3103综采放顶煤工作面设计说明书.docx
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3103综采放顶煤工作面设计说明书
第一章编制依据
1、《煤矿安全规程》
2、《煤矿综采放顶煤工作面安全技术规定》
3、山西长治县雄山常蒋煤业有限公司生产技术管理制度
4、山西长治县雄山常蒋煤业有限公司初步设计说明书
5、煤矿采煤方法设计说明书
6、3#煤层采区地质说明书
7、3#煤层综采工作面巷道布置图
第二章工作面概况
井田中部及南部有基岩出露，松散层分布也较为广泛，受剥蚀后形成众多黄土陡坎及沟壑。
地貌类型划分为低山丘陵地带。
井田内沟谷纵横，山梁绵延，沟深坡陡，地形较复杂。
总的地势为中东部高，南、北、西三面低；地形最高点位于井田中南部的山梁，海拨高程1178.7m，地形最低点位于井田西北沟谷，海拔高程约983.0m，最大相对高差195.7m。
本工作面设计开采矿井+895m水平，3103工作面位于矿井东南部的3号煤未采区。
工作面以东为3102工作面采空区，以南为红山边界，以北为3#实体煤。
开采对地面无大的影响。
煤层平均厚度5.3m，南北走向长783米，倾斜长度120米。
工作面对应的地表地面相对位置为山地，无村庄、河流及其它建筑物。
工作面以东为西山边界，已开采；以南为红山边界，未开采；以北为3#实体煤。
第三章煤层地质特征
一、煤层特征
井田内主要含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组。
含煤地层总厚162.48m，含煤10～13层，可采煤层2层，煤层总厚8.90m，含煤系数5.48%。
山西组为一套陆相含煤地层，平均厚度50.28m，含煤1～3层，总厚度5.85m，含煤系数11.6%；其中3号煤层在井田内稳定可采，煤层平均厚度5.33m，可采含煤系数10.6%。
太原组为一套海陆交互相含煤地层，平均厚度119.38m，本组含煤7～10层.
3号煤层位于山西组下部，上距下石盒子组底砂岩（K8）38.35m，下距K7砂岩8.37m左右，据该矿井下及钻孔揭露开采情况，煤层厚度4.90～5.75m，平均5.33m。
属稳定可采煤层。
煤层结构简单，有时下部含一层薄层泥岩夹矸。
根据地质填图资料，该煤层在井田中部有露头出露，井田西部为剥蚀无煤区。
煤层直接顶板为灰黑色泥岩，老顶为厚层砂岩，底板为灰黑色泥岩、砂质泥岩，该煤层属全通井田稳定可采煤层。
该矿现在开采此煤层。
工作面开采煤层属二叠系山西组下部的三号煤层，煤层赋存稳定，煤厚变异较小，煤层结构较为简单。
煤层厚度4.90~5.75m，平均5.33m；煤层倾角2°－19°，普氏硬度系数f＝0.2－2。
工作面煤质牌号为PM。
容重为1.45t/m3。
可采煤层特征表
含煤
地层
煤层
煤层厚度（m）
煤层间距
（m）
夹矸
层数
稳定性
可采性
顶底板岩性
赋存
部位
顶板
底板
P1S
3
简单
（0～1）
稳定
井田分布
区可采
泥岩
泥岩
山西组下部
C3T
15
简单
（0～1）
稳定
井田分布
区可采
泥岩
泥岩
铝质泥岩
太下部系组
二、煤层顶、底板情况
序号
顶板名称
岩石名称
厚度（m）
岩性特征
备注
1
直接顶
灰黑色泥岩
9.0～60
灰黑色硬度较小，节理较发育，水平层理
9.9
2
基本顶
砂质泥岩
13～26
灰黑色，主要以厚层砂岩为主
23.4
3
3#煤层底板
黑色砂质泥岩
3～10.3
黑色砂质泥岩或泥岩，层理发育；
8.52
4
直接底
黑色泥岩
0.2～1.6
黑色粉砂质泥岩或泥岩，含煤纹；
1..21
三、煤层地质构造
本区处于晋获褶断带的东缘，赵村向斜的西翼（向斜轴部位于井田东外边缘），地层总体呈向东倾斜的单斜构造。
