杨柳矿1.2 Mt新井设计-锚杆控制巷道围岩机理研究

1 摘 要 本设计包括三个部分 一般部分 专题部分和翻译部分 一般部分为杨柳煤矿 120 万 t 新井设计 共分 10 章 1 矿区概述及井田地质 特征 2 井田境界和储量 3 矿井工作制度 设计生产能力及服务年限 4 井田开 拓 5 准备方式 带区巷道布置 6 采煤方法 7 井下运输 8 矿井提升 9 矿井通 风与安全技术 10 矿井基本技术经济指标 杨柳煤矿位于安徽省淮北市境内 交通十分便利 井田走向长平均约 5 1 km 倾向 南北 长平均约 4 8 km 井田水平面积为 48 06 km2 主采煤层一层 即 10 号煤层 平均倾角 3 2 厚约 4 5m 井田工业储量为 14411 62 万 t 可采 储量 9441 22 万 t 矿井服务年限为 56 21 a 井田地质条件简单 表土层平均厚 度 184 m 矿井正常涌水量为 436 m3 h 最大涌水量为 593 m3 h 煤层硬度系数 f 2 3 煤质牌号为 QM 气煤 矿井绝对瓦斯涌出量为 436 m3 min 属高瓦斯矿井 矿井采用立井两水平加暗斜井开拓 采用中央分列式通风 一矿一面 采煤 方法为长壁一次采全高 矿井年工作日为 330 d 每天净提升时间 16 h 专题部分题目是锚杆控制巷道围岩机理研究 翻译部分为 An estiation method for cover prssure re tablishment distance and pressure distribution in the goaf of logwall coal mines 关键词 立井 采区 并列式 2 ABSTRACT This design can be divided into three sections general design monographic study and translation of an academic paper The general design is about a 1 2 Mt a new underground mine design of yangliu coal mine It contains ten chapters 1 overview and the geographical features of the mining field 2 boundary and reserves of the mining field 3 working system designed mine capacity and mine life 4 development of mining field 5 preparation in strip district 6 coal mining method 7 underground conveying 8 mine exaltation 9 mine ventilation and safety technology 10 the basic technical and economic index Yangliu coal mine lies in huaibei anhui province the traffic is very convenient It s about 5 1 km on the strike and 4 8 km on the dip with the 48 06 km2 total horizontal area The minable coal seam of this mine is only 10 with an average thickness of 4 5 m and an average dip of 3 2 The proved reserves of this coal mine are 144 11 Mt and the minable reserves are 94 41 Mt with a mine life of 56 21 a The geological condition of the mine is relatively simple The normal mine inflow is 436 m3 h and the maximum mine inflow is 593 m3 h It is bituminous coal 43 with low mine gas emission rate and coal spontaneous combustion tendency and it s a coal seam liable to dust explosion This mine adopts vertical shaft development with one mining level and exhaust ventilation centralized juxtapose earlier and radial later The adopted coal winning method is longwall mining on the dip with top coal caving The belt conveyor is applied to transport coal and trackless transport is used in the auxiliary conveying We work 330 days per year and exaltate 16 hours one day The four six working system is applied for coal mining while three eight used for the rest The monographic study is a thermal