采矿课程设计指导书2版.docx
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采矿课程设计指导书2版
采矿课程设计
指导书
(安全工程专业)
河南理工大学
二〇一〇年十二月三十日
第一章井田地质特征、矿井储量及年产量
井田地质特征及矿井储量是采矿课程设计的基础资料。
编写本章说明书时,应扣紧指导教师拟定的设计题目,按课程设计大纲的要求进行,应尽量用图表说明问题。
第一节井田地质特征
叙述清楚煤层埋藏条件如煤层层数、煤层名称、倾角、厚度、层间距;煤的容重、硬度、煤层结构;顶底板岩性、表土厚度及性质、风化带深度等。
并将煤层及顶底岩性特征列入表1-1。
说明井田内的主要地质构造如断层性质和要素、褶曲分布形态。
说明矿井最大涌水量、正常涌水量。
矿井相对瓦斯涌出量。
煤尘爆炸性、煤的自燃性等。
表1-1煤层及顶底岩性特征(说明书中附)
序
号
煤层
名称
倾角
(0°)
煤层
平均
厚度
(m)
层间
距
(m)
容重
(t/m2)
硬度
(f)
煤层
生产率
(t/m2)
围岩
性质
备
注
顶板
底板
1
2
3
第二节井田范围及储量
一、井田范围
课程设计说明书中应明确说明设计的井田范围、井田走向长度、倾斜长度、井田内煤层面积,井田面积(km2)。
并把确定的井田范围标注在主采煤层(或指导教师指定的煤层)的开拓方式平面、剖面示意图(插图)上。
应注意煤层面积、井田面积的区别。
井田煤层面积是井田走向长度与倾斜长度的乘积,井田面积是井田走向长度与倾向长度(即倾斜长度的水平投影)的乘积。
二、矿井储量
井田范围内煤炭储量是进行矿井设计的基本依据。
在具体设计之前必须把储量计算清楚。
矿井工业储量计算可采用地质块段法和等高线法,有关知识可参考《煤矿地质学》、《矿山测量》等教材。
矿井工业储量是勘探(精查)地质报告提供的“能利用储量”中的A、B、C三级储量。
矿井设计储量是矿井工业储量减去设计计算的断层煤柱、防水煤柱、井田境界煤柱和已有的地面建筑物、构筑物需要留设的保护煤柱等永久性煤柱损失后的储量。
矿井设计可采储量是矿井设计储量减去工业场地保护煤柱、矿井井下主要巷道及上、下山保护煤柱煤量后乘以采区采出率的储量。
上述各种煤柱计算可参照《矿山测量》、《采矿学》的有关章节内容,用图解法求得。
井田境界煤柱,在设计井田一侧可按20~30m宽度留设,断层两侧煤柱可按30~50m留设。
计算工业场地压煤时,其场地占地面积可参考表1-3。
工业场地一般布置成长方形,其长边垂直于走向。
因工业场地、矿井井下主要巷道等煤柱损失与井田开拓方式、采煤方法有关,其煤柱损失量待第三章井田开拓、第四章采煤方法确定后才能确定。
为便于利用矿井可采储量初步确定矿井设计生产能力,上述永久煤柱损失与工业场地、井下主要巷道煤柱损失等可暂按工业储量的5~7%计入,初步估算矿井设计可采储量。
但此计算过程不列入设计说明书中,待后续有关设计确定后,再对上述各种损失进行修正,并按表1-2的格式正式填入矿井可采储量汇总表,统计出矿井设计可采储量。
表1-2矿井可采储量计算表(说明书中附)
煤层
名称
工业
储量
(Mt)
永久煤柱损失(Mt)
工广
主巷
煤柱
采煤方法损失
矿井设计储量(Mt)
矿井设计可采储量(Mt)
断层
井田境界
其它
合计
合计
表1-3矿井工业场地占地面积指标
序号
井型
设计生产能力(Mt/a)
占地面积指标(公倾/Mt)
1
大型
2.403.00
7~8
2
1.201.501.80
9~10
3
中型
0.450.600.90
12~13
4
小型
0.090.150.210.30
15
注:
占地面积指标中小井取大值、大井取小值。
确定井型时,不应出现介于两种生产能力之间的中间井型。
