孙家壕煤矿30 Mta新井设计房柱式开采已采煤层的露天开采可行性研究.docx

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孙家壕煤矿30Mta新井设计房柱式开采已采煤层的露天开采可行性研究

孙家壕煤矿3.0Mta新井设计-房柱式开采已采煤层的露天开采可行性研究

中国矿业大学

本科生毕业设计

姓名：

学号：

学院：

矿业工程学院

专业：

采矿工程

设计题目：

孙家壕煤矿3.0Mt/a新井设计

专题：

房柱式开采已采煤层的露天开采可行性研究

指导教师：

职称：

讲师

2012年6月徐州

中国矿业大学毕业设计任务书

学院矿业工程学院专业年级采矿工程2008级学生姓名

任务下达日期：

2012年1月8日

毕业设计日期：

2012年3月12日至2012年6月8日

毕业设计题目：

孙家壕煤矿3.0Mt/a新井设计

毕业设计专题题目：

房柱式开采已采煤层的露天开采可行性研究

毕业设计主要内容和要求：

院长签字：

指导教师签字：

摘要

一般部分主要针对孙家壕煤矿进行了井型为3.0Mt/a的新井设计。

朱集矿井位于内蒙古自治区准格尔旗境内，井田走向长约7.0km，倾向长约3.5km，面积约18.9km2。

主采煤层为6#煤层，平均倾角2~7.25°，平均角度3.87,平均厚度17.25m。

井田工业储量为414.422Mt，可采储量315.16Mt，矿井服务年限为75.03a。

矿井正常涌水量为70m3/h，最大涌水量为120m3/h；煤层瓦斯涌出量低，属低瓦斯煤层。

煤层自燃倾向等级为三类不易自燃；煤尘均具有爆炸危险。

根据井田地质条件，设计采用双斜井单水平开拓方式，井田采用盘区和带区式布置方式，共划分为三个采区，一个带区。

设置轨道大巷、胶带机大巷和回风大巷，分别布置在6#煤层底板和顶板中。

矿井通风方式采用中央并列式通风。

针对东三盘区采用了盘区准备方式，共划分12个回采工作面。

大巷采用胶带输送机运煤，辅助运输采用无轨脚轮车。

主井采用倾角为22°的胶带输送机，副井采用单钩串车提升材料和人员。

专题部分题目为《房柱式开采已采煤层的露天开采可行性研究》，就目前国内外的煤柱回收的情况研究情况进行了整理论述，主要针对内蒙古早起房柱式开采遗留煤柱的回收技术进行了论述和研究。

翻译部分题目为《3Dnumericalmodelingoflongwallminingwithtop-coalcaving》，主要利用三维技术模拟长壁式放顶煤技术。

关键词：

孙家壕煤矿；双斜井；盘区布置；中央并列式；综采；放顶煤；煤柱回收

ABSTRACT

Thegeneraldesignisabouta3.0Mt/anewundergroundminedesignofSunJiahaocoalmine.SunJiahaocoalmineislocatedinZhungeerqi,innerMongolia.It’sabout7.0kmonthestrikeand3.5kmonthedip,withthe18.9km2totalhorizontalarea.Theminablecoalseamis6#withanaveragethicknessof17.25mandanaveragedipof3.87°.Theprovedreservesofthiscoalmineare414.422Mtandtheminablereservesare315.16Mt,withaminelifeof75.03a.Thenormalmineinflowis70m3/handthemaximummineinflowis120m3/h.

SunJiahaocoalminedividedintothreeworkingareasandonebandts,andtrackroadway,beltconveyorroadwayandreturnairwayareallmineroadways,arrangedinthefloormineof6#coalseam.ThedesignappliesstrippreparationagainstthefirstbandofEastOnewhichdividedinto12stirpstotally,andconductedcoalconveyance,ventilation,gangueconveyanceandelectricitydesigning.

Thedesignconductedcoalminingtechnologydesignagainstthe6304face.

Mainroadwaymakesuseofthe22°beltconveyortotransportcoalresource,andcartobeassistanttransport.Themainshaftuses

Themonographicstudyentitled"Open-cutminingtorecovercoalpillarbyRoomandpillarmining",

Thetitleofthetranslatedacademicpaperis"3Dnumericalmodelingoflongwallminingwithtop-coalcaving".

