km处通过。

矿井有铁路专用线经古书院矿与太焦铁路接轨，距古书院矿18km。

207国道（太原—洛阳）在成庄矿东侧约20多km处通过，晋（城）—长（治）、晋（城）—阳（城）、晋（城）—焦（作）、长（治）—邯（郸）、太（原）—长（治）高速公路已建成通车。

交通极为便利（图1-1-1）。

1.1.2地形、地势及河流

本井田地形为低山—丘陵区，沟谷发育。

中部高，东、西部低，最高点标高为1146.5m，最低标高为691.3m，相对高差为455.2m。

东部长河西岸有黄土覆盖、西部沁河东岸也有黄土覆盖，中部山区森林发育。

井田内村庄位于黄土冲沟两侧或山顶低洼处有黄土覆盖的地方。

河谷两侧为侵蚀堆积地形，形成河漫滩及以上的三级阶地。

1.1.3水文

水系属黄河流域沁河水系。

井田内主要河流为长河，为沁河支流，由东北向西南从井田东缘流过。

史村河、河底河等为长河支流，由西北向东南注入长河，为季节性水流。

图1－1－1交通位置图

1.1.4气象及地震

晋城市属暖温带大陆性气候。

四季分明，温暖宜人，日照充足,无霜期长。

据晋城市气象站资料,年平均气温11℃,极端最低气温-22.8℃（1956年1月21日），极端最高气温38.6℃（1967年6月4日）。

雨季为7、8、9三个月，平均年降水量622.7mm，最小295.9mm（1965年），最大1010.4mm（1956年）。

平均年蒸发量1783mm。

根据《中国地震烈度区划图（1990）》划分：

本井田属地震烈度区Ⅵ值加速度分区为0.05g。

1.1.5煤田开发情况

成庄矿于1989年12月20日开工建设，于1997年9月19日正式验收移交投产，原设计生产能力400万ta，设计服务年限94年。

2005年核实生产能力为800万t，2005年原煤产量实际达到800万t。

目前成庄矿开采3号煤层，因小煤窑乱采滥挖，矿井储量破坏严重，安全生产受到极大威胁。

井田东部由于煤层埋藏浅，易于开采，小煤矿分布较多。

目前，在井田内及周边生产的地方煤矿有15座。

目前主要采取综合措施进行防范，如定期联系各级政府对井田周边小煤窑井下采掘巷道进行实测，发现越界及时举报；井下施工巷道进行拦截，采用综合物探和钻探手段来探查小煤窑采空区范围等，以此保护国家资源不被破坏和消除安全隐患。

1.1.6水源和电源

成庄矿目前生活及生产用水主要来自奥陶系岩溶地下水，受采煤的影响，地表潜水井基本上全部报废。

已施工奥陶系岩溶水源井9口，水位标高在454.70m～516.10m之间，单井供水量为2200～2800m3d，水质优良，为HCO3·SO4—Ca·Mg或HCO3·SO4—Mg·Na型水，目前每天抽水20个小时以上，基本能满足矿区内居民生活及工业用水。

周边农村以前主要依靠第四系潜水和二叠系砂岩泉水供水，目前主要由矿区深水井供水。

供电系统：

矿井电源来自集团供电公司110KV站。

1.2井田地质特征

1.2.1地层

本井田由东向西、岩层从老到新。

现分述如下：

奥陶系中统下马家沟组（O2x）、奥陶系中统上马家沟组（O2s）、奥陶系中统峰峰组（O2f）、石炭系中统本溪组（C2b）、石炭系上统太原组（C3t）、二叠系下统山西组（P1s）、二叠系下统下石盒子组（P1x）、二叠系上统上石盒子组（P2s）、第四系（Q）。