地层产状80～120°，倾角7～15°。
东南部地层倾角较大，最大倾角可达26°，中部地层产状由于受断层影响，变化较大。
断层：
井田中部发育两条（F1、F2）走向北东的断层，为区域晋获褶断带在区内的反映。
F2形成期应稍晚于Fl，北端尖灭在F1上。
F1正断层：
走向NE，倾向SE，倾角80°，断距45～50m。
断层东侧，（上盘）出露山西组地层，西侧中段出露太原组9号煤及老顶黄水沟砂岩，南、北段为第四系覆盖。
该断层斜穿井田西部，井田内延伸长度1100m。
F2正断层：
走向NNE，倾向NWW，倾角75°，断距约85m，断层东侧（下盘）出露山西组地层，西侧出露下石盒子组底部砂岩。
该断层北端与F1断层相交，井田内延伸长度480m。
F3正断层：
在3号煤层巷道开掘遇见一小型正断层，走向NEE，倾角10°，断距约10m，延长约500m。
井田内未发现陷落柱等其它构造现象，亦未发现有火成岩侵入体。
综上所述：
该区构造属简单类型。
四、水文地质
1、煤层含水情况
本区奥灰岩溶含水层埋深大，奥灰水位均在+628m左右，本3号煤开采区域最低标高在+810m左右，因此不受承压水开采影响。
井田内主要隔水层
（1）、石炭系上统太原组15号煤层底板至中统本溪组底隔水层
岩性主要为灰绿色泥岩、铝质泥岩及砂质泥岩组成,厚度12.40-20.40m,平均17.00m，透水性差,平行不整合于峰峰组石灰岩岩溶裂隙含水层之上,阻隔15号煤层采空区与下伏奥陶系中统灰岩岩溶裂隙含水层的水力联系。
根据西山煤矿ZK3-2号钻孔岩石物理力学性质试验成果，泥岩、铝质泥岩抗压强度8.4—14.4MPa，抗拉强度0.41—0.75MPa，孔隙率1.97—3.56%，含水率0.65—1.84%。
经过沁水煤田开采实践，如果没有构造破碎带影响、奥灰含水层水头压力不大，则该隔水层具有较好的隔水性能。
（2）、太原组15号煤层顶板石灰岩层之间隔水层
主要由灰黑色泥岩、砂质泥岩组成、粉砂岩、细砂岩组成，据钻孔柱状统计,分层厚度多为0.5—6.8m，分布于各石灰岩含水层之间，起层间隔水层的作用。
据西山煤矿ZK3-2号钻孔岩石物理力学性质试验成果，泥岩、砂质泥岩、粉砂岩真密度2584—2681kg/m3,视密度2492—2607kg/m3,含水率0.7—1.84﹪,孔隙率2.61—4.3﹪，普氏系数1.2—3.8，单向抗压强度为10.0-38.4Mpa，具有一定的隔水能力。
如果下伏煤层采空形成导水裂隙，失去隔水性质。
（3）、二叠系3号煤层顶底板砂岩含水层层间隔水层
主要由3号煤层顶底泥岩、砂质泥岩、粉砂岩等组成,分层厚度多为0.3—5.6m，呈薄—厚层状分布于各砂岩含水层之间,形成平行复合结构,起层间隔水作用。
如果下伏煤层采空形成导水裂隙，失去隔水能力。
本井田3号煤层已经大部分采空，但15号煤层采空区较小，因此，其上覆的隔水层破坏较小，层间含水层的隔水能力较好，起层间隔水作用。
2、地表河流
井田范围内无常年性河流以及较大的地表水体，黄土沟谷平时干涸，雨季短时洪水流过。
兼并重组整合后的工业场地最低标高1028m、主斜井井口标高1038.29m、副斜井井口标高1033.50m、回风斜井井口标高1049.50m、均位于周边排洪冲沟历史最高洪水位1024.32m以上，地表洪水对矿井井口工业场地直接充水影响不大。
3、地面雨雪水
大气降水是地下水的主要补给来源，也是矿井水的主要补给来源，本矿属于地下开采矿井，降水一般是通过补给第四系松散岩类孔隙含水层或基岩风化带含水层转变为地下水，再进入矿井中，它是间接充水水源。
大气降水对矿井的作用取决于降水量本身大小以及充水含水层接受降水的条件，矿井充水都直接或间接与大气降水有关。
