某矿采区设计.docx
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某矿采区设计
第五章采区布置及装备
第一节采煤方法
一、采煤方法的选择
1、煤层赋存条件
区内主要可采煤层为批准开采的山西组3号和太原组8-2、15-1、15-3号煤层，现将各煤层分述如下：
位于山西组下部的3号煤层，上距K8砂岩28.37～39.60m，平均33.47m。
下距K7砂岩3.83～20.03m，平均13.05m，下距8-2号煤层31.23～75.56m，平均54.39m。
煤层厚5.80～7.27m，平均厚6.64m，煤层结构简单，局部含一层夹矸，层位、厚度均稳定，全井田可采（部分已采空）。
3号煤层顶板多为泥岩、砂质泥岩；底板多为泥岩，局部为细粒砂岩。
位于太原组三段下部的8-2号煤层，上距K5灰岩下10.45～17.78m，平均14.44m，下距K4灰岩10.13～19.91m，平均14.53m，上距3号煤层31.23～75.56m，平均54.39m，下距15-1号煤层46.59～64.19m，平均61.76m。
煤层厚0.50～2.42m，平均1.66m，局部含一层夹矸，层位较稳定。
对比可靠，全井田可采。
8-2号煤层顶板主要为泥岩、砂质泥岩；底板为泥岩，局部为细粒砂岩。
位于太原组一段上部的15-1号煤层，上距K2石灰岩2.67～6.96m，平均5.36m，上距8-2号煤层46.59～64.19m，平均61.76m；下距15-3号煤层2.45～5.37m，平均4.13m。
煤层厚0.74～1.37m，平均厚1.05m，无夹矸，层位、厚度稳定，全井田可采。
15-1号煤层顶板多为泥岩、砂质泥岩、局部为炭质泥岩；15-1号煤层底板多为泥岩、砂质泥岩。
位于太原组一段下部的15-3号煤层，上距15-1号煤层2.45～5.37m，平均4.13m，下距K1砂岩1.73～4.59m，平均3.19m,煤层厚0.56～1.91m，平均1.46m。
结构较复杂，局部夹2～3层夹矸，层位稳定、厚度较稳定，全井田可采。
15-3号煤顶板多为泥岩，底板多为泥岩、铝质泥岩和细粒砂岩。
各煤层赋存情况见表2-1-1。
2、其他开采技术条件
根据整合地质报告所述，本矿井为低瓦斯矿井，煤层易自燃，煤尘有爆炸危险，3号煤层矿井水文地质类型为中等，8-2号煤层矿井水文地质类型为中等，15号煤层矿井水文地质类型定为中等，无地温异常区。
3、采煤方法
根据矿井煤层的赋存特点，煤层厚度、煤层结构、顶底板岩性，以及其他开采条件，综合考虑井田地质条件，结合开拓布置，设计确定采用走向长壁和倾斜长壁相结合的采煤方法，全部垮落式管理顶板。
二、采煤工艺的确定
1、3号煤采煤工艺
3号煤的煤层厚度在5.8～7.27m,平均6.64m,可供选择的采煤工艺有：
分层综采、放顶煤综采、大采高一次采全厚综采。
参考本矿周边的漳村及王庄煤矿采煤工艺，由于本井田内首采的3号煤层煤层厚度大、回采条件简单，3号煤具有良好的冒放性，加之三元煤业及其控股的中能煤业均采用综采放顶煤工艺，所以无论是在设备和管理上都便于集中统一管理，故本设计推荐3号煤采用放顶煤综采工艺。
2、8-2、15-1、15-3号煤采煤工艺
根据这三层煤的赋存条件，可供选择的采煤工艺有高档普采和综合机械化开采。
结合国内外目前综采机械装备水平，以及类似条件矿井的生产经验，由于综采工作面具有安全性好，工艺简单，产量高，工作面采出率高等特点，设计采用综采工艺开采。
三、工作面主要设备选型
由于井田内4层可采煤层厚度变化较大，本设计分别对两种采煤工艺进行设备配备，矿井初期只装备3号煤的放顶煤综采工作面设备。
（一）3号煤回采工作面设备选型
本矿井为整合矿井，工作面主要采煤设备按安全高效工作面进行配备。
按目前国内采煤设备装备水平及制造工艺，为节约投资，设备立足国产。
