第四章采区布置及装备.docx

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第四章采区布置及装备

第四章采区布置及装备

第一节采煤方法

一、首采区地质构造及煤层赋存特征

1、首采区位置

一采区位于工业场地东南侧，北以工业场地保护煤柱和村庄保护煤柱为界，南以F45、断层和村庄保护煤柱为界，东以F51断层和村庄保护煤柱为界，西以F50、F14、F57断层为界。

南北（走向）长约2900m，东西（倾斜）宽650～1300m，面积2.5km2。

采区计算可采储量1174.3万t，服务年限18.6a。

2、采区地质构造

首采区形态类似一个不完整背斜的转折端，总体为向东倾伏的单斜构造，受F50、峄山断层等的影响，局部发育次一级褶曲，区内断裂构造发育，对开采影响较大的断层有11条，其中落差大于50m的走向断层有4条，其中落差大于30m的走向断层有2条；落差大于30m的倾向断层有3条，落差大于20m的倾向断层有2条（详见表4-1-1）。

另有落差小于10m的断层20条，对开采有一定影响。

表2-5-1一采区断层一览

序号

名称

性质

落差

（m）

断层产状

控制程度

备注

走向

倾向

倾角（°）

1

F57

正

28～145

SN

W

32～50

可靠

走向断层

2

F59

正

0～166

SN

E

50～60

可靠

走向断层

3

F60

正

5～105

SN

NW-W

31～50

可靠

走向断层

4

F61

正

0～123

SN

E

55～65

可靠

走向断层

5

DF38

正

26～80

NNE

SEE

60～65

可靠

走向断层

6

DF65

正

0～33

NNE~NE

SEE-SE

65～70

可靠

走向断层

7

F14

正

0～37

NW

SW

40～60

可靠

倾向断层

8

F57-1

正

10～68

NW

SW

50～55

可靠

倾向断层

9

F1-3

正

0～47

SN~EW

E-N

60

较可靠

倾向断层

10

DF93

正

0～23

EW~NW

S-SW

60

较可靠

倾向断层

11

DF102

正

10～25

EW~NE

S-SW

60

可靠

倾向断层

3、煤层赋存特征

采区内含可采煤层两层，分别为2上、3煤层。

其中3煤为主采煤层，厚度在5.95m～8.09m之间，平均厚度为7.26m，煤层倾角一般在16～25°，平均在21°，计算可采储量为965.3万t；2上煤层厚1.03～1.65m，平均1.10m。

煤层倾角一般在20°左右，计算可采储量为209.0万t；两煤层间距26.9～31.4m，平均29.1m。

4、煤层顶底板岩性

3煤直接顶以砂质泥岩、泥岩、粉砂岩为主，个别孔为细砂岩，砂质泥岩、粉砂岩抗压强度为55.11～94.83MPa，孔隙率1.9～4.5%,泥岩的抗压强度为48.15MPa，属中等稳定～稳定顶板，根据临近生产矿井资料，顶板冒落性能为中等冒落的顶板；老顶为灰白色硅泥质胶结的中、细砂岩，较硬，抗压强度为55.11～94.83Mpa。

底板以泥岩、砂质泥岩为主，孔隙率2.3～3.8%,厚度0.99～2.46m，据生产矿井资料,底鼓的可能性很小。

2上煤层顶底板直接顶以砂质泥岩、粉砂岩为主，厚0.55～6.80m，局部为中砂岩，个别孔见有0.40m的泥岩伪顶，老顶为灰白色中细砂岩。

底板以泥岩、砂质泥岩为主，厚0.50～2.55m，有时具0.23～0.40m的炭质泥岩伪底。

根据生产矿井实际，2上煤层顶底板属不稳定～较稳定顶底板。

二、采煤方法及工作面装备

1、采煤方法选择

经对本井田地质构造、煤层赋存状况及顶、底板岩性等条件的分析，本井田煤层厚度较大，断裂构造发育，对本井田开采影响加大，因此寻求一种适合本井田地质条件的采煤方法是十分必要的。

设计对采煤方法提出了长壁开采和短壁开采两个方案，经方案比较，并参照临近类似矿井（古城、葛亭等矿井）开采的成功经验，设计推荐采用走向长壁式采煤法，后退式回采，全部冒落法管理顶板。