在生产过程中揭露的断层以及其它未查明的构造，具有一定的富水性和导水性；此外井田地面已形成采空塌陷区，地表分布有地裂缝，大气降水、矿坑排水、农田灌溉水等地面短暂水流会沿地裂缝直接灌入地下，尤其是在持续暴雨时往往会对矿井的正常生产形成较大影响。
4、涌水情况
矿井涌水主要来自地表降水和采空区积水。
建矿以来矿井未发生突水事故，无突水量。
但在掘进及回采过程中要坚持有疑必探、先探后采掘的原则进，必须要保证井下排水设施完好，保证足够的排水能力。
五、煤质
3号煤外观为黑色、灰黑色、金刚光泽，阶梯状、贝壳状断口，条带状结构，块状构造，内生裂隙发育。
宏观煤岩类型为半光亮型煤，煤岩组分以亮煤为主，夹有镜煤条带和少量的暗煤。
显微煤岩特征:
镜质组煤岩组分以无结构镜质体为主，其次为结构镜质体。
前者均呈均质镜质体分布，并构成镜质亮煤条带；后者呈团块状、透镜状分布。
据王庄详查资料：
镜质组：
3号煤层以无结构镜质体为主，其次为结构镜质体。
显微组分定量分析镜质体含量为40～75%，一般在60%以上，半镜质体含量为0～10%，前者呈均质分布，并构成镜亮煤条带，后者呈团状分布。
稳定组：
3号煤层偶见小孢子体，角质体。
丝质组：
3号煤层组分定量为10～45%，以丝质体为主。
多呈团块状，与半镜体质一起构成不规则的似透镜状、线里状。
其次为丝质体，多呈结粒状，少量呈磷屑状、透镜状。
矿物质：
以粘土矿物为主，含量一般小于10%，呈星点状，团块状集合体。
3号煤层镜质组最大反射率为2.08～2.44%，属高度变阶段—相当于贫煤阶段。
井田3号煤层为中灰、特低硫、高热值之贫煤。
煤对CO2反应低、中等结渣。
固定碳含量高，为良好的动力、化工用煤。
六、影响回采的其它因素
序号
项目
内容
定性分析
备注
1
瓦斯
0-0.98m³/t（煤瓦斯相对涌出量）
低瓦斯矿井
2
煤尘
煤尘爆炸指数34.21%
具有爆炸性
3
裂隙
发育情况
较发育
组数
不确定
组数
不确定
4
煤的自燃
Ⅲ级
不易自燃煤层
5
地温
地温17.4～22.7℃，平均19.37℃
6
普氏硬度f
煤层
夹矸
直接顶
直接底
1-2
3-4
3-4
3-4
七、工作面煤层生产能力
根据公式：
P=h×γ=5.3×1.45=7.68t/m2
式中：
P-----煤层单位生产能力单位：
t/m2
h------回采高度单位：
m
γ-----煤的容重单位：
t/m3
故该工作面煤层的生产能力为7.68t/m2。
八、与邻近煤层间距及邻近工作面巷道关系
工作面以东为西山边界，已开采；以南为红山边界，未开采；以北为3#实体煤。
九、煤层的冲击地压
本工作面内的3#煤层无冲击地压，预计对回采不会产生影响，但在回采过程中要预防周期来压对工作面的影响。
十、工作面采动后对矿井或地面的影响预测和采取的措施。
工作面为实体煤。
由于该工作面所回采的煤层地表附近无任何建筑物和管线及公路，故工作面采动只会造成3#煤层的地表塌陷坑进一步扩大面积，不会对矿井和地面造成其它影响。
第四章工作面储量及回采率
该工作面开采的阶段高度：
+860-+920最大为60m，工作面两顺槽平均：
783m；切眼长度：
120m；可采长度：
700m；斜面积：
80615m2；煤层平均厚：
5.33m；煤体容重：
1.45t/m3；设计回采率：
93％。
工作面地质储量：
Q=L×M×H×γ=700×120×5.33×1.45＝62.3t（万吨）
式中：
Q----工作面地质储量单位：
万吨
L----工作面走向长度单位：
m
M----煤层平均宽度单位：
m
H----回采高度单位：
m
γ----煤的容重单位：
t/m3,取1.45
根据国家规定，结合我矿的实际情况和兄弟矿的经验，确定该综采放顶煤工作面的回采率为85%。
