第04章 井下开采.docx
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第04章井下开采
第四章井下开采
第一节采区布置
一、首采区特征
(一)首采区数目和位置
根据井田的煤层赋存特征、构造分布及开拓布置,首采区确定为+950m水平以上区域的11采区,初期在11采区的3煤布置一个综采工作面。
(二)首采区地质特征
1、采区尺寸
矿井初期投产的11采区为一不规则多边形,采区东侧以金家渠子西侧断层为界,西侧以井田边界为界,浅部以煤层露头为界,深部大体以+950m水平为界,采区走向长约3.3km,倾向宽约0.9km。
2、构造特征
11采区总体为一向北西倾斜的近似单斜构造,采区范围内褶曲构造主要是井田西南的汪水塘向斜,采区范围内断层多分布在采区边界附近,主要有:
DF5、3DF1、3DF3、3DF4、3DF5、3DF6和金家渠子西侧断层,其中落差较大、延展长度较长、对开采影响较大的断层主要有采区东部边界附近的金家渠子西侧断层和采区西部边界附近的DF5断层,其他断层落差较小、延展长度较短,对开采影响相对较小。
3、煤层赋存特征
11采区内可采煤层10层(1、3、3下、4上、4、5、10、12、18上和18煤层),其中3、4、5、10、12、18上和18煤层为主要可采煤层。
各煤层露头位于井田东南侧,向西北方向煤层埋深逐渐加深。
4、水文地质条件
井田水文地质勘探类型为二类一型,即以裂隙充水含水层为主的水文地质条件简单矿床。
井田含水层包括第四系孔隙松散层潜水、直罗组砂岩、延安组砂岩孔隙裂隙承压水;直罗组砂岩、延安组砂岩孔隙裂隙承压水为煤层的直接充水含水层;其中直罗组下段砂岩含水层对煤层开采影响较大。
5、其他开采技术条件
井田各煤层顶板岩性多为粉砂岩、少量细粒砂岩、中粒砂岩及泥岩,岩石易风化,抗水浸能力中等,强度低,为不稳定岩体,属易冒落的稳定性差~稳定性中等顶板。
底板岩性以粉砂岩为主,岩石强度较低,抗水、抗风化和抗冻能力差,易软化,岩石坚固性差,属较软类底板。
煤层顶底板岩性较差,给施工带来一定的困难。
井田各可采煤层瓦斯含量低,为低瓦斯矿井,煤层易自燃,煤尘有爆炸危险性;3煤层存在小范围的一级热害区,10、18煤层在井田深部存在一级和二级热害区。
二、采区巷道布置
(一)煤层分组和开采顺序
本井田可采煤层10层(1、3、3下、4上、4、5、10、12、18上和18),其中3、4、5、10、12、18上和18煤层为主要可采煤层,其层间距和可采储量分布情况见表4-1-1。
表4-1-1 主要可采煤层层间距及可采储量一览表
煤层编号
可采厚度(m)
煤层间距(m)
可采储量
备注
可采储量(Mt)
占矿井比例(%)
1
0.83~2.66
1.62
74.73-102.94
87.72
5.43
5.46%
大部分可采
3
1.54~5.02
2.42
20.43
20.56%
全区可采
2.82~10.84
6.82
3下
0.81~2.25
1.14
1.06
1.06%
局部可采
12.30~38.06
30.48
4上
0.80~1.10
0.89
2.09
2.10%
局部可采
2.24~19.08
9.91
4
1.28~2.49
2.09
12.89
12.97%
全区可采
5.49~19.12
11.60
5
0.94~2.09
1.50
9.71
9.77%
全区可采
41.98~110.97
77.70
10
1.40~2.89
2.11
15.14
15.24%
全区可采
20.77~42.76
31.79
12
0.85~2.03
1.39
8.58
8.64%
大部分可采
92.23-160.75
122.07
18上
1.46~2.41
1.75
13.20
13.28%
