吕沟煤矿C七401高水充填采面设计.docx

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吕沟煤矿C七401高水充填采面设计

第一章设计依据

上级部门批准的设计：

《七4煤层深部开采设计》，批准时刻：

2020年元月

设计采面位置、范围，井上、下关系及四邻采面（边界）的地质情形：

1.2.1采面位置及范围

C七401采面位于吕沟煤矿七4煤层八号水平东翼，东至Y=坐标线，西至Y=坐标线，北至七4集中运输平巷爱惜煤柱，南至矿井边界（-400米水平等高线）。

采面上限标高为-198m，下限标高为-400m，地面标高+172～+160m，走向长190m，偏向长约770m，面积万m2。

C七401采面上部为七4802采空区，采面范围内无村落。

地形为构造剥蚀类型为主的低山丘陵区、地形西高东低，山坡冲沟发育，常与山脉走向垂直，且呈“V”型及“U”型。

为第四系地层半覆盖区，基岩零星出露，地面标高为+172～+160m,有大量农田，采面范围内地面无任何河流和湖泊及较大水池。

1.2.2煤层赋存特点

赋存于二叠系上统上石盒子组七煤段中部，上距平顶山砂岩220m，下距六2煤层（原采矿证五2煤层）90m。

煤层直接顶、底板多为深灰色泥岩、砂质泥岩和粉砂岩，煤厚0—1.51m，一样—1.10m，平均厚度0.86m，以薄煤层为主。

煤层结构简单，一样含一层炭质泥岩夹矸，厚—0.29m。

1.2.3瓦斯

2020年工信厅批复瓦斯相对涌出量为4.68m3/t，绝对瓦斯涌出量为4.34m3/min，属于低瓦斯矿井。

C七401采面绝对瓦斯涌出量为0.26m3/min，二氧化碳绝对瓦斯涌出量为0.30m3/min

1.2.4煤尘

依照2020年5月洛阳矿山机械检测查验中心提供的查验报告，矿井所采七4煤层煤尘爆炸指数为%，具有中等强度爆炸性。

1.2.5煤层自燃

2020年5月洛阳矿山机械检测查验中心提供的煤层自燃偏向性鉴定报告，七4煤层属自燃煤层。

但在50年实际开采进程中无发生过自燃发火现象。

1.2.6水文地质

正常涌水量10m3/h、最大12m3/h。

要紧水源来自上部东翼小煤窑老空水，和七4煤层顶板砂岩含水层（ⅦⅠ），可造成七4煤层顶板淋水，但水量小、持续时刻短，对开采偶有阻碍。

C七401采面防治水工作简单易行，采掘工程不受水害阻碍。

临近采面及边界小窑采空、积水情形资料:

C七401采面范围内无小煤窑采空和积水。

第二章矿井概况

吕沟煤矿设计生产能力30万吨/年，2020年核定生产能力45万吨/年；开采六2、七4两层薄煤；矿井采纳片盘斜井开拓，两翼对角式通风；水文地质条件简单；瓦斯矿井；所采六2、七4煤层煤尘具有中等强度爆炸性，均属Ⅱ级自燃煤层；正常涌水量为100m3/h，最大涌水量120m3/h。

矿井目前有2个生产采面。

一、矿井现生产采面情形：

92采区：

布置一个炮采工作面，六2901采煤工作面，可采储量万吨，截止2021年1月底，剩余可采储量万吨，估量2021年12月回采终止。

91采区：

布置一个炮采工作面，六2902采煤工作面，可采储量万吨，截止2021年1月底，剩余可采储量万吨，估量2021年4月回采终止。

二、新采面、新水平情形：

C七401采面施工情形及首采工作面形成时刻

C七401采面：

估量2021年9月布置完毕，合计可采储量万吨，估量2021年1月具有生产条件。

3、开采C七401采面的必要性

吕沟煤矿目前生产布局来看，矿井在六2水平布置2个采面（六2901采面、六2902采面），六2901采面估量2021年12月回采终止；六2902采面估量2013年4月终止，为确保采掘代替和矿井可持续进展布置C七401采面。

