杨千堡矿井通风及防灭火设计.docx
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杨千堡矿井通风及防灭火设计
摘要
矿井通风与安全设计是每个学煤矿安全学生必做的一项任务。
我国煤矿以井工开采为主，在开采过程中，需要进行通风设计，以保证井下人员以及机械设备的正常作业。
这就需要每个安全专业的学生学好相关的通风知识。
本设计为120万吨/年矿井设计，斜井、立井联合开拓，有二个进风井和一个回风井。
矿井通风方式为中央分列抽出式通风。
本文运用节点风量平衡方法，并结合计算得出矿井主要巷道的风量。
通过对可能最大的阻力路线进行计算，分别确定容易、困难时期的采掘部署，确定容易时期、困难时期的阻力路线，计算得出该时期的矿井总阻力，并得出矿井容易时期设计需风量为61m3/s，困难时期设计需风量为61m3/s。
通过对通风机风阻、风压计算以及对工况点的选取，进而选出矿井主要通风机型号为BDNO-20，电动机型号为YBFe450S2-10。
关键词：
矿井；通风；设计；通风系统；安全技术
ABSTRACT
Designofventilationandsafetyincoalisanimportanttaskforeachstudentswhoismajoringinsafetyengineering.China’scoalmininginmostcasesisundergroundmining.Itneedsventilationdesign.Inordertoensurethenormaloperationofpersonnelandequipmentundermine,itrequireseachsafetyprofessionalstudentstolearnknowledgerelatedtoventilation.
Thisdesignisformining1.2milliontons/yearmineventilationdesign,withinclinedshaftsandshaftsjointdevelopment,cuttingtwointowindwellsandareturnairwell.
Mineventilationwayoutisthecentraltypeventilationrespectively.Inthispaper,weusetheairseriesfeaturesnodebalancemethod,combiningwiththemineroadwaycalculatedmainair.Throughcalculatingtheresistanceofthemostlikelyroutecomputation,wedeterminedrespectivelydeploymentandresistancelineinthedifficultperiodtheeasyperiod,difficulttimeresistanceline,calculatedthetotalresistanceduringthisperiod,ineasyperiod,theairvolumeis61m3/s,andindifficulttimeitis61m3/s.Throughtheairresistancetotheventilator,windpressurecalculationandoperationpointstotheselectionofmine,wedecidethemainfanmodelisBDNO-20,motormodelisYBFe450S2-10
Keywords:
mine；ventilation；design；ventilationsystem;securitytechnology
1井田概况
1.1矿区开发情况
大同杨千堡煤矿，属于大同地方煤矿，属于新建矿井，周边经过多年的建设，有了学校，医院，银行，供电站，污水处理厂等居民生活必需的场所。
基本形成煤矿带动经济，发展矿区，周边设施发展繁荣矿区的格局。
自从山西省煤炭行业整改后，煤矿企业积极依照有关规定整改，改变了以往只靠煤，只发展煤的产业模式，到现在周边建设有水泥厂，高岭土厂，发电厂，以及有关煤副产品的厂子，充分利用资源，变废为宝。
现在已经形成煤炭为主，化工，电力，冶金等多行业共同发展的工业区。
