5第四章井下开采126ok.docx

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5第四章井下开采126ok

第四章井下开采

第一节盘区布置

一、首采区特征

1、首采区选择主要考虑的原则

（1）首采区应选在煤层较厚且赋存较稳定的块段，以利于矿井尽快达产，产生效益。

（2）尽量靠近工业场地，减少初期开拓工程量，节省基建投资，缩短建井工期。

（3）应选在地面建筑物影响小的块段，初期尽可能不搬迁村庄。

2、首采区位置选择

鉴于本矿井Ⅲ-2煤层预计2012年8月开采完毕，故本次水平延伸设计首采盘区选择二盘区，主要理由如下：

（1）全井田按主、辅水平划分剩余三个盘区，矿井首采Ⅳ-2号煤层，煤层厚度大，井巷工程量小。

（2）首采区位于井底车场附近，初期工程量省，基建投资少，建井工期短，初期生产运营费用低。

鉴于242盘区的上述具体条件，故选择该盘区为本次设计的首采区。

二、盘区巷道布置

1、煤层分组、分层关系和开采顺序

本区主要剩余可采煤层共3层，分别为：

Ⅳ-2、Ⅴ-1、Ⅴ-2煤层。

根据水平划分，二水平开采Ⅳ-2煤层，三水平开采Ⅴ-1、Ⅴ-2煤层。

各煤层开采顺序为由上而下，煤层内工作面的开采顺序为由近及远，工作面内的开采顺序为后退式回采。

2、巷道布置

对巷道布置主要考虑满足以下要求：

1）生产系统要简单、安全可靠、便于管理。

2）巷道布置应尽量满足合理集中生产的需要，并保证工作面正常接替。

3）巷道布置要简单、合理，工程量少、投产快、巷道维护量少，采区生产成本低。

依照矿井开拓总体部署，盘区主要巷道均利用开拓大巷兼做盘区的准备巷道，即各煤层的胶带输送机大巷、辅助运输大巷和回风大巷均兼负盘区准备巷道的功能，在三条大巷两侧直接布置回采工作面，这样既简化了盘区巷道布置又减少了盘区的煤炭运输和辅助运输的运输环节。

初期242盘区范围内三条大巷布置均布置在Ⅳ-2煤层中，首采工作面回采巷道在煤层中沿煤层垂直（近似）于开拓大巷布置，直接与运输大巷、辅运大巷、回风大巷相连，形成煤炭运输、辅助运输及通风、排水系统，采用长壁式采煤方法采煤。

首采工作面运输顺槽胶带机直接与运输大巷胶带机搭接，以减少一个运输环节，节约初期投资量。

详见：

盘区巷道布置及机械配备平面图（C1376J-163-1）。

三、盘区车场和硐室布置

矿井采用无轨胶轮车运输，采区巷道沿煤层布置，角度一般3°左右，工作面顺槽与大巷平交连接。

开采Ⅳ-2号煤层时，在主井二水平设变电所及水泵房一座，负责盘区供电及排水。

第二节采煤方法及工艺

一、采煤方法的选择及其依据

（一）影响采煤方法选择的因素

1、地质构造条件

伊金霍洛旗东博煤炭有限责任公司煤矿位于东胜煤田东南部，基本构造形态与东胜煤田一致，为一向南西倾斜的单斜构造，倾角1°~3°，区内无断层及较大褶皱，亦无岩浆岩侵入，地质构造简单，对开采无影响。