1.2.2主要地质构造

本井田位于太行山复背斜西翼，沁水盆地东翼南端。

为阳城山字形构造体系脊柱部分南端东侧及马蹄形盾地的北侧与新华夏构造体系的复合部位。

北西向压扭性开阔背向斜褶曲伴有少数与褶曲轴向近似垂直的张性断裂和与褶曲轴向斜交的扭性断裂。

井田内构造主要为—走向北北东（北部）逐渐转折为北东向（南部），倾向北西的单斜构造。

井田内地层平缓，倾角3°—15°，一般在10°以内。

本井田从地质勘探阶段到成庄矿建成投产8年来，所见断层落差均未超过20m，属小型断层。

落差小于5m的断层和小型陷落柱较为发育。

但在矿井生产过程中未发现岩浆岩活动。

总的说来，本井田构造仍属简单类。

1.2.3煤层及煤质

井田内含煤地层主要为上石炭统太原组（C3t）和下二叠统山西组（P1s）。

太原组（C3t）

K1石英砂岩（相当于晋祠砂岩）底或相当层位至K7砂岩底。

连续沉积于本溪组之上，为主要含煤地层之一。

由灰色中、细粒砂岩，灰黑色粉砂岩、泥岩，灰色粘土泥岩、石灰岩、硅质岩、菱铁矿及煤组成。

属海陆交互相沉积。

自下而上K2、K3、K5三层石灰岩普遍发育，层位稳定，是对比煤层的良好标志层。

本组共含煤10层，自下而上编号依次为：

16、15、14、13、11、9、8、7、6、5号，5号煤层薄而不稳定，属不可采煤层，其余七层煤均为不可采煤层。

全组厚77.52m-112.07m，平均91.98m，煤层总厚7.79m。

K1石英砂岩：

灰—灰白色，细粒结构，含少量泥质及星散状黄铁矿，硅质胶结，分选性良好。

沉积不稳定。

厚0m-5.43m，平均3.30m。

K2石灰岩：

深灰色、厚层状，致密坚硬，块状，性脆，裂隙充填方解石脉。

上部质纯，含有燧石条带，底部含较多的泥质、有机质及星散状黄铁矿。

靠下部常夹有薄层钙质泥岩。

含小泽蜒、似纺锤蜓及腕足类等动物化石。

厚7.10m-14.13m，平均9.85m。

位于太原组下部，为15号煤直接或间接顶板。

K3石灰岩：

为13号煤顶板。

灰—深灰色，厚层状，致密坚硬，性脆，夹少量燧石条带，含腕足类及蜓类等动物化石。

沉积稳定，厚0.20m-6.19m，平均2.80m。

K4石灰岩：

为11号煤顶板，深灰色，含泥质较多，沉积不稳定，厚0m-0.90m，平均0.49m。

K5石灰岩：

位于本组上部，为7号煤顶板。

深灰色，致密坚硬，质不纯，含星散状黄铁矿及腕足类动物化石，沉积稳定，厚1.00m～4.48m，平均2.35m。

山西组（P1s）

K7砂岩底（或相当层位的粉砂岩）至K8砂岩底，与下伏太原组呈整合接触，为主要含煤地层之一。

由灰白～灰色，中、细粒砂岩，灰黑色粉砂岩，泥岩及1～3层煤组成，其中主要煤层一层，编号3号，平均厚度6.44m，是本组唯一可采煤层。

本组滨岸为过渡相沉积，在成庄、段都、坪头一带，均有零星出露。

本组厚39.45m～73.08m，平均49.83m，分上下两层段叙述如下：

（1）下段：

K7砂岩底至K砂岩底，厚20m左右，以灰色、深灰色细粒砂岩，灰黑色粉砂岩、泥岩及3号煤层组成。

3号煤层以下岩层常夹有不规则菱铁矿结核，具水平层理及不规则的水平层理，含保存不好的植物化石。

K7砂岩：

灰色、深灰色细粒砂岩，富含煤粒及暗色矿物，具缓波状层理，夹泥质包裹体，局部为中粒砂岩、粉砂岩。

厚0.35m～14.09m，平均3.98m。

3号煤层：

赋存于本段上部，结构简单、沉积稳定，为本区主要可采煤层之一。

厚4.75m～7.15m，平均厚6.44m。

（2）上段：