Keywords:

SunJiahaocoalmine;Doubleslopeshaft;Panellayout;Centralparallel;Mechanizedmining;top-coalcaving;recovercoalpillar

一

般

部

分

1矿区概述及井田地质特征

1.1矿区概述

1.1.1交通位置

孙家壕煤矿位于内蒙古自治区准格尔旗境内，行政区划隶属准格尔旗窑沟乡管辖。

具体位置在准格尔煤田牛连沟详查区的第3～第8勘探线之间和准格尔煤田牛连沟煤矿接续井勘探范围内。

地理坐标为：

东经111°18′43″～111°20′38″

北纬39°53′40″～39°56′49″。

孙家壕煤矿位于准格尔旗窑沟乡境内，矿区中心南距薛家湾市约15km，距唐公塔集装站22km，北通过103省道距呼和浩特市125km。

西通过109国道距鄂尔多斯市160km，东距丰准铁路5km。

矿区交通条件便利，煤炭外运也非常方便。

交通位置见图1-1

图1-1交通位置图

1.1.2地形地貌及水系

孙家壕煤矿位于准格尔煤田北部。

全区被广厚的黄土和风积沙大面积复盖，因受水流等自然营力作用，严重的水土流失造成的树枝状冲沟十分发育，形成沟壑纵横，沟深壁陡的复杂地形，呈典型的黄土高原地貌。

矿区内较大的沟谷有位于矿区中部的哈拉七太沟、北侧的杨沙白沟及脑包沟、东沟。

具有向源侵蚀特征，其分支呈树枝状，多为“V”字形沟谷，下游为“U”字形沟谷。

矿区内地形西高东低，最高点位于矿区北部后寨，海拔标高1299.56m，最低点位于矿区东侧牛连沟，海拔标高1157.30m，比高142.26m。

黄河流经本区东缘，距离本矿井东部边界约5km，水位标高：

最低：

984.52m（1979年7月20日），最高:

990.33m（1981年9月26日）；河水流量:

最小:

55.2m3/s（1980年6月27日），最大:

5150m3/s（1981年9月26日）

矿区及周边一带冲沟,平时干涸无水,只在雨季形成水流,但因年降水量少且集中降水,沟底坡度大而迅速排出区外,汇入黄河。

1.1.3气象与地震

本区属大陆性干旱气候，冬季严寒而漫长，夏季炎热而短暂，寒暑变化剧烈，昼夜温差大，最低气温-29℃，最高气温39.4℃，每年十月进入结冰期可延至第二年四月，最大冻土深度为1.50m。

冬春两季多西北风，一般风速10～15m/s，最大风速18m/s。

年降水量为238～732mm，大气降水多集中在7、8、9三个月，占全年总降水量的60～70%。

年蒸发量1792～2115mm。

依据“中国地震裂度区划图”划分，地震动峰值加速度为0.10（g），对照地震裂度7度，属弱震区。

据调查，本区历史上从未发生过较大的破坏性地震。

1.1.4矿井供电电源

孙家壕煤矿已和薛家湾供电局签定双回路供电协议，孙家壕煤矿建设完成后由薛家湾供电局所属的纳林沟110KV变电站和唐公塔110KV变电站分别以35KV电压等级供给孙家壕煤矿不少于15000KVA的电量，两座变电站分别距离本矿井7.5km。