故可采储量Q可=Q×n=623033t×93％＝57.9万吨
式中：
Q可----工作面可采储量单位：
万吨
Q-----工作面地质储量单位：
万吨
n-----回采率取93%
第五章采煤方法及回采工艺
一、采煤方法的选择
依据井田开拓布置及开采煤层赋存条件及开采技术条件。
结合煤炭工业新技术和相关的产业政策，设计提出长壁大采高一次采全高综采采煤法、长壁放顶煤一次采全高综采采煤法和人工假顶长壁分层综采采煤法三种采煤方法进行比较：
1、长壁大采高一次采全高综采采煤法，目前我国综采一次采全高采煤技术已经成熟，液压支架和相应的采煤、运输设备制造及配套应用已经普及，且综采的优点是：
（1）工作面单产高，增产潜力大。
（2）工作面设备少，工序简单，易管理。
（3）成本低，经济效益好。
（4）生产环节少，安全隐患小。
（5）高产、高效、掘进率低、材料消耗量低。
其缺点是：
（1）设备投资较高档普采高。
（2）支架重量大，井下搬运相对较困难。
2、长壁放顶煤一次采全高综采采煤法
开采实践证明，综采放顶煤开采已成为我国开采厚煤层的最有效、经济效益最好的采煤方法，是我国实现高产高效矿井建设的有效的技术途径，山西煤炭运销集团长治分公司下属煤矿采用长壁放顶煤一次采全高综采采煤法开采厚煤层已有丰富的经验。
长壁放顶煤一次采全高综采采煤法开采与人工假顶长壁分层综采采煤法及长壁大采高一次采全高综采采煤法相比具有以下优越性：
（1）由于长壁放顶煤一次采全高综采采煤法可以实现采放平行作业，使工作面实现多点同时出煤，便于实现工作面高产高效。
（2）相对于人工假顶长壁分层综采采煤法可降低巷道掘进率，可节省至少30%的巷道掘进与维护费用，避免了采掘接续紧张的情况出现。
同时，工艺简单，不用铺设人工假顶，节省了大量的材料、工资等支出，工作面搬家次数也可减少50%。
（3）相对于长壁大采高一次采全高综采采煤法而言，可避免因设备的大型重型化而带来的工作面设备运输与安装的困难，节省了扩巷及运输设备改造的支出。
同时，由于煤层节理裂隙发育，顶板稳定性较差，采用综放开采可减轻工作面煤壁片帮冒顶的威胁。
（4）长壁放顶煤一次采全高综采采煤法对煤层地质条件有很好的适应性。
实践证明，综采放顶煤可在缓倾斜煤层中适应煤层厚度变化（4m—20m）。
对落差不超过割煤高度的断层，对破碎顶板及“三软”煤层与分层开采和长壁大采高一次采全高综采采煤法相比有更好适应性。
（5）块煤率提高，售价增加。
长壁放顶煤一次采全高综采采煤法的吨煤效益一般可比分层铺网综采多12—18元，经济效益显著。
但长壁放顶煤一次采全高综采采煤法也有其自身无法避免的缺陷，主要表现在以下四个方面：
（1）煤尘大，比分层开采高出1—3倍，甚至更高；
（2）回采率偏低，一般在80%左右，造成一定的煤炭损失；
（3）自然发火问题尚未得到很好的解决；
（4）对高瓦斯矿井，瓦斯涌出量大，有局部积聚的危险，且工作面过风断面较小，难于实现高产高效。
3、人工假顶长壁分层综采采煤法，在平均厚度为5.33m的厚煤层中采用人工假顶长壁分层综采采煤法与采用长壁大采高一次采全高综采采煤法和长壁放顶煤一次采全高综采采煤法相比，在以下几方面具有一些突出的特点：
（1）分层开采时，回采巷道的掘进率比其他两种采煤方法高一倍，巷道的维护时间较长，这将大幅度地增加吨煤巷道成本；
（2）分层开采需铺设金属网作为下分层假顶，工序复杂，材料消耗大，用工多，吨煤生产成本高；
（3）分层开采搬家频繁，设备搬家倒面费用比其它两种采煤方法高30—50%；
（4）设备租赁占用时间长一倍；
（5）工作面产量和工效低，对于5.85m厚煤层开采而言其工作面产量和工效仅为放顶煤开采的50%；
（6）采煤总耗电量大于其他两种采煤方法，尤其是放顶煤采煤方法；
（7）分层开采的块煤率大大低于放顶煤开采，是煤炭售价降低；