第三节矿井年产量及服务年限
一、矿井工作制度
“技术政策”第14条规定:
“矿井设计能力按年工作日330d,每天提升14h”计算。
每天3班作业,每班工作8小时。
综采工作面可采用每日4班作业,每班工作6小时。
二、矿井年产量及服务年限
课程设计一般为新建井,分析确定矿井设计生产能力和设计服务年限时,可先试取1个矿井设计生产能力(比如0.90Mt/a),然后按下式计算矿井服务年限:
式中:
T——矿井设计服务年限,a;
ZK——矿井设计可采储量,Mt;
A——矿井设计生产能力,Mt/a;
K——储量备用系数,K=1.3~1.5。
计算出的矿井设计服务年限必须符合表1-4中规定的服务年限。
如小于规定服务年限,则必须调整矿井设计生产能力。
对缺煤地区,其服务年限可适当缩短(见《技术政策》14条)。
应注意上式计算矿井服务年限所采用的矿井设计可采储量是本章第二节的初算储量,故当利用后续章节所确定的准确煤柱损失量后,必须用修正后的矿井设计可采储量对矿井服务年限进行复核,仅需将复核后的矿井设计生产能力和服务年限的计算过程编入设计说明书中。
上述试算、调整和修正过程不列入设计说明书。
表1-4矿井井型和服务年限
井型
矿井设计生产能力(Mt/a)
新矿井服务年限(a)
改扩建后矿井服务年限(a)
大型
3.00~5.00
70
50
1.20~2.40
60
40
中型
0.45~0.90
50
30
小型
0.30及以下
由各省煤炭厅(局)自定
同左
第二章井田开拓
第一节井田内划分
一、保证年产量的工作面长度和个数,区段斜长和区段数目
1、确定达到设计产量时工作面总线长:
式中:
——采煤工作面总线长,m;
——矿井设计年产量,t/a;
——回采出煤率,可取0.9;
——同采煤层总厚度,m;
——煤层容重,t/m3;
——工作面采出率,薄煤层97%、中厚煤层95%、厚煤层93%;
——年推进度,
其中:
330——矿井年工作日,天;
——日循环数,个;
——循环进度,m;
——正规循环系数,
=0.8~1。
计算年推进度
值应符合《设计规范》第6.2.2条及6.2.3条规定,即采煤工作面年推进度,应按所选采煤设备的技术性能、采煤循环图表计算。
但厚度大于3.2m一次采全高的煤层及厚度小于1.4m的薄煤层的综合机械化采煤工作面年推进度不应小于1000m,煤层厚度1.4~3.2m的综合机械化采煤工作面年推进度不应小于1200m,普通机械化工作面不应小于700m。
2、确定同采工作面个数
式中:
——同采工作面数,个;
——工作面总线长,m;
——同采煤层数(或分层数);
——回采工作面长度,m,第三章述之。
3、采区工作面配置
采区内同采工作面数目应根据煤层赋存特征,所确定的回采工艺等确定,同时应以符合合理的开采顺序,保证安全生产提高工作面单产为原则。
采区内同时生产的综采工作面宜为一个面,不应超过两个面,普采工作面宜为两个面,不应超过三个面。
4、矿井年产量的验算
根据所配置同采工作面的具体条件,验算投产初期矿井年产量,验算公式如下:
式中:
——矿井同采工作面产量总和,万t;
——第i号工作面采高,m;
——第i号工作面长,m;
——第i号工作面年推进度,m/a;
——第i号工作面煤的容重,t/m3;
——同采工作面数;
Ki——第i号工作面采出率,薄煤层97%、中厚煤层95%、厚煤层93%;
计算结果
加上全矿井掘进煤之和应大于矿井设计产量A,但不宜超过1.15A。
5、区段斜长及区段数目
采用走向长壁采煤法的采区,应先对区段平巷布置方式进行论证,条件允许时,应优先考虑采用无煤柱护巷。
有煤柱护巷时,区段斜长等于回采工作面长度加区段平巷和护巷煤柱的宽度。
根据《设计规范》有关规定,回采工作面长度可参考表2-1。