根据国内高产高效矿井生产经验，综采工作面应具有较长的工作面长度，采煤机具有大截深、大功率（可切割夹矸）、较快的切割速度，液压支架移架速度快且与可弯曲刮板输送机相匹配，回采工作面带式输送机具有长距离、大运量、大功率等特点。
1、液压支架
⑴支架支护强度
根据矿井的煤层地质条件，按倍数岩重法计算液压支架的支护强度，公式如下：
P＝1000·N·M·γ·9.8·10-6
式中：
P——支架支护强度，MPa；
M——煤层采高，设计取M＝2.6m；
γ——顶板岩石容重，2.6t/m3；
N——岩重倍数，按中等稳定以下顶板考虑，取6～8。
P＝1000×（6～8）×2.6×2.6×9.8/10-6
＝0.40Mpa～0.53Mpa
⑵支架工作阻力的确定
F＝1000P·A·（L+C）
式中：
F——支架工作阻力，kN；
P——支架支护强度，MPa，设计取0.53；
A——支架中心距，A=1.5m；
L——支架顶梁长，L=4.5；
C——梁端距，c=0.2～0.35m，取c=0.3m；
则：
F=1000×0.53×1.5×（4.5+0.3）＝3816kN
⑶支架结构高度
放顶煤液压支架支护高度应与采高相适应，本设计机采高度为2.6～2.8m；其推移行程要与采煤机截深相匹配；移架速度要适应采煤机的牵引速度。
根据以上计算，设计选用ZF5400-17/32D型支撑掩护式低位放顶煤液压支架，该支架支护高度1.7～3.2m，支护强度0.75MPa。
该支架采用正四连杆摆尾梁式低位放顶煤四柱支撑掩护式。
该型支架具有以下特点：
a、前后立柱间有宽畅的行人通道。
b、有较强的整体稳定性和抗冲击能力。
c、采用摆尾梁式。
⑷过渡液压支架
工作面过渡液压支架选用ZFG6500/19/33D型支撑掩护式地位放顶煤液压支架，该支架支护高度1.9～3.3m，支护强度0.785MPa。
2）采煤机
（1）采煤机平均割煤速度
Vc＝
式中：
Hf——放顶煤平均厚度，设计机采高度为2.6m，按3号煤平均厚度6.64m计算，工作面顶煤平均厚度为4.04m；
Cf——顶煤回收率，75%；
Lf——沿工作面方向放顶煤面长，140m；
Q——工作面平均日产量，设计按1820t/d考虑；
HC——平均割煤高度，2.6m；
B——采煤机截割深度，0.60m；
γ——实体煤容重，为1.37t/m3；
CC——工作面采煤机割煤回收率，95%；
L——工作面长度，150m；
I——采煤机开缺口行程，45m；
Td——采煤机返向辅助时间，设计取5.0min；
k——采煤机开机率，设计取0.6%。
代入参数计算：
Vc＝
＝1.01m/min
（2）采煤机平均落煤量
Qc=60×B×Hc×Vc×γ×Cc
=60×0.60×2.6×1.02×1.43×0.95
＝127.12t/h
（3）采煤机最大生产能力Qmax和最大割煤速度Vmax
Qmax=kc·Qc
式中：
Qmax——采煤机最大落煤量，t/h；
kc——采煤机割煤不均衡系数，取1.4。
则：
Qmax=1.4×127.12=177.97t/h
又：
Vmax=Kc·Vc
式中：
Vmax——采煤机最大割煤速度，m/min。
则：
Vmax=1.4×1.01=1.41m/min
（4）采煤机截割功率
N＝60B·H·Vmax·HW/3.6
式中：
N─采煤机切割功率，kW；
HW─采煤机割煤能耗系数，取2.5～3。
则：
N=60×0.60×2.6×1.41×（2.5～3）/3.6=91.65kW～109.98kW
根据以上计算，所需采煤机功率并不大，但考虑煤层的硬度、夹矸情况，结合目前国内安全高效回采工作面的设备配置，以及周边煤矿生产实际，设计选用MG160/390-WD型电牵引采煤机，其主要技术特征如下：
电动机总装机功率为390kW，其中切割功率为2×160kW；
电压1140V；