全区可采
10.52~20.37
15.24
18
0.93~2.39
1.40
10.85
10.92%
全区可采
从表4-1-1可以看出,层间距较大的为5煤与10煤之间,12煤与18上煤之间;3煤(首采面布置煤层)、4煤、5煤可采储量之和占全井田的43%,10煤、12煤可采储量之和占24%左右,18上煤、18煤可采储量之和占24%左右。
设计根据各煤层间距考虑了3个煤层分组方案:
方案一:
一个煤组
井田内各煤层按一个煤组开采,每个中车场设一组石门(每组3条:
运输、辅运和回风)与各煤层联系,本井田初期开采的11采区供需设4组石门,石门总长度约10248m。
方案二:
两个煤组,10、12煤划归下组煤
本方案将井田内各煤层分2个煤组开采:
1、3、3下、4上、4、5煤为上组煤;10、12、18上、18为下组煤。
上下煤组各设一组上山,初期主、副、风3个斜井井筒兼作上组煤上山,后期在下组煤布置一组上山。
在+950m水平设运输石门和轨道石门分别于主、副斜井联系,在+1200m水平设回风石门与回风斜井联系。
每个中车场各设一组石门:
运输石门、轨道石门和回风石门,分别与运输上山、轨道上山和回风上山联系。
方案三:
两个煤组,10、12煤划归上组煤
本方案与方案二一样,将各煤层分2个煤组开采:
1、3、3下、4上、4、5、10、12煤为上组煤;下组煤只含18上和18两个煤层。
上下煤组各设一组上山,初期主、副、风3个斜井井筒兼作上组煤上山,后期在下组煤布置一组上山,通过石门分别与主、副、风3个井筒联系,各中车场设石门连接相应顺槽和上山。
本方案与方案二相近,但减少了每个中车场石门的长度。
上述三个方案中,方案一通过在每个中车场设置相应石门对下部煤层进行回采,省去了上山,虽然石门工程量较大,但省去了上山,总的工程量最省;方案二在下组煤布置一组上山对下组煤进行回采,但由于下组煤的12煤与18上煤层之间间距较大,石门工程量依然较大,总工程量最多;方案三与方案二相同,也是在下组煤增加一组上山进行回采,但方案三将距离较远的10煤和12煤划归上组煤,从而减少了石门工程量,因而总工程量也较省。
三个煤层分组方案比较见表4-1-2。
表4-1-2煤层分组方案比较
项目
单位
方案一
方案二
方案三
备注
石门
运输石门
m
2370
2238
2144
轨道石门
m
3216
1978
2547
回风石门
m
2503
2111
1246
小计
m
8089
6327
5937
上山
运输上山
m
908
908
轨道上山
m
908
731
回风上山
m
908
779
小计
m
2724
2418
合计
m
8089
9051
8355
通过比较,方案一工程量最省,且后期运输环节少,煤层接替较方便,综合考虑,设计暂推荐方案一,即设一个煤组开采各煤层。
(二)采区巷道布置
1、采区上山布置
根据矿井开拓布置,设计主斜井、副斜井、回风斜井分别兼作11采区的胶带输送机上山、轨道上山和回风上山。
2、工作面顺槽布置
根据采区巷道布置,结合瓦斯、通风及运输等要求,经综合分析并兼顾矿井建设期间的实际情况,每个工作面布置两条巷道,回风顺槽一条,运输顺槽一条,下一区段工作面顺槽布置采用沿空掘巷的布置方式。
11采区巷道布置平、剖面图见附图C1702-163-1、2。
(三)回采工作面布置
矿井初期在11采区3煤层布置1个综采工作面,首采工作面位于11采区南翼的110301工作面。
三、采区车场及硐室
设计在11采区每个区段设有中车场,中车场均为甩车场,连接副斜井井筒与工作面顺槽,满足车辆调转需要。
工作面运输顺槽来煤通过区段煤仓转载至主斜井带式输送机,每个中车场均设有通风联络巷与回风斜井联系,满足工作面通风要求。
根据井田开拓布置,矿井3个斜井井筒兼作11采区的3条上山,因此,矿井+950m水平井底车场兼作11采区下部车场。