analysis of the stove modeled by FLAC 4 0 The translated academic paper is about numberical modeling of top coal caving Its title is that 3D Numerical Modeling of Longwall Mining with Top Coal Caving Keywords An estiation method for cover prssure re tablishment distance and pressure distribution in the goaf of logwall coal mines 3 目录 1 矿区概述及井田地质特征 3 1 1 矿区概述 3 1 2 井田地质特征 4 1 3 煤层特征 10 1 4 煤的特征 12 2 井田境界和储量 14 2 1 井田境界 14 2 2 矿井工业储量 14 2 3 矿井可采储量 14 3 矿井工作制度 设计生产能力及服务年限 17 3 1 矿井工作制度 17 3 2 矿井设计生产能力及服务年限 17 4 井田开拓 19 4 1 井田开拓的基本问题 19 4 2 矿井基本巷道 29 5 准备方式 采区巷道布置 37 5 1 煤层地质特征 37 5 2 采区巷道布置及生产系统 38 5 3 采区车场及主要硐室 42 6 采煤方法 47 6 1 采煤方法的选择 47 6 2 回采工作面长度的确定 47 6 3 工作面的推进方向和推进度 48 6 4 综放工作面的设备选型及配套 48 7 井下运输 50 7 1 概述 50 7 2 采区运输设备的选择 51 7 3 大巷运输设备的选择 56 8 矿井提升 58 8 1 概述 58 8 2 主副井提升设备选型 58 9 矿井通风及安全 63 4 9 1 矿井概况 开拓方式及开采方法 63 9 2 矿井通风系统和通风方式 64 9 3 矿井风量计算 71 9 4 全矿通风阻力的计算 75 9 5 通风机选型 79 9 6 矿井灾害防治措施 84 10 设计矿井基本技术经济指标 91 专题部分 93 锚杆控制巷道围岩机理研究 93 1 国内外煤巷锚杆支护现状 93 1 1 国内外煤巷锚杆应用概况 93 1 2 锚杆支护型式演变概况 95 1 3 发展趋势 95 2 锚杆支护理论 97 2 1 现有锚杆支护理论 97 2 2 锚杆支护机理 98 3 锚杆类型 100 3 1 普通圆钢粘结式锚杆 100 3 2 可延伸锚杆 100 3 3 高强度和超高强度锚杆 100 3 4 竹锚杆和木锚杆 101 3 5 可切割锚杆和可回收锚杆 101 3 6 锚梁网组合支护 102 3 7 桁架锚杆支护 102 4 巷道围岩稳定性 103 4 1 围岩稳定性概述 103 4 2 巷道围岩稳定性分类方法 103 4 3 巷道围岩稳定性指数 106 5 几种新型的支护器械及方法 107 5 1 新型支护器械 107 5 2 支护方法 112 5 3 锚固体强度强化的相似材料模拟试验 115 5 4 锚固体强度强化后的力学行为分析 117 5 5 煤巷锚杆支护设计方法 118 英文翻译 120 5 1 矿区概述及井田地质特征 1 1 矿区概述 1 1 1 交通位置 杨柳煤矿位于安徽省淮北市濉溪县境内 杨柳集附近是其中心位置 向南东 距宿州约 21 km 煤矿范围 南部以杨柳断层为界 与孙疃井田接壤 北部以小 陈家 大辛家断层为界 与临涣煤矿毗邻 南北长约 9km 东西宽 3 9km 矿井内交通方便 公路可通宿州市 淮北市和蒙城县等地 东有合徐高速公 路南坪出口 京沪线宿州站 西北有濉 溪 阜 阳 铁路经过井田西部的临涣 站 南有青 疃 芦 岭 线 与京沪线在芦岭站接轨 杨 柳 矿 104 104 206 31 图 1 1 杨柳矿交通位置图 1 1 2 地形 地貌 煤矿位于淮北平原中部 区内地势平坦 地面标高 25 98 28 26m 一般 27m 左右 浍河流经井田南侧 自西北流向东南 一般河水水位低于地表 只有 汛期才出现河水水位高于地表 造成两岸局部内涝 数天后即可恢复正常水位 6 最高洪水位标高为 28 34m 1965 年 7 月 矿内人工沟渠交错 近年来植树造林 较多 尤在大小道路两旁 屋前宅后均绿树成荫 1 1 3 气象及地震 据历史资料记载 安徽省北部地区自公元 925 年以来发生有感地震 40 余次 其 中从 1960 年以来 发生较大的地震有 7 次 根据安徽省地震局 1996 年编制出版的 安徽地震烈度区划图 本区属于 4 6 级地震区 地震烈度为 6 近期安徽北部地区发生较大地震统计表 表 1 1 地震情况 时 间 1965 3 15 1971 7 13 1973 9 22 1979 3 2 1981 12 20 1983 11 7 1999 1 12 震中位置 固 镇 灵 璧 临 涣 固 镇 固 镇 菏 泽 利 辛 地震级别 4 0 3 3 4 5 5 0 3 0 5 9 4 2 1 1 4 气 候 淮北地区属季风暖温带半湿润气候 春秋季多东北风 夏季多东 东南风 冬季多北 西北风 平均风速为 3m s 最大风速可达 18m s 平均气温为 14 4 最低气温 1988 年 12 月 16 日 为 10 9 最高气温 1988 年 7 月 8 日 为 40 3 年平均降雨量为 834mm 雨量多集中在七 八两个月 无霜期为 208 220 d 冻 结期一般在十二月上旬至次年的 2 月中旬 1 1 5 矿区经济状况 本矿是临涣矿区的一部分 临涣矿区有生产矿井 5 对 在建矿井 2 对 本区 的经济以矿业和农业为主 随着近几年能源需求量的骤增 矿业开发建设及所在 地的城镇建设得到迅速发展 农业以种植业和养殖业为主 农作物主要有小麦 玉米 山芋 花生 棉花等 是粮食生产基地的一部分 养殖业 