1.2井田地质特征

1.2.1井田地质概况

孙家壕煤矿位于准格尔煤田北部。

全区被广厚的黄土和风积沙大面积复盖，因受水流等自然营力作用，严重的水土流失造成的树枝状冲沟十分发育，形成沟壑纵横，沟深壁陡的复杂地形，呈典型的黄土高原地貌。

矿区内较大的沟谷有位于矿区中部的哈拉七太沟、北侧的杨沙白沟及脑包沟、东沟。

具有向源侵蚀特征，其分支呈树枝状，多为“V”字形沟谷，下游为“U”字形沟谷。

矿区内地形西高东低，最高点位于矿区北部后寨，海拔标高1299.56m，最低点位于矿区东侧牛连沟，海拔标高1157.30m，比高142.26m。

1.2.2地层

准格尔煤田出露地层较全，属华北地层区--伊克昭盟～陕甘宁分区～准格尔、临县小区。

区域地层见表1-1。

表1-1准格尔煤田区域地层表

地层单位

厚度（米）

岩性描述

界

系

统

组

新

生

界

第四系

全新统

Q4

0～25

为冲洪积层和风积层。

不整合于一切老地层之上。

更新统

马兰组

（Q3m）

0～100

浅黄色粉砂质黄土，具垂直节理，含钙质结核，不整合于一切老地层之上。

第三系

上新统

N2

0～50

浅红色含砂粘土，含钙质结核，底部为浅灰黄色砾岩夹砂岩透镜体，不整合于一切老地层之上。

中

生

界

侏罗系

上侏罗

志丹群

（J3-K1Zh）

392

上部为棕红色含砾中、粗粒砂岩，夹砂质泥岩，局部夹疏松砾岩，下部为浅红色砾岩，发育大型交错层理，与下伏地层呈不整合接触。

白垩系

下白垩统

三叠系下统

和尚沟组

（T1h）

>165

棕红色、砖红色中细粒砂岩及粉砂岩，夹棕红色砂质泥岩，与下伏地层整合接触。

刘家沟组

（T1L）

257～385

浅灰、浅灰绿色细粒砂岩，夹棕红色砂质泥岩，含砾中粗粒砂岩，交错层理，与下伏地层整合接触。

古

生

界

二

叠

系

上统

石千峰组

（Pzs）

>170

上部棕红色砂质泥岩，灰绿色砂岩，下部灰绿色砂岩，夹浅红色泥岩，底部为灰白色含砾粗砂岩。

与下伏地层整合接触。

上石盒子组（P2s）

>290

紫红色砂质泥岩为主，夹灰绿色、灰白色中粗粒砂岩，含铁质结核。

与下伏地层整合接触。

下统

下石盒子组（P1x）

120

黄绿色、黄褐色、紫红色砂质泥岩，夹灰白色、灰绿色砂岩，局部底部夹薄煤线，与下伏地层整合接触。

山西组

（P1s）

38～95

灰白色砂岩、灰黑色砂质泥岩、泥岩及煤层组成，本组含煤五层，局部可采，含丰富植物化石。

与下伏地层整合接触。

石炭系

上统

太原组

（C2t）

12～95

灰白色砂岩，灰色、灰黑色砂质泥岩、泥岩、煤层组成，南部夹1~2层泥质灰岩，全组含煤五层，其中6号煤全区可采，较稳定。

富含植物和动物化石。

与下伏地层整合接触。

本溪组

（C2b）

7～35

灰白、灰、灰黑色砂岩、泥岩、灰岩及含铝泥岩组成，底部富含黄铁矿结核。

与下伏地层平行不整合接触。

奥

陶

系

中下统

01+2

120～230

上部为浅灰色泥质灰岩，厚层状石灰岩夹薄层状灰岩，下部为白云质灰岩及厚层状白云岩。

与下伏地层平行不整合接触。

1.2.3褶皱及断层

准格尔煤田位于华北地台鄂尔多斯台向斜东缘，山西断隆之西缘，总体构造为一走向近南北，倾向西，倾角10°以下，具有波状起伏的单斜构造。

主要构造为：

褶皱

①窑沟背斜：

北起小鱼沟经窑沟向西南至五犋牛窑子一带。

轴向北23°东，延伸约10km。

西翼较陡，倾角6～10°，东翼缓，倾角3～5°，起伏幅度不大。

②西黄家梁背科：

北起田家石板经西黄家梁至刘家疙旦。

轴向北30°东～北50°东，延伸约12km，向南西倾伏，向北东抬起，两翼不对称；北西翼窄、陡，倾角一般25°，南、东翼宽缓，倾角＜10°，轴部幅度100～150m。

