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采矿学毕业设计

1矿区概述及井田特征

1.1矿区概述

大兴井田位于阜新煤田西部,阜新市西37公里,隶属于阜新市清河门区境内。

地理坐标:

东经121°26′,北纬41°45′。

本区为缓丘陵地貌,地表标高+120～+150M之间,地形南低北高.井田西北部有新义线铁路通过,北部设有清河门区车站,另有阜锦公路通过及小小线公路通过,交通方便。

区内有清河流过,为季节性河流,雨季水量增大,河谷宽达200米左右,平时水速缓慢0.15～0.5米/秒,在雨季水量增大时达到0.5～1米/秒。

气候主要受西伯利亚蒙古气流控制,为大陆性气候,多干旱,年降水量小于蒸发量,风力一般为5～6级,其活动时节主要在春季,冻结期12～2月,冻结深度1.5米左右。

勘察程度为精查。

1.2井田及其附近地质特征

1.2.1井田地层

本区煤系地层时代属上侏罗纪,由上而下包括沙海组、阜新组两个含煤组，而沙海含煤系地层，清河门区最发育，下界为吐呼噜组，可在西山附近分开，上界与阜新组可在岭东村西的自然剖面中以4─5米厚的花岗质砾岩（粒径2～5厘米）分开，在钻孔中曾穿过上述界限E变为砂岩。

沙海组在本区之总厚度约为1200m，含煤系厚度自最下部煤层底板至最上部煤层顶板约为15m，本区厚度变化不超过50m。

沙海组从岩性、岩相方面由下而上可分为三段：

下部，以白色、灰白色砂岩、砂砾岩为主夹有少量灰色砂质页岩及薄煤层厚度为500m。

本段岩性变化比较明显，横向比纵向较为突出，南部，东南部相粒的砂砾岩或砾岩较发育，向北西逐渐被砂岩或页岩代替没有突变现象。

砂岩、砾岩皆以石英为主，颗粒磨圆度稍差，泥质或砂质胶结，多为中一细粒，呈均匀粒状结构，砾岩以花岗岩及少量火山岩砾明显易见，赋存于底部上部逆变频繁，本区东南部岩性粗。

南部较粗以粗粒砂岩相为代表，没一个小旋峒间距0.8～1.0m且有正向面貌（下粗上细）反映了震荡沉积的特点。

中部，由青灰色页岩、砂质页岩，白色含砾砂岩组成。

砂砾岩、砂岩中有少量分散性油沙，本段含主要五个采煤组，可采煤层可达十七层，可采厚度为24.33米，本段地层厚度为400米，区内变化不大。

煤层赋存浅部薄，向深部逐渐加厚，各煤组均有此特征，构成含煤段落的岩层变化基本遵循了下部的赋存特征；一般由南往北表现由粗粒碎屑岩相向细粒泥砂质沉积过度的有个别反向逆变情况，因此，从部面上看具有以前者为主的交叉相变现象。

在每一主要含煤层频律中间距0.6～2.5米频律间距小者含煤层厚度大，间距大者往往为薄煤层或接近可采煤层，从远一概略地沉积旋回中说明了本段之古地理环境具有缓慢沉降微具振荡的特征，一般是稳定的湖泊—沼泽相产物，会有大量的淡水软体动物化石及植物化石。

上部，以青灰色页岩、砂质页岩夹有部分灰白砂岩并含有软水贝壳化石，向上至顶部为灰白色砂岩、砾岩间有砂页岩，亦含有淡水软体化石为多量。

本段下部100～150米为砂质页岩及岩层岩均一稳定，区内无大差别，愈向上含有数层贝壳化石，基本反映沙海组的后期阶段已无可采煤层赋存的条件，厚度300米。

综上所述沙海组含煤系地层，从岩性上具有内陆河流—湖泊—沼泽相的沉积特点，含煤以页岩建造为主。

1.2.2地质构造及岩浆岩

大兴煤矿，位于阜新煤田西部，处于阜新内陆断陷盆地的西部边缘，井田构造比较简单，在该井田的西南部有一背斜，其轴线在井田南部成南北向，往北转为北东35°～45°，向北东倾伏，倾角为3～8°，南翼的轴部比较明显，向北和东北方向则逐渐变化为无明显轴部呈宽缓背斜构造，轴部的西北翼煤层倾角较缓3～12°，而东南翼稍大，为10°～16°。