包括肉牛 肉猪 羊及渔 生产基地也初具规模 1 1 6 水源及电源 本矿临近华东电网 矿井开发的生产用电和生活用电有保障 区内的地表水 和地下水较丰富 能满足矿井开发的需要 1 2 井田地质特征 1 2 1 井田地质构造 杨柳煤矿位于童亭背斜东翼北端 地层走向在浅部为近于南北向 向东倾斜 的单斜构造 地层倾角 2 6 深部次一级褶曲较发育 主体上呈向东延深 地 7 层倾角 5 10 较平缓 表 1 2 断层情况 杨柳煤矿断层情况一览表 断 层 性质 走 向 倾向 倾 角 落 差 m 井田内 延伸长 度 km 穿 过 钻 孔 地震控制 可 靠程 度 大侯 家 正 N44 66 38 E N46 23 52 W 50 7 0 60 24 5 9 2 071 7 7 8 9 3 04 22 04 26 04 30 04 34 东 8 9 1 三维 查明 褶 皱 一 牛小集背斜 轴向北西 轴长约 4km 背斜宽窄不等 南 北两段东翼陡 西翼缓 中段 东翼缓 西翼陡 波幅数十米 被戴庙断层 大侯家断层切割 保留形态不完整 二 马家背斜 轴向北东 轴长约 3km 背斜宽约 2 5km 北翼陡 南翼缓 波幅大于 250m 其南翼被大牛家断层切割 保留形态不完整 三 小周家向斜 分布在小周家北部及其东部的附近 在杨柳支断层北侧 轴向北西 在其南 侧 轴向转向近东西 轴长约 3km 波幅大者 200 余米 被杨柳支断层 杨柳断 层切割 保留形态不完整 1 2 2 地 层 杨柳煤矿及其邻近煤矿均未见基岩裸露 经钻探揭露 新生界松散层下伏地 层自上而下分别为二叠系的上石盒子组 下石盒子组和山西组 石炭系的太原组 本溪组 奥陶系的老虎山组 马家沟组 石炭系 二叠系皆为含煤地层 本井田 仅以二叠系煤系地层为勘探对象 地层自下而上为 一 奥陶系 O 2l O 1m 岩性为灰褐色 灰棕色厚层状石灰岩 微晶结构 致密性脆 裂隙发育 质 不纯 具豹皮状构造 顶部见少量黄铁矿结核 二 石炭系 C 1 中统本溪组 C 2b 岩性为 灰白色 紫红色铝质泥岩 富含铝质 致密性脆 含少量菱铁鲕粒 灰到深灰色细粉砂岩 含较多泥质 见黄铁矿结核分布不均 顶部含细砂质 具 8 明显的薄层理 与下伏奥陶系呈假整合接触 2 上统太原组 C 3t 岩性以浅灰色石灰岩为主 次为深灰色泥岩 粉砂岩和少量砂岩 石灰岩总 厚 70 53m 占本组地层总厚度的 53 石灰岩大多富含动物化石 其中二 四灰 含燧石结核 本组地层含石灰岩 12 层 中下部各层石灰岩之下发育有薄煤层 含煤 6 10 层 总厚 3 12m 煤层薄而不可采 顶部一灰 浅灰色 方解石晶体粗大 富含动物化石 薄而稳定 是本矿重 要的对比标志层 与下伏本溪组呈整合接触 三 二叠系 P 1 下统山西组 P 1S 下部以太原组顶部一灰之顶为界 上界为铝质泥岩之底 地层厚 98 6 139 5m 平均 117 9m 岩性由砂岩 砂 泥岩互层 粉砂岩 泥岩和煤层 组成 含 10 煤层 组 煤层发育较好 为本井田主采煤层之一 岩浆岩厚者 108m 在岩浆侵蚀区煤层大多被吞蚀 与下伏太原组呈整合接触 2 下统下石盒子组 P 1X 下界为铝质泥岩底部 上界 K3 砂岩 地层厚 208 7 262 3m 平均 231 8m 岩性由砂岩 粉砂岩 泥岩 铝质泥岩及煤层组成 泥岩 粉砂岩灰 深灰色 3 上统上石盒子组 P 2SS 下界为 K3 砂岩之底 上界为平顶山砂岩之底 本矿揭露厚度 549 39m 岩 性由砂岩 粉砂岩 泥岩和煤层组成 自下而上砂岩石英含量减少 泥岩 粉砂 岩颜色变杂 紫色 绿色增加 与下伏下石盒子组呈整合接触 四 上第三系 N 上第三系上新统 N 2 与下伏二叠系呈不整合接触 厚度 65 108m 平均为 89m 底部以残积洪积为主 厚度 0 22 20m 一般厚 7m 岩性较复杂 为深黄 灰白 灰绿 棕红等杂色砂砾 粘土砾石 细砂及粘土质砂 砂质粘土 呈互层 状 局部地段较发育 中部以湖相 滨湖相沉积为主 厚度 2 4 39m 平均 20m 岩性由灰绿色 灰黄色 棕黄色厚层粘土及砂质粘土间夹 1 8 层砂或粘土质砂组成 富含钙质 及钙质结核 除在中部地段与二叠系煤系地层直接接触厚度较小外 一般均分布 较稳定 上部以河湖相沉积为主 厚度 11 1 61 9m 平均 48m 由棕黄 浅黄 灰 9 白色中细砂及粉砂和粘土质砂间夹 2 3 层粘土及砂质粘土所组成 顶部以浅黄色 浅棕红色粘土及砂质粘土组成 富含钙质及铁锰质结核 为 一沉积古剥蚀面 亦是第三系与第四系的分界线 厚度 2 1 26 7m 平均厚度 14m 五 第四系 Q 该地层假整合于上第三系之上 厚度 61 95m 平均 79m 左右 1 更新统 Q 1 3 下部由浅黄 棕黄色细砂 粉砂及粘土质砂 间夹 3 5 层砂质粘土及粘土 组成 并含有较多钙质结核和铁锰质结核 属河漫滩 河间阶地沉积相 厚度 7 8 34m 平均 30m 上部由土黄 褐黄及浅黄色砂质粘土及粘土夹 1 3 层薄层砂及粘土质砂组 成 含较多砂姜块及铁锰质结核 为一沉积间断古剥蚀面 该层段分布稳定 厚 度 55 28 5m 平均厚度 15m 2 全新统 O 4 本统属河漫滩相 超河漫滩相沉积 分布稳定 厚度 28 5 41 9m 平均 34m 土黄 灰黄及浅灰色 由粉砂 细砂及粘土质砂夹 2 3 层砂质粘土及粘土 组成 顶部 0 5m 为深灰色耕植土 埋深 3 5m 处富含钙质结核及砂姜块 在埋 深 20m 左右为褐黑色有机质腐殖质层 含较多动物化石碎片 1 2 3 水文地质 地表水 矿井内地势较平坦 地面标高 25 98 28 26m 一般 27m 左右 区内人工 沟渠纵横 其作用主要是防洪排涝 它们自北向南流入浍河 浍河从本矿井西南部外围流过 自西北流向东南 浍河及其支流和人工沟渠 组成了密如蛛网的地表水系 浍河是淮河的支流 属中小型季节性河流 区内五 六十年代曾发生过三次较大水灾 1954 