采区内的硐室主要有顺槽带式输送机机头硐室、采区变电所和转载煤仓等硐室。
第二节采煤方法及工艺
一、采煤方法与采煤工艺
(一)采煤方法
本矿井各煤层倾角大部分在15~25°之间,不具备倾斜长壁开采的条件,设计采用走向长壁采煤方法。
(二)采煤工艺的选择
井田内可采煤层10层(1、3、3下、4上、4、5、10、12、18上和18煤层),首采区内厚度较大的有3煤、4煤和10煤,厚度一般为1.6~2.8m,其中3煤厚度为1.64m~2.62m;其他煤层厚度一般为0.8~2.0m。
煤层赋存相对稳定,结构简单。
根据煤层赋存情况,考虑安全、高效、低成本、高回收率,设计确定采用综合机械化开采工艺。
根据对本矿井各煤层厚度进行分析,其主要可采厚度主要可分为两类,一类为2.0~3.0m,以3煤为代表;另一类为0.8~2.0m,以5煤为代表。
设计主要以3煤、5煤为例分别对其采煤工艺进行选择。
1、5煤
根据对地质资料的分析,5煤层平均可采厚度为1.50m,煤层厚度较稳定。
根据国内、外薄煤层开采技术发展现状,对于5煤等较薄的中厚煤层,可供选择的采煤工艺(综采)主要有:
薄煤层滚筒采煤机综采、薄煤层刨煤机综采、薄煤层连采机短壁开采等。
现分述如下:
(1)薄煤层滚筒采煤机综采
薄煤层滚筒采煤机综采技术在国内外均有比较成功的应用,如晋华宫矿采用全套国产综采设备(MG200型滚筒采煤机),在煤厚1.3m条件下,2005年全年生产原煤1.04Mt、平均月产99.5kt、最高月产134.5kt、最高日产7166t。
美国明戈洛根矿在煤厚1.23m的条件下,采用JOY7LS2采煤机,设计采高1.7m,“一综四连”年产原煤6.0Mt。
但是,采用薄煤层滚筒采煤机综采,初期投资比较高,需配备的人员也比较多,管理比较复杂。
一般采高大于煤厚,需割顶或卧底,煤质管理复杂,且搬家倒面困难。
但滚筒采煤机综采技术应用较为广泛,技术和管理经验较为成熟且易于借鉴。
(2)刨煤机综采
近年来,刨煤机技术的开发取得了很大的进展,薄煤层刨煤机综采在一些煤矿的成功使用以及采用德国DBT公司生产的刨煤机主机与国内设备配套使用,取得的一些成功经验,如铁法矿务局的小青矿通过从德国DBT公司引进刨煤机,在1.7米煤层厚度条件下,平均月产达到20.9万吨、最高日产达到9188吨。
在比较稳定的地质条件下,开采薄煤层或1.8m以下煤层,刨煤机是一种比较经济和有效的采煤机械。
但目前我国薄煤层刨煤机开采还处于起步阶段,本矿井煤质较硬,是否适应刨煤机开采还有待实践确定,且引进全套刨煤机设备初期投资较高,即使部分引进:
引进刨煤机主机,然后由国内厂家配液压支架、转载机、喷雾泵、乳化液泵站、以及移动变电站等,全套设备投资可达2.0亿元左右。
因此,设计初期不考虑薄煤层刨煤机开采。
(3)连采机短壁综采
近年来,随着连续采煤机技术的发展,国内连续采煤机设备得到越来越广泛的运用。
一方面可实现煤层巷道的连续快速掘进,另一方面还可用于工作面煤层的回采。
特别是运用连续运煤系统后,工作面生产能力可达1.0Mt/a以上。
神东公司上湾煤矿采用两套连续采煤机进行短壁回采,2002年生产原煤3.34Mt,最高月产13800t,工效54.07t/工。
该矿一套连续采煤机配连续运煤系统2002年生产原煤2.24Mt,最高日产10276t,创国内同类设备同期最高记录。
国外利用连采机短壁开采法在薄煤层已有比较成功的应用。
如美国宾州谢乐塔市附近的大麦克3号矿,采用杰弗里公司的76kW(102马力)的连续采煤机和94L/506C5型后配套连续运输系统开采1.0m以下的煤层。
弗吉尼亚州威斯市附近的四〇采矿公司在0.97m(38in)厚的SplashDam煤层采用费尔查德F410连续采煤机及连续运输系统,均取得较好效果。