根据生产实践和勘探资料，受地应力作用，张性力作用较强，井田内产生了两条正断层，主要为F18、F北7断层，其中F18正断层为井田深部境界断层。

岩浆岩，该井田内的岩浆岩属于第三纪的辉绿岩，其活动方式呈岩墙方式延裂隙侵入，从高角度（倾角83°～89°）呈东西方向沿煤层倾向由浅部向深部逐渐变厚或分成多条带出现，由南向北分为四条（β1、β2、β3、β4）。

1.2.3水文情况

水文情况：

该矿水文条件受地形影响，含水层赋存位置覆盖层薄，地表水及大气降水制约，受孔隙、裂隙发育程度控制。

该区地下相互要赋存于第四季砂砾岩及煤系地层的砂岩、砾岩层裂隙中，火成岩、裂隙带和构造裂隙带中，渗入或直接补给各含水层（带），通过采动裂隙或直接导入矿井。

全矿井最大涌水量为570m3/h，正常涌水量为500m3/h。

1）地表水

刘家井田区内有细河、塔子河、清河三条水系，在本区内仅有清河流过，清河发源于清河门西北20公里之瓦盆窑、莲花山一带，向南流入细河再汇入大凌河而归入渤海。

清河通过井田部分的地段，河床宽度约有200米，平时水速0.8米/秒，水深0.15～0.3米，河床坡度千分之五，雨季水量骤增可达21～23立方米/秒，水深0.5～1.0米，但河水在雨后一天左右即可下降至平时水位。

一般枯期河水则变成细流，由于河床宽、河身浅、河道曲折，历史上曾发生过沉滥（1930年），河水曾漫至河西村，清河门，三道壕等地最高洪水位136～139米。

2）地下水

该区地下水主要埋藏第四组砂砾岩层及煤系地层的砂岩、砾岩层中，其含水层由上而下大体可分为五个层，隔水层位于V-2层上与Ⅲ煤组间，从而形成基岩水的微承压性，全区含水层与隔水层的分布情况因相变其正极不稳定。

分叉—变薄—合并现象显著，故不易将含水层划分清楚，大体是南部含水层厚，距煤层近；北部含水层薄，距煤层远；隔水层则南薄北厚，其水平方向突水性与含水层的分布情况一致。

现将含水层分述如下：

a第Ⅰ含水层（第四纪冲（洪）积的砂砾石层）：

该层沿清河河谷发育，呈长带状厚度不一，一般河谷上游及两侧薄（1～2米），下游及中间厚（3～5米），宽约2000米左右，岩性以细砂、中砂、粗砂与角砂为主，中间夹有偏豆体砂质粘土及粘土类物质。

涌水量为Q=15公升/秒*米渗透系数为K=290米/昼夜

主要靠大气降水与河水补给。

因此，潜水位动态与季节及河水变化一致，河谷潜水流向的与地段河流的一致，有时则垂直两者，关系极为密切。

b第Ⅱ含水层（基岩风化带）：

分布全区厚度20～25米。

裂隙由风化作用形成，其中，砂岩风化带松散，具有较大裂隙，裂隙发育程度是随深度增加而减弱。

Q=0.60公升/秒*米K=200米/昼夜

c第Ⅲ含水层：

该含水层位于Ⅴ-2之上，分布全区厚度为6～300米。

变化巨大，砂岩、砾岩含水。

矿物成分以石英为主，由泥质和砂质胶结，结构松散，裂隙较为发育。

d第Ⅳ含水层：

该含水层由Ⅴ-2到Ⅴ-6层之间，由砂岩、砾岩组成分布全区厚度11～94米。

Q=0.0817公升/秒*米K=0.184米/昼夜水位：

5米

e第Ⅴ含水层：

该含水层由Ⅳ-1到Ⅱ煤组间，以白色及灰色砂岩、砾岩含水，分布全区，厚度14～160米。

胶结致密，渗透性弱。

Q=0.00140公升/秒*米K=0.00122米/昼夜

3）隔水层

Ⅲ含水层到Ⅴ-2中间，厚度为5～350米，南薄北厚，浅薄深厚。

4）断层的含（透）水情况

本区断层含水性甚弱。

Q=0.000408公升/秒*米K=0.00330米/昼夜

钻孔漏水、断层带有较大裂隙。

1.3矿层质量及矿层特征

1.3.1煤系地层

本井田的煤层是属于上侏罗纪沙海组中段的陆相沉积岩含煤地段，共赋存有五个煤层组，十五个可采煤层，本设计为第五组三层煤，第五组煤层普遍发育稳定，煤层间距20米左右，结构单一，其围岩以砂页岩为主，间有砂岩，沙砾岩层，煤层顶部普遍有一沙砾岩层。