2、煤层赋存条件

根据钻孔揭露及岩煤层对比结果，矿区内Ⅳ-2、Ⅴ-1、Ⅴ-2煤层为对比可靠，全区可采或大部分可采的稳定煤层。

其它煤层为对比基本可靠，区内零星可采或不可采的不稳定及极不稳定煤层。

各主要可采煤层的特性如下：

Ⅳ-2煤层：

为勘探区内主要可采煤层，煤层厚度1.47～3.42m，平均2.45m；煤层结构简单，偶含1层夹矸。

煤层顶底板岩性为灰色、深灰色泥岩。

距Ⅲ-2煤层间距34.08～42.20m，平均39.13m。

Ⅴ-1煤层：

为勘探区内主要可采煤层，煤层厚度0.21～1.70m，平均1.20m；煤层结构简单～中等，局部含1～4层夹矸。

顶板岩性为细粒砂岩，泥岩，底板为砂质泥岩、泥岩。

距Ⅳ-2煤层间距27.36～39.54m，平均34.96m。

Ⅴ-2煤层：

为勘探区内主要可采煤层，煤层厚度1.18～1.72m，平均1.55m；煤层结构简单～中等；顶板岩性为细粒砂岩，泥岩，底板为砂质泥岩、泥岩。

距Ⅴ-1煤层间距7.22～11.37m，平均9.24m。

3、开采技术条件

（1）水文地质条件

矿区直接充水含水层含水空间以裂隙为主，孔隙次之；煤层位于地下水位以下，以大气降水为主要充水水源，直接充水含水层单位涌水量q＜0.1L/s·m，富水性弱；因此，将矿区水文地质类型划分为第一～二类第一型，即以孔隙—裂隙充水为主的水文地质条件简单的矿床。

（2）工程地质条件

井田煤层顶底板岩石以层状碎屑沉积岩类为主，夹松散软弱岩类，为软弱—半坚硬岩石，因此将井田工程地质类型划分为第三类第二型，即以层状岩类为主，工程地质条件中等型。

开采中应加强煤层顶底板的管理维护工作，以保证安全生产。

（二）各类采煤方法简介

本矿各主要可采煤层赋存较稳定，倾角较缓，属近水平煤层，适合本矿井各煤层的采煤方法主要有综合机械化采煤方法和普通机械化采煤方法，各类采煤方法的特点分述如下：

1、综合机械化采煤法

就目前煤矿地下开采技术发展趋势看，综合机械化回采是采煤工艺的重要发展方向，它具有高产、高效、安全、低耗以及劳动强度小的优点。

我国自上世纪70年代末从国外成套引进综采设备以来，经过20多年的开发、研制，国产综采设备制造已经有了长足的发展，随着综采设备发展和采煤技术的进步，综合机械化采煤已成为我国高产高效矿井的主要采煤工艺之一。

其优点是机械化程度高，在落煤、运输、和支护三方面都实现了机械化，它也是我国现行在中厚煤层中实现高产高效首选的采煤方法；缺点是一次性设备投资费用高，设备较为笨重，工作面搬家倒面较为费时，一般需用15~30d。

综采工作面设备布置见图4-1-1。

1－采煤机2－刮板输送机3－液压支架4－下端头支架

5－上端头支架6－转载机7－可伸缩皮带输送机8－配电箱

9－乳化液泵站10－设备列车11－移动变电站12－喷雾泵站

13－双速多用绞车14－集中控制台

图4-1-1综采工作面设备布置

2、普通机械化采煤法

普通机械化采煤法是我国在中厚煤层中一种常用的采煤方法。

其特点是用采煤机落煤，用刮板输送机运煤，用单体液压支柱支护顶板。

该采煤法设备投资较少，但仍可保持较高的机械化水平。

另外，该采煤法的设备较为轻便，工作面搬家方便。

普采工作面布置见图4-1-2。

（三）采煤方法的选择原则

采煤方法是一个矿井的核心技术问题，它直接决定着矿井的生产技术水平、安全状况和经济效益。

本次设计根据本井田各主要可采煤层厚度及倾角，按照以下原则确定工作面采煤方法。

1）根据矿井煤层及其顶、底板条件，优先采用国内成熟的高产高效采煤方法，力求实现安全高效机械化开采。

2）对于平均厚度在2.0m以下的煤层，宜选用普通机械化采煤方法，这样可提高机械化开采水平，减少矿井设备投入，也便于工作面搬家。

3）对于平均厚度为2.0~5.0m的煤层，根据国内综合机械化开采技术水平，宜采用综合机械化采煤方法。

1－采煤机2－刮板输送机3－单体液压支柱4－铰接顶梁

图4-1-2普采工作面布置

（四）采煤方法的确定

根据上述原则并结合本井田煤层赋存情况、地质条件、开采技术条件和矿井生产能力等因素，设计确定各煤层采煤方法如下：

Ⅳ-2煤层采用综合机械化采煤法进行开采。

Ⅴ-1煤层薄煤层综合机械化采煤法进行开采。

Ⅴ-2煤层采用综合机械化采煤法进行开采。

二、工作面采煤、装煤、运煤方式及设备选型

（一）工作面采煤、装煤及运煤方式

根据矿井的生产能力、煤层赋存情况，确定矿井移交生产时在Ⅳ-2煤层布置一个综采工作面，工作面长度255m，回采工作面采用采煤机落煤，运煤方式为可弯曲刮板输送机通过转载机转入顺槽胶带输送机。