2、回采工艺的选择

本井田地处兖州煤田的深部，主采煤层3煤为缓倾斜厚煤层，全井田3煤厚度在4.59～9.25m之间，平均厚度7.15m，属于结构简单全区可采的较稳定煤层。

首采区3煤厚度在5.95m～8.09m之间，平均厚度为7.26m，煤层倾角一般在16～25°，平均在21°，计算可采储量为1672.2万t。

3煤直接顶为砂质泥岩，厚2m左右；老顶为灰白色含矿物较多的中、细粒砂岩。

底板为厚5～7m的具有清晰波状层理及生物扰动痕迹的细砂岩，有时相变为灰黑色砂质泥岩。

本井田3煤厚度和顶底板条件与兖州矿区类似，不同之处是本井田埋藏深度大，断裂构造发育，寻求一种适合本井田实际情况的采煤工艺和技术装备，将关系到矿井建成后持续、稳定、协调发展和矿井生产的经济效益。

在目前技术水平条件下，设计提出了两个与矿井地质和3煤层赋存条件基本相适应的技术装备方案：

方案一：

综采放顶煤工作面装备方案。

矿井装备一个综采放顶煤工作面，一次采全高，工作面生产能力较高。

方案二：

高档普采装备方案，矿井装备一个采区一个高档普采工作面，煤层分层开采，工作面生产能力可达到45万t/a。

根据邻近的兖州矿业集团所属的兴隆庄矿、东滩矿和鲍店矿的经过几年的研究、探索和实践，3煤（厚煤层）采用综合机械化放顶煤开采技术取得了系统完整的成果，实现了缓倾斜厚煤层开采技术的重大突破，在兖州矿区已发展成为一种成熟的采煤技术，而且给兖州矿区带来了巨大的技术经济效益。

主要体现在：

（1）工作面单产水平大幅度提高，随着回采工作面的减少，实现了高度集中生产；

（2）井下生产系统大大简化，巷道掘进率大幅度降低，降低了材料消耗；

（3）回采工作面底板管理有了实质性好转；

（4）工作面设备安装和搬迁次数大为减少；

（5）提高综放工作面、采区回采率的技术研究取得较大进展；

（6）攻克了综采放顶煤开采瓦斯涌出量大、粉尘浓度大、煤层自燃现象严重等一系列技术难题。

鉴于综采放顶煤开采技术在兖州煤田具有较强的适应性，而且经济效益显著，工作面单产水平高，为矿井发展留有余地，在目前开采技术条件下，推荐工作面采用综采放顶煤装备。

与综采放顶煤工艺相比，方案二（高档普采分层开采工艺）具有以下不足之处：

（1）工作面单产水平较低；

（2）井下生产系统复杂，巷道掘进率较高，材料消耗量大，生产成本高；

（3）回采工作面顶板管理较困难；

（4）工作面设备安装和搬迁次数较多。

综上所述，本矿井3煤开采推荐采用方案一，即综采放顶煤回采工艺。

对于2上煤层的开采，设计根据煤层赋存情况和煤层间距，推荐采用与3煤联合开采的方案，同时回采的工作面错距，按下式计算：

式中：

Xmin——上、下煤层工作面的安全错距，m；

M——两煤层间距，m；

δ——层间岩石移动角，取70º；

L——附加备用距离，一般为下煤层工作面的一个月推进距离，m；

B——上煤层工作面的最大控顶距，m。

实际生产中，工作面错距根据生产经验确定，一般不小于60m。

条件允许的情况下，可考虑采用上行法开采。

3、工作面装备

本矿井一水平煤层厚度较大，断裂构造发育，使综采放顶煤长壁工作面的布置受到一定限制，因此，寻求一种适合本矿井地质条件的开采工艺及装备是十分必要的。

根据有关资料，一种适合于村庄下煤层、残留煤柱等60m以下短壁工作面的MG250/300-NWD短壁采煤机已由天地科技股份有限公司上海分公司研制成功，此系列短壁采煤机可高效率用于综采、综放短壁工作面。

目前，此短壁采煤机已在大同煤矿集团四台矿、兖矿集团的杨村矿等矿井投入使用。

经分析比较，本矿井3煤对于短壁工作面和短壁采煤机有一定的适应性，而且这种采煤装备在临近矿井有成熟的经验，因此，本设计暂推荐采用综采放顶煤短壁采煤机装备。

建议在下阶段，应根据采煤技术装备和工艺的发展情况，在充分调研的基础上，对采煤技术装备和工艺作进一步分析论证，力求寻求一种适合本矿井地质条件的开采工艺及装备。

矿井达到设计生产能力时，布置一个综采放顶煤工作面，工作面装备MG250/300-NWD型短壁采煤机，配套SGB-764/264型前、后部可弯曲刮板输送机，SZB-764/132型转载机。