采高为1.3～2.9m；
截深：
0.6m；
牵引方式：
交流变频电牵引；
牵引速度0～7.0m/min；
灭尘方式：
内外喷雾
3）工作面刮板输送机
对于综放回采工作面，前、后刮板输送机应考虑工作面的采放比，并与工作面采煤装备相配套。
（1）前刮板输送机
前刮板输送机的运输能力应不低于采煤机的最大割煤能力，故前刮板输送机的运输能力为:
Qq≥Qmax＝177.97t/h
（2）后刮板输送机
前、后刮板输送机之间的配套主要取决于回采工作面的采放比。
3号煤层平均开采厚度为6.64m，采煤机的切割高度一般为2.6m，放顶煤的高度为4.04m左右，采放高度比为1:
1.55。
后部刮板输送机的能力应与放煤能力相适应，根据采放平行作业的要求，工作面平均放顶煤速度Vf为：
式中：
Vf—工作面平均放顶煤速度，m/min；
Lf—工作面放顶煤区段长度，140m；
L—工作面的长度，150m；
LS—刮板输送机弯曲段长度，35m；
Lm—采煤机两滚筒中心距，取5.8m；
td—采煤机的反向辅助时间，取5.0min；
tdt—工作面端头作业时间，取10.0min；
t1—工作面放顶煤辅助工序时间，取25.0min；
VC—采煤机平均割煤速度，1.01m/min。
则：
工作面平均放顶煤能力Qf为：
Qf=60·Hf·B·Cf·γ·（1+Cg）·Vf
式中：
Qf—工作面平均放顶煤能力，t/h；
Hf—放顶煤高度，4.04m；
B—采煤机滚筒截深，0.60m；
Cf—放顶煤的回收率，取75%；
γ—煤的容重，1.37t/m3；
Cg—放顶煤的含矸率，取15%；
Vf—工作面平均放顶煤速度，0.6m/min。
则：
Qf=60×4.04×0.60×0.75×1.37×（1+0.15）×0.60=103.11t/h
后部刮板输送机能力Qh为：
Qh≥Kf·Ky·Qf
式中：
Qf—工作面平均放顶煤能力，t/h；
Kf—工作面放顶煤不均匀系数，取1.25；
Ky—运输方向及倾角修正系数，取1.2。
则：
Qh≥1.25×1.2×103.11＝154.67（t/h）
根据以上计算，为使前后刮板输送机能互换使用，前、后刮板输送机均选用SGD-630/180型，该刮板输送机运输能力为450t/h，电机功率为2×90kW。
4）综放工作面破碎机、转载机和带式输送机
为了保证割煤和放顶煤工序平行作业，工作面运输巷设备能力应满足前、后刮板输送机同时出煤的要求，考虑到割煤和放顶煤作业的不均衡性，破碎机、转载机和带式输送机的能力按下式确定：
式中：
Qc—采煤机的平均落煤能力，取127.12t/h；
Qf—放煤能力，取103.11t/h；
KC—采煤机割煤速度不均匀系数，取1.3；
Kf—工作面放煤流量不均匀系数，取1.3。
则：
根据以上计算，对工作面的破碎机、转载机和工作面运输巷可伸缩带式输送机选型如下：
转载机选用SZB730/40型刮板转载机，功率40kW，电压1140V，转载能力400t/h。
破碎机选用PEM1000×650型破碎机，功率55kW，电压1140V，破碎能力450t/h。
工作面带式输送机选用SSJ800/90型输送机，电机功率为90kW，电压660V，长度700m，输送能力450t/h。
综放工作面主要设备选型结果见表5-1-1。
表5-1-13号煤综放工作面主要设备技术特征
序号
设备名称
型号
主要技术特征
1
双滚筒采煤机
MG160/390-WD
切割部功率160×2kW，总功率390kW，1140V
2
液压支架
ZF5400/17/32D
支撑高度1.7～3.3m，工作阻力5400kN
3
过渡液压支架
ZFG6500-19/33D
支撑高度1.9～3.3m，工作阻力6500kN
4
架前刮板输送机
SGD-630/180
功率2×90kW，1140V，输送能力450t/h
5
架后刮板输送机