C七401采面位于七4煤层八水平东区，利用七4八东大巷做为回风巷形成生产系统，巷道工程量小、工期短，是矿井采面接续的最正确途径。

第三章C七401采面概况

第一节采面位置及范围、储量

一、采面位置及范围

C七401采面位于吕沟煤矿七4煤层八号水平东翼，东至Y=坐标线，西至Y=坐标线，北至七4集中运输平巷爱惜煤柱，南至矿井边界（-400米水平等高线）。

采面上限标高为-198m，下限标高为-400m，地面标高+172～+160m，走向长190m，偏向长约770m，面积万m2。

C七401采面上部为七4802采空区。

二、地面情形及受生产阻碍程度

地面建筑、设施等

采面范围内无村落。

地形（地貌、植被、地层出露情形）

采面范围内为构造剥蚀类型为主的低山丘陵区、地形西高东低，山坡冲沟发育，常与山脉走向垂直，且呈“V”型及“U”型。

为第四系地层半覆盖区，基岩零星出露，地面标高为+172～+160m,有大量农田。

水系及地面水范围

采面范围内地面无任何河流和湖泊及较大水池。

采掘阻碍及破坏程度

回采工作面布置为超高水充填工作面，因此回采可不能造成地表塌陷，对地表阻碍很小。

3、采面储量

C七401采面开采七4煤层，可采储量万吨。

第二节地质勘探情形

C七401采面无地质资料。

第三节地层及标志层

一、地层

七4煤层层位属二叠系下石盒子组。

从现有巷道揭露的煤层资料分析，该采面煤层赋存较稳固，煤层厚度在0.9m左右，属薄煤层。

煤层为半暗光泽型。

二、要紧标志层

田家沟砂岩：

位于上石盒子组底部，由灰色厚层状中、粗粒、底部砾状砂岩组成，层位稳固，厚0～16.21m、一样～12.3m，为本区要紧标志层，以厚层、含砾、具明显的文理层理为要紧特点，该标志层上下别离为七煤段和六煤段，其煤岩层组合与其它煤段有明显区别易于确信：

