03第三章 矿井开拓与开采g.docx
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03第三章矿井开拓与开采g
第三章矿井开拓与开采
3.1矿井开拓系统
3.1.1井筒
矿井达产时共有主斜井、副斜井、回风斜井3个井筒，除回风斜井井口在风井场地外，其余井口均位于矿井工业场地内。
另外，为解决矿井建设期间临时通风问题，在回风斜井附近开凿1个通风措施立井。
主斜井装备带式输送机，担负原煤提升任务兼作进风井筒及安全出口；副斜井担负辅助运输任务，兼作进风井筒及安全出口；回风斜井担负回风任务，兼作安全出口。
通风措施立井担负矿井建设期间临时回风任务。
矿井工业场地位于井田的东部，为黄土梁峁沟谷地貌，地势西高东低，一般标高+1200m左右；风井场地位于矿井工业场地西约2km的平缓地带处，西高东低，自然标高一般1265.00m。
矿井所在区内地表径流主要有窟野河，经本矿井田边界以东由北向南流淌，为常年性河流。
流经本矿井工业场地东侧约5km处向南经神木县城至贺家川乡沙峁头注入黄河。
根据实测地形图窟野河该段河床标高+960.00m，而矿井工业场地一般标高为+1200.00m左右，高出河床240m，没有洪水威胁。
由于主、副斜井井口及工业场地位于东部5-2煤露头自燃边界之外，主、副斜井井筒落底前大部分亦处于东部5-2煤露头自燃边界之外，因此无需留设工广煤柱及主、副斜井井筒保护煤柱。
风井场地及回风斜井井筒保护煤柱按《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》留设。
风井场地按I级保护级别维护，场地周围围护带宽度取15m，下伏各煤层按表土层移动角φ=45°，基岩层移动角δ＝β＝γ＝75°计算保护煤柱范围。
3.1.2盘区划分及开采顺序
根据大巷的位置、地质构造、煤层赋存情况、采煤方法、井下运输方式等因素，井下共划分5个盘区，即南一盘区、南二盘区、北一盘区、北二盘区和西一盘区。
盘区接替原则：
从井筒附近由浅而深、由近而远依次开采，即先采南一盘区。
北一盘区、南二、北二、西一盘区依次为接续盘区。
盘区内工作面采用后退式回采。
煤层开采顺序为先采上部煤层，后采下部煤层。
矿井前20年工作面接续计划见表3.1-1，矿井前20年工作面接续位置见图3.1-1。
3.1.3主要巷道
根据各可采煤层的自然分布情况、长壁综采工作面的布置要求、煤层顶底板的岩性及煤层硬度，结合井下主、辅运输方式，确定分煤层布置大巷，各煤层大巷之间通过斜巷或煤仓联系，集中运输大巷布置在5-2煤层，井下涌水主要集中到5-2煤层大巷。
投产时，首先布置5-2煤层大巷。
根据矿井通风和运输的需要，初期布置3条大巷，即1条辅助运输大巷、1条胶带输送机大巷和1条回风大巷；后期在增加1条辅助运输大巷。
4-2、4-4煤主、辅运输大巷分别通过煤仓、辅运斜巷与5-2煤集中大巷联系，4-2、4-4煤回风大巷大巷直接与风井联系。
后期分别在3-1、2-2煤层布置大巷。
3-1煤层主、辅运输大巷分别用煤仓和辅助运输斜巷与4-2煤主、辅运输大巷联系，回风大巷直接与风井联系；2-2煤层主、辅运输大巷分别用煤仓和辅助运输斜巷与3-1煤主、辅运输大巷联系，回风大巷与3-1煤回风大巷联系。
3.2采煤方法及采区巷道布置
3.2.1采煤方法的合理性分析
井田有可采煤层6层，分别为2-2、3-1、4-2、4-3、4-4、5-2煤。
其中：
2-2煤厚度为3.20～8.68m，平均厚度4.31m；3-1煤厚度为0.20～3.25m，平均厚度2.71m；4-2煤厚度为0.10～4.65m，平均厚度3.07m；4-3煤厚度为0.10～1.66m，平均厚度0.79m；4-4煤厚度为0.14～1.13m，平均厚度0.85m；5-2煤厚度为1.15～9.30m，平均厚度5.87m。