SGD-630/180
功率2×90kW，1140V，输送能力450t/h
6
破碎机
PEM1000×650
功率55kW，1140V，破碎能力450t/h
7
转载机
SZB730/40
功率40kW，1140V，转载能力400t/h
8
乳化液泵站
WRB-160/31.5
功率110kW，660V，160L/min，两泵一箱
9
喷雾泵站
XPB200/5.5
功率22kW，660V，泵站公称流量200L/min
10
可伸缩带式输送机
SSJ800/90
功率90kW，1140V，输送能力450t/h，
（二）8-2、15-1、15-3号煤回采工作面设备选型（约10a后布置）
“整合地质报告”提供本矿井8-2、15-1、15-3号煤层厚0.50～2.42m。
平均1.66m，但通过对井田内8个钻孔进行统计分析，8-2、15-1、15-3号的煤厚在0.5～2.01m
平均1.26m，各煤层结构简单。
为兼顾各煤层回采，设计为8-2、15-1、15-3号统一配备一套薄煤层综采工作面设备，根据周边同类矿井生产经验，综采工作面应具有较长的工作面长度，采煤机具有大截深、大功率（可切割夹矸）、较快的切割速度，液压支架移架速度快且与可弯曲刮板输送机相匹配，回采工作面带式输送机具有长距离、大运量、大功率等特点。
1、液压支架
根据矿井的煤层地质条件，按倍数岩重法计算液压支架的支护强度，公式如下：
P＝1000×N×M×γ×9.8×10－6
＝1000×7×1.66×2.6×9.8×10－6
＝0.25MPa
式中：
P－－支架支护强度，MPa；
N－－与煤层顶底板分类相关系数，取7；
M－－煤层采高，1.26m；
γ－－顶板岩石容重，2.6t/m3。
根据以上计算，设计选用ZY4800/85/19型液压支架，该支架支护高度0.85～1.9m，支护强度0.46MPa.
2、采煤机
综采机组每班开机率为60%，长壁综采工作面年产量按0.6Mt考虑，日产量应在1820t左右，相应的采煤机的平均截割牵引速度为：
式中：
L——工作面长度，取150m
H——采高，平均取1.26m
B——截深，取0.60m
——煤层容重，取1.42t/m3
T——每班工作时间，取6h
I——采煤机开缺口行程，取45m
K——采煤机开机率，取60%
C——工作面回采率，取97％。
代入则得：
V=3.6m/min
在采煤过程中，采煤机实际落煤量和割煤速度是一个随机值，因此,采煤机的最大割煤速度应较平均割煤速度有一定的富裕量。
采煤机的最大割煤速度：
Vmax＝1.2×VC
＝1.2×3.6
＝4.32（m/min）
采煤机的最大割煤能力:
Qmax＝60×B×H×γ×Vmax
＝60×0.60×1.26×1.51×4.32
＝295.94（t/h）
采煤机功率按下列计算经验公式计算：
N＝（60×B×H×Vmax×Hw）/3.6
式中：
N—采煤机所需功率，kW；
B—采煤机截深，取0.6m；
H—采煤机切割高度（采高），1.26m；
V—采煤机的最大切割速度，取4.32m/min；
Hw—能耗系数，取值范围为2.5～3.0。
N＝（60×B×H×Vmax×Hw）/3.6
＝（60×0.6×1.26×4.68×（2.5~3））/3.6=136.08~163.30（kW）。
根据以上计算，所需采煤机功率并不大，但考虑到煤层夹矸影响，根据以上计算，设计选用MG2×100/460-WD型采煤机，其主要技术特征如下：
电动机总装机功率为400kW，
电压1140V；
采高为1.2～2.0m；
截深0.6m；
牵引方式：
交流变频电牵引；
牵引速度0～7.2m/min。
3、刮板输送机
刮板输送机输送能力要与采煤机生产能力相匹配；外形尺寸要与采煤机相匹配。
工作面可弯曲刮板输送机选用SGZ630/180型，功率2×90kW，电压1140V，输送能力450t/h。