表2-1工作面长度参考表
回采工艺类型
工作面长度(m)
综合机械化采煤
不宜小于160
普通机械化采煤
薄煤层不小于120,中厚煤层不小于140
炮采工艺
100~120
为了保护采区内各种煤层巷道处于良好状态,目前比较常用的是留设一定尺寸的煤柱。
煤柱尺寸主要根据实际经验来确定。
对于缓斜煤层,可参考表2-2的尺寸留设。
表2-2采区煤层巷道护巷煤柱尺寸
巷道类别
薄及中厚煤层
巷道一侧(m)
厚煤层巷道
一侧(m)
备注
水平大巷
20~30
25~50
主要回风巷
20左右
20~30
采区上(下)山
20左右
30~40
区段平巷
8~20
15~20
采区边界
5~10
5~10
较大断层
10~50
10~50
视断层落差情况而定
区段斜长确定后,根据下面设计确定的采区斜长,减去采区范围内应留设的其它倾斜方向的煤柱后,除以区段斜长,即得到区段数目。
如为整数,可按此整数划分区段,如得到的区段数不是整数,则应在合理的工作面长度范围内对工作面长度加以调整,或调整相关的其它方面的参数,使其区段数为一整数。
多煤层的联合布置采区,区段划分以主要煤层为准,兼顾其它煤层。
当采区范围内煤层倾斜方向有较大变化或遇到落差较大的断层时,区段划分,应考虑以这种自然变化为界,以利于工作面生产。
二、井田内划分
根据煤层赋存特征、井田内划分一般根据以下原则:
1、井田划分阶段时,阶段要有合理的斜长,以利于运输、通风、巷道维护等。
上山采用输送机时,辅助提升一般采用一段单钩串车提升,绞车滚筒直径一般不大于1.6m,根据绞车的缠绳量、阶段斜长一般不超过800m,对煤层赋存条件好、生产能力较大的采用滚筒直径2.0m绞车,有效提升距离可达900余米。
根据以上分析,阶段垂高一般可按下列范围确定:
缓斜、倾斜阶段垂高为150~250m,急斜煤层100~150m,倾角16°及以下煤层、瓦斯含量低、涌水量小时,应采用上、下山开采相结合的方式。
阶段内采区划分一般应考虑沿走向有无大的地质构造变化,如断层、无煤带、倾角变化较大等,若有可利用这些地质变化带作为采区边界。
在无地质条件限制时,采区划分应综合考虑技术经济的合理性,确定最优方案。
在课程设计中,采区走向长度可参照下列数值确定:
综采工作面单翼布置时,走向长度一般不小于1000m,双翼布置时一般不小于2000m;高档普采的双翼采区,其走向长度一般为1000~1500m;炮采工作面,双翼采区走向长度一般为800~1000m。
对于顶底板松软巷道难以维护,地质构造复杂或自然发火期短的煤层,以及装备水平低的小型矿井,采区走向长度适当缩短。
具体划分时,应该使矿井初期开采的采区,尽量布置在井筒附近,应优先考虑布置中央采区的可能性。
采用胶带输送机斜井开拓时,初期中央采区上山可利用主、副斜井,以减少井巷工程量;采区一般宜双翼布置。
当受地质构造限制,或在安全上有特殊要求时,也可布置单翼采区。
采区内要有合理的区段数目,以保证采区正常生产和工作面接替。
在我国目前技术条件下,缓斜煤层可按3~5个选取,倾斜和急斜煤层不少于2~3个。
2、煤层倾角小于12°,采用倾斜长壁时,条带斜长上山部分一般为1000~1500m,下山部分一般为700~1000m。
也可参考实习矿井实际采用的尺寸。
3、煤层倾角在8°~10°以下的近水平煤层,宜采用盘区开采。
如果煤层层数不多,间距较近,可以用一个开采水平开采所有煤层,盘区上山的长度一般不超过1500m,盘区下山的长度不宜超过1000m。
如果煤层数目多,上下煤层间距又较大,此时开采水平的位置决定着盘区的倾斜尺寸。
三、开采水平数目及位置
开采水平的数目、位置,应根据煤层赋存条件、阶段的划分、生产技术水平和水平接替等因素综合考虑。
一般应注意以下几点:
1、要保证第一水平有足够的服务年限,其服务年限不应小于表2-3的规定。
表2-3第一开采水平设计服务年限
井型
Mt/a
第一开采水平设计服务年限(a)
缓斜煤层
倾斜煤层
急斜煤层
3.0~5.0
35
_____
_____
1.2~2.4
30
25
20
0.45~0.9
25
20
15
0.3
1.5
_____
_____
2、在开采水平以上的上山斜长过大,用一个阶段开采技术上有困难、安全上不可靠,或由于地质构造和煤层产状变化而使井田局部区域用某一个开采水平开采有困难时,可考虑设计辅助水平;
3、为解决下山采区排水、通风和辅助提升,对某些涌水量大或阶段斜长较长的下山采区,亦可考虑设置辅助水平。
第二节开拓方案的选定
一、井硐形式、数目及其配置
应根据煤层赋存条件、地形、水文地质、冲积层组成和厚度、井型、设备供应、施工条件等因素来考虑。
1、井硐型式的选择
如煤层赋存于较高的山岭、丘陵和沟谷地区,上山部分煤的储量大致满足同类井型的水平服务年限要求时,应优先考虑采用平硐开拓。
当平硐以上煤层垂高或斜长过大时,可采用阶梯式平硐开拓;一般应优先考虑垂直走向或斜交平硐开拓;当受地形条件限制时,也可采用走向平硐开拓,但要注意单翼生产的特点,适当确定井型。
对于赋存较浅、表土不厚、水文地质情况简单、井筒不需要特殊施工的缓斜和倾斜煤层,一般可采用斜井开拓方式。
采用不同提升方式的斜井,其井筒倾角一般规定如下:
串车提升时,井筒倾角不大于25°;箕斗提升时为25~30°。
但斜井垂高不超过300m,胶带输送机提升时,则不大于16°。
立井开拓的适用条件较广,当不受地形条件限制时,大多可以采用。
尤其是在埋藏较深、表土层厚、水文地质条件比较复杂、井筒需要特殊凿井法施工时,一般均采用立井开拓。
多水平开拓的急斜煤层,也常用立井开拓。
根据井田特点,结合地面布置,当采用单一井硐形式不能满足通风、安全、辅助提升等不同需要,或者在技术经济上不合理时,也可采用综合开拓方式。
2、井筒数目
采用斜井或立井开拓时,一般只开凿一对提升井筒(主、副井)。
在技术经济上合理时,也可开凿两个以上的提升井筒。
风井的个数应根据安全生产、通风要求和一井多用的原则合理确定。
当利用箕斗提升井或装有胶带输送机的井筒兼作风井使用时,必须符合《煤矿安全规程》(以下简称《规程》)第110条的规定。
确定井筒数目,还必须符合《规程》第18条关于安全出口规定。
3、井筒位置的选择
应首先满足第一水平的开采、缩短贯通距离,减少井巷工程量。
在一般情况下,井筒位置应选择在井田中央或最小货载运点上,但遇下列情况,可视具体条件而定。
①井田附近有较大的村镇,应使广场煤柱与村镇煤柱合二为一,要避免首采区迁村;
②工业场地布置应尽量不压或少压煤,尤其不压好煤,以便为首采区创造较好的开采条件;
③应避免工业场地处于高山、洼地和受洪水威胁处;
④井筒和井底车场运输巷道尽量不穿过断层破碎带和少穿过松散岩层。
风井布置应根据选定的通风系统合理确定。
一般根据以下原则:
①采用中央并列式通风系统时,在设计中必须规定井田境界附近的安全出口,当矿井发生灾害,井田一翼走向长度不能保证人员安全撤出时,必须形成井田境界附近的安全出口;
②采用对角式通风系统时,风井设在井田两翼的上部边界;
③采用中央分列式通风系统时,主、副井设在井田中央,风井设在井田上部边界的中央;
④采用分区式通风系统时,回风井设在各采区的上部边界,条件适合时,也可利用各采区上山直透地面作为回风井。
确定风井数目及其配置时,应因地制宜,灵活运用。
例如,在浅部开采,表土层不厚,开凿小风井不困难时,开采第一水平时可采用分区通风。
开采第二水平时再改为其它通风系统。
又如井田走向长度大的矿井,初期可采用中央式通风系统,以后随着开采的发展,再开凿两翼风井,逐步过渡到对角式通风系统。