5-2、4-2煤层为主采煤层。
井田内地质构造简单，地层倾角小于5°，构造总体趋势为倾向NWW的单斜构造，井田西部为简单的单斜，东部相对平缓。
地震测线上未见大于15m的断点，亦未见岩浆岩。
煤层瓦斯含量低，水文地质条件简单。
顶板岩性为细粒砂岩、砂质泥岩，底板岩性为砂岩、砂质泥岩，煤层顶底板易于管理。
根据本井田的煤层及顶底板条件，结合神东矿区的开采经验，确定各煤层采煤方法为走向长壁与倾斜长壁相结合采煤法，全部跨落法管理顶板。
根据井田勘探地质报告，5-2煤层区内见煤点130点，均可采，煤层厚度1.15～9.30m，平均厚度5.87m。
从煤层两极厚度上看差异较大，对采煤工艺及设备的选型有一定影响。
5-2煤层全井田赋存，在11－4与外围278号钻孔连线一带为薄煤区，在212与12－3号钻孔连线一带为中厚煤区，其余地段为厚煤区，东部零星出现特厚煤区。
移交生产的南一盘区5-2煤厚度3.90～7.23m，平均厚度5.69m，南一盘区5-2煤层地质钻孔统计分析详见表3.2－1。
根据国内外厚煤层开采技术发展现状，结合5-2煤层赋存特点，设计认为5-2煤层可供选择的采煤方法主要有：
分层综采、放顶煤综采、大采高一次采全厚综采。
1）分层开采
自70年代在开滦矿务局唐山矿试验成功厚煤层倾斜分层下行垮落金属网假顶综合机械化采煤法以后，分层开采的综合机械化采煤工艺又有了进一步的发展，曾经是我国厚及特厚煤层的主要采煤方法之一，在大中型矿井得到普遍采用，积累了较丰富的经验。
但是，这种采煤方法采准巷道系统复杂，巷道掘进率高，巷道的掘进与维护费用高；上分层开采时要铺设人工假顶，加大了工人的体力劳动强度，同时增加了工作面采煤作业循环时间和生产成本；对地质构造特别是断层的适应性差；煤层厚度变化时容易丢煤；单产低、效率低、效益低。
所以在新设计的大型矿井中，这种采煤方法使用得已越来越少。
南一盘区5-2煤层地质钻孔统计分析表
表3.2－1
序号
钻孔号
煤层结构
夹矸岩性
计算煤厚（m）
1
4－10
6.20（0.35）0.25（0.40）0.60
粉砂岩
6.20
2
4－11
6.30（0.30）0.35（0.30）0.54
粉砂岩
7.19
3
4－12
0.70（0.55）6.15（0.25）0.40
细粒砂岩
7.25
4
333
5.57（0.40）0.32（0.30）
砂质泥岩
5.57
5
5－4
6.00（0.30）0.27（0.30）0.40
粉砂岩
6.00
6
334
5.99（0.32）0.35（0.26）0.39
泥岩、炭质泥岩
6.73
7
5－5
6.35（0.35）0.30（0.30）0.30（0.50）0.10（0.20）0.20
粉砂岩
6.35
8
5－6
6.24（0.20）0.30
泥岩
6.54
9
5－7
6.20（0.25）0.30（0.33）0.35
泥岩
6.50
10
H5－5－1
6.54（0.30）0.35
泥岩
6.89
11
H5－5－2
6.67（0.30）0.44
泥岩
7.11
12
H5－5－3
0.85（0.25）0.45（0.75）0.30
泥岩、细粒砂岩
1.30
13
6－5
2.40（0.55）2.70（0.60）0.25（0.25）0.50
细粒砂岩、泥岩、粉砂岩
5.10
14
6－6
5.80（0.45）0.35（0.25）0.40
粉砂岩
5.80
15
6－7
5.64（0.30）0.40（0.20）0.45
泥岩
6.49
16
6－8
5.50（0.30）0.35（0.25）0.40
粉砂岩、泥岩
6.25
17
6－9
5.46（0.25）0.40（0.25）0.40
粉砂岩
6.26
18
6－10
5.86（0.40）0.30（0.25）0.50
泥岩、粉砂岩