年 7 月 17 日 1963 年 6 月 30 日 1965 年 7 月 16 日 其中 1965 年 7 月的水灾最大 据临涣浍河水文站观测 当时最 大洪峰流量为 865 m3 s 本地区普遍积水 最高洪水位标高 28 34m 但 1967 年 新汴河开挖以后 增强了区域内泄洪能力 浍河水从未溢出河床 根除了本地区 水患 目前地表水对煤矿开采和矿区建设没有危害 矿井含 隔水层 组 段 1 松散层含 隔水层 组 段 本矿井位于童亭背斜东北端 含煤地层均被新生界松散层所覆盖 松散层由 第四系和上第三系组成 其厚度受古地形控制 两极厚度为 121 00 196 50m 由东向西有逐渐增厚的趋势 松散层按其岩性组合特征及区域水文地质剖面对比 自上而下可划分为四个含水层 组 和三个隔水层 组 10 1 第一含水层 组 自地表垂深 3 5m 起 底界深度 28 5 41 90m 一般 34m 左右 含水砂层 厚度 14m 左右 上部近地表 0 5m 左右为黑色耕植土壤 埋深 3 5m 处富含钙质 结核和铁锰质结核 主要岩性由浅黄色 浅灰色粉砂 细砂 粘土质砂夹薄层粘 土 砂质粘土组成 2 第一隔水层 组 底界深度 40 60 62 20m 一般 50m 左右 隔水层有效厚度 5 50 23 70m 平均 12m 主要由暗黄色及棕黄色砂质粘土 3 第二含水层 组 底界深度 66 70 85 20m 一般 80m 左右 含水砂层厚度 5 50 28m 平均 18m 岩性主要由细砂 粉砂 粘土质砂夹粘土或砂质粘土薄层组成 4 第二 隔水层 组 底界深度 85 00 107 20m 一般 95m 左右 隔水层有效厚度 2 10 27 30m 平均 12m 岩性主要由中厚层状粘土 砂质粘土夹薄砂层组成 局部含有砂礓块 5 第三含水层 段 底界深度 103 70 164 40m 一般 140m 左右 含水砂层厚度 5 20 34 00m 平均厚度 21m 岩性主要由中砂 细砂 粘土质砂夹粘土或砂质粘土组成 局部 夹有细砂岩 盘 6 第三隔水层 组 底界深度 121 00 182 50m 隔水层有效厚度 2 40 39 00m 平均 15m 主 要由灰绿色 棕黄色粘土及砂质粘土夹薄砂层组成 中下部部分地段见有钙质粘 土 7 第四含水层 组 底界深度 121 00 196 50m 一般为 168m 左右 含水层有效厚度 0 16 10m 平均 4m 含水层主要由粘土质砂 粉砂 砂砾等组成 2 二叠系可采煤层间含 隔水层 段 二叠系岩性主要由砂岩 泥岩 粉砂岩 煤层等组成 并以泥岩 粉砂岩为 主 砂岩裂隙一般不发育 即使局部地段裂隙发育 也具有不均一性 结合区域 抽水试验资料 单位涌水量 q 大多小于 0 ll s m 从总体上看煤系砂岩裂隙含水性 较弱 根据区域资料和矿井内可采煤层赋存的位置关系划分为如下含 隔水层 段 3 岩浆岩 矿井内岩浆岩以岩床 似层状侵入 10 煤层 厚度为 0 15 147 0m 裂隙一 般不甚发育 冲洗液一般消耗量不大 矿井内上百个钻孔穿过岩浆岩 有 4 个钻 孔穿过岩浆岩时 冲洗液发生漏失或全部漏失现象 11 4 太原组石灰岩岩溶裂隙含水层 段 矿井内有 14 7 和 14 12 两孔穿过了太原组地层 综合几个孔资料 本组总厚 133 88m 有石灰岩 13 层 石灰岩厚度为 71 10m 占太原组总厚的 53 石灰岩 单层厚度为 0 60 15 88m 本矿井对两个孔太原组一至四灰抽水试验 静止水位 为 14 59 14 70m q 0 009797 0 0855l s m K 0 03711 0 3512m d 富水性 较弱 矿化度 3 156 1 960g l 全硬度 106 55 33 52 德国度 水质为硫酸 钙镁 类型或硫酸 钠类型 水温为 22 25 但必须指出 太灰岩溶裂隙含水层的岩溶裂隙发育和富水性具有不均一性 有些地带可能富水性较强 本区由于断层断距较大 造成了部分地带的 10 煤与 太灰间距缩短甚至直接对口 由淮北各矿的生产实践得知 太灰岩溶裂隙水是本矿井开采 10 煤矿井充水 的主要隐患之一 太灰水能否突破 10 煤底板隔水层对矿坑充水 取决于太灰原 始导高 水头压力 隔水层厚度 隔水岩层的抗压强度以及底板受构造 开采等 因素影响与破坏程度 为了解太灰水能否给 10 煤开采造成突水危害 根据 矿 区水文地质工程地质勘探规范 采用公式 Ts P M Cp 计算突水系数 式中 Ts 突水系数 MPa m P 灰岩水头压力 MPa M 10 煤至太灰顶间距 m CP 煤层开采时底板破坏厚度 从上述规范中得知 正常块段突水系数 Ts 不大 于 0 15 MPa m 时 受构造破坏块段 Ts 不大于 0 06 MPa m 时 一般不会造成突水 或 底鼓 反之则会发生突水事故 根据本矿井太灰抽水试验水头高度为 14 59m 开采深度越大 水头压力也随之增加 深度每增加 1m 水头压力则增 加 0 0098 MPa 按上述参数计算 开采水平分别为 300m 350m 400m 450m 500m 550m 600m 700m 和 800m 时水头压力分别为 3 08 3 57 4 06 4 55 5 04 5 53 6 02 7 00 和 7 98 MPa P 采用上述数据计 算水头压力结果 按机采破坏度 CP 12m 隔水层厚度 间距 按不同数据 利 用公式 Ts P M Cp 计算 由表内可以看出 受断层影响的各孔 无论在哪个水平开采 其 Ts 值均远 远大于 0 06 MPa m 故均有突水的可能 而对于正常块段 在一水平 550m 深度 以浅开采时 除 10 煤至一灰最小间距 Ts 稍大于 0 15MPa m 外 其它 Ts 值均不 大于 0 15 MPa m 突水的可能性不大 随着开采水平的延深 在 600m 开采水平 隔水层厚度小于 55m 在 700m 开采水平 隔水层厚度小于 60m 在 