K砂岩底至K8砂岩底，一般厚30m左右，以灰白色中粒砂岩，灰色薄层细砂岩，灰黑色粉砂岩及泥岩组成，间夹不稳定的薄煤层1～2层。

K砂岩：

为山西组中部的一层砂岩，灰白色、中粒、钙质胶结。

斜层理，沉积稳定，厚0.36m～29.00m，平均8.04m。

其中9号煤层为本设计的主采煤层。

表1-2-1设计主要可采煤层特征表

煤层

厚度（m）

（最小～最大）

结构

（夹石数）

容重

（tm3）

稳定

程度

可采情况

顶底板岩性

平均

顶板

底板

1.15～3.00

2.09

0～2

简单

1.45

较稳定

大部可采

粉砂岩

粉砂岩泥岩

煤质情况：

（见附表1-2-2）

表1-2-2煤的工业分析表

煤层名称

水分

（%）M

灰分

（%）A

挥发份

（%）V

含硫量

（%）S

含磷量

（%）P

发热量

（MJkg）Q

备注

原煤

1.79

18.06

7.90

4.42

34.73

浮煤

1.51

6.99

5.96

1.31

0.00185

总的来讲，9、15号煤的煤岩特征和机械性能与3号煤相近。

各煤层的物理性质相似，多以亮煤，镜煤及暗煤为主，坚硬致密，层理或节理裂隙发育，但在外观上常见黄铁矿结核和晶体。

故把9号煤层煤类确定为无烟煤。

从洗煤碳含量、氢含量、氧含量的平均数分别为92.42%、3.24%和2.12%，可知9号煤层属高碳、低挥发份、低氢、低氧煤，反映了此煤层变质程度很高。

以1.5比重液浮煤回收率评级，可选性属优等；按中煤含量分类属易选煤。

1.2.4煤的综合利用

井田内3层煤的共同特点是：

灰分低，比较好选，含矸率低，含水分低，磷含量低，挥发分低，固定碳和热稳定性特高（优），抗碎率强度高，产块率高，据此凡粒度＞13mm、St，d＜1.50%的煤均可用于合成氨，是优质的化工用煤。

另外，可以试制、试销用于制造碳素纤维，活性炭、碳粒砂、炭化硅、碳黑、电石、刚玉和电极，这些项目煤的附加值可增加数倍到数十倍。

此外，本矿与阳城电厂毗邻，用于发电是最现实、最经济的选择。

粉煤还可以制成煤球、蜂窝煤等各种型煤。

1.2.5瓦斯、煤尘、煤的自燃性及地温

本矿井瓦斯相对涌出量为10.0m3t，瓦斯绝对涌出量为189.7m3min，属高瓦斯矿井。

据地质报告和成庄矿9号煤层测试数据，9号煤层无爆炸危险性；

据成庄矿3号煤层测试成果，自燃性发火倾向Ⅳ级，为不易自燃煤层。

但由于9号和15号煤层为高硫煤，煤堆可能会起火燃烧，因此注意减少地面堆煤量及堆积时间。

成庄矿从建矿至今在开采3号煤层时，井下温度保持在14℃～23℃之间，常年变化不大。

沁水煤田南部因无岩浆活动，地温梯度小于3℃100m的标准，且有从长治到晋城地温梯度有增高的趋势。

根据有关资料统计，长治矿区地温梯度为1.15℃100m，赵庄矿区1.23℃100m，晋城矿区1.64℃100m。

据此推算，成庄矿即使将来开采15号煤层时，井下温度也不会大于30℃，不是影响生产的重要因素。

1.2.6水文地质条件

井田位于太行山复背斜西翼，沁水煤田南端，总体为一向西倾斜的单斜构造，奥陶系——二叠系由东向西依次出露。

井田内主要含水层（组）有：

1、奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层

井田内奥陶系中统主要由中厚层状石灰岩组成，夹薄层泥质灰岩，出露于井田东侧，峰峰组基本不含水，可视为隔水层，含水层主要为上、下马家沟组，富水性强，埋深从东北部向西南逐渐加厚，地下水总的流向为北东—南西。