4、破碎机和转载机
顺槽破碎机选用LPS-500型破碎机，功率75kW，电压1140V，破碎能力500t/h。
顺槽转载机选用SZD-730/40型刮板转载机，功率40kW，电压1140V，转载能力400t/h。
5、带式输送机
顺槽带式输送机选用SSJ1000/125型可伸缩带式输送机，功率125kW，电压1140V，输送能力500t/h。
乳化液泵站和喷雾泵站选型为：
乳化液泵站选用DRB200/31.5型，由两泵一箱组成。
喷雾泵站选用WPZ-320/6.3型，由两泵一箱组成。
薄煤层综采工作面主要设备配备见表5-1-2。
四、工作面回采方向
工作面回采方式有前进式和后退式两种，前进式回采具有初期工程量省、投产快等优点，但在采空区维护工作面巷道比较困难，技术复杂，维护费用高，且工作面漏风量大；后退式回采虽然初期需要掘出长距离的工作面巷道，但生产过程中其维护量小，随采随废，漏风量小，安全可靠。
故设计采用后退式回采方式。
表5-1-2薄煤层综采工作面主要设备配备表
设备名称
设备型号
主要技术特征
采煤机
MG2×100/460-WD
总功率400kW，1140V
液压支架
ZY4800/85/19
支撑高度0.85～1.9m，工作阻力2800kN
端头液压支架
ZZ4800/85/19
支撑高度0.85～1.9m，工作阻力2800kN
可弯曲刮板输送机
SGZ630/180
功率2×90kW，1140V，输送能力450t/h
转载机
SZD-730/40
功率40kW，1140V，输送能力400t/h
破碎机
LPS-500
功率55kW，1140V，破碎能力450t/h
可伸缩带式输送机
SSJ800/90
功率40kW，1140V，转载能力450t/h
乳化液泵站
DRB200/31.5
喷雾泵站
WPZ-320/6.3
五、采煤工作面参数的确定
（一）放顶煤工作面参数的确定
1、工作面长度的确定
回采工作面长度的确定主要考虑以下因素：
工作面长度应与工作面输送机相适应，并有利于发挥采煤机的效能和提高工作面的单产与效率，还应与煤层赋存条件、地质条件相适应。
由于高产高效回采工作面推进速度加快，为了减少采煤机斜切进刀时间和工作面端口作业影响时间，提高有效开机率，必须进一步加大工作面长度。
工作面长度加大后，工作面可采储量增加，延长工作面连续推进时间，可以保证工作面稳产高产；加大回采工作面的长度，可以减少工作面的准备工作量和减少辅助作业时间，降低工人的劳动强度和提高采出率，并使矿井减少了生产环节，可充分发挥设备潜力，提高工作面单产，并减少搬家倒面次数，可降低生产成本。
对综放工作面，随着工作面长度的加长，周期来压步距缩短，整个工作面呈现来压不同步特性，易在工作面中部形成周期来压压力重叠区，使顶煤破碎带加宽，有利于放顶煤。
加大工作面长度，一方面可以提高产量，提高效率，降低成本；但另一方面，工作面过长不易管理，容易导致事故增多，反而不利于高产、稳产。
鉴于本矿井初期开采的3号煤层厚度大，倾角平缓，地质构造简单，开采技术条件优越，设计确定回采工作面长度为150m。
但在实际生产过程中，可以根据生产管理水平、地质条件以及采区具体情况对工作面长度进行适当调整。
针对8-2、15-1、15-3号煤为薄～中厚煤层的特点及周边类似矿井的工作面长度，设计确定回采8-2、15-1、15-3号煤的工作面长度为150m。
但在实际生产过程中，可以根据生产管理水平、地质条件以及采区具体情况对工作面长度进行适当调整。
2、工作面机采高度及采放比
工作面机采高度的确定综合考虑了工作面通风行人、顶煤和煤壁的稳定性、工作面回收率等因素。
增大工作面机采高度，缩小采放比虽然提高了工作面回收率，但由于煤壁高，且本矿井煤质软，必将增大片帮的机率，对工作面稳产高产带来不利影响。
