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绪论

一、目的

1、初步应用《采矿学》课程所学的知识，通过课程设计加深对《采矿学》课程的理解。

2、培养采矿工程专业学生的动手能力，对编写采矿技术文件，包括编写设计说明书及绘制设计图纸进行初步锻炼。

3、为毕业设计中编写毕业设计说明书及绘制毕业设计图纸打基础。

二、设计题目

1、设计题目的一般条件

某矿第一开采水平上山某采（带）区自下而上开采K1、K2和 K3煤层，煤层厚度、层间距及顶底板岩性见综合柱状图。

该采（带）区走向长度3600米，倾斜长度1100米，采（带）区内各煤层埋藏平稳，地质构造简单，无断层，K1和K2煤层属简单结构煤层，硬度系数 f=2，各煤层瓦斯涌出量也较小。

设计矿井的地面标高为+30米，煤层露头为-30米。

第一开采水

平为该采（带）区服务的一条运输大巷布置在K3煤层底版下方25米处的稳定岩层中，为满足该采（带）区生产系统所需的其余开拓巷道可根据采煤方法不同由设计者自行决定。

2、设计题目的煤层倾角条件

（1）设计题目的煤层倾角条件1

煤层倾角条件1：

煤层平均倾角为12°

（2）设计题目的煤层倾角条件2

煤层倾角条件2：

煤层平均倾角为16°

三、课程设计内容

1、采区或带区巷道布置设计；

2、采区中部甩车场线路设计或带区下部平车场（绕道线路和装车站线路）线路设计；

设计采（带）区综合柱状图

柱  状

厚度（m）

岩 性 描 述

————————————————

8.60

灰色泥质页岩，砂页岩互层

---------------------------------------------------

8.40

泥质细砂岩，碳质页岩互层

0.20

碳质页岩，松软

3.5

K1煤层，=1.30t/m3

-----------------------------------

4.20

灰色砂质泥岩，细砂岩互层，坚硬

------------------------------------------

7.80

灰色砂质泥岩

0.2-0.5

K2煤层

-----------------------------------------

4.60

薄层泥质细砂岩，稳定

················

3.20

灰色细砂岩，中硬、稳定

2.50

K3煤层，煤质中硬，=1.30t/m3

。

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3.50

灰白色粗砂岩、坚硬、抗压强度60—80Mps

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24.68

灰色中、细砂岩互层

四、进行方式

学生按设计大纲要求，任选设计题目条件中的煤层倾角条件1或煤层倾角条件2，综合应用《采矿学》所学知识，每个人独立完成一份课程设计。

设计者之间可以讨论、借鉴，但不得相互抄袭，疑难问题可与指导教师共同研究解决。

本课程设计要求方案进行技术分析与经济比较。

第一章.采区巷道布置

第一节．区储量与服务年限

1.1.1采区生产能力选定为120万t/a

1.1.2．采区的工业储量、设计可采储量

（1）采区的工业储量

                Zg=H×L×（m1+m2+m3）×γ  （公式1-1）

式中：

Zg----采区工业储量，万t；

    H----采区倾斜长度，1100m；

    L----采区走向长度，3600m；

   γ----煤的容重，1.30t/m3；

   m1----K1煤层煤的厚度，为3.5米；

m2----K2煤层煤的厚度，为0.2-0.3米,取平均0.35米；

m3----K3煤层煤的厚度，为2.50米；

Zg=1100×3600×（3.5+0.35+2.50）×1.3=3268.98万t

Zg1=1100×3600×3.5×1.3=1801.8万t

Zg2=1100×3600×0.35×1.3=180.18万t

Zg3=1100×3600×2.50×1.3=1287万t

（2）设计可采储量  ZK=（Zg-p）×C  （公式1-2）

                  式中：

ZK---- 设计可采储量, 万t；

       Zg---- 工业储量，万t；

       p---- 永久煤柱损失量，万t；

C---- 采区采出率，厚煤层可取75%，中厚煤层取80%，薄煤层85%。

本设计条件下取80%。

永久保护煤柱:

（采区边界永久煤柱损失量和上山煤柱损失。

采区两边边界保护煤柱取10米,采取上部边界煤柱取20米保护煤柱下部边界取30米保护煤柱;上山之间煤柱取20保护煤柱米上山两侧煤柱各取去30米保护煤柱）

Pm1=20×3600×3.5×1.3+30×3600×3.5×1.3+10×2×（1100-20-30）×3.5×1.3+30×2×（1100-20-30）×3.5×1.3＋20×（1100-20-30）×3.5×1.3=129.6750万t

Pm2=20×3600×0.35×1.3+30×3600×0.35×1.3+10×2×（1100-20-30）×0.35×1.3+30×2×（1100-20-30）×0.35×1.3＋20×（1100-20-30）×0.35×1.3=12.9675万t

Pm3=20×3600×2.5×1.3+30×3600×2.5×1.3+10×2×（1100-20-30）×2.5×1.3+30×2×（1100-20-30）×2.5×1.3＋20×（1100-20-30）×2.5×1.3=92.625万t                    

采区设计可采储量：

ZK1=（Zg1-p1）×C1=（1801.8-129.6750）×0.75=1254.093万t

ZK2=（Zg2-p2）×C2=（180.18-12.9675）×0.85=142.131万t

ZK3=（Zg3-p3）×C3=（1287.00-92.625）×0.80=955.5万t

1.1.3采区服务年限:

                     T=ZK/A×K ——（公式1-3）

    式中：

 T---- 采区服务年限，a;

        A---- 采区生产能力，150万t；

        ZK---- 设计可采储量，2315.7万t；

        K----储量备用系数，取1.3。

T1=ZK1/A×K=1254.093万t/（120万t ×1.3）=8.04a

T2=ZK2/A×K=142.131万t/（120万t ×1.3）=0.91a

T3=ZK3/A×K=955.5万t/（120万t ×1.3）=6.13a    

T=T1+T2+T3=8.04+0.91+6.13=15.08a ，取15年。

1.1.4、验算采区采出率

1、对于K1厚煤层:

                   C1=（Zg1-p1）/Zg1-----（公式1-4）

式中：

C-----采区采出率，% ；

        Zg1----K1煤层的工业储量，万t ；

        p1----K1煤层的永久煤柱损失，万t ， ； 

C1=（Zg1-p1）/Zg1

=（1801.8-129.675）/1801.8

=92.80% >75%满足要求

2、对于K2中厚煤层：

C2=（Zg3-p3）/Zg3-----（公式1-5）

    式中：

C----采区采出率，% ；

          Zg2----K2煤层的工业储量，万t ；

P2----K2煤层的永久煤柱损失，万t 

C2=（Zg2-p2）/Zg2

=（180.18-12.9675）/180.18

=92.80%>80%满足要求

3、对于K3中厚煤层：

C3=（Zg3-p3）/Zg3-----（公式1-5）

   式中：

  C----采区采出率，% ；

         Zg3----K3煤层的工业储量，万t ；

P3----K3煤层的永久煤柱损失，万t ，；

C3=（Zg3-p3）/Zg3

=（1287-92.625）/1287

=92.80>80%满足要求

第二节采区内的再划分

1.2.1、确定工作面长度

由已知条件知：

该煤层左右边界各有10m的边界煤柱，上部留20m防水煤柱，下部留30m护巷煤柱，故其煤层倾向共有：

1100-50=1040m的长度，走向长度3600-30×2-20-10×2=3500m。

地质构造简单，煤层附存条件较好，瓦斯涌出量小。

且现代工作面长度有加长趋势，且采煤工艺选取的是较先进的综采。

又知，一般而言，考虑到设备选型及技术方面的因素综采工作面长度为180～250m，巷道宽度为4m～4.5m,本采区选取4.5m，且采区生产能力为120万t/a，一个中厚煤层的一个工作面便可以满足生产要求，采用沿空掘巷方式,巷道间留较小煤柱，取5米.取区段平巷的宽度为4.5m，留5m小煤墙。