800m 水平 开采 其隔水层厚度小于 65m 时 Ts 值均大于 0 15 MPa m 故其突水的可能性 较大 10 煤开采时 可参考表 6106 对太灰水采取探水和降压措施 把太灰水 的 Ts 值降到安全突水系数以内 以保证安全生产 5 奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层 段 矿井内 14 7 和 14 12 等孔揭露了奥陶系 见奥灰 3 84 8 83m 奥灰为浅 灰 棕灰色厚层状石灰岩 岩溶裂隙较发育 据区域资料 奥陶系灰岩总厚度 12 500m 左右 浅部岩溶裂隙发育 另据孙疃煤矿外围浅部 1974 年施工的水源孔抽 水试验资料 静止水位标高为 25 40m s 1 37m q 11 29l s m k 17 92m d 矿 化度为 1 303g l 水质为硫酸 重碳酸 氯化物 钠钙类型 由上述资料看 奥灰含 水性强 导水性好 邻近生产矿井任楼煤矿 在试产期间 1996 年 3 月 4 日由于 导水陷落柱导通了奥灰含水层 7222 工作面发生特大突水灾害 最大流量达 34570 m3 h 可见奥灰富水性极不均一 差异很大 有时含水性 导水性极强 但在正常情况下 奥灰远离主采煤层 一般对煤层开采无直接充水影响 6 水文地质类型 据分析 本矿井水文地质条件应定为裂隙充水为主的中等偏简单类型 矿井涌水量 估算结果 矿井正常涌水量为 436m3 h 最大涌水量为 593m3 h 1 3 煤层特征 1 3 1 含煤地层 本矿含煤地层为石炭系 二叠系 石炭系煤层薄而不稳定 开采技术条件复 杂 暂未作为勘探对象 二叠系含煤地层自下而上为山西组 下石盒子组 上石 盒子组 一 二叠系含煤地层特征 下统山西组 P 1S 厚度 98 6 139 5m 平均 117 9m 含 10 煤层 组 据沉积环境和岩性特征 以 10 煤层为界分为上 下两段 1 下段 自太原组一灰顶至 10 煤层底 厚度 49 1 72 4m 平均 60 9m 底部为深灰色 灰黑色泥岩或粉砂质泥岩 海相泥岩 向上为粉砂岩 砂岩 近 10 煤处为浅灰色细粒砂岩和深灰色粉砂岩 泥岩组成的砂泥岩互层 页片状 砂岩 波状 透境状 混浊状层理发育 层面上有白云母片 具底栖动物通道 含菱铁质结核和黄铁矿晶体 2 上段 自 10 煤层至本组顶界 铝质泥岩之底 厚度 43 5 75 7m 平 均 58m 岩性为砂岩 粉砂岩和泥岩 10 煤层为本井田主要可采煤层 其顶板长 石石英砂岩 为 10 煤层直接或间接顶板 浅灰色 中细粒 局部见具深灰色泥质 包体 因而亦称 花砂岩 局部可相变为砂泥岩互层 本段的上部发育一层长石 石英杂砂岩 灰 灰绿色 中粗粒 填隙物含量高 胶结疏松 称为 泡砂岩 二 二叠系沉积环境 通过对钻孔岩芯成因标志描述 综合确定砂体形态 通过对沉积构造 矿体 形态 古生物 地球化学 测井曲线 岩 煤层物性特征 煤岩特征 煤层顶 底板岩性等的综合研究 对本矿二叠系含煤地层沉积环境进行了综合分析 初步 13 得出如下结论 晚石炭世末期 两淮地区发生了大规模的自北而南的海退 在此基础上 二 叠系沉积了一套以三角洲为主体的三角洲相与泻湖海湾潮坪相互交替的地层 1 3 2 含煤性 本矿井含煤地层为石炭 二叠系 石炭系煤层薄 不稳定 煤质差 并且顶 板多为石灰岩 水文 工程地质条件复杂 故暂不作勘查对象 二叠系含煤地层 为下统山西组 下石盒子组和上统上石盒子组 1 3 3 煤层的稳定性 根据煤层的面积可采率 可采指数和可采点的分布特征 综合确定本矿井 10 煤层为较稳定煤层 1 3 4 可采煤层 10 煤层为本矿井可采煤层 位于山西组的中部 上距铝质泥岩约 55m 下距 太原组一灰顶界面约 60m 煤层厚 0 9 97m 平均厚 4 5m 属中厚 厚煤层 以中厚煤层为主 煤层原生结构简单 基本不含夹矸 煤层顶板以砂岩 泥岩为主 粉砂岩零星分布 在矿井的西部有一砂岩带 在 6 线以东 7 8 线以西大部分为岩浆侵蚀区 1 3 5 瓦斯 煤尘及煤的自燃 一 瓦斯测定成果 本矿井在详查期间用集气法采集利用瓦斯样 12 个 测得 10 煤层瓦斯含量 为 1 50 m3 t 因此 建议本矿井以高瓦斯矿和有瓦斯突出危险进行设计和生产管 理 并建立地面瓦斯抽放系统 对抽出的瓦斯加以综合利用 变废为宝 必将取 得较好的社会效益和经济效益 二 煤尘爆炸试验成果 本矿井煤层挥发分一般 36 火焰长度在 70 800mm 具有爆炸危险 需 通入 20 85 岩粉方可抑止其爆炸 据 煤矿技术操作规程 提供的煤尘爆炸经 验公式 K V 100 V Fc 计算出本井田烟煤部分的煤层煤尘爆炸指数 K 值 为 28 99 40 皆大于 15 可以确定本井田各煤层皆具有煤尘爆炸危险性 三 自 燃 根据烟煤部分燃点测试成果 10 煤层为不自燃 易自燃 1 4 煤的特征 1 4 1 煤的物理性质 本矿各煤层是在二迭世时滨海相 陆相的三角洲泥炭沼泽环境堆积而成 14 煤的物理特征相似 一般为黑色 少量灰黑色 条痕褐黑色 油脂光泽 弱玻璃 光泽 烟煤性软 天然焦性硬 燃烧有爆裂现象 烟煤视比重较轻 一般为 1 30 1 45 无烟煤 天然焦则一般 1 5 高者可达 2 00 以上 宏观煤岩类型 烟煤以亮煤 暗煤为主 夹镜煤线理 条带 半亮 半暗型 无烟煤 天然焦煤岩类型多不清 1 4 2 煤岩特征 烟煤在镜下可见条带状结构 以基质镜质体和结构镜质体为主 其次有丝质 体 角质膜和树皮 矿物杂质以泥质为主 以块状 条带状 分散状 浸染状分布有机质中 有 的可见碳酸盐矿物和黄铁矿等 煤的镜质组反射率 烟煤为 0 74 1 20 之间 属 变质阶段 无烟煤 天然焦反射率在 1 5 2 0 属 甚至更高阶段 1 4 3 煤的化学成分 一 有害组分 1 原煤水分 原煤平均水分在 1 32 1 53 10 煤稍高 2 灰分 1 原煤灰分 剔除因采样原因使个别样点原煤灰分超过 