（二）设备选型

根据本井田首采煤层Ⅳ-2煤层的开采技术条件，并结合目前综采工作面装备水平和国内其他矿区的实践经验，以实现工作面高产高效为中心，通过工作面设备的合理选型与255m长综采工作面配套实现一矿一面达年产120万t。

采煤工作面主要设备选型如下：

1、采煤机

（1）采煤机小时生产能力计算

工作面设计生产能力为120万t，考虑设备运行的稳定性，采煤设备配套生产能力应大于工作面设计生产能力，一般二者之比为1.5～2.0，本设计采煤机配套生产能力按照180万吨选择；每年按330个工作日计算，工作方式为“四六制”，即三班出煤，一班检修，工作面长度按255m计算，要求采煤机平均落煤能力为：

式中：

Qm——采煤机平均落煤能力，t/h；

Qr——采煤机平均日产量，5455t/d；

L——工作面长度，255m；

Ls——输送机弯曲段长度，20m；

Lm——采煤机两滚筒中心距，8.1m；

——Ⅳ-2煤层实体煤容重，1.25t/m3；

——工作面回采率，95%；

Td——采煤机返向时间，1min；

B——采煤机截深，0.8m；

H——平均采高，2.45m；

K——采煤机平均日开机率，0.4。

带入参数计算得采煤机平均落煤能力为：

（2）采煤机平均割煤速度

工作面是否达到预定的产量，主要取决于采煤机的切割速度。

=

（3）采煤机最大割煤速度和最大生产能力

采煤机最大割煤速度：

采煤机最大生产能力：

式中：

——采煤机最大割煤速度，m/min；

——采煤机最大落煤量，t/h；

——采煤机割煤不均衡系数，取1.45。

Vmax＝1.45×4.84＝7.02m/min

Qmax＝1.45×771＝1117.95t/h

（4）采煤机截割功率

按采煤机单位能耗计算采煤机的截割功率为：

式中：

N——采煤机截割功率，kW；

——备用系数，取

=1.25；

——采煤机割煤单位能耗，按铁法、晋城等矿区实测，

=0.55～0.85kWh/m3，取

=0.70kWh/m3，则工作面采煤机截割功率为：

N=60×1.25×0.8×2.45×7.02×0.70=722.36kW

（5）采煤机型号及主要技术参数

根据上述计算及本矿井实际见煤煤质较硬，选用MG500/1170-AWD型电牵引采煤机。

其技术参数见下表：

MG500/1170-GWD型滚筒采煤机技术特征表

型号

MG500/1170-AWD

采高（m）

1.8～3.3

截深（m）

0.8

滚筒直径（m）

1.8

滚筒转速（r/min）

41.5

摇臂长度（mm）

2300

摇臂摆动中心距（mm）

8100

牵引力（KN）

575～342

牵引速度（m/min）

0～9.75～16.38

牵引型式

交流变频调速、电机驱动齿轮销轨式无链牵引

机面高度（mm）

1300

卧底量（mm）

478

灭尘方式

内、外喷雾

装机功率（kW）

2×500+2×75+20=1170kW

电压等级（V）

3300

重量（t）

60

生产厂家

西安煤矿机械有限公司

2、刮板输送机

（1）工作面刮板输送机运输能力计算

式中：

——刮板输送机运输能力，t/h；