现在煤矿新开井巷多，整改力度大，改掉了许多原来设计部合理的情况，建设中充分重视安全，生产需要安全，安全促进生产的观念深入人心，许多设备都是很先进的，对职工的安全，技能培训，教育上投入都很大，煤矿企业生产从各个环节力图实现既经济，又技术先进，又安全。
煤矿自从山西省煤炭整合措施实施后，改了许多巷道布置，现在基本上新巷比较多，基本集中在井田中央，井田基本上实现综合机械化采煤，尽量少留煤柱，井下同时做到很好对预防火，水，瓦斯，矿尘的处理。
布置有井下先通讯设备，和侦查设备，避难设备。
对于灾害，做到预防为主，防治结合。
1.2项目设计依据
《采矿工程设计手册》，《煤矿安全操作规程》，《煤炭工业设计规范》，《采矿学》（中国矿业大学出版社2009版），《矿井通风与安全》（中国矿业大学出版社王德明）山西省矿业整改政策，矿区煤田地质条件，国内外有关煤矿设计方案，有关单位的经济条件和现有技术水平。
1.3设计概况
1.3.1地理概况
井田北距大同市60km西距左云县县城约15km,邻近西北边界有109国道通过；井田内有东周窑煤炭集运站，与京包线、大秦线、北同蒲线相连；井田内各乡村、各煤矿之间有简易公路相通，通往全国各地，交通十分方便。
详见图交通位置图1-1位置图。
井田地质条件良好，地层稳定，煤层倾角小，为近水平煤层，且东西跨度，南北跨度适当，适合布置大型巷道。
井田周边河流水量，和井田已经探明的地下水量不大，不足以发生大型的洪涝灾害，在建设井设时不需要行进河流改道，或是铺设河床等防洪措施，只需要在雨季在矿井的各个井口周围设置一些水流引导建筑，或是挖沟进行引导水流流向其他安全地带避免水流流向井内，造成水灾，以至于淹没井下一些设施，造成人员伤亡和矿井的破坏，造成不良后果。
井田地处山西黄土高原向内蒙古高原的过渡地带，属晋西北低山丘陵区，为黄土丘陵地貌，地形起伏不大，冲沟发育。
地势南高北低，一般海拔标高1350～1500m，最高海拔标高1607.9m，最低海拔标高1219.2m，最大相对高差388.7m。
井田内多被第四系黄土覆盖，冲沟中可见零星的白垩系和侏罗系地层出露。
井田内水系不发育，较大的水系为十里河上游段，在近井田西北边界外由西南向东北方向流过，只有一段流经井田北部。
十里河常年有水，往东北流入御河，再汇入桑干河。
本区属半干旱大陆性季风气候，冬季严寒、夏季炎热，气候干燥，风沙较多。
全年气温较低，年平均气温为5.1℃，一月均温零下14℃，7月均温17-25℃，以年温差与日温差大为特点，极端最高温度为39.9℃，极端最低温度为－35℃，一般日温差在20℃左右。
年降雨量分配不均匀，年降水量多集中在7、8、9三个月，约占全年降水量的60～70％，年最大降水量为628.3mm，年最小降水量为259.3mm，年平均蒸发量为1847.8mm。
风沙天气占全年的30％左右，多集中在冬、春季。
历年冻土月份为11月至第二年4月份，最大冻土深度为1.61m。
区内地震基本烈度属Ⅶ度区，地震动峰值加速度为0.15g。
区内地震情况见表1-1。
图1-1交通位置图
表1-1近井田地区地震情况统计表（Ml≥3.0级）
序号
地震日期
年月日
地震地点
震中位置
震级（Ml）
震源深度（km）
备注
北纬
东经
1
1022.4
怀仁·大同
39°07′
113°01′
6.5
因资料来源不同，部分地震日期、位置、震级及震源深度数据缺失。
2
1305.5
怀仁·大同
39°08′
113°01′
6.5
3
1307…
大同
4
1333-1368
应县
5
1582.3
大同
40°00′
112°06′
6
1626
灵丘·浑源
39°24′
114°12′
7
7
1676.9
朔州
8
康熙22年
忻州
9
1962.6.5
左云
40°24′
112°06′
4.5
10
1970.3.29
阳高水沟寺
40°14′
113°30′
3
11
1977.2.2
右玉
40°11′
112°15′
5
12
1978.6.01
大同盘道
39°52′
113°33′
4.9
13
1988.7.31
大同盘道
39°52′
113°33′
3.0
24
14
1989.11.18
大同·阳高
6.1
15
1992.12.26
大同后郭家
40°10′
113°04′
3.3
16
1995.11.13
大同新荣镇
40°17′
113°14′
3.4
17
17
1995.11.29
大同周家店
40°04′
113°17′
3.1
20
18
1997.2.10
大同长胜店
40°00′
113°30′
3.3
15
19
1997.2.11