七煤段含煤段位于中上部，含煤3-4层，以七4、七2煤层较稳固，其间为含较多大白云母片、层面具炭质的细中粒砂岩，组合清楚特点明显。

第四节地质构造

C七401采面范围内无地质构造

第五节水文地质特点及充水因素

一、C七401采面水文特点

正常涌水量10m3/h、最大12m3/h。

要紧水源来自上部东翼小煤窑老空水，和七4煤层顶板砂岩含水层（ⅦⅠ），可造成七4煤层顶板淋水，但水量小、持续时刻短，对开采偶有阻碍。

C七401采面防治水工作简单易行，采掘工程不受水害阻碍。

二、C七401采面要紧充水因素

要紧水源来自上部东翼小煤窑老空水，和七4煤层顶板砂岩含水层，在顶板砂岩破碎处或断裂带内往往含少量裂隙水，在采矿揭露时常形成顶板淋水，但持续时刻较短。

说明其富水量弱、均为静储量特点，对矿井平安生产无阻碍。

第六节煤层赋存特点

一、煤层赋存特点

赋存于二叠系上统上石盒子组七煤段中部，上距平顶山砂岩220m，下距六2煤层（原采矿证五2煤层）90m。

煤层直接顶、底板多为深灰色泥岩、砂质泥岩和粉砂岩，煤厚0—1.51m，一样—1.10m，平均厚度0.86m，以薄煤层为主。

煤层结构简单，一样含一层炭质泥岩夹矸，厚—0.29m。

二、瓦斯

2020年工信厅批复瓦斯相对涌出量为4.68m3/t，绝对瓦斯涌出量为4.34m3/min，属于低瓦斯矿井。

C七401采面绝对瓦斯涌出量为0.26m3/min，二氧化碳绝对瓦斯涌出量为0.30m3/min

3、煤尘

依照2020年5月洛阳矿山机械检测查验中心提供的查验报告，矿井所采七4煤层煤尘爆炸指数为%，具有中等强度爆炸性。

4、煤层自燃

2020年5月洛阳矿山机械检测查验中心提供的煤层自燃偏向性鉴定报告，七4煤层属自燃煤层。

但在50年实际开采进程中无发生过自燃发火现象。

五、地温

矿井现开采深度420m，温度22℃左右，地温正常。

煤　层　顶　底　板　岩　性　表

煤层

类别

岩石名称

平均厚度（m）

主要岩性特征

七4

顶

板

老顶

中粒砂岩

灰白色，以粗粒为主，主要成分为石英。

直接顶

泥岩

灰黑色、底部含炭质。

底

板

直接底

细粒砂岩

深灰色

老底

中粒砂岩

灰色。

第七节地表特点

采面范围内为构造剥蚀类型为主的低山丘陵区、地形西高东低，山坡冲沟发育，常与山脉走向垂直，且呈“V”型及“U”型。

为第四系地层半覆盖区，基岩零星出露，地面标高为+172～+160m,有大量农田。

采面范围内地面无任何河流和湖泊及较大水池。

回采工作面布置为超高水充填工作面，因此回采可不能造成地表塌陷，对地表阻碍很小。

第八节煤质

七4煤：

为黑色，条痕黑色，玻璃光泽，条带状结构。

顶部常有一层致密状暗煤，中部要紧为暗煤和亮煤，下部亮煤、镜煤为主。

煤质特点表

煤层

指标

项目

Ad

（%）

St,d

（%）

Pd

（%）

Qgr,

（MJ/kg）

Y

（mm）

和G

Vdaf

（%）

ST

（℃）

七4煤

数值

777

＞1400

等级

高灰

低硫煤

低磷分

中热值煤

较高软化温度灰

第四章采面设计方案的确信

第一节方案的提出、确信

一、设计方案

方案Ⅰ

（1）开放式充填方式

该方式是指在仰斜开采条件下，对采空区不进行任何调控，即许诺采空区上覆岩层部份垮落，采空区完全处于开放与自由状态的充填方式，如图4-1所示。

具体做法是：

自开切眼始，工作面推动适当距离后，即对采空区实施充填。

随着充填工作的不断推动，充填浆体液面不断上升，慢慢将低于工作面位置水平以下的采空区充填密实，并将部份垮落下来的矸石（假设存在）胶结起来，形成整体支撑上覆岩层的充填胶结承载体，如图4-1所示。

图4—1

方案Ⅱ

（2）采空区全袋（包）式充填法

采空区全袋式充填方式是在采空区范围内全数布置充填袋，袋内充入超高水充填材料，凝固后对上覆岩层直接进行支撑，如图4-2所示。

图4—2

二、方案对照

方案Ⅰ

优势：

①充填与开采互不阻碍，工作面产量不受充填工艺制约；

②充填工艺简单，人员需求少，易于组织与治理，工作面支护方式不变；

③不操纵直接顶，人员作业不在采空区，充填进程平安靠得住。

缺点：

当采高较大或煤层倾角较小时，该方式对操纵临近采空区上覆岩层有必然的局限性，但通过在工作面后方构筑挡浆体，使充填浆体液面水平升高，缩短顶板悬跨距，可较好实现对采空区的充填。

另外，当工作面涌水较大时，对充填成效有必然阻碍，需采取疏治水方法。

方案Ⅱ

优势：

①全袋（包）式充填能适用于现有大多数采煤方式与回采工艺条件下的采空区充填要求。

与开放式充填相较，适用性更广，专门是对水平或近水平条件下的煤层有较好的适应性；

②可直接操纵直接顶，充填成效直观。

③在工作面有涌水的条件那么完全不受阻碍。

缺点：

①充填袋（包）架设工序与劳动组织较复杂，工作量较大，对作业环节平安要求高；

②充填与回采两工艺存在彼此阻碍，配合治理技术要求高。

通过永锦公司和吕沟煤矿相关工程技术人员的探讨、研究、论证，方案Ⅰ简单易行、平安靠得住，因此确信选用方案Ⅰ进行C七401采面的设计开采。

第二节设计方案

１、设计原那么

本次设计遵循以下原那么进行

炮采采煤为主的原那么。

系统简单、靠得住，便于治理的原那么。

提高采面防灾、抗灾能力的原那么。

以超高水充填开采，不搬迁村落的原那么。

二、巷道布置

采面整体布置情形

依照C七401采面范围及地质情形，在八号石门中部测16点以北16.7m处以90°的方位角向东掘进联络巷20m，然后再掘进一条与八号石门平行方位角182°的集中运输石门长度246m，与集中运输平巷贯通，在联络巷东边布置一个溜煤眼与六2煤层九号煤仓西上仓巷垂直连接（溜煤眼与九号煤仓间距53.7m），溜煤眼设计长度33.4m，在C七401机巷28m处掘进七4集中运输平巷，向西以270°的方位掘进97m与集中运输石门贯通，向东以90°的方位掘进190m抵达C七401采面回风巷，然后再以0°方向向上掘进运输联络巷46m与七4八东大巷贯通，C七401采面组成。