则采煤工作面长度为：

L1=（b-q-（（2×L2+p）×n-p））/n（公式1-5）

式中：

L1——工作面长度，m；

L2——区段平巷宽度，m；

b——采区倾向长度，m；

q——采区上下边界预留煤柱宽度，m；

P——护巷煤柱宽度，m；

n——区段数目，个；

L1=（1100-20-30-（（4.5+5）×5）-4.5）/5=199.6m

工作面长度取200米

1.2.2、工作面生产能力

Qr=A/（T×1.1）（公式1-6）

式中：

A----采区生产能力，120万t/a；

Qr----工作面生产能力，t/天；

T----每a正常工作日，330天。

故：

Qr=A/（T×1.1）=120/（330×1.1）=3305.78t

1.2.3工作面接替顺序

目前，煤炭企业生产系统向高产高效集中化生产的方向发展，新建大型化矿井均朝“一矿一井一面”的设计思想改革，采用提高工作面单产，用一个工作面的产量来保证整个矿井的设计生产能力，故为适应现阶段煤炭行业的知道规范，本采区设计一个采煤工作面。

其工作面接替顺序如下表：

对于K1煤层：

1101

停

采

线

80m

1102

1103

1104

1105

1106

1107

1108

1109

1110

K1煤层工作面接替顺序：

1101→1102→1103→1104→1105→1106→1107→1108→1109→1110

对于K3煤层：

3101

停

采

线

80m

3102

3103

3104

3105

3106

3107

3108

3109

3110

K3煤层工作面接替顺序：

3101→3102→3103→3104→3105→3106→3107→3108→3109→3110

注：

箭头表示回采工作面的接替顺序。

第三节确定采区内准备巷道布置和生产系统

1.3.确定采区内准备巷道布置和生产系统

1.3.1完善开拓巷道

为了减少煤柱损失提高采出率，利于灭灾并提高经济效益，根据所给地质条件及采矿工程设计规划，在第一开采水平中，把为该采区服务的运输大巷回风大巷布置在K3煤层底板下方25m的稳定岩层中，回风大巷布置采区上部边界。