——采煤机割煤速度不均匀系数，取1.45；

——采煤机采高不均匀系数，可取1；

——考虑运输方向及倾角系数，可取1。

——考虑采煤机与刮板输送机同向运动时的修正系数，

；

=1.05

——采煤机平均落煤能力，711t/d。

则：

q=1.45×1×1×1.05×711=1082.5t/h

（2）工作面刮板输送机选型

按照输送机应满足的采煤机的生产能力并以其配套，工作面长度255m，为了提高系统的可靠性，选择运输能力为1500t/h的SGZ800/1050型刮板输送机。

其技术参数见下表：

SGZ800/1050型刮板输送机技术特征表

型号

SGZ800/1050

设计长度（m）

255

输送能力（t/h）

1500

中部槽型式

整体铸焊结构

中部槽规格（长×内槽宽×高）（mm）

1750×800×313

刮板链型式

中双链,链中心距200mm,链条进口（JDT或蒂勒）

刮板链速（m/s）

1.31

圆环链规格

φ38×126-C（扁平链）

电机功率（kW）

2×525

生产厂家

山西煤矿机械制造有限责任公司

3、转载机

选用SZZ1000/400型桥式转载机，其技术参数见下表：

SZZ-1000/400型桥式转载机技术特征表

型号

SZZ-1000/400

设计长度（m）

32

输送能力（t/h）

2000

中部槽内宽（mm）

1500×1000×1100

刮板链型式

中双链

刮板链速（m/s）

1.8

刮板链规格（φd×t）（mm）

φ34×126-c

电机功率（kW）

400

生产厂家

山西煤矿机械制造有限责任公司

4、破碎机

选用PCM250型锤式破碎机，其技术参数见下表：

PCM250型锤式破碎机技术特征表

型号

PCM250

破碎能力（t/h）

2500

破碎形式

锤式

出料粒度（mm）

≤300

入料品块度（mm）

1000×800

电机功率（kW）

250

生产厂家

山西煤矿机械制造有限责任公司

5、顺槽胶带输送机

顺槽胶带输送机的能力应与转载机的能力相配套。

由于胶带输送机输送能力与运输距离密切相关。

工作面推进长度不同，胶带输送机在工作面生产能力相同的情况下，其装机功率需随运输距离的加长而加大。

根据运煤能力的要求，选用DSJ120/120/2×200型可伸缩高强度胶带输送机满足要求，其主要技术参数见下表：

DSJ120/120/2×200型可伸缩胶带输送机技术特征表

型号

DSJ120/120/2×200

带宽（mm）

1200

输送能力（t/h）

1200

输送长度（m）

1800

带速（m/s）

2.0～4.0

电机功率（kW）

2×200

生产厂家

枣庄

三、工作面顶板管理方式及支护设备

工作面顶板管理采用全部垮落法。

工作面支护设备选型如下：

1、液压支架

1）架型的选择

液压支架是综采工作面主要设备之一，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，要求所选择的支架不但要稳定可靠、故障率低，而且要使用寿命长。