各分煤层为块状亮煤、半亮煤，质硬性脆，条带状结构，夹有少量丝碳薄层，节理发育，有黄铁矿和方解石相伴生。

井田边缘灰分增高，煤质较差，中间变好，接近煤层顶底板处煤质不好，有时变为煤页岩，经过多次勘探取样化验结果，确定本区煤质牌号为长焰煤，主要用途为动力煤和民用煤。

第五组三层煤上界标高-250米，深部到-850米和F18断层，南界-27000纬线，北界-22000纬线，厚度一层6.5米，二层3.2米，三层3.0米，层间距分别为25米和15米，煤层倾角16°左右。

1.3.2瓦斯赋存状况及煤的自燃性

本井田为高瓦斯矿井，其瓦斯绝对涌出量为39.11m3/min，煤尘爆炸指数为42.7%，煤层自燃发火期为3～6个月，地下水赋存状态为具有承压性的孔隙为主体，而由构造所产生的裂隙主要是起导水作用。

1.3.3地质勘探程度

在勘探初期针对该区特点，首先，原则上对全井田采用先线后面，全面控制，点线配合，重点解剖，然后循序渐进，逐步提高勘探程度，储量级别等，通过四次勘探，补充并借鉴邻区地质资料，比拟本井田上述地质因素特征，视其地质构造复杂程度为中等，煤层较稳定且偏简单，勘探类型属于二类一型偏简单。

图1-1煤层柱状图

Fig.1-1wellfieldformationsintegratedvelocity

2井田境界及储量

2.1井田境界

2.1.1井田范围

大兴井田：

上界-250标高，深部到-850标高和F18断层，南界-27000纬线，北界-22000纬线，开采煤层为第五组煤中的三个煤层，厚度分别为一层6.5米，二层3.2米，三层3.0米，层间距分别为25米和15米。

2.1.2边界矿柱留设尺寸

1）边界矿柱、井田边界各留30米煤柱（依规程）。

2）工业广场保护煤柱留设，应在确定地面保护面积后，用移动角圈定煤柱范围，工业场地地面受保护面积应包括保护对象及围护带，围护带宽度15米。

3）在工业场地内的立井，圈定保护煤柱时，地面受保护对象应包括绞车房，井口房或通风机房、风道等，围护带宽度20米。

4）采区边界煤柱：

相邻两个采区各留20米的采区边界煤柱。

5）阶段煤柱：

斜长60米，若在两阶段留设，则上下阶段各留30米。

6）区段煤柱：

斜长10米。

7）断层煤柱：

两边各留20米

2.1.3边界的合理性

在本井田的划分中，充分的利用到自然条件，即利用断层划分井田，使断层的保护煤柱成为采区的边界，这样既降低了煤柱的损失，也减少了开采技术上的困难，同时本井田的划分使储量与生产相适应，矿井生产能力与煤层赋存条件、开采技术装备条件相适应，井田有合理的尺寸，阶段垂高满足《设计规范》的要求，走向长度大于倾斜长度，使矿井的开采有足够的储量和足够的服务年限，避免矿井生产接替紧张。

这种划分方法合理地规划矿井开采范围，处理好与相邻矿井之间的关系，浅部和深部划归邻矿开采，避免了浅部和深部形成复杂的接茬关系,给开采造成困难。

因此,从以上来看,本井田的划分是合理的,也就是说本井田设计的边界是合理的。

2.2井田储量

2.2.1井田的工业储量

井田走向长5000米,倾斜长2176米,共有三个可采煤层（一层6.5米,二层3.2米,三层3.0米）,煤的容重为1.35t/m3。

则井田的工业储量=5000×2176×（6.5+3.2+3）×1.35=186537600吨

2.2.2地质损失

本井田内主要有两个断层F18和F北7,F18断层为井田下部边界,其地质损失为

5000×20×（6.5+3.2+3）×1.35=1714500吨；F北7断层的损失面积大约为600×50=30000m2,所以地质损失为30000×（6.5+3.2+3）×1.35=514350吨。