40 的异常值后 各可采煤层烟煤 原煤灰分平均值在 15 88 28 86 其中 10 煤层最低 10 煤层 原煤灰分为 12 87 32 93 平均值为 15 88 属低中灰分煤 灰分产率集 中在 10 20 其次为 20 30 和少数 5 10 平面上也是大片为 10 20 的 区域 20 30 或 5 10 则为零星分布 2 灰成分和灰熔融性 10 煤为 1 20Pa s 1450 煤灰熔融温度 ST 在 1205 1500 均属高 熔 难熔灰 结渣率低 可使锅炉正常出渣 煤灰粘度随温度增高而有所降低 各煤层煤灰结渣指数均 0 6 煤灰有害组分属低等 3 硫分 10 煤层全硫平均值均 4 10 4 属二级含砷煤 二 浮煤挥发分 本矿各煤层挥发分变化不大 同一煤层无明显变化规律 无烟煤和天然焦中 原煤挥发分 10 者 系因岩浆侵蚀 烘烤变质 但在取样中又不可能明显区别 采取混合样所致 本矿在本次勘探前煤样是在 850 条件下测试的 详查报告中已按 900 测 试条件的经验公式进行了换算 换算公式为 烟煤 Vdaf 900 1 004 Vdaf 850 0 844 无烟煤 Vdaf 900 0 9583 Vdaf 850 1 135 天然焦按无烟煤公式进行换算 本次勘探过程中为了验证以上公式的准确性 在测试挥发分时 同时进行 850 和 900 条件下的测试 对这些测试结果 经过对烟煤按上述公式进行换算 对比 Vdaf 900 实测值与换算值比较 其误差在 0 14 0 72 平均在 0 31 可见以上换算公式对本次报告还是适用的 无烟煤和天然焦由于本次未 测 850 时的挥发分 不予评述 三 元素分析 10 煤层烟煤部分浮煤的 Cdaf 平均值在 84 73 88 45 Hdaf 在 5 42 5 97 无烟煤和天然焦皆用原煤进行测试 有一定误差 但总的来看仍符 合变质阶段愈高 Cdaf 愈高 Hdaf 愈低的规律 Cdaf 均 90 Hdaf 在 1 66 3 12 个别反常者皆因煤样中混有中低变质阶段的烟煤所致 16 2 井田境界和储量 2 1 井田境界 杨柳煤矿位于童亭背斜东翼北端 地层走向在浅部为近于南北向 向东倾斜 的单斜构造 地层倾角 15 20 深部次一级褶曲较发育 主体上呈向东延深 地层倾角 5 10 较平缓 任楼煤矿位于本矿井的南边 与本矿井隔有正在建 设中的孙疃煤矿 西界 北部以第四勘探 南部以各煤层的风氧化带底界 东界为 39482200 经线或各煤层 1000m 底板等高线 北从小陈家断层和大辛家断层 南到杨柳断层 2 2 矿井工业储量 矿井工业储量是指在井田范围内 经地质勘探 煤层厚度和质量均合乎开采 要求 地质构造比较清楚 本次储量计算是在精查地质报告提供的 1 5000 煤层底板等高线图上计算的 储量计算可靠 1 井田范围内的煤炭储量是矿井设计的基本依据 煤炭工业储量是由煤层面 积 容重及厚度相乘所得 其公式一般为 Zg S M R 2 1 其中 Zg 矿井的工业储量 S 井田水平面积 M 煤层的厚度 4 5m R 煤的容重 1 4t m 3 2 分块计算工业储量 表 2 1 工业储量计算表 等 级 块段标 号 倾角 厚度 m 容重 t m3 面积 m 2 储量 万 t 服务年限 A K1 3 2 4 5 1 4 3726737 13 2351 51 B K2 3 4 4 5 1 4 4660932 70 2941 56 B K3 4 6 4 5 1 4 2558816 26 1617 26 B K4 2 7 4 5 1 4 4866267 56 3069 16 K5 2 2 4 5 1 4 3678097 70 2318 91 K6 3 0 4 5 1 4 3349712 18 2113 21 总储量 14411 62 56 208 2 3 矿井可采储量 1 边界煤柱可按下列公式计算 Z L b M R 2 2 17 其中 Z 边界煤柱损失量 L 边界长度 b 边界宽度 50m M 煤层厚度 4 5m R 煤的容重 1 4t m 3 则井田煤柱损失如下表 表 2 2 可采储量计算表 名称 平均倾角 容重 煤厚 平均面积 煤层面积 m2 煤量 工业广场 压煤 3 2 1 4 4 5 30986 21 775864 89 488 80 断层煤柱 损失 3 2 1 4 4 5 116700 00 116882 24 736 36 边界煤柱 损失 3 2 1 4 4 5 965581 00 977407 63 598 17 总煤柱损失 1823 33 2 工业广场煤柱 根据 煤炭工业设计规范 第 5 22 条规定 工业广场的面积为 0 8 1 1 平方 公顷 10 万吨 本矿井设计生产能力为 1 2Mt 年 所以取工业广场的尺寸为 400m 450m 的长方形 煤层的平均倾角为 3 2 工业广场的中心处在井田走向 的中央 倾向中央偏于煤层中上部 其中心处埋藏深度为 740m 该处表土层厚 度为 250 280m 主井 副井 地表建筑物均布置在工业广场内 工业广场按 级 保护留维护带 宽度为 15m 表 2 3 岩层移动角 广场中心深度 m 煤层倾角 煤层厚度 m 冲击层厚度 m 740 3 2 4 5 290 45 70 75 57 由此根据上述已知条件 画出如图 2 1 所示的工业广场保护煤柱的尺寸 18 图 2 1 工业广场保护煤柱 由图可得出保护煤柱的尺寸为 S 梯形面积 上宽 下宽 高 2 cos4 2 3 186381 80 则 工业广场的煤柱量为 Zi S M R 式中 Zi 工业广场煤柱量 S 工业广场压煤面积 30986 21 M 煤层厚度 4 5m R 煤的容重 1 4t m 3 则 Zi 1863810 80 4 5 1 4 10 4 1351 26 万吨 3 总煤柱量 边界煤柱 710 14 万吨 断层 82 15 万吨 工业广场煤柱 1351 26 总煤柱量 