③焦家疙卜向斜：

轴向北45°东，延伸约10km。

轴部及两翼宽缓，倾角5°左右，起伏幅度不大。

④老赵山梁背斜：

位于煤田南部老赵山梁一带。

轴向近东西，延伸约10km。

向西倾伏，南翼较陡，倾角20～30°，轴部及北翼较缓，倾角＜10°。

⑤双枣子向斜：

位于老赵山梁背斜以南。

轴向近东西，延伸10余km。

北翼较陡，倾角20～30°左右，南翼宽缓，倾角＜10°。

⑥田家石畔背斜：

位于煤田西南部。

轴向北50°西，延伸约5km。

为一西南翼陡、东北翼缓的不对称背斜。

断层

稍沟正断层：

位于煤田东部边缘焦稍沟处。

走向北35°东，倾向东南，倾角70°，断距20～80m。

延伸约2km。

②石疙咀正断层：

位于煤田西部黑岱沟的南部边界处。

走向北30～45°东，倾向南东，倾角60°，断距15～50m。

延伸约10km。

③田家石畔正断层：

位于煤田西南部边缘。

走向北50°西，倾向南西，倾角一般为70°，断距自东南向西北增大，最大150m。

延伸约8km。

准格尔煤田构造纲要图见图1-2。

图1-2准格尔煤田构造纲要图

1.2.4水文地质特征

1、概况：

准格尔煤田属鄂尔多斯黄土高原的一部分，大部分地区黄土覆盖。

地表植被稀少，覆盖率极低。

年降水量少且集中，大部分以地表迳流形式排泄于黄河，年蒸发量大。

受后期流水冲蚀作用的影响，形成树枝状冲沟，地表沟谷纵横，沟深壁陡，形成复杂的地形地貌特征。

含煤地层属石炭系上统太原组及二叠系下统山西组，其岩、煤层相间发育，并程度不同的发育着节理裂隙。

区内岩层倾角一般5～10°左右，局部有波状起伏。

地下水主要补给来源以大气降水为主，但由于泥岩、高岭石泥岩、砂质泥岩等隔水层的存在，大气降水渗入补给量甚少。

煤系地层及上部地层单位涌水量＜0.1L/s·m。

因此，本区水文地质条件属以裂隙充水为主的水文地质条件简单型矿床。

2、含、隔水层简述

⑴第四系风积沙（Q4eol）：

区内零星分布，一般在背风坡及地形低洼处分布，呈沙梁、沙垄及新月型的沙丘出现，为透水而不含水层。

⑵第四系冲洪积层（Qel+pl）：

零星分布，厚度不均，以淤泥、中—粗砂及砂砾为主，因受厚度及分布面积所限制，含水不丰富。

⑶第四系黄土层（Q3meol）：

广泛分布于全区，厚度较大，一般在1.37～124.00m左右，在地表未见有泉水出露，隔水性能较好。

⑷第三系红土层（N2）：

零星分布，厚度0～32.39m，岩性为棕红、红色粘土～亚粘土，与下伏基岩呈不整合接触，在地表见与基岩接触面有少数泉水出露，流量在0.014～0.155L/s,地表水为其主要补给来源,本层为一良好隔水层。

⑸山西组:

全区分布,为煤系地层，局部与6号煤层呈冲刷接触。

含裂隙～孔隙水，地表泉水流量在0.01～0.014L/s。

经203队在区内南部边缘的157号孔抽水试验结果证实，含水极其微弱，地下水位埋深在94.25～112.74m，水位标高在1075.07～1093.56m，水柱高度27.89～30.41m,单位涌水量0.0004～0.00052L/s.m，渗透系数0.00292～0.00530m/d，矿化度为0.25g/L，水质为HCO

～Ca2+·Mg2+型水。

⑹太原组：

全区分布，为主要含煤地层，地层出露地表时，未见有泉水出露，钻孔常见有漏水现象。

在有柱状陷落附近裂隙较发育，含少量裂隙水，钻孔内大部分无水位或水位在百米以下，漏水严重未能做抽水试验，水位标高在975.23～1079.88m,水质为HCO

·SO

～Ca2+·Mg2+型水。

⑺本溪组:

出露于本区东南部,岩性以灰、灰黑色粘土岩、砂质粘土岩、铝质粘土岩等组成。

全层一般不含水，底部有一层粘土岩全区发育，为一良好的隔水层。

本区该组厚度5.00～33.00m,平均13.20m。

是本区煤系地层与奥陶系岩溶水之间较好的隔水层。

⑻奥陶系：

出露于勘探区小鱼沟及窑沟沟口，岩性以浅黄色、深灰色石灰岩、白云岩为主，地表岩溶不发育，裂隙及小溶洞被钙质及砂质充填，故地表水不易补给地下。

详终区水文地质类型的确定:

本区属大气降水补给，补给来源较贫乏，原报告据钻孔抽水试验成果，单位涌水量均小于0.001L/s.m，地下水位多在百米以下,原报告认为有泥岩、粘土岩等为隔水层，各弱含水层间一般无水力联系。

构造简单，岩层较平缓，煤层均位于黄河水位之上，本区与黄河无水力联系。

地层含水微弱,以裂隙岩层充水为主，不需要疏干的水文地质条件简单类型即第二类第一型。

3、地下水的补给、迳流与排泄

区内地下水的补给、迳流、排泄条件受多种自然因素的影响，下面分别叙述地下水的补、迳、排条件：

（1）地下水补给条件

区内直接充水含水岩组除接受侧向补给外，其补给源主要来源于大气降水。

大气降水通过含水岩组的零星露头或黄土覆盖的隐状露头垂直下渗补给。

但由于降水集中（7、8、9三个月降水占年降水量的75%左右），气候干燥，年蒸发量大于年降水量数倍，地形坡降大、植被稀少、又无良好汇水地形，加之补给范围有限，以致使大气降水的绝大部分以地表迳流的形式排泄区外。

含水岩组接受的补给量非常有限。

区内无常年流水河流及大的地表水体。

（2）地下水迳流条件

本区东部及北东部地形较高，且有基岩出露，露头接受部分大气降水的入渗补给后，由高处向低处的沟谷，洼地流动汇集。

其总的流向是由北东及东，向南西及西运动，其水位标高由北东向南西依次为1070.01—983.96—916.83m，由于受煤系地层的起伏或透水性的差异等因素的影响，个别地段流向略有变化。

（3）地下水排泄条件

地下水接受补给后，沿空隙运动，边运动边在有利部位（如沟谷、洼地）以泉的形式排泄于地表，汇集于沟谷中，除沿途蒸发消耗和被利用外，剩于部分则从河谷出口处排泄区外，注入黄河。

（二）矿区水文地质条件

5、矿井充水因素分析

本区水文地质条件简单。

从邻区调查的生产窑（大部分开采6号煤层），绝大部分无需排水或有少量淋水现象。

原牛连沟煤矿排水量约800m3/d，水均来源煤层顶板，从未发生过底板突水现象，现将矿区矿井充水条件分述如下：

（1）气候、地貌及地形

本区属大陆性干旱气候，降水量少且集中，蒸发量比降水量大数倍。

受流水等营力的作用，地表被切割的支离破碎，沟谷纵横交错，地表坡降大，植被稀少，无良好的汇水地形。

大气降水为本区地下水的补给来源，但由于降水较为集中，大多数以表流形式汇集于沟谷中排泄区外，致使有限的大气降水补给地下水量甚微。

（2）地表水与地下水

矿区范围内无常年流水及地表水位，只有季节性的溪流，黄河流经矿区东部外缘。

区内6号煤层顶板直接充水含水岩组的补给来源主要是大气降水。

在矿区东部煤层风化，在风化带内岩、煤层裂隙、孔隙均较发育，易于接受大气降水的补给，成为矿井直接充水水源，在矿区外缘东部小鱼沟两侧，基岩出露，裂隙比较发育，易于接受大气降水和季节性溪流水的补给，成为矿井间接充水水源。

