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某矿井采区设计设计

摘要

本设计为XX集团XX矿业公司XX井的＋900水平北翼一采区设计。

本采区走向长度为400～550m，倾向长度为430m，煤层平均倾角为20°，采区内有1层煤可采，且均为厚煤层，煤层平均厚度为4.0m。

本采区内地质储量115.2万吨，可采储量为93.5万吨，服务年限为2a。

煤的工业牌号为气煤及长焰煤。

采煤方法为走向长壁采煤法，采煤工艺为综合机械化放顶煤采煤，采空区处理方法为全部垮落法。

关键词：

可采储量服务年限综合机械化

Abstract

ThedesignfortheXXXXXXwellgroupmineralcompanythe+900levelnorthwingdesignofminingarea.Theminingdistrictoflength400～550m,inclinedlengthis430m,theaveragecoalseamdipangleis20°,miningareathereare1layersofcoalmining,andarethickcoalseam,theaveragecoalseamthicknessof4.0m.Theminingareageologicalreserves1152000tons,recoverablereservesof935000tons,lengthofservicefor2a.Industrialgradecoalforcoalandlongflamecoal.Miningmethodfortolongwallmining,miningtechnologyforfullymechanizedtopcoalcavingmining,minedareatreatmentmethodforfullycavingmethod.

Keywords:

recoverablereservesservicecomprehensivemechanization

第1章矿井概况及采区特征

1.1概况

1.1.1矿井概况

一、矿井名称和隶属关系

1、矿井名称

XXXXXX集团XX矿业有限公司于2004年6月30日由XX集团出资4000万元购并原XX县煤矿后组建而成，为省属国有企业。

2、隶属关系

XX矿业有限公司XX井现隶属XXXXXXX集团有限公司下属二级单位。

二、矿井生产能力和开拓部署

1、矿井生产能力

XX矿业有限公司XX井于1993年8月16日建井，1998年9月1日建成投产，设计生产能力6万吨/年，核定生产能力6万吨/年。

2004年由XX矿业集团出资购并，通过矿井技术改造，核定生产能力为60万吨/年。

2、开拓部署

矿井为斜井——立井多水平分区开拓系统，该矿现有一对主、副斜井，采用斜井多水平分区式开拓，主斜井担负进风、提升兼做安全出口；副斜井担负进风、运人、下料等兼做安全出口；立风井回风。

一水平标高＋1250m，二水平标高＋1100m，三水平标高＋900m。

井筒倾角25°，斜长735m，井口间距40m。

三、矿井目前生产状况

2006年对主井提升系统进行了进一步改造，更换为大倾角强力皮带运输，矿井生产能力大幅提高。

该井采用斜井多水平分区开拓方式。

矿井自2004年底开始进行技术改造，改变原有的炮采采煤工艺为综合机械化综采放顶煤工艺。

矿井生产地区现主要为+900m水平南北翼采区，在该区分两翼进行工作面布置，现正在南翼采区生产。

1.1.2采区概况

一、采区名称和所在位置

本设计的采区是张纪井＋900水平北翼一采区，＋900水平北翼一采区位于井田北部，+900水平北翼二采区左翼，采区上下部均为煤层实体，其东部边界以+1100水平二采区为界，南部以DF5断层为界，北以+900水平北翼二采区为界，西以+900水平运输大巷为界。

二、采区走向和倾斜长度，面积大小

+900水平北翼一采区走向长度在400～550m，倾向长430m。

采区面积为215000m2。

采区煤柱包括采区范围内的巷道煤柱以及采区边界煤柱、断层煤柱等。

按其作用和性质为护巷煤柱。

采区煤柱留设如下：

在采区边界留设20m煤柱，相邻工作面留设15m煤柱。

三、采区地表情况

+900水平北翼一采区地面相对位置为XX公路东部，XX镇东南部，地表大部分为耕地和林地，小部分为村庄。

四、临近采区开采情况

+900水平北翼一采区东部为+1100水平二采区的225XX工作面（正准备），西部为+900水平运输大巷，北部为+900水平北翼二采区（未准备），本采区的315XX工作面预计2013年初开始回采。