1.3.2确定巷道布置系统

首先确定回采巷道布置方式，由于地质构造简单，无断层,煤层赋存条件好，涌水量较小，瓦斯涌出量较小，无自然发火倾向,直接顶较厚且易跨落。

同时为减少煤柱损失，提高采出率，降低巷道维护费用，采用沿空掘巷的方式。

因此采用工作面布置图所示工作面接替顺序，就能弥补沿空掘巷时工作面接替复杂的缺点。

采区布置方案分析比较

确定采区巷道布置系统，采区内有三层煤，采用联合布置，根据相关情况初步制定以下三个方案进行比较：

方案一：

采区上山联合布置两条岩石上山

在距K3煤层底板15m处岩石中布置两条岩石上山，一条为运输上山，另一条为轨道上山，两上山层位有一定差距，使其分别联结两翼的区段;平巷不交叉；石门联系各煤层。

通风路线：

新风从阶段运输大巷→采区主石门→采区下部车场→轨道上山→中部甩车场→区段轨道集中平巷→区段联络巷道→区段运输平巷→工作面→区段回风平巷→回风石门→阶段回风大巷。

该方案的特点是：

岩石工程量大，掘进费用高，联络石门长，但维护条件好，维护费用低，有利于通风，运输能力大。

方案二：

采区上山联合布置两煤层上山

在K3煤层中布置另一条轨道上山一条运输上山。

通风路线：

新风从阶段运输大巷→采区主石门→采区下部车场→轨道上山→中部甩车场→区段轨道集中平巷→区段联络巷道→区段运输平巷→工作面→区段回风平巷→回风石门→阶段回风大巷。

该方案的特点是：

采用两条煤层上山，工程量小，初期投资少但上山不易维护，维护费用高，需要保护煤柱。

方案三：

采区上山联合布置一煤一岩上山

在距K3煤层底板15m处岩石中布置一条岩石运输上山，在K3煤层中布置另一条轨道上山，石门联系各煤层。

通风路线：

新风从阶段运输大巷→采区主石门→采区下部车场→轨道上山→中部甩车场→区段轨道集中平巷→区段联络巷道→区段运输平巷→工作面→区段回风平巷→回风石门→阶段回风大巷。

该方案的特点是：

节省了一条岩石上山，相对减少了岩石工程量，但轨道上山不易维护，维护费用高，需要保护煤柱。

在K3煤层中布置另一条轨道上山一条运输上山。

通风路线：

新风从阶段运输大巷→采区主石门→采区下部车场→轨道上山→中部甩车场→区段轨道集中平巷→区段联络巷道→区段运输平巷→工作面→区段回风平巷→回风石门→阶段回风大巷。

该方案的特点是：

采用两条煤层上山，工程量小，但上山不易维护，维护费用高，需要保护煤柱。

技术经济比较：

表1-6技术比较表

方案一

方案二

方案三

优点：

两条上山均布置在岩石中，巷道稳定，受采掘干扰较小，且维护容易

两条上山均布置在同一煤层中，降低了出矸量，提高了煤炭的生产率，掘进容易

兼有方案一和二的优点，维护较容易

缺点

岩石工程量大，掘进费用高，工期长

维护困难，受采掘影响较大

增加了岩石工程量，降低了生产率，增加了掘进成本

表1-7掘进费用表

方案

工程名称

方案一

方案二

方案三

单价

工程量

费用

（万元）

工程量

费用

（万元）

工程量

费用

（万元）

岩石上山（m）

1578

1050×1.2×2=2640

416.6

0.00

0.00

1050×1.2=

1320

208.3

煤层上山（m）

1248

0.00

0.00

1050×1.2×2=

2640

338.976

1050×1.2=

1320

169.488

煤仓

（元/m3）

144

1.2×3.14×42×15/0.924×5=

4893.506

70.5

0.00

0.00

1.2×3.14×42×5/0.924×5

=1631.796

23.5

甩入石门（元/m）

1152

1.2×10/0.276×5=

434.8

50.1

0.00

0.00

0.00

0.00

合计

537.2

338.976

410.288

表1-6维护费用表

方案

工程名称

方案一

方案二

方案三

单价

工程量

费用

（万元）

工程量

费用

（万元）

工程量

费用

（万元）

岩石上山（m）

40

2640×16

=42240

168.96

0.00

0.00

1320×16

=21120

84.48

煤层上山（m）

90

0.00

0.00

2640×16

=42240

380.16

1320×16

=21120

190.08

煤仓

（元/m3）

80

93.6×16

=1497.6

11.98

0.00

0.00

31.2×16

=2496

19.968

甩入石门（元/m）

80

434.8×16

=6956.8

55.7

0.00

0.00

0.00

0.00

合计

236.64

380.16

294.528

表1-6辅助费用表

方案

工程名称

方案一

方案二

方案三

单价

工程量

费用

（万元）

工程量

费用

（万元）

工程量

费用

（万元）

煤仓

（元/m3）

951

434.8

41.35

0.00

0.00

31.2

2.97

甩入石门（元/m）

951

93.6

8.9

0.00

0.00

0.00

0.00

合计

50.25

2.97

表1-6费用总汇表

方案

费用项目

方案一

方案二

方案三

掘进费用

489.2

330.97

410.28

维护费用

236.64

380.16

294.52

辅助费用

50.25

0.00

2.97

费用总计

753.77

698.13

675.73

百分率

116.87%

105.42%

100%

综上技术经济比较所述：

故选择方案二，即双煤层上山的煤层群联合布置的准备方式

由于煤层条件好瓦斯水涌出量小故只设置两条上山就可以（一条运输上山一条运输上山）m3煤层煤层赋存条件简单煤质硬度f=2较硬，从经济上技术上综合比较可选用一煤层一岩上山布置在k3煤层中，k3煤层底板岩层布置运输上山k1k2采出的煤通过溜煤眼到达采区运输上山。