总计：

1714500＋514350=2228850吨

2.2.3永久煤柱损失

1）左右边界保护煤柱损失=30×2×（2176－60）×12.7×1.35=2176729.2吨

2）工业广场压煤损失：

工业场地压煤等同于三个的梯形区域,所以其损失为：

一层：

（795+955）×896×6.5×1.35/2=6879600吨

二层：

（777+933）×876×3.2×1.35/2=3235593.6吨

三层：

（765+919）×863×3×1.35/2=2942916.3吨

总计：

13058109.9吨

3）每两条上山之间留20米煤柱,一侧各留30米煤柱

煤柱损失量=（20+30+30）×2176×2×（6.5+3.2+3）×1.35=5969203.2吨

4）采区之间各留20米保护煤柱,这个煤柱长为

（20+20）×2176×（6.5+3.2+3）×1.35=1492300.8吨

5）两个阶段之间需留60米的煤柱,上阶段的下部需留30m的煤柱,下阶段的上部需留30m的煤柱,这个煤柱量长为5000m,本矿井共划分为三个阶段。

所以煤柱损失为：

60×3×5000×1.35×（6.5+3.2+3）=15430500吨

综上,该矿永久煤柱损失量为

2176729.2+13058109.9+5969203.2+1492300.8+15430500=38126483吨

井田的可采储量计算公式:

Zk=（ZG-P）·C（2—1）

式中：

Zk—矿井可采储量

ZG—矿井工业储量

P—保护工业场地、井筒、井田境界、河流、湖泊、建筑物等留置的永久煤柱

P=Z地+Z永（2—2）

=2228850+38126483=40355693吨

C—采区采出率,厚煤层不低于0.75；中厚煤层不低于0.8；薄煤层不低于0.85；地方小煤矿不低于0.7

则Zk=（ZG-P）·C（2—3）

=（186537600-40355693）×0.8

=116945525.6吨

即该井田的可采储量为116945525.6吨。

3矿井的年产量、服务年限及一般工作制度

3.1矿井的年产量及服务年限

矿井的年产量（生产能力）确定的合理与否,对保证矿井能否迅速投产、达产和产生效益至关重要。

而矿井生产能力与井田地质构造、水文地质条件、煤炭储量及质量、煤层赋存条件、建井条件、采掘机械化装备水平及市场销售量等许多因素有关。

经分析比较,设计认为矿井的生产能力确定为120万吨/年不仅是可行的,也是合理的,理由如下：

1）储量丰富

煤炭储量是决定矿井生产能力的主要因素之一。

本井田内可采的煤层达到2层,保有工业储量为18653.8万吨,按照120万吨/年的生产能力,能够满足矿井服务年限的要求,而且投入少、效率高、成本低、效益好。

2）开采技术条件好

本井田煤层赋存稳定,井田面积大,煤层埋藏适中,倾角小,结构简单,水文地质条件及地质构造简单,煤层结构单一,适宜综合机械化开采,可采煤层均为厚煤层,适合高产高效工作面开采。