表1采区位置及井上下关系

水平名称

+900ｍ水平

采区名称

北翼一采区

地面标高（ｍ）

1410

井下标高（ｍ）

910～1062

地面相对位置

xx公路东部

回采对地面设施的影响

地表大部分为耕地及林地，少部分为村庄，回采后对地表影响较小

井下位置与相邻关系

走向长度（ｍ）

400～550

倾斜长度（ｍ）

430

面积（ｍ2）

215000

1.2采区地质特征

1.2.1构造特征

一、基底地层

井田内分布的煤系基底地层，有太古界红旗营子群及元古界化德群，主要由片麻岩、变质砾岩及板岩组成。

二、煤系地层

含煤地层为中生界侏罗系中上统土城子组，由岩性及岩相组合分为上、中、下三段。

上段及中段含煤性较差或不含煤，下段地层在全井田发育，具有东北薄西南厚的变化趋势，厚78～256m，平均182m。

依据含煤情况，岩性组合特征在井田内分东北、西南两个小区，分界线大致4勘探线和F6断层为界。

东北小区含煤地层主要由灰白、灰、灰黑色、粗细相间的碎屑岩和煤层组成，含煤5－26层，煤系多以极薄层及煤线的形式出现，仅底部发育的5#煤层，在井田内有部分可采煤层，但厚度变化较大。

西南小区未见可采煤层，以煤线居多。

煤系上覆层为新生界第四系，为风积、增洪积作用而成的砾质粘土、砂砾等，厚度变化受地形控制，东薄西厚，厚度0.3～42m，平均为18m。

三、地质构造

区内为－单斜构造，走向近南北，倾向西，倾角20°左右，根据2006年XX省地质局物测地质队地震X队测量组的地震勘探测量工作报告，有F6、F7两断层分别从井田及南部边界穿过。

无褶曲分布、火成岩侵入、岩溶塌陷现象等。

F6断层位于井田西南部4－5勘探线之间，走向北东、北西，倾向南，倾角58°，为逆断层，断距约350m左右，该断层的活动是造成井田内东北、西南两小区的岩相和含煤差异的主要因素，同时也是影响开采的主要因素。

另外，在＋900水平北翼二采区，有两条小断层，其中一条落差近7m

的正断层，对31503工作面的回采产生较大影响。

表2采区断层情况表

构造名称

走向（°）

倾向（°）

倾角（°）

性质

落差（ｍ）

对回采的影响程度

DF11

108

198

正断层

影响较大

DF8

150

240

正断层

有一定影响

据以往地质资料及现有井巷工程揭露，现未发现规模较大的断层及褶曲构造，只有微小的褶曲和少量的小型正断层发育。

因此，采区地质构造复杂程度属于简单类型。

1.2.2水文地质特征

依据各含水层与主要可采煤层的关系，采区内的直接充水含水层为煤系下段砂岩、砾岩含水层，其它均为间接充水含水层。

本矿井处于第四系掩盖下的隐伏煤田内，煤系含水层和第四系含水层富水性均较弱，迳流循环条件较差，另外区内构造简单，因此，矿床水文类型为水文地质条件简单的裂隙充水矿床，即二类一型。

1.3煤层及顶底板特征

1.3.1可采煤层特征

据钻孔和矿井巷道揭露，位于土城子组下段底部的5#煤层为本区的主要可采煤层。

煤层厚度2.2-4.8m，平均4.0m，煤厚变化较大，变异系数为0.71。

富煤带沿7勘探线及4-5勘探线展布，在6勘探线存在分岔变薄条带。

在本采区内普遍含1层夹矸，夹矸厚度0.02-0.66m，平均0.3m，属于结构简单—中等的薄—中厚—厚煤层。

5#煤层的工艺性能特征为：

原煤发热量（Qgr.d）28.26MJ/kg，精煤发热量32.11MJ/kg，商品煤灰份（Ad）9.82%～24.63%、平均值17.5%，硫份（St）2.50-3.35%、平均值2.89%。