710 14 82 15 1351 26 2143 55 万吨 4 矿井的可采储量 矿井的可采储量按下式计算 Zk Zg P C 2 4 其中 Zk 矿井的可采储量 万 t Zg 矿井的工业储量 14411 62 万 t P 保护工业场地 井筒 井田境界 河流 湖泊 建筑物等留设的 永久煤柱损失量 1823 33 万 t C 采区采出率 厚煤层不低于 0 75 中厚煤层不低于 0 80 薄煤层 不低于 0 85 本矿取 0 80 则 Zk 11411 62 1823 33 0 80 9441 22 万 t 17 3 矿井工作制度 设计生产能力及服务年限 3 1 矿井工作制度 按照 煤炭工业矿井设计规范 中规定 参考 关于煤矿设计规范中若干条 文修改的说明 确定本矿井设计生产能力按年工作日 330d 计算 三八制作业 两班生产 一班检修 每日两班出煤 净提升时间为 16h 3 2 矿井设计生产能力及服务年限 一 矿井设计生产能力 因为本井田设计丰富 主采煤层赋存条件简单 井田内部无较大断层 比较 合适布置大型矿井 经校核后确定本矿井的设计生产能力为 1 2Mt 年 二 井型校核 下面通过对设计煤层开采能力 辅助生产能力 储量条件及安全条件等因素 对井型加以校核 1 矿井开采能力校核 杨柳矿区 10 煤层均为中厚煤层 煤层平均倾角为 3 2 地质构造简单 赋 存较稳定 但矿井瓦斯含量及涌水相对较大 工作面长度不宜过大 考虑到矿井 的储量可以布置一个综采工作面可以满足矿井的设计能力 2 辅助生产环节的能力校核 本矿井为大型矿井 开拓方式为立井开拓 主井提升容器为一对 9 吨底卸式 提升箕斗 提升能力可以达到设计井型的要求 工作面生产原煤一律用带式输送 机运到采区煤仓 运输能力很大 自动化程度很高 原煤外运不成问题 辅助运 输采用罐笼 同时本设计的井底车场调车方便 通过能力大 满足矸石 材料及 人员的调动要求 所以辅助生产环节完全能够满足设计生产能力的要求 3 通风安全条件的校核 本矿井煤尘具有爆炸性瓦斯含量相对较高 属于高瓦斯矿井 水文地质条件 较简单 矿井通风采用对角式通风 矿井达产初期对首采只需先建一个风井即可 满足矿井的通风需求 后期再建一个风井 可以满足整个矿井通风的要求 本井 田内存在若干小断层 已经查到且不导水 不会影响采煤工作 所以各项安全条 件均可以得到保证 不会影响矿井的设计生产能力 4 储量条件校核 井田的设计生产能力应于矿井的可采储量相适应 以保证矿井有足够的服务 年限 矿井服务年限的公式为 T Zk A K 3 1 18 其中 T 矿井的服务年限 年 Zk 矿井的可采储量 9441 22 万吨 A 矿井的设计生产努力 120 万吨 年 K 矿井储量备用系数 取 1 3 则 T 9441 22 120 1 3 56 21 年 既本矿井的开采服务年限符合规范的要求 注 确定井型是要考虑备用系数的原因是因为矿井每个生产环节有一定的储 备能力 矿井达产后 产量迅速提高 局部地质条件变化 使储量减少 有的矿 井由于技术原因使采出率降低 从而减少储量 为保证有合适的服务年限 确定 井型时 必须考虑备用系数 5 第一水平服务年限校核 由本设计第四章井田开拓可知 第一水平到达 740 可采储量由第二章计算 知为 9441 22 万吨 第一水平的服务年限的计算公式为 T1 5386 34 120 1 3 34 52 年 即本设计第一水平的服务年限符合矿井设计规范的的要求 表 3 1 不同矿井设计生产能力时矿井服务年限表 第一水平设计服务年限 煤层倾角矿井设计生产能 力 万 t a 矿井设计年限 a 45 600 及以上 70 35 300 500 60 30 120 240 50 25 20 15 45 90 40 20 15 15 19 4 井田开拓 4 1 井田开拓的基本问题 井田开拓是指在井田范围内 为了采煤 从地面向地下开拓一系列巷道进入 煤体 建立矿井提升 运输 通风 排水和动力供应等生产系统 这些用于开拓 的井下巷道的形式 数量 位置及其相互联系和配合称为开拓方式 合理的开拓 方式 需要对技术可行的几种开拓方式进行技术经济比较 才能确定 井田开拓主要研究如何布置开拓巷道等问题 具体有下列几个问题需认真研 究 1 确定井筒的形式 数目和配置 合理选择井筒及工业场地的位置 2 合理确定开采水平的数目和位置 3 布置大巷及井底车场 4 确定矿井开采程序 做好开采水平的接替 5 进行矿井开拓延深 深部开拓及技术改造 6 合理确定矿井通风 运输及供电系统 确定开拓问题 需根据国家政策 综合考虑地质 开采技术等诸多条件 经 全面比较后才能确定合理的方案 在解决开拓问题时 应遵循下列原则 1 贯彻执行国家有关煤炭工业的技术政策 为早出煤 出好煤高产高效创造 条件 在保证生产可靠和安全的条件下减少开拓工程量 尤其是初期建设工程量 节约基建投资 加快矿井建设 2 合理集中开拓部署 简化生产系统 避免生产分散 做到合理集中生产 3 合理开发国家资源 减少煤炭损失 4 必须贯彻执行煤矿安全生产的有关规定 要建立完善的通风 运输 供电 系统 创造良好的生产条件 减少巷道维护量 使主要巷道经常保持良好状态 5 要适应当前国家的技术水平和设备供应情况 并为采用新技术 新工艺 发展采煤机械化 综掘机械化 自动化创造条件 6 根据用户需要 应照顾到不同媒质 煤种的煤层分别开采 以及其它有益 矿物的综合开采 本井田开拓方式的选择 主要考虑到以下几个因素 1 本井田煤层埋藏较深 煤层可采线在 48m 最深处到 810m 表土层厚度 大 平均厚度为 280m 2 本井田瓦斯及涌水比较大 对开拓方式的选择影响较大 3 本矿地表地势平坦 且多为农田 无大的地表水系和水体 地面平均标 高为 27 0m 20 4 1 1 确定井筒形式 数目 位置及坐标 1 井筒形式的确定 井筒形式有三种 平硐 斜井 立井 一般情况下 平硐最简单 斜井次之 立井最复杂 