对于工作面液压支架，借鉴兖州矿区综采放顶煤工作面支护的成功经验，结合本井田3煤顶板岩性及顶板管理方式，考虑到本矿井采深较深，地压较大，预计工作面来压较强烈，故综放面选用支撑掩护式低位放顶煤支架。

支架所需支护强度计算如下：

用估算法确定：

式中：

P──支架支护强度，MPa；

M──最大采高，取3.0m；

r──煤层顶板岩石容重，取2.7t／m3；

K──顶板岩石碎胀系数，取1.3；

n──考虑老顶周期来压不均衡的安全系数，取2.2。

按经验公式计算：

P=α×M×r×9.8×103=8×3.0×2.7×9.8×103

=0.64（MPa）

式中：

α──顶板岩柱相当于采高的倍数，取8。

根据以上计算结果，考虑本井田煤层赋存深度较大、断裂构造发育等特点，综采放顶煤面选用ZFS5200／16／32型支撑掩护式低位放顶煤液压支架，支护强度不低于0.75Mpa。

端头液压支架选用ZT4700/20/40型端头支架，支护强度不低于0.70Mpa。

运输顺槽选用SQJ-150型可伸缩胶带输送机运煤，运量630t/h，轨道顺槽选用SQ-1200/55型顺槽连续牵引车和JD-25型调度绞车担负辅助运输。

三、工作面参数及年产量

1、采高及放高

首采区3煤厚度在5.95m～8.09m之间，平均厚度为7.26m，煤层倾角一般在16~25°，平均在21°，属于结构简单全区可采的较稳定缓倾斜厚煤层，放顶煤开采设计采高为3.0m，采放比控制在1.0～2.0之间。

2、工作面长度

根据兖州矿区综采放顶煤工作面长度研究成果，综放工作面最较适合长度为100m～200m。

鉴于本井田断裂构造发育，工作面的布置受到限制，为使工作面的布置具有较强的灵活性和便于工作面的接替，设计确定工作面长度为60~110m。

3、综放工作面回采率

据调查，兖州矿区综放工作面回采率一般为0.80～0.85，鉴于本矿井地质构造较复杂，本矿井综放面回采率取0.80。

4、工作面产量

根据以上工作面参数，达到设计产量时回采工作面生产能力时，工作面产量计算如下：

A=L×m×l×r×α

式中：

L——工作面年推进度；

m——工作面平均采高，7.26m；

l——工作面长度，100m；

r——3煤层容重，1.39t／m3；

α——工作面回采率，0.80。

当工作面年推进度为500m时，回采工作面年产量为：

A=540×7.26×100×1.39×0.80

=435948t=43.6万t

另外加上约6％的掘进煤，矿井年产量可达46.2万t。

当工作面年推进度为1100m时，回采工作面年产量为：

A=1100×7.26×100×1.39×0.80

=888043t=88.8万t

另外加上约6％的掘进煤，矿井年产量可达94.1万t。

第二节采区布置

一、首采区概况

根据矿井设计生产能力和矿井开拓部署，以一个采区保证矿井生产能力。

1、首采区位置选择

首采区位置的选择宜根据井田开拓部署，选择在储量可靠、开采条件好，并靠近工业场地保护煤柱边界线的块段。

根据矿井开拓部署，将F50断层以东至井田边界之间的块段，扣除断层煤柱、高速公路保护煤柱、工业场地保护煤柱、村庄保护煤柱等保护煤柱，剩余部分作为首采区。

选择该块段作为首采区具有以下优点：

（1）首采块段勘探程度高，储量可靠，全井田勘探中的全部A+B级（1142.6万t）储量，都在本块段；

（2）煤层赋存深度浅，煤层埋藏深度大部分在-650m～-1000m之间，有利于一水平（-870m水平）的开拓开采；

（3）煤层赋存稳定，煤层厚度大，该块段煤层厚度在5.95m～8.09m之间，平均厚度为7.26m，有利于综采工作面开采；

（4）靠近工业场地保护煤柱，可减少初期井巷工程投资和设备投资。

同样，该块段也存在一些明显的不利因素：

（1）断裂构造发育，首采区内对开采影响较大的断层有13条，其中落差大于30m的走向断层有6条，落差大于20m的倾向断层有7条。

另有落差小于10m的断层20条，对开采有一定影响；

（2）煤层倾角大，一般在16～25°，平均在21°，对采煤方法的选择有一定影响。

综上所述，本块段的主要特点时断裂构造发育，这也是对采区开采影响最大的不利因素。

但鉴于本块段埋藏深度浅（本块段埋藏深度大部分在-650m～-1000m之间，而F50断层以西块段煤层的埋藏深度一般在-1100m以下），勘探程度高（全井田全部A+B级储量都在本块段，F50断层以西无A、B级储量），资源可靠，因此选择本块段作为首采区。