近年来国内外液压支架正向重型化、高阻力、大流量和电液控制方向发展。

液压支架应有良好的结构功能和支护性能，并能及时维护顶板，防止端面顶板的冒落，同时能有良好的支撑顶板能力，适应Ⅳ-2煤层赋存条件和矿压特点。

液压支架选型应考虑顶底板稳定性、煤层厚度、倾角、煤层赋存状况及瓦斯含量等，其中以煤层及其顶板稳定性影响最大。

目前，用于单一煤层开采的液压支架主要有支撑掩护式和掩护式2种，其特点如下：

（1）支撑掩护式支架主要特点及适应范围

①由于有两排立柱，顶梁和底座都较长，通风断面大，但整架运输不方便，采煤工作面的开切眼宽度要求较大。

②立柱的支撑效率较低，左、右柱的载荷有差别，前、后柱载荷往往差别较大，有时后柱甚至无荷载。

③由于立柱多，立柱与顶梁和底座为铰连接，允许有一定量的摆动，顶梁长，在有角度的工作面使用时，顶梁向倾斜下方的摆动量大，不适于用在角度过大的工作面。

④支架的支撑合理距切顶线近、切顶能力强，适用于较稳定的顶板。

⑤重量较大，造价较高。

⑥底座对底板比压均匀，且底座前端的比压小，容易移架。

⑦该架型一般适用于坚硬顶板及部分中等稳定顶板。

（2）掩护式支架主要特点及适应范围

①单排立柱支撑。

加之平衡千斤顶的作用，支撑合力距离煤壁较近，可较为有效防止端面顶板的早期离层和破坏。

②平衡千斤顶可调节合力作用点的位置，增强了支架对难控顶板的适应性。

③控顶距小，顶梁较短，对顶板的反复支撑次数少，减少了对直接顶板的破坏。

④伸缩比较大，一般可达2.4左右，适应煤层厚度的变化能力强。

⑤顶梁和底座较短，稳定性较好，便于运输、安装和拆卸。

⑥重量较支撑掩护式轻，投资少。

⑦液压控制系统较简单，管路短，有利于提高移架速度。

⑧底座前端对底板的比压大，一般不适用于软底板的采煤工作面，如果配备抬底结构，也可适用于这类工作面。

⑨支架动作不够直观，要求操作人员对平衡千斤顶的功能有所了解。

⑩该种架型适用于破碎顶板及部分中等稳定的顶板，且对煤层变化较大的工作面适应性较强。

根据我国综采液压支架的发展水平，结合矿区地质条件、附近矿井的生产实践经验和井下开采技术条件，设计选择高阻力两柱掩护式液压支架，使之适应由于煤层埋深浅而可能产生较大的顶板来压和提高工作面产量而需要安装电液阀移架的可能性。

由于Ⅳ-2煤层顶板稳固性差，采用整体顶梁形式，由于工作面采高最在达3.42m，所以配护帮板以防止煤壁片帮。

2）工作面液压支架支护强度确定

对于矿区Ⅳ-2煤层属于浅埋深松软顶板，国内外类似条件下的实际观测和理论研究结果表明，在开采过程中，浅埋深极松软顶板难以形成“梁”或“板”结构。

随着工作面推采，松软顶板将产生裂隙，形成块体，因而可视顶板岩层为碎块体，即松散介质。

这些块体相互挤压、相互作用，形成“压力拱”结构，并随着推采，“压力拱”范围不断增大。

当工作面推进到一定距离时，“压力拱”失稳破坏，产生初次来压，当拱顶高度接近地表时，压力拱内主结构岩层失稳破坏，造成工作面更剧烈的来压，随之拱外次结构内岩体破坏，造成地表下沉；压力拱结构周期性失稳并前移，引起工作面周期来压。

因此，采用倍重法计算液压支架额定支护强度已不适用，只能用估算法确定支架支护强度。

这种计算方法的基础是工作面支架工作阻力支撑冒落带顶板岩层的重量，并平衡基本顶失稳时对支架的动载，计算公式为：

式中：

q——工作面支架所需支护强度，MPa；

Kd——基本顶失稳时的动载系数，取Kd=1.2；

——冒落带岩层自重应力，q冒=γ顶·h；γ顶为顶板岩层和黄土层容重，取22kN/m3；h为冒落带高度，根据煤层结构，Ⅳ-2煤层为浅埋深覆盖层厚度大约0～129.33m，故取h=35m。