但连采机的投资较高,且煤炭回收率较低。
通过以上分析,结合本矿实际,设计暂采用薄煤层滚筒采煤机综采的方法对5煤以及类似煤层进行回采。
生产过程中可根据宁夏矿区较薄煤层开采试验情况对其采煤方法进行适当调整。
2、3煤
根据对地质资料的分析,首采区范围内3煤层厚度1.64m~2.62m,平均约2.3m,煤层结构简单。
根据国内外中厚煤层开采技术发展现状,结合井田开采技术条件,设计认为3煤比较适合中厚煤层滚筒采煤机综采。
二、主要采煤设备选型
(一)设备选型原则和装备标准
目前采煤机朝大功率、大截深、高速电牵引、高可靠性方向发展;运输设备朝大运量、大功率、重型化、高强度、多点驱动、高自动化方向发展;液压支架朝简单实用、高工作阻力、高强度、高可靠性方向发展,采用电液控制系统,提高移架速度和安全性能。
针对这种发展趋势,结合本井田煤层赋存条件好、矿井设计生产能力较高等实际情况,在工作面主要设备选型时考虑以下原则:
a、机械设备的选择首先满足技术先进、生产可靠、提高综采设备的开机率,达到高产高效。
同时设备间相互配套,保证运输畅通,并增加运输环节的缓冲能力,以期达到采运平衡,最大限度地发挥综采优势。
b、为综采工作面创造快速连续开采的条件,加大工作面推进方向长度,减少搬家次数,并保证快速搬家。
同时做到采准工作快,增大巷道断面特别是顺槽断面,利用煤层顶底板较好,煤层韧性大,有一定硬度的条件,采用树脂锚杆支护以提高掘进速度,保证工作面接替要求。
c、对辅助运输系统,要求系统简单、环节少,工作人员能快速方便地到达工作地点。
本矿井为大型矿井,依照高技术、高质量、高效率、高效益的开发建设原则,其工作面装备需充分依靠科技进步,立足国内选择先进的高产高效、性价比高、安全可靠的采、掘、运、支设备。
(二)工作面设备选型
1、采煤机
(1)选型原则
①适合特定的煤层地质条件,并且采煤机采高、截深、功率、牵引方式等主要参数选取要合理,有较大的适用范围;
②满足工作面开采生产能力的需要,采煤机实际生产能力要大于工作面的设计生产能力;
③采煤机技术性能良好,工作可靠性高,各种保护功能完善;
④采煤及使用、检修、维护方便。
(2)采煤机应具有的生产能力
首采区3煤工作面推进方向长度多为800~1900m,年有效开采时间按330d计算,采煤机应具有的最小生产能力由下式计算:
采煤机应具有的最小生产能力由下式计算:
Qh=Qy×f/[D×(N-M)×t×K]
式中:
Qh——工作面设备所需最小生产能力,t/h;
Qy——要求的工作面年产量,1.20×106t/a。
D——年生产天数,330d;
f——能力富裕系数,1.4;
N——日作业班数,4班;
M——每日检修班数,1班;
t——每班工作时数,6h;
K——开机率,0.6。
则Qh=1.20×106×1.4/[330×(4-1)×6×0.6]=471t/h
b、采煤机牵引速度
采煤机平均截割牵引速度Vc
Vc=Qh/(60×B×H×γ×C)
式中:
Vc——采煤机平均截割牵引速度,m/min;
Qh——采煤机可实现的生产能力,471t/h;
H——平均采高,2.3m;
B——截深,0.80m;
γ——煤的容重,1.35t/m3;
C——工作面回采率,0.95;
则采煤机平均截割牵引速度
Vc=471/(60×0.80×2.3×1.35×0.95)=3.3m/min
c、采煤机装机功率
装机功率包括截割电动机、牵引电动机、破碎电动机、液压泵电动机、机载增压喷雾泵电动机等电动机功率总和。
装机功率由下式估算:
P=Q×Hw
式中:
P——装机功率,kW;
Q——采煤机生产能力,471t/h;
Hw——比能耗,一般0.6~0.7,取0.7。
经计算,采煤机装机功率P=330kW
d、采煤机所需牵引力