其他辅助巷道

为知足C七401采面供电需要在集中运输石门布置采面移动变电站。

第五章采煤方式及工艺、设计能力、效劳年限

一、采煤方式：

采纳超高水充填倾斜长壁后退式采煤法。

二、采煤工艺：

炮采采煤，一次采全高。

3、采面设计能力

工作面单产

工作面平均面长：

L＝190m

工作面日推动度：

I＝2m

煤层采高：

M＝1m

煤的容重：

r＝t/m3

工作面回采率：

C＝

工作面单产：

A1＝L×I×M×r×C

＝190××1××

＝553（t/日）

采面生产能力

AS（综）＝330k1×A1/10000

＝330××553/10000

＝（万t/a）

式中：

k1——为采面生产系数，系数取

采面设计能力按21万吨/年计算，各生产系统按21万吨/年的规模进行配备。

采面效劳年限

3.4C七401采面效劳年限：

T＝CZ/AS

＝÷21

＝（a）

第六章采面平安生产系统

第一节主运输系统

一、主运输线路：

工作面煤流→工作面机巷→集中运输平巷→集中运输石门→溜煤眼→九号煤仓→主井→地面

二、采面运煤设备选型：

2.1.1胶带输送机初步设计参数:

计算胶带宽度，选定胶带速度

因为输送能力m=400t/h，大于设计运输生产率A=208t/h，因此胶带宽度必然知足要求，选定胶带速度υ=2m/s。

对带式进行块度校核

B≥2amax+200=2×200+200=600mm

故胶带选定800mm宽度能够知足要求。

2.1.2运行阻力计算

重段运行计算

Wzh=g（q+qd+qg′）L×

′×cosβ+g（q+q0）L×sinβ

=［++）×500×°+（+）500sin0°］×10=51552N

其中q=

qd=（δ×ι+δ1+δ2）

=××（×1+3+1）=4.62kg/m

qg′=

qg″=

空段运行阻力Wk=g×［（q0×q″Lω″cosβ-q0×Lsinβ］

=［（+）500×°×500sin0°］×10=-5442N

2.1.3胶带张力计算

（1）用“逐点计算法”求胶带各点张力

S2≈S1S3=S2

S4=S3=S2=S1

S5=S4+Wk=S1+Wk

S6==S1+Wk

S7=S6+Wk=S1+Wk+Wzh

S8≈S9=

=S1+Wk+Wzh

==+47954

（2）按摩擦传动条件考虑摩擦力备用系数列方程，得

S9=S1

=

（3）方程

（1）和方程

（2）联立解得

S1=36887NS2=36887N

S3=38362NS4=39896N

S5=34454NS6=35832N

S7=87384NS8≈S9=90879N

2.1.4带式输送机胶带强度的验算

（1）、垂直度最小张力点张力S6=35832N、

按垂直度要求重段许诺的最小张力为

［Smin］=11（q+qd）×L′gcosβ×g

=11（+）×°×10

=4213N＜S6

故胶带悬垂度知足要求

2.1.5胶带强度验算

胶带许诺经受的最大张力为

［Smin］=

故胶带强度能知足要求.