5.86
19
6－11
6.00（0.20）0.30（0.30）0.30
泥岩、粉砂岩
6.60
20
6－12
6.58（0.06）0.46
泥岩
7.04
21
7-2
5.05（0.35）0.40（0.20）0.50
粉砂岩
5.95
22
7-3
5.00（0.35）0.25（0.25）0.30（0.40）0.20（0.25）0.40
泥岩、粉砂岩
5.00
23
7-4
4.95（0.30）0.20（0.30）0.45
粉砂岩、泥岩
4.95
24
216
5.33（0.29）0.24（0.29）0.47
炭质泥岩
5.33
25
7-5
0.40（0.30）4.25（0.28）0.95（0.22）0.27
粉砂岩、泥岩
5.87
26
7-6
5.30（0.20）0.30（0.25）0.40
粉砂岩
6.00
27
7-7
6.02（0.25）0.35
泥岩
6.37
28
217
6.46（0.25）0.38
炭质泥岩
6.84
29
7－8
6.30（0.20）0.39
粉砂岩
6.69
30
H5－7－1
6.68（0.20）0.30（0.70）0.20
泥岩、粉砂岩
6.98
31
H5－7－2
6.40（0.30）0.35（0.40）0.30
泥岩、粉砂岩
6.75
32
8-4
0.20（0.50）4.05（0.25）0.30
粉砂岩
4.35
33
8-5
4.35（0.20）0.20（0.25）0.30
粉砂岩
4.85
34
8－6
3.90
35
8－7
5.25（0.15）0.45
泥岩
5.70
36
8－8
4.60（0.30）0.40
粉砂岩
5.00
37
8－9
5.50（0.20）0.29
泥岩
5.79
38
9-5
4.00（0.30）0.40（0.20）0.35
粉砂岩
4.75
39
9-6
4.20（0.25）0.30（0.25）0.20
粉砂岩
4.50
40
9－7
5.10（0.20）0.30
泥岩
5.40
41
9－8
4.24（0.40）0.30（0.25）0.35
粉砂岩、泥岩
4.24
42
9－9
4.75（0.22）0.35（0.20）0.40
泥岩
5.50
43
10-1
3.00
44
223
3.25（0.17）0.13
炭质泥岩
3.56
平均
5.69
2）放顶煤开采
我国自1982年开始试验放顶煤开采方法以来，这种对开采厚煤层行之有效的技术日趋成熟，在我国厚煤层矿井中得到了普遍采用，并已开始向三软、夹矸、硬煤等条件下的矿井进行延伸研究。
2001年在煤层中硬、无夹矸、低瓦斯、煤厚7～9m、直接顶与老顶为厚层砂岩等条件下的兖矿集团已开始出现年产超5.00Mt的综放工作面。
实践证明，在厚及特厚煤层中，综采放顶煤较分层开采，简化了巷道布置和回采
工序，降低了回采巷道掘进率，减少了工作面搬家次数，节省了人工、材料和时间消耗，降低了成本；提高了工作面单产和工效；生产高度集中，有利于矿井的管理与控制，实现安全文明生产；对于地质条件比较复杂、断层多、煤层厚度变化大的煤层适应性强。
当然，放顶煤开采仍然存在着煤尘大，工作面回采率偏低，高瓦斯煤层有局部积聚危险和采空区浮煤易发火等固有问题尚待解决。
同时煤层埋深、煤层厚度与强度、夹矸厚度、强度与层位、煤层裂隙发育程度等诸多地质因素也直接决定着放顶煤的效果。
3）大采高综采
大采高综采采煤方法是国外高产工作面采用的主要方法。
我国从1978年起，开始试验厚煤层大采高一次采全厚开采方法，至今已取得了长足进步。
但由于我国的综采设备制造技术尚不完备，使国产设备大采高技术未能在我国广泛推行。
国外高产高效综采长壁工作面由于采用重型化、强力化、自动化和机电一体化的设备，走生产集中的途径，工作面的单产和工效大幅度得到了提高。