挥发分析出率（Vr）32.8%。

粘结性中等，结焦性弱，结渣性中等，富焦油，不易磨，低腐值酸，对CO2的反应性较差，煤类东部为长焰煤，西部为气煤。

表3煤层情况表

煤层厚度（ｍ）

2.2～4.8

煤层结构

1.8（0.3）1.9

煤层倾角（°）

6～28

开采煤层

5＃煤层

煤种

气煤或长焰煤

稳定程度

不稳定

煤层情况描述

煤层走向近似南北，倾角平均20°，根据掘进巷道揭露：

煤层赋存不稳定，厚度变化较大，有夹矸。

另根据河北省地质局物探队三维地震勘探报告资料提供，采区内有两条正断层。

2008年瓦斯鉴定结果为：

瓦斯相对涌出量0.407m3/t，绝对涌出量0.378m3/min，二氧化碳相对涌出量3.7m3/t，绝对涌出量3.341m3/min，属低沼气矿井。

自然发火期＜12个月,煤层自燃等级为Ⅱ级，有煤尘爆炸危险，爆炸指数38.2%。

煤层含水较少,对开采基本无影响,煤质较硬,容重1.34t/m3。

气煤可用于炼焦配煤，长焰煤可作动力用煤，也可作气化用煤和民用煤。

表4　影响回采的其他地质情况表

瓦　　斯

相对涌出量0.407ｍ3／t，绝对涌出量0.378ｍ3／min，加强通风管理预防瓦斯积聚

二氧化碳

相对涌出量3.7ｍ3／t，绝对涌出量3.341ｍ3／min，需加强通风管理

煤　　尘

有爆炸危险性，爆炸指数38.2％，产尘点需喷雾降尘

煤的自然

属二类自然发火煤，有自然倾向性，采后及时密闭采空区，防止向采空区漏风

地　　温

12℃～14℃

地压

稳定无冲击现象

普氏硬度

（ｆ）

煤层

夹矸

直接顶

（抗压强度）

直接底

（抗压强度）

1.5

1.3

0.5MPa

0.4MPa

1.3.2煤层顶底板特征

一、煤层顶底板情况

本矿井主采5#煤层，其直接顶岩性主要为粉砂岩、砂岩，泥质结构，钙质胶结，半坚硬断口层次状，含植物化石；直接底岩性为泥岩，灰黑色，岩性致密，较坚硬，滑面发育滑感，断口呈平坦状。

二、根据同煤层相似工作面经验值，预计本工作面矿压参数。

依据＋900水平南翼采区矿压参数，预计本采区矿压参数。

表5预计本采区矿压参数

序号

项目

单位

同煤层实例

本采区预计

顶底板

条件

直接顶厚度

ｍ

5.8

老顶厚度

ｍ

4.2

直接底厚度

ｍ

6.1

直接顶初次垮落步距

ｍ

10～13

10～15

初次

来压

来压步距

ｍ

15～20

15～21

最大平均支护强度

KN／ｍ2

400

450

最大平均顶底板移近量

ｍｍ

120

来压显现程度

不明显

明显

周期

来压

来压步距

ｍ

10ｍ～15ｍ

10ｍ～16ｍ

最大平均支护强度

KN／ｍ2

360

400

最大平均顶底板移近量

ｍｍ

来压显现程度

不明显

明显

平时

最大平均支护强度

KN／ｍ2

300

350

最大平均顶底板移近量

ｍｍ

直接顶悬顶情况

ｍ

直接顶类型

类

基本顶级别

级

Ⅱ

巷道超前影响范围

ｍ

图1地层综合柱状图

第2章采区储量、生产能力和服务年限

2.1采区储量

2.1.1采区总储量

该采区可采煤层一层，为煤系地层底部的5#煤层，厚度平均4.0m，属薄-中厚-厚煤层，走向长度为400～550m，倾向长度为430m，采区面积为215000m2，总储量115.2万吨。