采放比的大小，与开采煤层的厚度，煤层结构，顶煤的冒放性等因素有关。
根据我国十多年来对缓倾斜煤层放顶煤开采经验，采放比大小与煤层硬度有着直接关系，在煤质中硬以下时节理发育时，其采放比一般以1：
1～2.4为宜。
根据本矿井3号煤赋存条件及液压支架支护范围，考虑到工作面瓦斯涌出量较大，为加大工作面过风断面，结合本区其它同类矿井放顶煤开采经验，根据煤层瓦斯含量，确定工作面机采高度为2.6m。
据此，3号煤平均厚度为6.64m，根据机采高度的确定，工作面放煤高度为4.04m，其采放比为1：
1.55。
3、工作面放煤步距
由于采放比为1：
1.55，为减少丢煤，提高煤炭回收率，本矿井宜采用割一刀放一次煤的形式，其放煤步距为0.60m。
4、综放工作面年推进度
1）工作面循环进度
综放工作面采煤机有效截深为0.60m，则其循环进度为0.60m。
2）工作面日循环数
矿井工作制度为“四·六”制，三班生产，一班准备，每班工作时间6h。
采煤机开机率k1=60％，工作面长度L1=150m，进刀长度l1=40m，采煤机割煤速度V1=1.01m/min，则割煤一刀所需时间T1:
T1=40+1.25（L1－l1）/V1=40+1.25×（150－40）/1.01=176min
采煤机每班有效割煤时间T1＇：
T1＇=6×60×0.60＝216min
工作面日循环数N1：
N1=3T1＇/T1=3×216/176＝3.7，设计取3。
年推进度：
3×0.60×330＝594m，设计取580m。
（二）薄煤层工作面年推进度
1、工作面长度的确定
采煤工作面长度的确定主要考虑以下因素：
工作面长度要与矿井设计生产能力相适应，并有利于发挥采煤机的效能和提高工作面的单产与效率，还要与煤层赋存条件、地质条件相适应。
由于高产高效采煤工作面推进速度快，为了减少采煤机斜切进刀时间和工作面端口作业影响时间，提高有效开机率，必须进一步加大工作面长度。
工作面长度加大后，一方面可延长工作面连续推进时间，保证工作面稳产高产，减少工作面的准备工作量和减少辅助作业时间，降低工人的劳动强度和提高回采率，并减少搬家倒面次数，降低生产成本；但另一方面设备的故障率会增大，反而影响工作面产量。
因此，必须确定一个合理的工作面长度。
目前，国内高产高效综采工作面长度普遍在180m～260m之间，并有逐渐加长趋势。
神东矿区高产高效综采工作面长度在250m左右。
鉴于本矿井后期开采的8-2、15-1、15-3号煤层厚度较薄，倾角平缓，地质构造简单，开采技术条件优越，设计确定回采工作面长度为150m。
但在实际生产过程中，可以根据生产管理水平、地质条件以及采区具体情况对工作面长度进行适当调整。
2、工作面机采高度
整合地质报告提供本矿井8-2、15-1、15-3号煤层厚0.50～2.42m。
平均1.66m，但是通过对8号煤的8个钻孔进行统计分析，8-2、15-1、15-3号的煤厚在0.5～2.01m
平均1.26m，结构简单。
结合采煤设备配备，确定薄煤层工作面采高为1.26m。
3、工作面年推进度
⑴工作面循环进度
综采工作面采煤机有效截深为0.6m，则其循环进度为0.6m。
⑵工作面日循环数
矿井工作制度为井下“四·六”制，三班生产，一班准备，每班工作时间6h。
采煤机开机率k1=60％，工作面长度L1=150m，进刀长度l1=45m，采煤机割煤速度V1=5.0m/min，则割煤一刀所需时间T1:
T1=30+k2（L1－l1）/V1=30+1.3×（150－45）/5.0=57.3min
采煤机每班有效割煤时间T1＇：
T1＇=6×60×0.65＝234min
工作面日循环数N1：
N1=2T1＇/T1=3×234/57.3＝12.3，设计取12。
⑶工作面年推进
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