神东矿区自1985年开发建设以来，利用先进的管理思想和科技手段，将资源优势迅速转变为生产力优势，实现了高起点、快发展和高效率。
2003年大柳塔、榆家梁、补连塔等矿井一井一面，其原煤产量均突破10.0Mt/a大关。
4）大采高综采与放顶煤综采的分析比较
（1）生产能力方面
虽然轻型支架放顶煤技术在开采较薄厚煤层（3.5~6.0m）时取得了成功，但普遍工作面单产不高。
兖矿集团综放工作面近几年的产量之所以能达到4.00~5.00Mt/a的全国最高生产水平，不仅与其有着得天独厚的煤层和顶板条件以及高超的生产技术水平密不可分，也与其适当引进了后配套主、辅助运输设备有关。
在采用大采高综采的工作面中，产量多在2.50Mt/a以上。
其中全部使用国产设备的乌兰木伦矿在煤层厚度适中、顶底板条件较好的情况下达到日产2万t的好成绩；使用引进设备的多数已突破5.00Mt/a，2002年11月投产的晋煤集团寺河矿设计采用引进设备，在试生产阶段就达到了日产万吨以上的水平，目前产量稳定在6.00Mt/a左右。
一方面表明国产设备还有待完善提高，同时表明大采高综采的生产能力主要由设备的能力及其可靠性所决定。
红柳林井田煤层埋藏浅，5-2煤埋深56.72～293.10m，平均145m。
5-2煤顶板以细粒砂岩为主，岩石RQD值细粒砂岩为55～87％，平均73.14％，岩石单轴饱和状态下抗压强度小于30MPa，属软弱岩石。
煤层顶板矿压强度低，煤质较硬，均不利于综采放顶煤，放顶煤综采工作面生产能力难以达到理想效果。
设计认为红柳林矿井地质及开采条件与神东矿区相似，采用引进大采高综采设备年产量达到8.00～9.00Mt是有保障的。
（2）生产工艺及生产管理方面
采煤方法的生产工艺特点决定了工作面生产管理的难易程度，放顶煤综采回采工艺相对复杂，既有前方采煤机割煤，又有支架后方放煤。
割煤与放煤两道工序如不能有效协调将影响工作面效率，生产管理复杂。
而大采高综采由于回采工艺单一，管理简单。
（3）劳动卫生方面
放顶煤综采工作面出煤点多，粉尘量高，据在成庄矿实测，放煤口10m范围内粉尘量均在1000mg/m3以上，回风巷粉尘量300～500mg/m3以上，严重地危害工人的身心健康，同时，也不利于建设文明、高效的现代化矿井。
（4）回采率方面
放顶煤综采工艺：
据统计资料，工作面回采率平均为70～80%，潞安、兖州、阳泉矿区最高达到85%，但需指出，涨煤率造成了回采率的统计误差，此外，放顶煤造成了5%的灰分增加。
按工作面平均回采率80%计算，盘区回采率为70%。
大采高综采工艺：
红柳林矿井南一盘区5-2煤平均煤厚5.69m，按最大采高6.0m计算，盘区回采率为80.3%，可满足规范75%的要求。
（5）块煤率
在采取适当技术措施后，大采高综采块煤率将介于放顶煤综采与分层综采之间，比放顶煤综采低3~4%。
5）采煤方法的确定
本井田主采的5-2、4-2煤层均属厚及中厚煤层，煤层赋存稳定，倾角小，顶底板稳定完整，开采条件优越，利用综采长壁开采最为合适，可充分发挥其潜力和取得更大经济效益。
4-2、5-2煤层设计采用一次采全高为主的综合机械化开采工艺。
影响大采高一次采全厚综采工作面回采率的因素主要是煤厚变化与综采装备的采高范围不完全匹配，当煤厚大于最大采高时就会造成明显的丢煤损失。
经测算，当最大采高为6m时，南一盘区回采率仍可达到80.3%，符合采区回采率大于75%的要求。
根据国内大采高综采工作面比较成熟的经验，南一盘区5-2煤层设计采用大采高综采一次采全厚，最大采高6.0m；对于东部零星出现的特厚煤区（北一盘区）今后可以进一步加大采高，目前类似条件下，我国最大设计采高已达7.3m；5-2煤层的薄煤区及中厚煤区分布在后期开采的西部区域，适合薄及中厚煤层一次采全厚综采工艺开采。
2-2、3-1煤层分布在后期开采的西部区域，属厚及中厚煤层，适合一次采全厚综采工艺开采。