2.1.6计算牵引力与电动机功率

输送机主轴牵引力为：

W0=S9-S1+（S9+S1）

=90879-36887+（90879+36887）=48881N

电动机功率为：

N=

通过以上计算，证明在所给条件下能够利用DTL800/2*40型

2.1.7胶带输送机初步设计参数:

计算胶带宽度，选定胶带速度

因为输送能力m=400t/h，大于设计运输生产率A=208t/h，因此胶带宽度必然知足要求，选定胶带速度υ=2m/s。

对带式进行块度校核

B≥2amax+200=2×200+200=600mm

故胶带宽度选定800mm能够知足要求。

2.1.8运行阻力与胶带张力计算

一、运行阻力计算

重段运行计算

Wzh=g（q+qd+qg′）L×

′×cosβ+g（q+q0）L×sinβ

=［++）×300×°+（+）300sin0°］×10=

其中q=

qd=（δ×ι+δ1+δ2）

=××（×1+3+1）=4.62kg/m

qg′=

qg″=

空段运行阻力

Wk=g×［（q0×q″Lω″cosβ-q0×Lsinβ］

=［（+）×300×°×300sin0°］×10

=504N

2.1.9、胶带张力计算

（1）用“逐点计算法”求胶带各点张力

S2=S1+Wzh

S3=S2+W2～3

S4=S3+Wzh

S4=S1+Wzh+WkW2～3

式中W2～3---胶带绕经导向滚筒所碰到的阻力，W2～3=（～）S2

（2）按摩擦传动条件考虑摩擦力备用系数列方程，得

S4=S1

=S1

=

（3）方程

（1）和方程

（2）联立解得

S1=4830NS2=6513N

S3=6614NS4=11639N

2.1.10带式输送机胶带强度的验算

垂直度最小张力点张力S1=4830N、

按垂直度要求重段许诺的最小张力为

［Smin］=11（q+qd）×L′gcosβ×g

=11（+）×°×10

=1653N＜S1

故胶带悬垂度知足要求

2.1.11胶带强度验算

胶带许诺经受的最大张力为

［Smin］=

＞12

故胶带强度能知足要求。

2.1.12计算牵引力与电动机功率

输送机主轴牵引力为：

W0=S4-S1+（S4+S1）

=11639-4830+（11639+4830）=7468N

电动机功率为：

N=

通过以上计算，证明在所给条件下能够利用DTL800-40型。

第二节辅助运输系统

1.巷道原始参数：

采面机巷、回风巷长度800m,施工坡度14°,要求容绳量850m，一级提升。

2.大体参数选择：

运输能力设备重，装载矿车重1t，最大提升载荷Q=+1=,按最大坡度14°进行设计计算静张力。

依照每钩提升四辆矿车，要求选型采纳单滚筒变频绞车。

3.选型计算

钢丝绳选择：

此台提升机要求容绳量大，依照《煤矿平安规程》419条倾斜井巷中起落物料的要求，二层缠绕；按二层缠绕计算，选用直径为φ22mm，按GB/T8918-1996标准，可选6×19系列纤维芯钢丝绳。

最大静张力及张力差计算：

S1＝（Q+Q1）（sinα＋μ1cosα）+PL（sinα＋μ2cosα）+P（L1+L2）μ2

钢丝绳平安系数：

6×19系列纤维芯φ22mm钢丝绳最小破断拉力：

328500÷4867÷＝>，知足《煤矿平安规程》要求。

依照以上计算，选JD－型绞车

第三节排水系统

由于矿井属于以顶板孔隙水为主的水文地质条件简单型矿井，七4八东大巷以上不受老空水要挟，采空区积水已经联络巷导入七4八东大巷，依照矿井实际观测C七401采面涌水量小于10m3/h，而且积水有七4八东大巷水沟排出到八号石门水沟再排至九号水仓，而且C七401采面布置采面为超高水充填采面，超高水充填开采的工艺是利用95%的矿井水添加5%的添加剂对采空区进行充填，渗入采空区的少量水可做为充填材料，排水系统是利用九号井底排水系统即可，因此，不需要单独的排水系统。

第四节通风系统

1.矿井通风现状

通风系统：

矿井通风方式为两翼对角式边界通风，主、副斜井进风，东、西风井回风。

东、西风井均无提升装置，各安装两台型离心式风机，配套电机功率东风井为75kw，西风井为55kw，一用一备，矿井总进风量3428m3/min，总回风量3670m3/min，其中：

东风井回风1980m3/min，有效风量1600m3/min，有效风率%，通风阻力860pa，西风井回风1690m3/min，有效风量1472m3/min，有效风率%，通风阻力740pa。