经计算，Ⅳ-2煤层支架支护强度为：

q=1.2×22×35kN/m2＝0.924MPa。

支架工作阻力为：

P=q×（支架顶梁长度+支架端面距）×支架宽度

=0.924×（4.2+0.6）×1.75×1000

=7762kN。

3）液压支架型号及技术参数

根据上述计算结果，并留有一定的安全系数，Ⅳ-2煤层工作面综采液压支架工作阻力确定为8600kN，支架选择ZY8600/16/32型掩护式综采液压支架。

支架结构如图4-2-1所示。

图4-2-1ZY8600/16/32掩护式液压支架

液压支架技术参数见下表。

ZY8600/16/32型掩护式液压支架技术特征表

型号

ZY8600/16/32

型式

二柱掩护式液压支架；

支架高度（mm）

1600～3200

中心距（mm）

1750

初撑力（kN）

6413（P＝31.5MPa）；

工作阻力（kN）

8600

支护强度（MPa）

0.95

移架步距（mm）

800

操作方式

手动邻架操作

泵站压力（MPa）

31.5

质量（t）

24.5

生产厂家

枣矿集团第二机械厂

2、乳化液泵站、喷雾泵站

选用BRW400/31.5型乳化液泵站及BPW315/10K型喷雾泵站。

四、其他设备

除上述主要设备外，还配备有小水泵、回柱绞车、设备列车、单体液压支柱，注液枪等设备。

五、综采工作面设备选型结果

详见综采工作面设备选型结果见表。

综采工作面主要机械配备表

表4-2-11

序号

设备名称

型号

功率（kW）

单位

数量

1

采煤机

MG500/1170-AWD

1170

台

1

2

刮板输送机

SGZ80/1050

2×525

台

1

3

刮板转载机

SZZ1000/400

400

台

1

4

可伸缩胶带输送机

DSJ120/120/2×200

2×200

部

1

5

破碎机

PCM250

250

台

1

6

液压支架

ZY8600/16/32

架

140

7

过渡支架

ZYG8600/16/32

架

6

8

乳化液泵站

BRW400/31.5

250

套

2

9

喷雾泵站

BPW315/10K

75

套

2

10

绞车

JD-11.4

18.5

台

2

11

小水泵

BQS20-50-7.5/N

2

台

3

12

设备列车

MPC-10

列

20

13

阻化剂喷射泵

WJ-2.4

2.2

套

1

六、工作面回采方向与超前关系

工作面回采方向为后退式，即由大巷一侧掘进顺槽巷道至井田边界，掘进开切眼，安装综采设备，然后向大巷方向回采。

工作面超前压力影响范围内加强支护，且加强支护的巷道长度不小于20m，采用单体液压支柱和金属铰接顶梁支护。

三、采煤工作面生产能力

（一）采煤工作面生产能力论证

影响工作面生产能力的因素主要有：

1、煤层厚度

随着综采设备的研制和其性能的不断完善，综合机械化采煤方法及回采工艺也逐渐趋于成熟。

本矿井Ⅳ-2煤层，煤层平均开采厚度2.45m，具有安装综采设备的条件。

2、地质构造

本井田地质构造简单，煤层近水平，水文地质条件简单，煤层埋深适中，为提高综采工作面生产能力创造条件。

3、开采条件

本井田除煤层易自燃，煤尘有爆炸危险外，其他开采技术条件较好，瓦斯含量低，顶底板中等稳定，无地温热害，具备高产高效矿井生产条件。

本矿井二水平开采Ⅳ-2煤层，煤层平均开采厚度2.45m，采用国产设备为主的中厚煤层综采工作面，单面生产能力具备1.20Mt/a以上。

（二）采煤工作面生产能力计算

1、采煤工作面的循环数、年进度

（1）工作面采高

综采工作面采高主要受煤层厚度的限制，根据东博煤矿Ⅳ-2煤层首采面实际情况，确定工作面平均采高为2.45m。

（2）采煤机截深

目前国内高产高效工作面采煤机截深在向0.8m及以上发展，采煤机截深主要与产量、顶板条件、投资等因素有关。

因此，设计确定采煤机截深为0.8m。

（3）工作面日进度

工作面的日进度可用下式计算：

式中：

Q——工作面日产量，按年产120万吨、年工作330d计算，Q=3636t；

——工作面长度，255m；

——工作面采高，2.45m；

——煤体容重，Ⅳ-2煤层1.25t/m3；

——工作面回采率，95%。

（4）工作面循环数、年进度

工作面循环进尺0.8m，日进4.9m达到日产量，确定循环次数为7，日进度为5.6m。

正规循环率80%，工作面年进度1478.4m。

2、工作面长度

综采工作面的长度一般情况下应根据所确定的工作面日产量和工作面的日进度进行计算。

但在大多数情况下，各生产矿井多是根据采区几何尺寸和布置的工作面数进行圈定或根据经验和设备能力（刮板输送机的铺设长度）确定工作面的长度。

本矿首次进行综采，其工作面长度主要从以下几个方面进行考虑：

（1）工作面日产量与日进尺。

（2）工作面初期投资：

为了减小矿井的初期投资，尽量减小设备的投资，即减小工作面长度。

（3）采区几何尺寸和布置的工作面数。

（4）设备生产能力。

（5）安全与管理。

根据上述原则，设计确定工作面长度为255m，按工作面日产量3636t，日进5.6m计算，工作面长度确定为255m亦可满足矿井生产能力要求。

四、移交生产和达到设计能力时工作面生产能力计算

本矿移交生产时为一个综采工作面，投产工作面编号为Ⅳ201，平均