由于薄煤层开采存在着政策、技术、装备等诸多问题，多年来在各煤矿未得到应有的重视，特别是进入市场经济后，煤炭企业往往为了追求好的经济效益，使得很多矿区薄煤层开采处于停滞甚至倒退状况。
薄煤层开采的产量比重在20世纪70年代以前，保持在16%～17％之间，与薄煤层储量比例相近。
80年代以来，中厚煤层机械化采煤技术快速发展，但薄煤层开采技术发展缓慢，薄煤层产量比重逐步下降，到1988年已降至10.93％，到1996年只占7.32％。
随着各大煤矿中厚煤层的不断开采，薄煤层将逐渐增多，瓦斯突出问题越来越严重，有些矿已经到了不开解放层已无主采煤层可采的状况，如：
兖矿集团目前薄煤层储量已占40％以上。
薄煤层不能及时合理开采，必然造成煤炭资源浪费，缩短矿井服务年限，影响矿区可持续发展。
德国DBT公司是世界上研制刨煤机最早、产量最大、技术水平最高的一家公司，曾研制成功多种拖钩刨、滑行拖钩刨、滑行刨等机型。
目前刨煤机的技术水平已发展到了采高0.6～3m，截深最大可达300mm，可刨煤硬度f=4，刨速最高可达3m/s，刨链达Φ42mm，装机功率最大可达2×800kW，铺设长度达300m。
辽宁铁法煤业公司小青矿自2000年全国第一家引进全自动化刨煤机工作面开采工艺及装备，先后创出了日产9188t和月产15.13万t的好成绩。
全自动化刨煤机系统引进了德国DBT采矿技术公司刨煤机、运行轨道及电液控制系统的核心技术，为工作面生产配套的其他设备全部由国内生产厂家制造。
目前为止，全自动化刨煤机系统大同煤矿集团公司、山西焦煤集团公司都得到了较好的应用。
为了充分开发利用煤炭资源，本井田4-3、4-4薄煤层采用全自动化刨煤机长壁综合机械化开采工艺。
移交生产的南一盘区4-4煤层可采范围内煤层厚度0.80～1.13m，平均厚度0.99m。
工作面的最大采高为1.13m，最小采高0.8m。
3.2.2采掘设备的安全性
红柳林井田煤层赋存平缓，埋藏浅，顶板一般为粉砂岩，中等稳定和稳定类型，底板为泥质粉砂岩、砂页岩，也较稳定。
多年的生产实践表明，高工作阻力的二柱掩护式支架能适应顶底板属于中等稳定的长壁工作面。
结合国内外高产高效工作面经验，工作面液压支架采用掩护式。
矿井投产时，生产能力10.0Mt/a。
投产盘区为南一盘区，盘区内布置1个5-2煤层大采高综采工作面；达到矿井设计生产能力12.0Mt/a时，在南一盘区增加1个4-4煤层刨煤机综采工作面。
1．5-2煤层大采高综采支架选型
1）架型选择
根据神东矿区投产的大柳塔、补连塔及上湾矿高产高效工作面的经验，高工作阻力的二柱掩护式支架能适应顶底板属于中等稳定的长壁工作面。
结合本井田煤层顶底板岩性条件，设计选用掩护式液压支架。
2）支架高度
a．支架最大结构高度（Hmax）
Hmax=mmax+S1
式中mmax——煤层最大采高，取6.0m；
S1——伪顶或浮煤冒落厚度，取0.1～0.3m；对薄煤层或顶板稳定，取下限；对厚煤层或顶板中等稳定以下，取上限；对有易冒落伪顶时，应特殊考虑
Hmax=mmax+S1=6.0+0.3=6.3m。
b．支架最低结构高度（Hmin）
支架的最低结构高度为满足顶板下沉量、与采煤机的配套以及整架运输等要求，可以根据具体情况，分别计算：
（a）一般
Hmin=mmin－S－a，m
式中mmin——煤层最小采高，m；
S——在控顶区范围内顶板的最大下沉量，m；
a——支架卸载前移时的可缩余量，一般取0.05m
对于一般情况，支架的最小结构高度应比最小采高小0.2～0.35m左右，即
Hmin≤mmin－（0.2～0.35），m
（b）考虑整架运输，支架最小高度应满足
Hmin≤H－（h1+K2），m
式中H——巷道净高或大巷架线高度，m；
h1——支架运输车高度，m；
K2——安全间隙，K2=0.1～0.2m