据经验统计,采煤机牵引力一般为其装机功率数值的0.5~1倍。
e、确定滚筒直径
滚筒直径一般按最大采高的0.6倍考虑,本矿井各煤层均为一次采全高,11采区3煤厚度为1.64m~2.62m,平均厚度约2.3m,同时兼顾其他煤层的适应性,滚筒直径取1.4m。
根据以上分析、计算结果,结合银星一井和银星二井的设备选型,考虑集团内各矿井设备的互用性,设计对采煤机主要技术参数要求如下:
装机功率300kW以上,截深0.80m,割煤速度大于3.3m/min,采高1.4~2.8m,牵引方式为链轨式或销排式无链电牵引,额定电压1140V。
参照宁东基地安全高效矿井工作面装备情况,本次设计从设备的稳定性和可靠性考虑,3煤工作面采煤机初选MG300/700-AWD型交流电牵引采煤机。
采煤机主要技术参数见表4-2-1。
采煤机技术参数表
表4-2-1
项目
单位
3煤工作面
采煤机型号
MG300/700-AWD
总装机功率
kW
700
采高
m
1.4~3.05
截深
m
0.80
滚筒直径
m
1.4
驱动方式
交流电牵引
牵引速度
m/min
0~8.9
适应煤层倾角
≤35°
供电电压
V
1140
2、工作面可弯曲刮板输送机、转载机、破碎机
工作面刮板输送机生产能力的选择原则是保证采煤机采落的煤被全部运出,并留有一定的备用能力。
工作面刮板输送机的运输能力应满足:
Qc=Kc×Km×Ky×Qm
式中:
Qc——刮板输送机应具有的运输能力,t/h;
Kc——采煤机截割速度不均衡系数,1.1;
Qm——采煤机平均落煤能力,471/h;
Km——采煤机与刮板输送机同向运动时的修正系数,1.1;
Ky——运输方向及倾角系数,1.05。
经计算3煤工作面刮板输送机的运输能力应大于600t/h。
转载机、破碎机能力应不小于刮板输送机能力。
考虑集团内各矿井设备的互用性,初选刮板输送机、转载机和滚筒式破碎机技术参数分别见表4-2-2~4-2-4。
刮板输送机技术参数
表4-2-2
项目
单位
3煤工作面
型号
SGZ764/500
输送能力
t/h
800
装机功率
kW
250×2
链速
m
1.3
刮板链型式
m
中双链
供电电压
V
1140
中部槽规格
mm(L×W×H)
1500×800×303
转载机技术参数
表4-2-3
项目
单位
3煤工作面
型号
SZB830/180
输送能力
t/h
1000
装机功率
kW
180
设计长度
m
50
供电电压
V
1140
破碎机技术参数
表4-2-4
项目
单位
3煤工作面
型号
PCM132
通过能力
t/h
1000
装机功率
kW
132
出口粒度
mm
150~500
供电电压
V
1140
(3)工作面顶板管理方式、支架设备选型
(1)工作面的顶底板岩性
煤层顶底板岩性以粉砂岩和细粒砂岩为主,砂质泥岩及泥岩次之,有少量炭质泥岩,中粗粒砂岩也可构成煤层直接顶板,可采煤层有泥岩、炭质泥岩伪顶、伪底的分布范围较小。
属易冒落的稳定性差~稳定性中等顶板,底板岩性以粉砂岩为主,岩石坚固性差,属较软类底板。
(2)液压支架的选型原则
国内外长壁工作面生产经验表明,液压支架是工作面装备中对生产能力影响最大的设备,因此必须把支架的可靠性放在首位,不但要稳定可靠,故障率低,而且使用寿命长,近年来液压支架朝重型化发展,结构型式简单实用,支架工作阻力不断增大。
在液压支架的设计选型中遵循如下原则:
①支护强度与工作面矿压相适应;
②支架结构与煤层赋存条件相适应;
③支护断面与通风要求相适应;
④液压支架与采煤机、输送机等设备相匹配;
⑤支架稳定性好,能实现快速移架。
(3)支护强度的确定
式中:
H——工作面煤层平均采高,3煤工作面H=2.3m;
γ——顶板岩石容重,一般取γ=2.5t/m3;
k——顶板破碎常数,可取1.25;