大同长胜店
40°00′
113°31′
3.0
15
20
1997.2.16
大同李王涧
40°02′
113°32′
3.2
8
21
1998.3.10
大同侯大庄
40°00′
113°25′
3.7
8
22
2001.6.28
大同王官屯
40°17′
113°39′
1.3.2主要自然灾害
该矿井处于黄土高原的一个地震带，主要受地震灾害影响较多，该地区缺水，煤田深埋地下，受露天天气影响较少，很少见泥石流，石崩，恶劣天气，主要受地震影响。
1.3.3工程建设性质
由于本设计是在煤田的未开采区域进行布置大巷，准备巷道等工作，进行一系列设计，是在空白的基础上进行，工程建设的性质属于新建。
1.3.4井田开拓与开采
该井田范围由5个拐点圈定，具体如下。
表1-2井田拐点的经距和纬距
拐点编号
经距（Y）
纬距（X）
1
19649600.70
4423800.01
2
19656387.42
4428650.59
3
19655426.62
4430318.00
4
19650567.26
4427331.85
5
19648735.30
4424731.10
东西长7652m，南北长6518m，面积17.298km2，开采深度750m~1600m。
关于矿井储量如下：
1．计算方法
井田内各主要可采煤层层位稳定，厚度变化不大，煤层产状平缓（＜15°）且勘探工程分布比较均匀，资源储量估算方法采用地质块段法。
计算公式：
Q=S×H×D/10000（1-1）
式中：
Q——块段资源储量（万t）
S——块段水平面积（m2）
H——块段平均厚度（m）
D——煤层平均视密度（t/m3）
该矿井面积为17298000m2，煤层平均厚度为5m，煤层平均视密度为1.42t/m3。
其块段储量大约为12281.58万t。
2．矿井设计可采储量
矿井设计可采资源储量为工业资源储量（由于本煤层为近水平煤层，在此可取煤层资源）中减去工业场地、井筒、主要巷道等保护煤柱煤量后乘以采区回采率得到的资源储量。
各类煤柱均按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的有关规定计算，主要巷道两侧各留30m、巷间煤柱35m、采区边界煤柱22m。
矿井采区的回采率厚煤层取75%、中厚煤层取80%、薄煤层取85%。
由于该矿井中厚煤层居多，回采率取80%。
经测量计算，边界护煤柱留的煤的面积为541716.2m2,井巷的保护煤柱不可采煤的部分面积为1371808.3m2,断层周边不可采的煤的面积为201950.9m2。
总不可采的面积为2115475.4m2。
平均煤厚取5m。
煤层平均视密度取1.42t/m3,可得这部分煤的储量为1502万t。
可得最后矿井设计可采储量为8623.7万t。
3．矿井设计能力的确定
根据煤田地质条件，煤田储量，目前企业的经济水平，交通以及外运条件，市场前景，有关法律，相关生产部门的政策等综合因素的分析。
本煤田设计为特大型矿井。
设计提出0.9Mt/a,1.2Mt/a,1.5Mt/a。
本设计采用1.2Mt/a主要理由如下：
从可采储量,井型，服务年限比较；煤田储量大，中厚煤层居多，煤层生成能力大，地质条件适合大规模开采。
经计算0.9Mt/a时矿井服务年限68a，1.2Mt/a时矿井服务年限51a，1.5Mt/a时矿井服务年限41a。
其中51a符合有关新建矿井对年限的要求。
从生产技术装备来看；1.2Mt/a矿井采用的一些生产技术和设备等，采煤工艺都很不错，技术先进，煤炭采出和煤炭回收，安全等技术都不错，可以选择。
从经济效益角度考虑；1.2Mt/a和0.9Mt/a俩方案矿井工程相当，1.5Mt/a工程量较大，企业承受不起，但1.2Mt/a效益较0.9Mt/a高，相比之下，选择0.9Mt/a方案。
从国家政策来看；1.2Mt/a方案较符合其标准。
4．矿井服务年限有如下计算
T=Z/（A·K）（1-2）
式中：
T——服务年限，a；
Z——设计可采资源/储量，Mt；
A——设计生产能力，1.2Mt/a；
K——储量备用系数，取1.4。
所以，矿井服务年限86.237/（1.2×1.4）=51.3a（符合规定）
我国各类井型的矿井和服务年限见表1-2
表1-3我国各类井型的矿井和服务年限
井型
设计生产能力（万t/a）
矿井服务年限
特大
300及以上
60
大
120．150．180．240
50
中
45．60．90
40
小
9．15．21．30
各省自定