据钻孔资料，单位涌水为0.7～14.22Ls·m。

井田东部施工的供水水源井，单井出水量为2200～2800m3d，水位标高454.70m～516.10m，总硬度为426～1158mgL,矿化度为0.5～1.5gL,属HCO3·SO4—Ca·Mg型水，是矿区的主要供水水源。

相对隔水层为中奥陶统底部的含石膏脉的泥质灰岩。

2、石炭系上统太原组石灰岩岩溶裂隙含水层组

太原组间夹的K2、K3、K4、K5等石灰岩为该组主要含水层，从钻孔揭露的岩层来看，单层厚度一般为2m～10m。

受补给条件的限制，裂隙发育较差，一般富水性弱。

K2、K3石灰岩单位涌水量为0.011～0.058Ls·m，水位标高691.40m～709.32m。

K5石炭岩深部和浅部的富水性变化很大，浅部单位涌水量为0.52～3.43Ls·m，而深部为0.0009～0.007Ls·m，水位标高为750.58m～847.25m。

矿化度为0.45～0.65gL，属HCO3—CaMg型水。

建井初期，井巷揭露K2、K3、K4、K5等石灰岩时，均有涌水、一次最大涌水量为152.51m3=77.7m3s

V=QMS=77.70.8×12.6=7.1＜8ms

经验算，所选井筒直径能够满足规程规定，符合要求。

井筒断面图如下图3-3-1、3-3-2和3-3-3所示

图3-3-1主井断面布置图

图3-3-2副井断面布置图

图3-3-3回风井断面布置图

3.3.2井壁的支护材料及井壁厚度

根据井壁厚度经验数据选择井壁的支护材料为混凝土支护，井壁厚度主井副井为350mm。

副井以及风井为350mm，充填混凝土均为50mm。

3.3.3井筒深度

井筒深度除自井口至开采水平的井筒长度外，还需要加井窝的深度。

井窝深度：

箕斗井为清理井底撒煤，平台下再设≥4m井底水窝。

故一般井筒需要开挖到井底车场水平以下30-40m。

如井底装载硐室设于开采水平以上时，可以不设水窝，编制井筒特征表如下表3-3-1所示：

表3－3－1井筒特征

井筒名称

主井

副井

风井

井口坐标

X（m）

Y（m）

515880

515820

516525

Z（m）

+880

+910

用途

提煤

提料、矸、人、进风

回风

提升设备

6t箕斗

1t双层单车罐笼

——

井筒倾角（°）

断面形状

圆

支护方式

混凝土砌碹壁

井筒壁厚（mm）

350

提升方位角（°）

180

——

井筒深度（m）

370

365

350

断面积

净（）

19.6

12.6

掘（）

26.4

16.6

3.4井底车场

3.4.1设计要求

井底车场是连接矿井主要提升井筒和井下主要运输巷道的一组巷道和硐室的总称。

它联系着井筒提升和井下运输两大生产环节，为提煤、提矸、下料、供电和升降人员等各项工作服务。

1、设计依据：

①设计矿井基本概况：

矿井设计生产能力为90万ta，年工作日330天，日提升时间16小时，矸石系数为20%。

②主井采用JL-6t箕斗，副井采用罐笼提升。

、

③大巷运输设备的型号及外形尺寸

主井净直径5.0m，装备有一对6t箕斗，副井净直径5.0m，装备一对1t双层单车罐笼。

井下主要运输大巷采用3t底卸式矿车运煤，8t架蓄电池式电机车牵引，辅助运输采用1t固定式矿车。

2、设计要求：

①井底车场富裕通过能力，一般大于矿井设计生产能力的30%。

②设计井底车场时，应烤炉增产的可能性。

③尽可能地提高井底车场的机械化水平，简化调车作业。

④应考虑主、副井筒之间的施工时短路贯通。