二、采区巷道布置

1、影响采区巷道布置的主要因素

（1）首采区内断裂构造发育，断层落差大，倾角缓，走向、倾向断层纵横交错，是影响采区巷道布置的主要因素；

（2）根据井田开拓部署，矿井一水平标高确定为-870m，采区巷道布置受着一因素的制约；

（3）首采区煤层倾角较大，煤层倾角一般在16～25°，平均在21°，不宜采用倾斜长壁开采方法；

（4）地面村庄压煤对采区巷道布置也有一定影响。

2、采区巷道布置方案的选择

根据上述因素，设计对采区巷道布置提出了两个方案，并进行了技术经济比较。

方案一（顺槽沿走向断层布置方案）：

-870m水平轨道大巷和胶带输送机大巷和回风大巷向西南进入采区，沿工业场地保护煤柱和村庄保护煤柱边缘布置采区石门和下山，工作面顺槽大致与走向断层平行布置，轨道顺槽与-870m轨道石门或下山直接相连，胶带输送机顺槽与-870m胶带输送机石门或下山直接搭接。

采区巷道布置平面图见图4-2-1。

方案二（顺槽沿倾向断层布置方案）：

在采区西部边界布置采区轨道上山和胶带输送机上山，其方位大致与F50断层平行；工作面顺槽大致与倾向断层平行布置，轨道顺槽与采区轨道上山相连，胶带输送机顺槽与采区胶带输送机上山相连。

采区巷道布置平面图见图4-2-2。

经技术经济比较，方案一具有以下优点：

（1）工作面走向长度较长，有利于布置综合机械化采煤工作面；

（2）首采面不受地面村庄影响；

（3）有利于采区内后期块段工作面的接替。

当然，方案一也存在一些缺点，采区生产系统比方案二多一个环节，身产系统相对复杂一点。

经综合技术经济比较，确定方案一（顺槽沿走向断层布置方案）作为采区巷道布置推荐方案。

三、采区各系统

1、煤流系统

工作面生产的的煤炭经刮板输送机、转载机和顺槽胶带输送机，直接运到采区胶带输送机下山的输送机上，经采区溜煤眼装载至-870m水平胶带运输机，由上仓胶带输送机巷运至井底煤仓。

详见井下运输系统图C1067-124。

2、辅助运输系统

石门或下山掘进煤和矸石经扒斗装岩机装入矿车，经过中部车场和轨道下山，提升到上部车场或-870m水平石门.，矸石经轨道大巷至井底车场，由副井提升到地面；顺槽掘进煤采用综掘，直接进入煤流系统。

掘进和采煤工作面所需材料和设备，经副井、井底车场、轨道大巷运到采区上部车场，再经轨道下山、中部车场运至各顺槽和工作面。

3、通风系统

新鲜风流由副井经井底车场、轨道大巷、轨道石门、轨道下山、各中部车场和运输顺槽进入工作面。

工作面乏风经轨道顺槽、采区胶带输送机下山、回风斜巷和-870m水平回风大巷，由主井抽至地面排入大气。

4、排水系统

矿井移交时，利用-870m水平轨道石门，和胶带运输机下山（沿煤）布置顺槽，由于胶带运输机下山比-870m水平轨道石门低，回采及掘进工作面涌水通过自流或污水泵排入胶带运输机下山，在胶带运输机下山落平段设小水仓，由水泵排至-870m水平轨道石门，经-870m轨道大巷自流进入井底水仓。

采区开采后期，在-1200m水平设排水系统，由水泵排至-870m水平轨道石门，经-870m轨道大巷自流进入井底水仓。

第三节巷道掘进

一、巷道断面及支护形式

本矿井为新建矿井，煤层埋藏较深（一水平-870m），断裂构造发育，特别是落差较大的断层较多，无实测资料，对支护方式和支护参数确定有一定难度。

在矿井施工过程中，应对围岩松动圈进行实测，根据实测参数，对巷道支护做认真研究，调整支护方式和支护参数。

并采用工程类比法，借鉴临近类似矿井，特别是临近的古城、唐口、葛亭矿井的支护方式和支护参数，以合理确定本矿井的支护方式和支护参数。

1、主要巷道

矿井井底车场巷道、大巷及采区各主要巷道断面设计满足运输设备、通风、行人、管线布置等的要求。

一般均采用半圆拱断面，根据邻近兖州、济宁等矿区巷道支护的成功经验，主要采用锚喷支护。

由于构造影响，井下巷道一般存在穿越不同岩层的情况，因此巷道围岩岩性较复杂，应按照实际情况采用不同的支护组合，根据邻近矿区经验，一般在砂岩类硬岩段采用锚喷支护；泥岩类软岩段采用锚网喷支护，以增强软岩表面的强度和整体性。