二、运输大巷和总回风巷的布置及与煤层间的联系方式
1、运输大巷的布置与煤层间的联系:
确定运输大巷的布置及其煤层联系时,一般应遵循下列原则:
①开采煤层群时,根据煤层数目、煤层间距,可以采用分层运输大巷主要石门的布置方式;集中运输大巷采区石门的布置方式或分组集中运输大巷主要石门的布置方式。
根据某些矿区的实际经验,煤层间距小于50米时,一般可采用集中运输大巷的布置方式,要用分组集中运输大巷布置方式时,分组间距一般应大于70m。
这些经验仅作参考。
②有些煤层的层间距离较大,但煤层受断层切割,或者赋存状态不稳定,只有局部地段可采,是且储量较小,不宜单独布置运输大巷,可根据具体情况与其它邻近煤层划为一组布置大巷。
对瓦斯量很大或有突然涌水危险的煤层,在技术和安全上必要时,可考虑分别划成煤组单独布置大巷;
③主要运输大巷一般应布置在煤组底板岩石中,但在下列情况下,也可考虑布置在煤层中;(a)距其它煤层很远,储量有限的单个薄及中厚煤层;(b)煤组或煤系底部有距离很近的强含水层和富水溶洞,特别是较大的承压水时应慎重;(c)井田走向长度短,运输大巷服务年限不长,而煤层厚度不大,大巷维护不困难时;(d)煤组或煤系底部有煤质坚硬,围岩稳定,无自然发火危险的薄及中厚煤层,经过技术经济比较比布置岩巷有利时。
④岩石运输大巷应布置在坚硬、稳定、厚度较大的岩层中,如砂岩、石灰岩和砂质页岩等。
避免在松软、吸水膨胀、易风化的岩层中布置。
运输大巷应距煤层有一定距离,以避开支承压力的不利影响,这个距离一般与煤层10~30m,对急斜煤层,为避免底板移动影响,一般应布置在底板移动范围以外10~20m的地方。
⑤在个别情况下,煤层底部岩层水文条件复杂,煤组内煤岩均较松软,维护困难,也可将运输大巷布置在煤层顶板岩层中,此时,必须根据开采后岩层垮落范围,留设护巷安全煤柱。
2、总回风巷的布置及其与煤层的联系
当矿井通风系统要求设置总回风巷时,其布置原则同运输大巷基本相同。
当井田上部边界标高不一致时,总回风巷可按不同标高分段设置,但分段不宜过多。
当井田上部冲积层厚、含水丰富,留有防水煤柱时,总回风巷可以布置在防水煤柱内。
煤层群分组:
为了合理开发煤炭,多煤层开采时,应首先考虑煤层群分组。
煤组一般根据以下原则划分:
(1)将层间距近的煤层划分为一组,但要注意各煤层的倾角、厚度、顶底板岩性的一致性,以及地质构造方面的情况,以利于开采;
(2)对不同煤种和煤质,根据国家需要和用户要求,可考虑分别划组,以便分采分运,保证煤质;
(3)对有突然涌水危险的煤层或层间距离大的单个煤层,可以考虑单独布置;
(4)对瓦斯涌出量很大,有煤及瓦斯突出危险的煤层,应划分为一组联合布置巷道,以便采取开采解放层的措施。
三、井底车场形式选择
井底车场是井田开拓的重要内容之一。
它与井型、大巷位置、井筒及位置等有密切关系。
进行井底车场形式选择时,需要明确下列问题:
1、大巷运输设备的型号及外型尺寸;
2、主、副井空、重车线与大巷的相对位置;
3、矿井提升方式及提升容器在井筒中的布置;
4、矿井矸石量;
5、规范、规程中有关井底车场的规定。
选择井底车场形式时,参考下列几点:
1、对于开采缓斜和倾斜煤层的立井和穿岩斜井,当井筒距运输大巷较近(如40~60m)可采用卧式环行车场或梭式车场;井筒距大巷较远时(如大于120m)可采用立式环形车场或尽头式车场;井筒距大巷适中,井筒出车方向与大巷斜交,且距离不太远时,可选用斜式环行车场;开采急斜煤层,可采用刀式环行车场或尽头式车场。
对多水平开拓的矿井,主、副井的相对位置、提升方位角、井下出车方向等是固定的,各水平的井底车场要适合这些共同要求;
2、井底车场的形式应与矿井井型相适应。
大、中型矿井可采用环行式或折返式车场。