2.通风线路、风量配备

通风线路

依照C七401采面巷道布置方式，利用合理的通风设施，采纳新鲜风流从主副井到八号石门到集中运输石门进入集中运输平巷，再进入工作面机巷，到各工作面。

乏风由工作面回风巷至集中运输平巷，到七4八东大巷至东风井，至地面。

即：

地面→主副井→八号石门→集中运输石门→集中运输平巷→采面机巷→工作面→工作面回风巷→集中运输平巷→七4八东大巷→东风井→地面。

采面通风方式为分区通风，各采掘工作面均采纳独立通风，回采工作面采纳U型通风。

采面采面机巷为进风巷，采面回风巷为回风巷，新鲜风流由集中运输石门至集中运输平巷，进入工作面机巷，清洗工作面有害气体及粉尘后，再进入工作面回风巷，回入集中运输平巷，进入七4八东大巷，到东风井。

采面风量配备

2.2.1采面工作面风量计算

一、按瓦斯涌出量计算:

Ｑ采＝100q瓦斯×K备＝100××2＝52m３／min

其中：

Ｑ采——采面所需风量，ｍ３／min

q瓦斯——采面瓦斯涌出量，ｍ３／min（河南省工业和信息化厅对吕沟煤矿2020年瓦斯和二氧化碳涌出量鉴定结果）

Ｋ备——备用风量系数取2

按二氧化碳涌出量计算：

Ｑ采=67qco2×Kco2=67××=ｍ３／min

其中：

qco2——采面二氧化碳涌出量ｍ３／min（河南省工业和信息化厅对吕沟煤矿2020年瓦斯和二氧化碳涌出量鉴定结果）

Kco2——co2涌出量均衡系数

二、按工作面温度选择适宜的风速计算:

Ｑ采＝60×S×V＝60××＝ｍ３／min

其中：

S——工作面平均有效断面取值ｍ2

V——工作面风速取ｍ／s（工作面温度平均为200C～230C）

3、按火药消耗计算：

Ｑ采＝25Ａ＝25×＝ｍ3／min

其中：

Ａ——采面一次放炮的最高火药消耗量0.9kg

4、按工作面工作的最多人数计算风量:

Ｑ采＝4N＝4×90＝360ｍ3／min

其中:

Ｎ——采面同时工作的最多人数90人 

4——每人每分钟所需的风量，ｍ3／min

五、按气候条件确信风量:

Ｑ采=Ｑ大体×k采高×k采长×k温

=232×××=ｍ3／min

其中：

Ｑ大体=60×工作面控顶距×采高×适宜风速×70%=232ｍ3／min

k采高——工作面采高调整系数：

取

k采长——工作面长度调整系数：

取

k温——工作面温度调整系数：

取

风速验算：

依照上述计算结果，工作面配风量取最大值360m3/min进行风速验算:

V最小＝360／（60×S最大）＝360/（60××

＝0.97m/s

V最大＝360／（60×S最小）＝360/（60××

＝1.88m/s

其中：

V最大——采面最大风速

V最小——采面最小风速

S＝控顶距×采高（ｍ２）

——最大控顶距ｍ

——最小控顶距ｍ

——平均采高ｍ

4（m/s）＞V＞（m/s）

式中：

V——为工作面风速，m/s；

S——为工作面的平均断面积，m2；

1个炮采工作面配风量取为360m3/min.

第五节供电系统

1.采面大体情形：

采面原煤运输系统采纳为胶带机运输；辅助运输系统拟采纳单滚筒绞车牵引的辅助轨道斜巷运输。

采面供电距离远，设计一个移动变电站：

要紧承担C七401采面所有生产等用电设备的供电任务。

依照采面布置状况，移动变电站依照《煤矿平安规程》规定，均为双回路供电；由于工作面装机负荷容量较大，且负荷偏离供电中心较远的采掘工作面拟采纳移动变电站进行供电，其他机电设备采纳采面移动变电站低压直接供电的方式进行供电。

采面移动变电站为双回路供电，平常为双回路排列运行，电源引自八号变电所高爆开关。

2.移动变电站

采面移动变电站供电负荷统计表：

序号

用电设备安装地点

设备配套台数

供电负荷统计

备注

1

炮采工作面

1套

477kW

工作