若巷道变形严重，可研究采用开卸压槽或喷射钢纤维混凝土等方式。

2、工作面顺槽支护

工作面上、下顺槽支护方式，目前在邻近矿区较成功和应用较多的有两种支护方式，即刚性梯形棚支护和近期发展起来的锚梁网支护。

结合本矿井具体条件，推荐顺槽支护采用锚梁网支护。

根据巷道用途、围岩性质、服务年限等经计算选择主要巷道支护参数见表4-3-1。

3、大硐室支护

本矿井大硐室主要有：

副井井筒与井底车场连接处、胶带输送机机头硐室、箕斗装载硐室、主排水泵房硐室、主变电硐室等。

根据精查地质勘探资料，设计尽量使上述大硐室位于稳定围岩中，以有利于硐室支护。

大硐室永久支护一般采用钢筋混凝土碹、锚喷支护或锚喷—混凝土碹联合支护。

硐室支护参数应根据硐室尺寸、围岩情况，在施工图设计时计算确定。

表4-3-1主要巷道断面特征表

顺序

巷道名称

断面形式

断面（m2）

支护方式

支护厚度（mm）

支护参数（mm）

净

掘进

类型

φ×L

间排距

1

井底车场（双轨）

半圆拱

16.7

19.0

锚（网）喷

120

树脂

20x2000

800

2

井底车场（单轨）

半圆拱

9.1

10.6

锚（网）喷

100

树脂

20x1800

800

3

轨道大巷（石门）

半圆拱

14.1

16.2

锚（网）喷

120

树脂

20x2000

800

4

运输机大巷

半圆拱

12.2

13.8

锚（网）喷

120

树脂

20x2000

800

5

回风大巷

半圆拱

11.3

12.2

锚（网）喷

120

树脂

20x2000

800

6

胶带输送机下山

半圆拱

12.2

13.8

锚（网）喷

120

树脂

20x1800

800

7

运输顺槽

矩形

12.0

12.0

锚（梁）网

树脂

20x1800

800

8

轨道顺槽

矩形

10.8

10.8

锚（梁）网

树脂

20x1800

800

4、交岔点支护

巷道交岔点断面较大，根据交岔点所处层位，可采取不同的支护方式，根据邻近矿区成功经验，处于坚硬砂岩中的交岔点一般采用锚喷支护。

处于较软岩层中的交岔点一般采用锚网喷、锚索网喷或锚注联合支护。

支护参数应根据交岔点尺寸、围岩情况在施工图设计时计算确定。

二、掘进工作面配备及装备

根据工作面及采区接替安排，本矿井达到设计生产能力时配备4个掘进工作面，采掘比1∶4。

其中煤巷综掘工作面1个，煤岩混合普通钻爆法掘进工作面3个。

煤巷综掘工作面配备煤巷掘进机、可伸缩胶带输送机、掘进转载机等设备；煤岩混合普通钻爆法掘进工作面配备气腿凿岩机、耙斗装岩机、锚杆打眼安装机等。

三、巷道掘进进度指标

岩石平巷：

100~120m/月；

岩石斜巷：

70m/月～80m/月；

煤层上山：

150m/月；

煤层顺槽：

200m/月；

一般硐室：

800m3/月；

特殊硐室：

600m3/月。

四、达到设计产量时井巷工程量

矿井达到设计产量时，矿井总工程量为9853.7m。

其中煤巷3350.0m，岩巷6303.7m。

煤巷占总工程量34％。

详见表4-3-2。

表4-3-2井巷工程量汇总表

序号

项目名称

长度

（m）

掘进体积

（m3）

1

井筒

1885.0

62861.0

2

井底车场及硐室

1487.9

22445.7

3

主要运输巷道

2158.9

29492.0

4

采区

3450.0

39544.5

5

供电系统

66.5

891.4

6

排水系统

605.4

7134.2

7

合计

8

按煤岩别分

煤巷

3350.0

40836.0

岩巷

6303.7

121532.8

合计

9

临时工程

200.0

2000.0

10

全矿井合计

9853.7

164368.8