2.1.2采区煤炭损失

一、煤柱损失

该采区共留设三条保护煤柱，煤炭损失量为：

面积×煤厚×煤的容重

Ｑ损＝27500×4.0×1.34

＝147400ｔ

二、工作面损失

工作面煤炭损失主要为回采率损失，煤炭损失量为：

可采储量＝工业储量×回采率

Ｑ可＝1005000×93％

＝934650ｔ

2.1.3采区可采储量

本采区共布置3个回采工作面，最小走向长度400m，最大走向长度550m，平均走向长度500m，工作面倾斜长度平均为125m，煤层厚度平均4.0m，煤的容重1.34t/m3，，得采区可采储量为93.5万吨，采区回采率为81%。

2.2采区生产能力和服务年限

2.2.1采区的生产能力

采区生产能力是采区内同时生产的回采工作面和掘进工作面的产量的总和。

影响采区生产能力的因素有煤层赋存状况和地质构造，采区类型，矿井生产能力，采区正常接替和准备时间，掘、运、通风的装备水平及设备能力等。

采区生产能力的基础是采煤工作面生产能力，而采煤工作面的产量取决于煤层厚度，工作面长度和推进度。

一、回采工作面生产能力

依据公式：

AO=LVOMγCO

式中L----采煤工作面长度m

VO----工作面年推进度m/a

M----煤层厚度或采高m

γ----煤的密度t/m3

CO----工作面采出率

A0＝125×2.4×27×12×4×1.34×93%＝48.5万t/a。

所以工作面生产能力：

A0=48.5万t/a

二、采区生产能力

依据公式：

AB=n×A0×B×k

式中AB——采区生产能力万t/a

n——采区同时生产的工作面个数n=1

A0——每个工作面的生产能力万t/a

B——掘进出煤率取1.05-1.1

K——工作面不均衡系数（沿空留巷取下限，其余取上限，区内单工作面取1，两个工作面取0.92，三个工作面取0.9）

AB=1×48.5×1.1×0.9=48万t/a

三、采区生产能力验算

为确保采区生产能力，要求采区上山运输设备的小时能力为：

An≥1.25AB/2×7×η即

AB≤11.2ηAn，t/d

An—运输设备的设计能力，取200t/h；

1.25—产量不均衡系数；

2×7—昼夜工作小时，即两班出煤，每班工作7小时；

η—运转不连续性，采用输送机时为0.7-0.8

48≤11.2×0.7×200即48≤1568

四、采区通风能力

采区的生产能力应和通风能力相适应。

根据矿井瓦斯等级，进回风上山数目、断面和允许的最大风速，验算通风允许的最大采区生产能力为：

AB≤60vs/Q,t/d

式中：

v—巷道允许的最大风速，m/s;

S—进风或回风巷道净断面，m2;

Q—日产一吨煤所需的风量（m3/min）,低瓦斯等级为1.25；

AB≤60×6×7.2/1.25即43.6≤2073.6

该采区首采工作面（31501工作面）安排了一个炮掘队和一个综掘队分别掘进工作面的上下顺槽，由于在采区上下顺槽与＋900水平皮带、轨道上山地质条件的影响（两巷各150m为无煤区），施工需掘进岩巷工程300m。

首采面（315XX工作面）整体达产时间在2010年1月份。

2.2.2采区服务年限

符合《设计规范》关于采区生产能力服务年限的规定。

第3章巷道布置和生产系统

3.1采区的准备方式

3.1.1上（下）山及其硐室数目、位置、断面形状大小及支护方式

采区上山布置，受煤层厚度、采区服务年限及产量、瓦斯涌出量、煤层顶底板岩性等因素的影响，应综合考虑上述因素，使上山布置方案在技术上可行，在经济上合理。

一、上山条数的确定

考虑矿井的实际情况及《煤炭工业矿井设计规范》、《煤矿安全规程》规定，拟布置两条上山，分别为轨道上山和运输上山，为了实现布置开采及生产均衡的要求，两条上山大致布置在采区南侧，两条上山间距留设为30m保护煤柱。