5．井田开拓方式
根据井田的地质情况和相关的政策规定，和现有的技术装备水平，以及国内一些与该矿井类似的设计经验。
对井田开拓巷道布置提出来个具有代表性的井田开拓方案，具体分别叙述如下：
方案一：
主斜井：
布置于矿井中央东北约200m处的选煤厂场地内，井筒倾角20°，净宽4.5m，净断面14.7m2，井口标高+1400m，井底标高+880m，斜长1520m，担负矿井的煤炭提升任务，铺设台阶，兼矿井进风井和安全出口。
副立井：
净直径Φ8.0m，净断面50.27m2，井口标高+1530m，井底标高+878m，担负普通材料、设备和人员及矸石辅助提升任务，兼矿井进风井。
中央回风立井：
净直径Φ6m，净断面28.28m2，井口标高+1524m，井底标高+880.0m，垂深480.7m，担负矿井的回风任务，装备梯子间，兼矿井安全出口。
方案二：
主斜井：
布置于矿井中央东北约200m处的选煤厂场地内，井筒倾角20°，净宽4.5m，净断面14.7m2，井口标高+1400m，井底标高+880m，斜长1520m，担负矿井的煤炭提升任务，铺设台阶，兼矿井进风井和安全出口。
副斜井：
布置于矿井中央东北约800m处的选煤厂场地内，井筒倾角20°，净宽4.2m，净断面13，2m2，井口标高+1350m，井底标高+887m，斜长1359m，担负普通材料、设备和人员及矸石辅助提升任务，兼矿井进风井
中央回风立井：
净直径Φ6m，净断面28.28m2，井口标高+1525m，井底标高+875m，，担负矿井的回风任务，装备梯子间，兼矿井安全出口。
方案一的优点：
1）工业场所集中，洗煤厂等煤加工以及附属产品加工厂，可以利用现有的集运站场地和设施，铁路不需要建设，公路工程量小，且便于集中管理。
2）工业场地宽阔、且较平坦，有利于工业场所集中建设规划，土方工程量较少。
3）井筒基本位于井田中部，便于运输等，且有利于前期的一些建设。
4）开拓中留保护煤柱，所浪费煤较少。
方案一的缺点：
1）立井开拓井深，工程量大。
方案二的优点：
1）较立井辅助运输来说，斜井辅助运输，运输量大，运输能力强。
方案二的缺点：
1）三大井比较分散，前期管理，协调比较困难。
2）土方工程量大，前期需要开掘巷道长。
3）工业场所相对来说不是很集中，为以后一些工作带来困难。
4）斜井路线长，通风阻力大。
经对比后，方案一的有点多，缺点少，设计采用方案一的井田开拓方式。
1.4井下主要、辅助运输方式及设备
主斜井：
主要用于煤炭提升，兼矿井进风，安全出口，采用先进的带式输送机。
副立井：
辅助运输，由于矿井重，大件设备等设备一年中也不会运输几次，辅助运输能力需求不大，可装备俩套提升设备，一个是非标宽罐笼（可装3t无轨胶轮车）带平衡锤，一个是小型双层交通罐笼（上下人员）带平衡锤。
胶带运输大巷：
主要用于运煤，采用胶带运输机运煤。
辅助运输大巷：
主要用于辅助运输材料和人员，采用无轨胶轮车运输。
2矿井开拓与开采
2.1煤层埋藏及开采条件
2.1.1地质构造及特征
1．中下太古界集宁群右所堡组：
分布于云冈东侧的雷公山及大同煤田东侧。
其下部为基性火山喷发沉积经深度变质而成的辉石麻粒岩夹浅粒岩，上部浅粒岩夹矽线石柘榴石石墨片麻岩。
区内出露厚度大于4000m。
2．古生界寒武系：
分布于大同煤田东西两侧，不整合于集宁群之上。
寒武系中统徐庄组：
下部为白色或紫红色石英砂岩，上部为砂质白云岩及鲕状灰岩等，厚86～105m。
寒武系中统张夏组：
浅灰——深灰色中厚至巨厚层鲕状灰岩夹少量薄层泥灰岩，厚100m。
寒武系上统崮山组：
灰——深灰色薄层条带状灰岩夹竹叶状灰岩及鲕状灰岩，厚60～100m。
寒武系上统长山组：
灰紫色竹叶状灰岩及竹叶状白云岩，厚30m。
寒武系上统风山组：
薄层泥质灰岩竹叶状灰岩夹薄层紫色页岩，上部为白云质灰岩及白云岩，厚75～105m。
3．奥陶系：
分布于大同煤田北西、南东及西南侧，与寒武系整合接触。
奥陶系下统冶理组：
下部为薄层灰岩竹叶状灰岩，中上部为厚层白云岩常含燧石结核，厚50～135m。
奥陶系下统亮甲山组：
下部为含燧石结核厚层白云，上部为白云岩夹泥质白云岩，厚5～197m。
奥陶系中统下马家沟组：
下部为含砂白云质页岩，薄层泥质白云岩，上部多为灰岩及豹皮灰岩，厚25～110m。
奥陶系中统上马家沟组：
分布于大同煤田西段外侧，下部为白云质灰岩，上部为豹皮（蠕虫状）灰岩，厚138m。
4．上古生界中石炭系本溪组（C2b）、太原组（C3t）、二叠系山西组（P1s）为本井田的下部含煤层位，亦是本次补充勘探层位，该含煤岩系及以上的中、新生界地层，在井田范围出露较全。