（3）构造、岩层与地下水

窑沟向斜位于矿区东部，受其影响，矿区地层产生缓波状起伏并伴有次生裂隙。

地下水接受补给后，向着裂隙连通性较好的地段和低洼处汇聚，形成地下水富集区。

原牛连沟煤矿四次突水部位均为6号煤层顶板，突水点分布与缓波状起伏带走向一至，为NE向，且集中在弯曲的上部。

说明岩层受窑沟向斜的影响，原有的岩石强度降低。

加之矿山开采（炮采）的作用，给矿井突水提供了外部的条件。

孙家壕煤矿属于准格尔煤田补给迳流区的东缘。

根据区内钻孔简易水文地质观测，抽水试验资料，地面物探资料以及收集邻区水文地质资料综合分析认为：

区内地下水以潜水和承压水的形式赋存。

下面对区内主要含（隔）水层分述如下：

1、含水岩（组）层

（1）志丹群（J3—Klzh）：

矿区北部发育，钻孔见最大厚度62.78m，岩性为紫红色砾岩，砂砾岩，粉砂岩及砂质泥岩。

区内各冲沟有出露，并见有泉水出露，一般流量在0.01—0.1l/s之间。

水化学类型为HCO3—Mg·Ca型水。

志丹群地层孔隙、裂隙较发育，但其含水性却呈现极不均一性，如矿区北部脑包沟及杨白沙沟出露志丹群岩层均有泉水出露，而矿区西部仅东沟出露志丹群岩层有泉水露头点，其它冲沟志丹群出露岩层未见泉水露头点，志丹群地层属非煤系地层，与下伏地层呈角度不整合接触，其地下水赋存形式为潜水。

（2）山西组含水岩组（Pls）：

全区发育，未见露头，厚度30.64—98.00m，平均69.36m。

本组底部砂岩较发育，砂岩以泥质孔隙式胶结为主，分选性差，部分钻孔该层砂岩胶结疏松，俗称“豆腐渣”状砂岩。

在区内南部岩性较粗，为砂砾岩及粗砂岩，中—西北部为粉、粗砂岩。

含水岩组厚度在20—40m之间，并有向南向东逐渐变薄的趋势，据本区两个钻孔抽水试验结果，S1号孔地下水位埋深150.23m，水位标高1070.01m，水柱高度27.77m，单位涌水量q=0.000912l/s·m，渗透系数K=0.00276m/d，矿化度为0.349g/l，水化学类型为HCO3—Mg·Ca2+型，S2号孔地下水位埋深106.85m，水位标高1067m，水柱高度11.15m，单位涌水量q=0.0015l/s·m，渗透系数K=0.00547m，矿化度为0.273g/l，水化学类型为HCO3—Mg·Ca。

2、隔水层

（1）第三系红土层（N2）：

在区内西部零星分布，赋存厚度0—11.55m，岩性主要为红色粘土及亚粘土，局部为粉砂质粘土，此层隔水性能良好。

（2）下石盒子组（Plx）在含水岩组顶部发育有厚度为10—15m的泥岩，砂质泥岩，其层位较稳定，是区内良好的隔水层。

3、构造、地下水、地表水特征

本区构造简单，无大的断层，仅有阳坡折带从本区东部由南西北东方向通过。

在矿井中实地观察，局部地段发现有小的断层存在，断距1—2m，其部位分布在桡折带上部。

另外，经地面物探工作证实，矿区中部有小的断层存在。

经本区两个钻孔抽水试验证实，地下水补给来源贫乏，6号煤层顶板直接充水含水岩组，含水微弱，单位涌水量q<0.01L/s·m。

黄河是流经本区东缘唯一的地表水体，在小鱼沟沟口贾窑圪旦测黄河水位，标高968.53m。

本区局部地段6号煤层低于黄河水位，但距黄河较远，又无大的断裂与其沟通，综上分析，黄河水对矿床充水无影响，而是排泄矿区水的天然场所。

4、水文地质类型及其复杂程度

区内6号煤层顶板直接充水含水岩组为复杂的含水结构体，岩性由粒度不同的砂岩及砂质泥岩组成，并程度不同的发育着各种裂隙，但很不均匀，含水岩组上部有隔水层的存在，使大气降水补给量甚微，由于地下水补给来源较贫乏，而使直接充水含水岩组富水性较弱，仅含少量孔隙，裂隙水，据本区两个钻孔抽水试验资料证实，单位涌水量q<0.01l/s·m。

综上,本区属于以裂隙岩层为主的水文地质条件简单类型,即二类一型