3）具有先进的开采经验

近年来,“高产高效”工艺在煤矿成产中有了很大发展,而且该工艺投入少、效率高、成本低、效益好、生产集中简单、开采技术基本趋于成熟。

综上所述,由于矿井优越的条件及外部运输条件,有利于把本矿井建设成为一个高产高效矿井。

矿井的生产能力为120万吨是可行的、合理的。

矿井保有工业储量18653.8万吨,可采储量11694.6万吨,按120万吨/年的生产能力,考虑1.4的储量备用系数,则

P=Z/（A×K）（3—1）

式中：

K—矿井备用系数,取1.4

A—矿井生产能力,120万吨/年

Z—矿井可采储量

P—矿井服务年限

代入数据得

P=11694.6/（120×1.4）=70年

3.2矿井的一般工作制度

1）矿井的年工作日数：

300天

2）每昼夜提升时数：

14小时

3）工作制：

采用“三八”工作制,二班采煤,一班准备。

采用这种方法既增加了出煤时间,又保证了设备的维修,从而可以大幅度提高工作面单产和保证设备的正常运转,减轻了工人体力劳动,提高了工作效率。

4井田开拓

井田开拓方式应根据矿井设计生产能力、地形地貌条件、井田地质条件、煤层赋存条件、开采技术条件、装备条件、地面外部条件等因素,通过方案比较或系统优化后确定。

4.1井筒形式及井筒位置的确定

4.1.1井筒形式的确定

根据井筒不同形式,可分为平硐、斜井、立井和混合式。

大兴矿区为缓丘陵地貌,地表标高在+120～+150米之间,因此不能用平硐开拓方式,又由于煤层埋藏范围在-250～-850米之间,埋藏较深,故不易用斜井开拓方式。

采用立井开拓方式不仅不受地形、地貌、表土深度、岩层、水文和煤层赋存条件的严格限制,而且井筒短,提升速度快,提升能力大,对辅助提升特别有利。

因此,本井田适合用立井开拓方式,符合《设计规范》规定。

4.1.2井筒数目及位置的确定

1）本矿年产量120万吨,属大型矿井,在开拓时,决定采用三个立井：

主井、副井和风井。

这样确定的井筒数目可以满足矿井提煤、运料、通风的要求,保证矿井生产高产、高效、安全,有助于本矿的正常有序发展。

2）选择井筒位置的原则

a有利于第一水平的开采,并且兼顾其它水平,有利于井底车场布置和主要运输大巷的位置选择,石门工程量小；

b有利于首采区的布置,在井筒附近的富煤块段,首采区少迁移或不迁移；

c井田两翼储量要基本平衡；

d井筒不易穿过厚表土层、厚含水层、断层、破碎带、煤与瓦斯突出煤层或较弱的岩层；

e工业场地应充分利用地形,有良好的工程地质条件,并避开高山、低洼地和采空区,不受塌陷、滑坡和洪水威胁；

f工业场地宜少占农田,少压煤；

g水源、电源较近,矿井设在铁路专用线路、道路布置合理。

在煤层走向方向尽量位于井田的中央,即要求其两翼的长度和储量大致相等。

这主要是考虑到矿井的煤炭运输问题。

当井筒位于井田内的煤炭储量中心时,全矿的运输费用达到最低,当井筒位于井田一翼而形成单翼开采时,矿井的运输费用将增加一倍。

这样,由于技术上的不合理而带来经济上的不合理,所以布置单翼开采的井田显然是不可行的,根据煤层分布,选择较井田中央的位置布置主井和副井。

3）风井井口位置的选择

风井井口位置的选择,应在满足通风要求的前提下与提升井筒的贯通距离较短,并应利用各种煤柱,有条件时风井的井口也可以布置在煤层露头区后。

[3]

4.1.3井筒参数

表4—1井筒特征表

Tab.4-1pitshaftofthetable

井筒名称

井筒用途

井筒

长度

断面尺寸

直径（m）

净断面积（m²）

主井

副井

风井

提升

辅助提升、通风

回风兼安全出口

720

670

390

6．5

6．5

4.5

33．2

33．2

15.9

图4—1主井断面图

Fig.4-1crosssectionofmainshaft

图4—2副井断面图

Fig.4-2crosssectionsketchofauxiliary

图4—3风井断面图

Fig.4-3crosssectionsketchofairshaft

4.2开采水平的设立

4.2.1水平划分的原则

《煤炭工业设计规范》规定：

为使每个开采水平有足够的储量,保证服务年限,可按下式计算必须的阶段垂高

H=A×T×K×sinα/S×M×C×r（4—1）

式中：

H—阶段垂高,米；

T—水平服务年限,年；

K—储量备用系数（1.4）

A—井田年产量,吨；

α—阶段内的煤层倾角,度；

S—煤层走向长度,米；

M—阶段内煤层累计厚度；

C—采区回采率,C=95%；

r—煤的容重,1.35t/m3；

H=171m

1）根据《煤炭工业设计规范》规定：

120万吨的矿井第一水平服务年限不得小于30年,缓倾斜煤层的阶段垂高为150～250米；

2）根据煤层赋存条件及地质构造

煤层的倾角不同对阶段垂高影响较大,对于近水平煤层阶段高度已经无实际意义,应按水平两侧盘区上下长度或条带的推进长度来确定水平的范围,并要保证水平的服务年限,当近水平煤层的间距较大时,可以根据赋存深度的不同,分组设置开采水平,有时也利用地质构造划分阶段,如向斜轴向、走向大断层或其它构造变化等。