⑤在确定井筒位置和水平标高时，要注意井底车场所处的围岩情况及岩层的含水情况，一般应避开破碎带或强含水层。

⑥对于大型矿井或高沼气含量矿井在确定井底车场型式时，应尽量减少交岔点的数量和减少跨度，并考虑施工和维护方便。

、

⑦井底车场布置应紧凑，应注意节省工程量。

3.4.2井底车场型式的确定

影响井底车场型式的选择的因素有：

1、开拓方式：

井底车场的形式随井筒形式的改变，同时还取决于主副井井筒和主要运输巷道的相互位置，即井筒距主要巷道的距离及提升方向。

2、大巷运输方式及矿井生产能力：

年产90万t及其以上矿井，通常采用底卸式矿车运煤，应选折返式车场。

3、地面布置及生产系统

地面工业场地比较平坦时，车场形式的选择主要取决于井下的条件。

根据以上车场形式选择的原则和本设计矿井的实际情况，确定矿井的井底车场形式为立井折返式车场，车场形式见图3-4-1所示。

图3-4-1立井梭式车场

1—副井；2—主井；3—翻车机硐室；4—副井空车线；5—主井空车线；

6—主井重车线；；7—副井重车线；8—通过线

3.4.3线路总平面布置

1、井筒相互位置的确定

设计矿井井筒位置地面平坦。

已知副井井筒中心a点坐标为两井筒垂直于存车线方向的距离H=35m，平行于存车线方向的距离L为40m。

如下图3-4-2所示：

图3-4-2井筒相互位置图

1—副井中心线；2—主井中心线

2、井底车场各存车线长度的确定

井底车场线路包括存车线和行车线。

存车线为存放空、重车辆的线路，它由主井重车线、主井空车线、副井重车线、副井空车线及材料车线组成。

行车线为调度空、重车辆的线路，如连接主、副井空、重车线的绕道和调车线。

副井马头门线路也用于行车线。

除上述主要线路外，在井底车场内还有一些辅助线路，如通往各硐室的专用线路和硐室内铺设的线路。

当运输大巷采用列车运行时，主、副井空重车线长度应符合《设计规范》规定：

主井空、重车线长度应能够容纳1.5～2列车，副井进、出车线长度，应能够容纳1～1.5列车。

材料车线应能够容纳10个以上材料车到一列车。

井底车场线路由直线线路和连接部分所组成，连接部分包括曲线线路和道岔。

直线线路就是指存车线和行车线以及调车线。

（1）主井空、重车线长度

L=mnL1+L2+L3

式中L—主井空、重车线长度，m

m—列车数，列

n—每列车的矿车数，辆

L1—一个矿车长度，m

L2—电机车长度，m

L3—列车制动距离，m，取13m

则L=mnL1+L2+L3=1.5×30×2+4.5+13

=122.5m，

（2）副井空、重车线长度

L=mnL1+L2+L3

式中L—副井空、重车线长度，m

m—列车数，列

n—每列车的矿车数，辆

L1—一个矿车长度，m

L2—电机车长度，m

L3—列车制动距离，m，取13m

则L=mnL1+L2+L3=1×30×2+4.5

=64.5m，

（3）材料车线长度

L=10L材

式中：

L—材料车线长度，m；

L材—一辆材料车长度，m

L=10L材=10×2=20m

（4）马头门线路长度

马头门线路布置图如下所示：

图3-4-3马头门线路布置

马头门线路总长度：

式中：

Lm——连接处长度；

a——罐笼长度=2.55m

b、b′——摇台的摇臂长度，取e=2.3m，e′=2.8m；

c——摇臂轴活动中心与单式阻车器轮当面之间的距离，取4.5m；

d——单式阻车器轮当面至轮轴中心线之间的距离，取2.5m；

e——单式阻车器轮当面至对称道岔与直线段连接的切线交点之间的距离

e′——出车侧摇台的摇臂轴中线至对称道岔与直线段连接的切线交点之间的距离e′=3.0m；