1.3.3．回采巷道布置方式.：

单巷沿空掘巷掘进方式。

分析：

已知采区内各煤层埋藏平稳，地质构造简单，无断层，同时，各煤层瓦斯涌出量较低，自然发火倾向较弱，涌水量也较小。

因此有利于综合机械化作业，可以充分发挥棕采高产高效的优势。

同时，为减小煤柱损失，提高采出率。

综合考虑各种因素，采用单巷沿空掘巷方式区段间留设5米小煤柱。

在采区巷道布置平面图内，工作面布置和推进的位置应以达到采区设计产量及安全为准。

工作面推进到距采区上山30米处的位置。

1.3.4．确定采区内上、下区段相邻工作面交替期间同时生产时的通风系统图

 采区内上、下区段相邻工作面交替期间同时生产时的通风系统如图所示。

1.3.5．采区上部和下部车场选型：

（1）考虑到采用采用采区上部车场有车辆运行顺当、调车方便等优点和有通风不良，有下行风的缺点，确定采用上部平车场。

（2）由于运输大巷距阶段运输大巷25m，采区生产能力大，故下部车场可选择大巷装车式下部车场（底绕式）。

第四节采区中部甩车场线路设计

1.4.1斜面线路联接系统参数计算

该采区开采近距离煤层群，倾角为16°。

铺设600mm轨距的线路，轨形为15kg/m，采用1t矿车单钩提升，每钩提升3个矿车，甩车场存车线设双轨道。

斜面线路布置采用二次回转方式。

（1）道岔选择及角度换算

由于是辅助提升故道岔均选择DK615-4-12（左）道岔。

道岔参数为α1=14°15′，a1=a2=3340,b1=b2=3500。

斜面线路一次回转角α1=14°15′

斜面线路二次回转角δ=α1+α2=14°15′+14°15′=28°30′

一次回转角的水平投影角α1′=arctan（tanα1/cosβ）=14°47′58″（β为轨道上山倾角16°）

二次回转角的水平投影角δ′=arctan（tanδ/cosβ）=29°17′34″（β为轨道上山倾角16°）

一次伪倾斜角β′=arcsin（sinβcosα1）=arcsin（sin16°cos14°15′）=15°29′42″

二次伪倾斜角β″=arcsin（sinβcosδ）=arcsin（sin16°cos28°30′）=154°1′6″

为了使计算直观简便，做出车场线路布置草图如图1-8：

图1-8中部甩车场线路计算草图

图1-8中部甩车场线路计算草图

（2）斜面平行线路联接点参数确定如图1-9：

本设计采用中间人行道，线路中心距S=1900mm，为简化计算，斜面联接点距中心距与线路中心距相同，曲线半径取R′=9000mm，则各参数计算如下：

B=Scotα=1900×cot14°15′=7481mm

m=S/sinα=1900/sin14°15′=7719mm

T=Rtan（α/2）=9000×tan（14°15′/2）=1125mm

n=m-T=7719-1125==6594mm

c=n-b=6594-3500=3094mm

L=a+B+T=3340+7481+1125=11946mm

1.4.2竖曲线相对位置

竖曲线相对参数：

高道平均坡度：

ia=11‰,rg=arctania=37′49″

低道平均坡度：

id=9‰,rd=arctanid=30′56″

低道竖曲线半径：

Rd=9000mm

取高道竖曲线半径：

Rg=20000mm

高道竖曲线参数：

βg=β′-rg=15°29′42″-37′49″=14°51′53″

hg=Rg（cosrg-cosβ′）=20000（cos37′49″-cos15°29′42″）=725.71mm

Lg=Rg（sinβ-sinrg）=20000（sin15°29′42″-sin37′49″）=5123.mm

Tg=Rg×tan（βg/2）=20000×tan（14°51′53″/2）=2609.03mm

Kg=Rg×βg/57.3°=5188.38mm

低道竖曲线参数：

βd=β′＋rd=15°29′42″-30′56″=16°38″

hd=Rd（cosrd-cosβ′）=9000（cos30′56″-cos15°29′42″）=326.75mm

Ld=Rd（sinβ′-sinrd）=9000（sin15°29′42″＋sin30′56″）=2485.37mm

Td=Rd×tan（βd/2）=9000×tan（16°38″/2）=1265.71mm

Kd=Rd×βd/57.3°=2514.75mm

最大高低差H：

由于是辅助提升，储车线长度按三钩计算，每钩提1t矿车3辆，故高低道储车线长度不小于3×3×2=18m，起坡点间距设为零，则有：

H=18000×11‰+18000×9‰=360mm

竖曲线的相对位置：

L1=[（T-L）sinβ+msinβ″+hg-hd+H]=2358.83mm

两竖曲线下端点（起坡点）的水平距离为L2，则有

L2=L1cosβ′+Ld-Lg=2358.83×cos15°29′42″+2485.37-5123.08=-364.61mm

负值表示低道起坡点超前与高道起坡点，其间距满足要求，说明S选取2000mm合适。

1.4.3高低道存车线参数确定

闭合点O的位置计算如图1-10：

设高差为X，则：

tanrd=（X-△X）/Lhg=0.009

tanrg=（H-X）/Lhg=0.011

△X=L2×id=364.61×0.009=3.281mm

将△X带入则可得X=163.80mm，Lhg=17835.93mm

1.4.4