（c）为满足配套要求，支架最小高度应满足
Hmin≥H0+h0+K5，m
式中H0——采煤机机面高度，m；
h0——采煤机上方顶梁最大厚度，m；
K5——安全高度，K5≥0.2～0.3m
综上所述，液压支架的最大高度为6.3m，最小高度根据运输要求取2.8m左右。
3）支架支护强度的计算
a．我国经验公式
P=M×γ×n×10-2/（K-1）
b．西德经验公式
P=12×M×10-2
c．日本经验公式
P=（2+3）γ×M×10-2
式中P——支架单位面积上的载荷，Mpa；
M——煤层开采厚度，m；取6m
γ——顶板岩石容重，t/m3；取2.7t/m3
n——支架受力不均衡系数；取2
K——顶板岩石破碎膨胀系数。
取1.3
计算结果为：
P=0.72～1.08Mpa，即所选液压支架支护强度应不低于P=0.72～1.08Mpa。
国外长壁工作面的生产经验表明，液压支架是工作面装备中投资最多的设备，约占60～70%，因此他们把支架的可靠性放在首位，不但要稳定可靠、故障率低，而且使用寿命要长，近年来液压支架有向重型化发展的趋势，支架工作阻力逐年增加。
例如：
美国长壁工作面中支架工作阻力大部分在7000～8000kN，最大的两柱掩护式支架工作阻力达到9800kN；澳大利亚百万吨长壁工作面中，液压支架的工作阻力都在630t以上，最高达800t。
而上述两国的煤层埋深都在500m以内，一般不超过300m。
根据支架支护强度的计算，结合高产高效工作面的特点，初步选择ZY12000/28/63D型，高度2.8～6.3m，工作阻力12000kN，重约50t/架。
2．4-4煤层刨煤机综采支架选型
1）架型选择
工作面液压支架采用掩护式。
2）支架高度
a．支架最大结构高度（Hmax）
Hmax=mmax+S1
式中mmax——煤层最大采高，m；取1.13m
S1——伪顶或浮煤冒落厚度，m；取0.1～0.3m；对薄煤层或顶板稳定，取下限；对厚煤层或顶板中等稳定以下，取上限；对有易冒落伪顶时，应特殊考虑
Hmax=mmax+S1=1.13+0.3=1.43m。
b．支架最低结构高度（Hmin）
支架的最低结构高度为满足顶板下沉量、与采煤机的配套以及整架运输等要求，可以根据具体情况，分别计算：
（a）一般
Hmin=mmin－S－a，m
式中mmin——煤层最小采高，m；取0.8m
S——在控顶区范围内顶板的最大下沉量，m；
a——支架卸载前移时的可缩余量，一般取0.05m
对于一般情况，支架的最小结构高度应比最小采高小0.2～0.35m左右，即
Hmin≤mmin－（0.2～0.35），m
（b）考虑整架运输，支架最小高度应满足
Hmin≤H－（h1+K2），m
式中H——巷道净高或大巷架线高度，m；
h1——支架运输车高度，m；
K2——安全间隙，K2=0.1～0.2m
（c）为满足配套要求，支架最小高度应满足
Hmin≥H0+h0+K5，m
式中H0——采煤机机面高度，m；
h0——采煤机上方顶梁最大厚度，m；
K5——安全高度，K5≥0.2～0.3m
综上所述，液压支架的最大高度为1.43m，最小高度根据运输要求取0.6m左右。
3）支架支护强度的计算
a．我国经验公式
P=M×γ×n×10-2/（K-1）
b．西德经验公式
P=12×M×10-2
c．日本经验公式
P=（2+3）γ×M×10-2
式中P——支架单位面积上的载荷，Mpa；
M——煤层开采厚度，m；取0.99m
γ——顶板岩石容重，t/m3；取2.7t/m3
n——支架受力不均衡系数；取2
K——顶板岩石破碎膨胀系数。
取1.3
计算结果为：
P=0.12～0.18MPa，即所选液压支架支护强度应不低于P=0
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