f——基本起轨点至队称道岔与直线段连接的切线交点之间的距离，取6.138m；

2.55+1.5+1.5+2.0+8+4+2×6.138=31.826

（5）调车线长度

L调=1.0×30×2+4.5=64.5m。

取整为65m

3、线路连接计算

（1）曲线线路

曲线线路亦称弯道，在矿井轨道线路中，所采用的曲线都是圆曲线。

在线路连接计算中，曲线半径R是一个主要的参数。

600毫米轨距的电机车运行线路，其R不小于12米，一般取15—20米。

在标准设计中，1吨系列矿车采用15米。

900毫米执距的电机车远行线路，其R不小于15米，一般为15—25米。

在标准设计中，3吨系列矿车用10吨电机车牵引的为20米，14吨电机车牵引时为25米。

在井底车场施工图中，曲线线路由下列参数确定；曲线半径R及曲线线路的转角δ、曲线的切线长度T和曲线的长度L。

（2）道岔

矿井窄轨道岔是线路连接系统中的基本元件，其作用是使车辆由一条线路驶向另一条线路。

根据所确定的车场形式、线路布置方式以及运行的车辆类型，选择钢轨型号为30kgm，轨距600mm，弯道曲率半径15m，5号道岔。

1）单开道岔平行线路的连接计算

R=15000mm

S=1600mm

求：

L，c，n,D

求得：

L=11804mm，c=3864mm，n=6698mm，

图3-4-4单开道岔平行线路连接

2）单开非平行道岔线路连接计算

R=15000mm，β=45°

求：

m，n，H,T

求得：

m=25100mm，H=5060mm，T=22960mm，Kp=11775mm。

图3-4-5单开道岔非平行线路连接

3）渡线道岔连接计算

S=1600mm，

求：

L0，L，N

求得知：

L0=8000mm，L=15934mm，N=8000mm

图3-4-6渡线道岔连接计算

4）对称道岔连接计算

S=1600mm。

求：

C，n，L，D

查表知：

B=4918mm，n=3779mm，L=8421mm，T=1203mm。

图3-4-7对称道岔连接计算

4、井底车场线路总平面布置

图3-4-7井底车场线路布置图

线路布置如上图所示：

经投影验算，在开始所计算的主井和副井空、重车线长度不能满足闭合，调整后各车线的实际长度见井底车场平面图。

经调的线路长度能够闭合。

3.4.4井底车场通过能力计算

1、区段划分

根据区段划分的原则，井底车场区段划分如下：

图3-4-8区段划分

1、调度图表的编制

表3-4-13吨底卸式煤列车运行时间表

区段

运行状况

运行距离（m）

运行速度（ms）

运行时间（s）

1-2

机车拉重列车至6号道岔停车

265.0

2.0

132.5

摘钩、启动

20.0

单机过6号道岔

15.934

2.0

2-3

单机换向运行

84.0

2.0

42+10

单机过4号道岔

15.934

2.0

3-4-1

机车拉空列车换向运行

194

1.5

25+10

合计

255.5

表3-4-2煤矸石列车运行时间表

区段

运行状况

运行距离（m）

运行速度（ms）

运行时间（s）

1-4

拉重列车至2号道岔停车

88.5

1.5

摘钩挂钩

4-1

单机过2号道岔

15.9

2.0

8.0

单机换向运行

73.5

2.0

36.8+10

1-5

单机过2号道岔

190.6

2.0

95.3

顶推重列车过3号道岔

121.6

1.5

80.7

5-3-6

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