（8）由于煤层厚度有变化，分层开采时下分层的回采厚度难以控制，因此容易造成回采困难，回采率将降低。
经以上分析比较，设计根据3号煤层厚度变化，从减小矿井巷道工程量和矿井设备投资，是否有利于矿井防灭火等因素考虑，推荐放顶煤一次采全高综采采煤法。
根据地质资料，井田3煤层4.90~5.75m，平均5.33m。
故首采工作面采高为2.2m，放煤高度3.13m，采放比为1：
1.43。
工作面后退式回采，全部垮落法管理顶板。
二、回采顺序
本工作面按自南向北的顺序后退式进行回采。
三、工作面长度确定
根据现+895水平3#煤层轨道巷到采区边界，确定工作面长度为783m。
四、截深的确定
根据3#煤层的生产能力和我矿现有提升运输能力以及采煤机的性能情况，截深定为0.6m为宜。
五、工作面设备选择及确定
1、工作面采煤机选型
根据地质资料，井田3煤层4.90~5.75m，平均5.33m。
故首采工作面采高为2.2m，放煤高度3.13m，采放比为1：
1.43。
（1）采煤机平均落煤能力：
Qm≥
式中：
Q——工作面日割煤能力，t/d；850t/d。
L——工作面长度，m；125m。
I——采煤机开缺口行程，m；取30m。
k——采煤机开机率，%。
取30%。
Cg——工作面采煤机割煤回收率，%；取95%。
Td——采煤机返向时间，min；取2。
B——采煤机截割深度，m；0.6m。
Hg——平均割煤高度，m；2.2m。
γ——实体煤容重，1.45t/m3。
代入参数计算：
Q≥
=99.6t/h
（2）采煤机平均割煤速度
Vc3号煤=
=
=0.87m/min
（3）采煤机最大生产能力和最大割煤速度
Qmax=kc·Qm
式中：
Qmax——采煤机最大落煤量，t/h；
kc——采煤机割煤不均衡系数，取1.4。
则：
Qmax=1.4×99.6=139.4t/h
又：
Vmax=kc·Vc
式中：
Vmax——采煤机最大割煤速度，m/min。
Vmax=1.4×0.87=1.22m/min
（4）采煤机截割功率
按采煤机单位能耗计算采煤机功率为：
N=60kb·B·Hg·Vmax·Hw
式中：
N——采煤机截割功率，kW；
kb——备用系数，取1.3；
Hw——采煤机割煤单位能耗，本矿取Hw=0.75kW·h/m3。
则：
N=60×1.3×0.6×2.2×1.22×0.75=94.2kW
考虑矿井3号煤的煤层厚度等因素，设计选用MG160/391-WD型采煤机，经计算，满足设计要求。
主要技术参数如下：
MG150/375-W型采煤主要技术参数
型号
采高
（m）
电机功率
（kW）
滚筒直径
（m）
截深
（mm）
牵引速度
（m/min）
机面高度
（mm）
重量
（t）
MG160/391-W
1.6-2.6
391
1.6
600
0-6
1180
27
2、可弯曲刮板输送机
工作面可弯曲刮板输送机要满足三个方面的要求：
一是运输能力要与采煤机的瞬时产量相匹配并留有余地；
二是外形尺寸和牵引方式与采煤机相匹配；
三是运输机长度与工作面长度一致，矿井工作面长度125m。
考虑上述因素，工作面刮板输送机选用SGZ630/220型可弯曲刮板输送机两部。
可弯曲刮板输送机技术特征表
设备型号
设计长度
（m）
输送能力
（t/h）
刮板链速
（m/min）
适应煤层倾角
（°）
电机功率
（kW）
电压等级
（V）
SGZ630/220
145
400
1.01
0～18
110×2
1140/660
3、顺槽转载机、破碎机和顺槽带式输送机
顺槽转载机、破碎机的转载、破碎能力要求与工作面的生产能力相适应，并要求与工作面刮板输送机和顺槽可伸缩胶带输送机相配套，为此选用SZB-764/132型桥式转载机和PCM110型破碎机。