平硐开拓受地形迹埋藏条件限制 只有在地形条件合适 煤层赋存较高的山 岭 丘陵或沟谷地区 且便于布置工业场地和引进铁路 上山部分储量大致能满 足同类井型水平服务年限要求 斜井开拓与立井开拓相比 井筒施工工艺 施工设备与工序比较简单 掘进 速度快 井筒施工单价低 初期投资少 地面工业建筑 井筒装备 井底车场及 硐室都比立井简单 井筒延伸施工方便 对生产干扰少 不易受底板含水层的威 胁 主提升胶带化有相当大的提升能力 可满足特大型矿井主提升的需要 斜井 井筒可作为安全出口 井下一旦发生透水事故等 人员可迅速从井筒撤离 缺点 是 斜井井筒长辅助提升能力少 提升深度有限 通风路线长 阻力大 管线长 度大 斜井井筒通过富含水层 流沙层施工技术复杂 立井开拓不受煤层倾角 厚度 深度 瓦斯及水文等自然条件的限制 在采 深相同的的条件下 立井井筒短 提升速度快 提升能力大 对辅助提升特别有 利 井筒断面大 可满足高瓦斯矿井 煤与瓦斯突出矿井需风量的要求 且阻力 小 对深井开拓极为有利 当表土层为富含水层或流沙层时 立井井筒比斜井容 易施工 对地质构造和煤层产状均特别复杂的井田 能兼顾深部和浅部不同产状 的煤层 主要缺点是立井井筒施工技术复杂 需用设备多 要求有较高的技术水 平 井筒装备复杂 掘进速度慢 基本建设投资大 由于本矿表土层较厚 水文地质条件比较复杂 井筒需要才用特殊法施工 故第一水平采用立井开拓 根据矿井提升的需要与本矿的地质条件及 煤矿安全 规程 的规定 在本井田的中上部设立主副井筒各一个 主井用来提升煤炭 副 井用来运送人员 材料 矸石及通风等 本矿井的瓦斯含量比较大 井田的走向长度比较长 平均为 5 8km 经比较 采用对角式通风 矿井第一水平生产初期在第一水平的南一和南三两采区边界连 接处布置南风井 后期另在北二和北四两采区的边界连接处打北风井 担负整个矿 井的回风任务 2 井筒位置的确定 1 井筒位置的确定原则 1 有利于第一水平的开采 并兼顾其他水平 有利于井底车场和主要运 输大巷的布置 石门的工程量要尽量少 2 有利于首采区布置在井筒附近的富煤阶段 首采区要尽量少迁村或不 迁村 3 井田两翼的储量基本平衡 21 4 井筒不宜穿过厚表土层 厚含水层 断层破坏带 煤与瓦斯突出煤层 或软弱岩层 5 工业广场应充分利用地形 有良好的工程地质条件 且避开高山 低 洼和采空区 不受崖崩滑坡和洪水的威胁 6 工业场地宜少占耕地 少压煤 7 水源 电源较进 矿井铁路专用线短 道路布置合理 2 井筒位置的确定 本矿井走向长度较大地势平坦 主副井筒布置在井田中央 且两井筒的地面标 高大于历年最高洪水位标高 风井井筒位置的选择应在满足通风条件的前提下 与提升井筒的贯通位置最 短 并利用各种煤柱以减少保护煤柱的损失 本井田东西无其它矿井决定将本矿 井的风井布置在井田上部边界不压本井田的煤层 4 1 2 工业场地的位置 工业场地的位置选择在主 副井井口附近 即井田西翼中部 工业场地的形状和面积 根据表 4 1 工业场地占地面积指标 确定地面工业 场地的占地面积为 18 公顷 形状为矩形 长边垂直于井田走向 长为 450m 宽 为 400m 4 1 工业场地占地面积指标 井 型 万 t a 占地面积指标 公顷 10 万 t 240 及以上 1 0 120 180 1 2 45 90 1 5 9 30 1 8 4 1 3 开采水平的确定 本矿井主采煤层为 10 号煤层 其它煤层属急薄且不稳定煤层 近期暂不开 采可作为后备储量 10 号煤层属缓斜煤层 平均倾角为 3 2 煤层露头标高 480m 煤层埋藏最深处达 810m 垂直高度达 330m 因此必须采用两水平开采 根据 煤炭工业设计规范 规定 近水平煤层的阶段垂高为 200 350m 针对于 本矿井的实际条件 决定煤层的阶段垂高为 150m 左右 由于本矿井瓦斯及涌水比较大 所以否定了上下山的开采方案 考虑到阶段垂 高不能太大 所以本矿井最终采用两水平的开采方式 采用两个水平划分时 立井 开拓第一水平 二水平的延伸采用暗斜井延伸 4 1 4 主要开拓巷道 1 运输大巷的布置 22 运输大巷的布置考虑以下四种技术上可行的方案 布置一条岩石集中大巷在 10 煤层底板岩石中 布置一条煤层集中大巷在 10 煤层中 下面对以上两种方案进行经济比较 掘进费用 表 4 1 掘进费用 方案一 方案二 工程量 m 单价 元 m 费用 万元 工程量 m 单价 元 m 费用 万元 6000 岩石大巷 2702 52 1621 53 6000 2413 1447 81 4 400 石门 2702 52 432 45 3 400 2702 5 324 32 小计 2053 91 1772 11 表 4 2 维护费用 方案一 方案二 工程量 m 单价 元 am 费用 万元 工程量 m 单价 元 a m 费用 万元 6000 1240 11 1 2 11240 1 71 46 0 6 63920 70 6000 1778 82 1 2 1778 8 71 46 0 6 91687 89 表 4 3 损失煤柱费 方案一 方案二 损失煤柱量 t 单价 元 t 费用 万元 损失煤柱量 t 单价 元 t 费用 万元 0 0 0 70 6000 1 4 3 2 1881600 300 56448 表 4 4 运输费 方案一 方案二 工程量 tm 单价 元 tm 费用 万元 工程量 tm 单价 元 tm 费用 万元 1 2 6442 35 3 5 6 7 800 3 2 6 7 500 507 6902 88 0 381 193 43 1 2 6442 35 3 5 6 7 600 3 2 6 7 300 353070 8 66 0 38 134 52 表 4 5 费用总计 方案一 方案二 总费用 万元 66168 04 139125 61 经经济比较可看出方案一的费用最少 所以采用方案一 在 10 煤层底板岩石中 布置一条集中大巷 距煤层