二、上山位置的选择

采区上山的位置主要有上山布置在煤层中或底板岩石中的问题和相对于煤层群的上、中、下部的问题。

1、煤层上山

优点：

费用低、掘进容易、联络巷道工程量少、速度快。

缺点：

需要锚梁网支护，生产期间上山的维护困难，煤柱留设多，煤层上山受工作面采动影响较大。

适用条件：

（1）煤层顶底板岩石比较稳定，煤质在中硬以上，上山不难维护；

（2）为部分煤层服务的，维护期限不长的专用通风或运煤上山；

（3）开采的单一煤层采区，采区服务年限短。

2、岩石上山

优点：

维护费用低，煤柱留设少，维护状况良好。

缺点：

联络巷道工程量大，掘进困难。

适用条件：

对单一厚煤层采区和联合准备采区，为改善维护条件，将上山布置在煤层顶板岩石中。

根据本设计采区煤层及顶底板岩性等实际情况，结合上述煤层上山和岩石上山的情况，本设计采区就上山布置方式提出如下三种方案：

方案一：

两条煤层上山；

方案二：

两条岩石上山；

方案三：

一岩一煤上山。

下面对于这三种采区上山布置方案进行评价：

（1）两条煤层上山布置方案

该方案将两条上山布置在5#煤层中，掘进速度快，费用低，联络巷道工程量少，但是轨道上山坡度起伏不定，中部甩车场不好布置，对于本设计采区不适宜。

（2）一岩一煤上山布置方案

该方案将运输上山布置在5#煤层中，巷道沿煤层布置，掘进坡度控制在15°以内，以利皮带运输。

轨道上山布置在煤层顶板岩石中，虽然掘进工程量较大，但可以方便布置甩车场，该方案在技术上可行。

（3）两条岩石上山布置方案

该方案将轨道、运输上山布置在煤层顶板岩石中，该方案掘进工程量更大，掘进困难，不适合本采区。

根据本设计采区的条件，通过简单的技术经济比较就可确定方案二最为合理。

故本设计采区将运输上山布置在5#煤层中。

轨道上山布置在5#煤层顶板岩石中。

该采区两条上山巷道长度分别为600m，两上山间距为30m。

运输上山采用强力皮带运输，轨道上山上部掘砌绞车房，安设绞车进行运输。

采区轨道上山上、中、下部分别布置甩车场（附图）。

工作面上顺槽与轨道上山贯通，下顺槽与运输上山贯通。

三、上山断面形状大小及支护方式

采区巷道与900水平开拓工程的断面设计是根据设计手册和操作规程所规定设计完成的。

采区运输上山巷道断面规格为4.0×2.5（净断面），支护方式采用锚梁加锚索联合支护。

采区轨道上山断面规格为3.5×2.4（净断面），支护方式采用锚喷支护。

四、硐室数目、位置、断面形状大小及支护方式

采区硐室包括变电所、采区井下空气压缩机硐室、采区绞车房、煤仓等。

1、采区煤仓

本采区煤仓布置在＋1100水平皮带运输大巷顶部，形式为圆形断面，净断面直径为4.5m，煤仓高为30m，容积为522t，采用锚喷加砌碹支护。

煤仓下口用混凝土砌注圆台体收口，四周铺设钢梁灌入混凝土并与大仓支护连为一体，为了保护煤仓和改善煤仓上口的受力情况需要用混凝土收口注成圆台体，煤仓上口高出仓道底板，防止水进入煤仓，采用锚喷支护。

预防及处理煤仓、防止人员和物料坠入的常用有效措施如下：

（1）在垂直煤仓中可采用螺旋溜槽，减少煤仓入口处煤的自由落体高度；

（2）在煤仓内设压气破拱装置，空气炮等；

（3）在煤仓上口设300mm×300mm孔眼的铁箅子；

（4）在煤仓下口收口侧壁设压风喷嘴，预留钎孔。

2、采区变电所

采区变电所沿用＋1100水平变电所，因其底板稳定，地压小，通风好、无淋水，便于硐室维护和机器的正常运转，减少了硐室工程量，降低了工程费用。

采区变电所设计长度为50m，高3.5m，宽4m，采用锚喷支护，底板用混凝土铺底，高出临近巷道300mm，防止矿井井水进入变电所，电缆线沿电缆沟铺设，硐室内不设电缆线。