g——顶板周期来压不动载系数,与顶板岩石性质有关:
老顶级别:
Ⅰ-g=1.1,Ⅱ-g=1.3
Ⅲ-g=1.5~1.7,Ⅳ-g=1.8~2
本设计取g=1.5
B——附加阻力系数,B=1.6;
α——煤层倾角,取α=18°,
则:
3煤工作面:
q=2.3×2.5×1.5×1.6×10-2/[(1.25-1)cos18°]
=0.581(MPa)
(4)支架初撑力和工作阻力的确定
式中:
A——支架中心距,A=1.75m;
L——支架顶梁长,L=5.0;
c——梁端距,c=0.2~0.35m,取c=0.3m;
则:
工作阻力:
矿井初期开采的11采区含多个可采煤层,根据对各可采煤层的厚度分析可知,首采区内厚度较大的有3层:
3煤、4煤和10煤,厚度一般为1.6~2.8m,其中3煤厚度为1.64m~2.62m;其他煤层厚度一般为1.0~2.0m。
总的说来,各煤层以中厚偏薄煤层为主,因此,设计根据主采煤层厚度和液压支架支护强度计算,同时兼顾其他煤层,并考虑到集团内各矿井设备的互用性,初步确定3煤工作面支架选用ZY7600/11/28两柱掩护式液压支架,主要技术参数为:
支撑高度取1.1m~2.8m,工作阻力约7600kN,推移行程0.8m,支架中心距1.75m。
支架移架方式均采用电液控制阀并要求与采煤机实现联动,能显示支架工作状态,故障情况,具有随机操作和成组操作功能,移架速度要求低于10s。
支架采用整体顶梁钢性结构。
(4)乳化液泵站、喷雾泵
支架的快速、安全操作是实现安全高效的前提,而支架的移架速度主要取决于支架液压系统的流量。
为了适应综采工作面快速移架、推移输送机的需要,根据近几年我国乳化液泵站及喷雾泵的使用情况,3煤工作面设计选用WRB200/31.5型乳化液泵站、WPB250/5.5型喷雾泵。
WRB200/31.5型乳化液泵站(三泵两箱),其技术参数如下:
流量:
200L/min
压力:
31.5MPa
单机功率:
132kW
电压:
1140V
WPB250/5.5型喷雾泵(两泵一箱),其技术参数如下:
流量:
250L/min
压力:
5.5MPa
单机功率:
30kW
电压:
1140V
三、回采工作面生产能力
(一)回采工作面生产能力论证
工作面生产能力的大小主要取决于煤层赋存特点及煤层的开采技术条件。
煤层的赋存特点主要包括煤层的倾角、厚度、煤层结构、地质构造;煤层的开采技术条件主要包括煤层的顶底板岩性、瓦斯涌出量大小、水文地质条件等。
同时还与采煤工作面设备装备发展水平有关。
本井田可采煤层10层,基本为偏薄的中厚煤层或薄煤层,煤层倾角基本小于25°,为缓倾斜煤层,且存在一定的压茬关系。
井田总体为一单斜构造,断层主要分布在井田边界附近,对开采影响相对较小。
矿井为低瓦斯矿井,但工程地质条件和水文地质条件相对较复杂。
工作面单产预测是以现有先进技术装备水平下的工作面单产水平为基础,没有考虑技术发展带来的单产增长因素。
根据相关资料统计,国内综采工作单产增长速度从1995年到2005年10年间增长170%,其中国有重点煤矿机采工作面单产增长210%。
因此,随着采煤技术发展,中厚煤层和薄煤层的单产能力将进一步提高,通过合理生产组织,在保证资源回收率的同时,初期以1个工作面实现1.2~1.5Mt/a的生产能力是可行的。
但考虑到煤层厚度(基本为偏薄的中厚煤层或薄煤层)和可采区域分布的连续性,初期以一个工作面保证矿井1.50Mt/a的生产能力有一定难度,同时考虑到地面铁路和干渠压煤的影响,首采区工作面推进长度偏短,工作面搬家次数相对较频繁。
综合考虑,工作面生产能力取1.20Mt/
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- 第04章 井下开采 04 井下 开采