转载机技术特征表
设备型号
设计长度
（m）
输送能力
（t/h）
链速
（m/min）
电机功率
（kW）
电压等级
（V）
备注
SZB-764/132
40
800
1.34
132
1140/660
破碎机技术特征表
设备型号
破碎能力
（t/h）
最大输入块度
（mm×mm）
最大排出粒度
（mm）
电机功率
（kW）
电压等级
（V）
备注
PCM110
1000
800×800
300
110
1140/660
顺槽带式输送机技术特征表
设备型号
运输能力t/h
运距（m）
运输m/s
电机功率
（kW）
电压等级
（V）
备注
SSJ800/2×75
800
1000
2.0
2×90
1140/660
综采工作面主要设备
设备名称
设备型号
功率（kW）
双滚筒采煤机
MG160/391-WD
375
放顶煤液压支架
ZF3800/16/26
过渡液压支架
ZFG4000/16/26
可弯曲刮板运输机
SGZ-630/220
2×110
转载机
SZB-764/132
132
破碎机
PCM110
110
可伸缩带式输送机
SSJ800/2×75
2×75
乳化液泵站
WRB-315/31.5
200
喷雾泵站
ZPB250/6.3
37
单体液压支柱
DZ35-20/110Q
4、工作面顶板管理方式及支护设备选型
（1）回采工作面顶板管理方式：
全部垮落法。
（2）采用估算法和经验公式进行支护设备选型：
根据地质报告可知，矿井3号煤层厚度4.90~5.75m，平均5.33m。
故回采工作面采高为2.2m，放煤高度3.13m。
（1）估算法
P=
×9.8×10-3
=
×9.8×10-3
=0.41Mpa＜0.55MPa。
式中：
P——支架支护强度，MPa；
M——最大采高，取2.2m；
γ——煤层顶板岩石容重，取2.6t/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。
（2）经验公式
P=αM1γ1×9.8×10-3+M2γ2×9.8×10-3
=6×2.2×2.6×9.8×10-3+3.13×1.45×9.8×10-3
=0.38MPa＜0.80MPa。
式中：
α——顶板岩性相当于采高的倍数，取6。
M1——最大采高，取2.2m；
γ1——煤层顶板岩石容重，取2.6t/m3；
M2——顶煤厚度，取3.13m；
γ2——煤层容重，取1.45t/m3；
ZF3800/16/26型放顶煤液压支架支护强度0.55MPa＞0.41Mpa。
根据液压支架工作阻力计算数据，结合3号煤层赋存情况、煤层厚度及选用的采煤方法，工作面支护选用ZF3800/16/26型放顶煤液压支架，支架支护高度1.6～2.6m，工作阻力为3800kN，支护强度为0.55MPa。
工作面过渡支架选用ZFG4000/16/26型液压支架。
回采工作面端头采用四对八梁支护，超前支护采用DW35型单体柱配DFB4000/300C型π型钢梁，超前支护距离暂按20m考虑。
ZF3800/16/26型放顶煤液压支架主要技术特征
序号
技术特征
技术参数
序号
技术特征
技术参数
1
型式
四柱四连杆支撑掩护式
7
立柱
双伸缩4根
2
支撑高度
1.6～2.6m
8
中心距
1.50m
3
初撑力
3000KN
9
工作阻力
3800KN
4
支护强度
0.55MPa
10
对底板比压
1.0-1.5MPa
5
质量
14t
11
泵站压力
31.5MPa
6
操作方式
本架操作
12
适应煤层倾角
≤25
（3）超前支护：
由于工作面回采过程中矿压显现明显，必须进行超
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