3）根据生产成本

阶段高度增大,全矿井的水平数目减少,水平储量增加,分配到每吨煤的折旧费减少,但阶段长度过大会使一部分经营费用相应增加,其中随着阶段增大而减少的费用有：

井底车场、运输大巷、回风大巷、石门及采区车场掘进费、设备购置及安装费用等；增加的费用有：

沿上山的运输费、通风费、提升费、倾斜巷道的修护费,此外还延长生产时间增加初期投资。

因此,要针对矿井的具体条件提出几个方案进行技术经济比较,选择最优的方案。

4）根据水平接替关系

在上一水平减产之前,新水平即做好准备,因此一个水平从投产到减产为止的时间,必须大于新水平的准备时间,正常情况下,大型矿井的准备时间要1.5～2年,井底车场、石门及主要运输大巷亦需1.5～2年,延伸井筒需1年,合计4～5年的时间,开拓延伸加上水平过渡需要7～9个月,所以每个矿井在确定水平高度时,必须使开采时间大于开拓延伸加上水平过渡所需时间。

[1]

4.2.2水平数目

综合考虑水平划分的原则和本矿井的煤层赋存条件、地质条件、倾斜长度、倾角等多方面的因素,本矿井划分为两个水平三个阶段,第一水平标高-500米,阶段垂高250米,上山开拓；第二水平标高-700米,阶段垂高分别为-200米和-150米,上下山联合开拓。

4.2.3水平大巷的布置

1）大巷的布置方式

考虑到各煤层间距较小,宜采用集中大巷布置。

为减少煤柱损失和保证大巷维护条件,运输大巷布置在-500水平,距煤层底板垂距30米,采用3吨固定式式矿车运输,辅助运输采用1.5吨固定式矿车。

大兴矿井田煤层倾角较小,发火期3～6个月,设计将采用高效、经济的走向长壁采煤法,为避免在通风阻力最大时,矿井通风压力超过《设计规范》中关于矿井通风的设计风压的规定,决定采用中央分列式。

回风大巷布置在-250米水平的煤层底板岩层中。

2）大巷的规格

图4—4运输大巷断面图

Fig.4-4crosssectionsketchoftransportationroadway

图4—5回风大巷断面图

Fig.4-5crosssectionsketchofreturnedairroadway

4.3采区划分及开采顺序

4.3.1采区区域划分

根据煤层的赋存条件,该井田煤层倾角为16°左右,因而采用采区式布置。

大兴井田边界近似长方形,区内有一小断层,南部有一小褶曲,故采区区域的划分应适应采区机械化采煤为依据,有利于采区正常生产和接替,能充分发挥采区综采的优势。

综上所述,设计采区划分以水平大巷为界,再从井田中央划分,这样全井田划分为6个大条采区,其编号为南1,南2,南3,北1,北2,北3。

表4—1采区特征表

Tab.4-1zonefeaturesatable

参数

区域尺寸

可采储量（万t）

生产能力（万t/a）

服务年限（a）

编号

长（m）

宽（m）

南1

2450

907

2590

120

16

南2

2000

725

1476

120

9

续表4—1

南3

2450

545

1900

120

11

北1

2450

907

2278

120

14

北2

2000

725

1476

120

9

北3

2450

545

1900

120

11

4.3.2开采顺序

合理开采顺序可保证开采水平、采区、回采工作面的正常接替,保证矿井连续、稳定、高产,最大限度地采出煤炭资源,减少巷道掘进率及维护工程量,合理集中生产,充分发挥设备能力,提高技术经济效益,便于防止灾害,保证生产安全可靠。

[2]

本设计矿井井田范围内采区区域的开采顺序为后退式,即先采工业广场较远的采区,再采离工业广场较近的采区。

区内煤层的开采顺序由上向下,即下行式。

区内每煤层开采