赋存于太原组顶部，山西组底部砂岩（K3）之下，顶板岩性以泥岩、砂质泥岩为主，次为炭质泥岩，偶与K3砂岩直接接触，底板为泥岩、砂质泥岩和粘土岩。
与下部8-1号煤层间距由11.45～52.57m,平均26.80m。
煤层厚度由0.46～16.38m,平均5m，其厚度呈现由西向东变薄之趋势，大于12m的在井田中西部零星分布，东部多为3.5-8m之间，北西部煤层遭受剥蚀，详见5号煤层等厚线图（图2-1）。
图2-15号煤层等厚线图
煤层结构较简单，夹矸层数由3～10层，一般5～6层，夹矸厚度由0.10～0.42m。
全区可采。
煌斑岩侵入于井田大部，仅有ZK1326、ZK1427、ZK1528、ZK1631、ZK1728、ZK1732、ZK1831、ZK1827、ZK2308、ZK2712、ZK1718等孔5号煤层及其上下未见煌斑岩侵入体，其余各孔均遭到不同程度的侵入破坏，ZK1021孔5号煤层被煌斑岩侵入破坏殆尽。
见图2-2。
图2-25号煤层煌斑岩侵入特征示意图
煌斑岩的侵入不仅破坏了5号煤层厚度，使其原本结构简单的煤变为较简单，见（图2-3）。
同时对5号煤层的煤质起到接触变质作用，使原本为长焰煤、气煤变质为贫煤、无烟煤。
煌斑岩的侵入使地质构造遭受了很大的破坏，使其原本结构简单的煤变为较简单。
而且给采煤带来了许多困难，使煤质发生了很大的变化。
例如，使原本为长焰煤、气煤变质为贫煤、无烟煤。
图2-35号煤层结构示意图
井田断裂构造有北东向、近南北向、共4条，均为正断层，其中北东向断裂有F9、F12、F13；近南北向有F1。
现分述如下：
F9正断层：
位于北杏庄东，主要由J49、J55、J56钻孔控制，地表无出露，断层走向北东50°，倾向北西，倾角80°，落差0～30m，全长约2500m。
是F1断裂的分支断裂。
为南东盘上升，北西盘下降的正断层。
F12正断层：
位于平寺村北，是由J33、补32钻孔控制的，地表无出露。
走向北东60°，倾向南东，倾角75°，落差0～20m，全长约1100m。
为北西盘上升，南东盘下降的正断层。
F17正断层：
该断裂构造，位于原F2断裂构造之西侧约750m，走向北东27°，倾向北西297°，倾角73°。
井田西北部由11线、9线、7线、4线控制，向北推测至井田外，区内长度约5km。
落差 0～64m，由南西向北东断距逐渐增大。
本断裂构造是二维地震发现并解译的。
F1正断层：
位于井田南中部，走向近南北、倾向东。
倾角70°。
沿走向呈“弧”型。
井田内出露长度6.6km。
断距5～30m，与F9、F14相交。
地表没有出露。
是由钻孔控制的，在19线剖面上，由J1和J19两孔控制；在21线剖面上，由J21和J38两个钻孔控制；27线由J56、J55两孔控制。
2.1.2煤层及煤质
1．煤的物理性质和煤岩特征
在区内主要表现为半亮煤和半暗煤。
煤岩组分以亮煤、半亮煤为主，暗煤少量。
呈玻璃—油脂光泽，线理—条带状结构，条痕呈黑褐色，硬度在2级以下，性脆易碎，断口呈参差状、阶梯状，内生裂隙较发育。
煤因煌斑岩侵入受接触变质作用的影响，煤层在接触带上下盘常有矽化，致使煤层从本质上发生变化，色泽、光泽变暗，硬度增大，结构、构造变的模糊起来，内生裂隙、外生裂隙相互交错，方解石脉体充填。
1）显微煤岩特征如下
煤层各组分含量：
镜质组50.2～67.4%，平均56.51%；惰质组17.5～22.4%，平均19.61%；壳质组5.1～7.8%，平均6.31%；粘土类6.2～26.2%，平均17.3%；硫化铁0.0～1.1%，平均0.6%。
镜质组油侵最大反射率0.60～0.65%。
镜质组：
以基质镜质体为主。
其次为无结构镜质体，少量结构镜质体组成。
惰质组：
丝质体为主，其次微粒体和粗粒体，有少量火焚丝质体。
壳质组：
角质体、小孢子体为主，少量大孢子体、树脂体、树皮体。
粘土类：
以层状粘土占比例较多，其次是分散状粘土，少量似层状粘土。
硫化铁类：
主要为结核状、分散状黄铁矿。
主要可采煤层的含量比较：
硫化铁类以8-2号煤含量高，8-1号次之，5号煤居中，山4号煤少量；碳酸盐、石英含量都较少。
碳酸盐类：
主要为裂隙中充填的脉状方解石。
2．煤的工艺性能
在水分方面；煤层原煤含量由0.36%～10.28%，平
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