年产1.2Mt以上的矿井可采用增设主井复线的环行式车场。
大巷用底卸式矿车运煤时,一般应采用折返式车场。
大巷用皮带运输机运输时,可采用环行或折返式车场,小型矿井,按距井筒的远近,可采用刀式环行车场、尽头式或梭式车场;
3、选择井底车场的形式还应考虑地面出车方向的限制,为此有时要求采用斜式环行车场;如果井下需风量较大,要求增加巷道断面,可采用立式环行车场或大断面的折返式车场。
根据设计矿井地质条件,井型大小、井筒和运输大巷的位置关系等,再参考上述原则,参考《标准井底车场图册》、《煤矿矿井采矿设计手册》等资料,绘制或选取井底车场形式。
四、提出技术可行方案
根据上述所提出的水平数目、阶段内布置,井筒型式等,提出2~3个可行的开拓方案。
对所提出的方案,必须充分考虑其提升、运输、通风、排水等各主要生产系统以及所采用的设备。
绘制开拓方式平、剖面示意图(插图),并对方案的主要内容进行简要说明(说明书附各开拓方案插图,图中标明井筒位置、深度、开拓巷道、通风系统等),并进行简单的经济技术比较,最终选择最优的方案。
第三节开采顺序
一、开采顺序
在井田范围内,采区的开采顺序一般采用前进式,即从井田中央开始,向井田两翼推进的方式。
如果采用上、下山开采时,上山阶段采用前进式,下山阶段可采用后退式。
水平间的开采顺序,采用下行式即先采一水平,然后依次开采二水平、三水平。
阶段间的开采顺序亦是如此。
煤层组与组间的开采顺序,原则上采用下行式,即先采上煤组,然后依次开采下组煤层。
但如果煤组间距离较远,上、下煤组不受采动影响时,也可以先开采下煤组。
至于采区范围的煤层和区段的开采顺序,一般也是下行式开采,即先采上层煤及上区段,然后依次开采下煤层及下区段,但在特殊情况下,也可考虑上行式的开采顺序,如近水平煤层,就可先布置盘区的下区段先采;缓倾斜煤层,顶板淋水较大时,为了减少水对开采的影响,也可采用上行式。
说明投产采区的数目、位置。
并验算矿井生产能力。
二、保证年产量的同采采区数和工作面数
1、保证年产量的同采采区数和工作面数
采区的生产能力应根据地质条件、煤层生产能力、机械化程度和采区内工作面接替关系等因素确定,当采用综合机械化采煤时,采区生产能力一般为0.6~1.0Mt/a,采用普机采时,采区生产能力一般为0.4~0.8Mt/a,爆破落煤时,采区生产能力一般为0.2~0.6Mt/a。
各类矿井正常生产的采区个数一般按表2-4规定。
表2-4矿井同时生产的采区个数
矿井设计生产能力(Mt/a)
采区个数(个)
2.4、3.0
3~4
1.5、1.8
2~3
1.2及以下
1~2
本节附矿井开拓方式平面、剖面图(插图)。
第三章采煤方法
本章设计的主要内容是:
选择采煤方法,确定合理的采煤系统,即采区巷道布置和生产系统、进行回采工艺设计。
本章设计时,只需对一个主要煤层和一个投产采区(或指导教师指定的煤层和采区)作详细设计,而对矿井的其它煤层和采区,只作简要说明。
第一节选择确定采煤方法
根据煤层赋存条件,矿井年生产能力,并结合我国当前技术水平和装备情况,分析确定指定煤层的采煤方法。
为了选择合理的采煤方法,必须详细研究煤层的赋存条件和地质特征,并参考实习矿井或矿区实际使用经验。
在此基础上,可参照下列各点选择采煤方法:
1、对缓斜、倾斜、薄及中厚煤层,一般使用单一走向长壁采煤法,倾角小于12°时,可考虑采用倾斜长壁采煤法的可能性。
采用走向长壁采煤法,一般采用全部冒落法处理采空区。
但直接顶为坚硬难冒落的岩层,或受其它条件限制时,可以考虑采用充填法或刀柱法处理采空区。
2、对煤层赋存稳定、顶底板条件较好的中厚煤层,大型矿井一般采用综合机
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