3、采区绞车房

根据绞车最大的运输要求，宽度应为2000mm，长度不小于5000mm，绳道断面与连接的巷道断面一致，便于施工。

绞车房的高度为4m，绞车房的断面，设计成半圆拱形，采用锚喷支护。

采区绞车房设计在＋900水平轨道上山坡顶。

4、空气压缩机硐室

空气压缩机硐室设在无淋水、围岩稳定、有新鲜风流通过的＋1100水平轨道与皮带的联络巷内。

机电硐室的温度不要超过30°C，硐室断面为半圆拱形，用锚喷支护。

3.1.2车场选型和设计

采区中、下部车场均采用甩车场。

优点：

岩石工程量小，通过能力大，调车方便，劳动量小；缺点：

绞车房维护比较困难，通风条件稍差。

采区上部车场采用原1100水平轨道运输大巷。

大巷、轨道上山均采用600mm轨距，大巷用10t蓄电池式电机车牵引，列车由30辆矿车组成。

上山辅助运输由1.6m绞车牵引1.0t固定式矿车完成。

车场与大巷铺设24kg/m钢轨。

一、上部车场设计

沿用1100水平轨道运输巷车场，各车场存车均为30辆。

二、辅助提升车场设计

1、甩车场线路计算

辅助提升车场在竖曲线以后以25°起坡，经一段距离在煤层底板处变坡至11°。

斜面线路采用DC618-3-1对称道岔分车。

对应参数：

α=18º55′30″，a=2077，b=2723，S=1300mm。

斜坡线路对称道岔长度为：

水平投影长度

图4-4石门装车线路布置图

图4-5竖曲线计算图

2、竖曲线计算：

高道为重车线，取坡度8‰，则

；

低道为空车道，取坡度10‰，则

。

高道竖曲线半径，

=15000；

低道竖曲线半径，

=9000。

存车线取半列车，即

iG取8‰（高道动滚行坡，重车道）

iD取10‰（低道自动滚行坡，空车道）

则高道竖曲线回转角

低道竖曲线回转角

竖曲线投影长度：

3、起坡点位置确定

绕道车场起坡后跨越大巷，需保持一定岩柱。

根据经验，取运输大巷中心轨道面水平至轨道上山轨面垂直距离15m

图4-6起坡点位置计算图

1、车场至上山斜巷2、煤层底板3、绕道

则：

式中

=20000+

=20160

---轨道上山轨面距煤层底板垂直距离为160

则：

=125467

4、高低道高差闭合计算

设1、1′相对标高为±0.000m

2点标高为；

3点标高为：

4、4′点标高为：

2′点标高为：

以高道计算2′点标高：

高低道闭合无误。

3.2回采巷道布置及区段划分

3.2.1回采工作面长度

矿井以一个采区综采工作面达到设计生产能力，根据矿井采区的走向长度、倾斜长度、区内构造的分布，设计确定首采工作面位于采区的上部，依据公司各矿井回采经验，设计确定工作面走向长度600m，倾斜长度为125m。

3.2.2护巷方式

护巷方式采用煤柱护巷，根据矿山压力，确定护巷煤柱宽度为15m。

3.2.3回采巷道的断面形状及其支护方式

本采区巷道的断面设计是根据设计手册和操作规程所规定设计完成的。

一、巷道形状与断面规格

本采区各工作面上、下顺槽形状为梯形断面，切眼为矩形断面，规格如下：

工作面下顺槽为运输巷，规格为掘宽4.2ｍ、净宽4.0ｍ，掘高为2.7ｍ、净高为2.6ｍ，沿煤层

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