矿井优化与设计课程设计说明.docx
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矿井优化与设计课程设计说明
河南理工大学自考助学
采矿优化设计
课程设计说明书
设计题目:
采矿优化设计
助学院校:
河南理工大学
自考助学专业:
采矿工程
姓名:
秦帅帅
自考助学学号:
040213201150
成绩:
指导教师签名:
河南理工大学成人高等教育
前言
课程设计是我们学生综合运用所学知识的一个重要实践过程，也是体现一个大学生对所学知识的归纳总结和运用能力，是一次对我们的综合素质及能力的培养。
通过课程设计可以锻炼和提高我们分析问题、解决问题的能力，培养和锻炼我们调查研究、查阅和运用科技资料从事科学研究的能力。
采矿工程课程设计是我们采矿专业学生对所学课程的基础理论知识和专业理论知识进行一次系统地总结，并结合实际条件加以综合运用，以巩固和扩大所学的知识，巩固和发展我们的运算和绘图的工程技能，培养和提高我们分析和解决实际问题的能力和素质，丰富我们的生产实际知识。
在课程设计中，通过对某一理论或生产实际问题的深入分析研究，培养、锻炼和提高我们的科技论文写作能力和科研能力。
本次设计是综合实际矿山条件，并在知道老师的帮助下适当降低难度的一次工程设计。
通过此次设计，使我们对矿山工作有了进一步的了解和掌握。
以为我们将来投身中国矿山事业注入了生机和活力。
由于本人现有的所学知识有限，所以在本设计中难免出现错误和不足，希望各位老师和同学们给予批评指正。
第1章矿井概述及井田地质特征
1.1矿区概述
1.1.1地理位置与交通
城郊井田位于河南省永城市境内，覆盖城关乡、城厢乡的全部及侯岭、双桥、十八里、将口乡的一部分。
南北长约5.4km，东西宽约3.5km，勘探面积约17km2，生产能力为1.5Mt/a。
矿井北临陈四楼井田，南接新桥井田，地理坐标为：
东经116º17′30″～116º25′21″，北纬33º53′52″～34º00′35″。
井田内地势平坦、交通方便。
永城市西北至陇海铁路商丘东站约95km，夏邑东站62km；东北至京沪铁路徐州车站约100km，东南至宿州车站约75km，距京九铁路的亳州车站55km，且均有柏油公路相通。
乡村之间公路相通（见图1-1-1）。
图1-1-1城郊矿交通位置图
1.1.2地形地貌
城郊井田位于淮河冲积平原的东部，地势平坦，海拔标高在+31～+35m之间，相对高差2～3m，微向东南倾斜。
区内新生界松散沉积物广泛分布，厚度一般为220m左右。
工业广场标高+35m。
1.1.3主要河流
城郊井田内地表水系不发育，仅有淮河支流的沱河从本区最北部自西向东流过，沱河源于商丘北侧响河，雨季流量剧增，旱季干涸无水，属季节性河流。
实测最高洪水位标高+34.79m，（1963年8月9日），年平均水位标高+30.39m，最大流量384m3/s（1963年8月9日），年平均流量一般为1～2m3/s。
其上游永城市段常年关闸蓄水，致使下游断流无水。
本区地处中纬34º附近，属半干旱、半湿润季风型气候，蒸发量大于降雨量，干湿差大，四季分明。
年平均气温14.3℃，日最高气温41.5℃，日最低气温为-23.4℃。
年平均降水量962.9㎜，年最大降水量1518.6㎜，年最小降水量556.2mm。
大气降水量多集中在7~8月份，可占全年降水量的50%以上，年蒸发量1808.9mm。
永城地区受地震影响不大，地震烈度小于6度。
1.2井田地质特征
1.2.1井田地形及勘探程度
本井田位于北北东向的永城隐伏背斜的一部分，总体为一向西偏南的单斜构造，倾角平缓，一般为4.3°～9.7°。
井田内大部分区段发育有宽缓褶曲，局部地层走向和倾向有波状起伏现象。
本井田累计完成钻孔335个，进尺191546.11米，其中本队施工钻孔305个，外单位施工钻孔30个，精查钻孔119个，综合验收评级结果甲级87个，占73.1%，乙级28个，占23.5%，丙级4个，占3.4%。
全井田共穿煤层729层次，见煤点质量评级结果，甲级249个，占34.2%，乙级479个，占65.7%，丙级1个，占0.1%。
打薄打丢的煤层均经测井补救合格。
本井田的勘探类型为二类（偏简单）二型。
依据规范规定的工业指标及同设计部门的水平划分方案，选择块段法计算储量。
1.2.2井田煤系地层概述及地质综合柱状
本井田含煤地层自下而上依次为上石炭统太原组，下二叠统山西组，下石盒子组及上二叠统上石盒子组，如图1-2。
1.2.3褶皱构造及断裂构造
井田内褶皱构造均属褶幅不大的隆起和凹陷。
主要有：
蒋阁向斜（短轴向斜）、马岗背斜（短轴背斜）、城郊向斜，其位于永城县城东关及城厢乡之东，马岗背斜之西总体走向近南北，两翼倾角10°左右，呈构造盆地状。
此外还有F14、F5两个断层，F14断层位于井田边界，控制长度约4.3km，走向北东80°左右，倾向北倾角70°，为一北盘下降的正断层，中断落差较大约65m。
F5断层位于井田东部，控制长度约5km，北端延出井田外趋于消失，走向北北东15°左右，倾向南东东，倾角80°，为一东盘下降的正断层。
总之，北北东向断层构造居主导地位，其次是近东西向构造，局部发育有北西向构造。
总体构造特征是以宽缓褶皱为主，伴随一定数量的断裂构造，且多集中在表现明显的背、向斜两侧。
北部由于受小褶曲的影响，呈波状起伏，走向变化较大。
地层产状总趋势向南西西方向倾斜，地层倾角一般在4.3˚～9.7˚,个别地段（东南部蒋阁向斜一带）达20˚～30˚。
褶皱和断裂构造呈北北东向和近东西展布。
1.2.4岩浆入侵及其对煤层的影响
本井田的岩浆岩与邻区相比，虽然种类不多，平均分布范围不大，但在岩体所及范围内的煤层煤质都有一定影响。
当岩浆岩进入煤系地层时，常会沿着较松软的煤层侵入，使煤层遭受不同程度的影响，对于本井田的主要可采煤层二2煤层影响不大，煤层基本上都可采。
晚古生代中基性岩浆岩活动比较强烈，并对煤层有一定的破坏作用。
1.2.5井田的水文地质特征
新生界松散层划分为四个含水层组及四个隔水层组，由于新生界底部砂层少，富水性又弱，与基岩之间有平均厚44.29m的粘土隔水层，对矿床一般无充水影响。
煤层顶板砂岩裂隙水是矿床主要直接充水的水源，但由于井田内砂岩富水性很弱，渗透性差，径流滞缓，补给源不足，故对将来的矿床开采一般不会造成太大的威胁。
太原组上段灰岩是开采二2煤层的间接充水含水层，二2煤底板下距K3（L11灰岩，平均厚1.64m）平均距离50m，距L8灰岩（平均厚10.49m）平均距离80m，L8上距L11一般平均在30m左右，其间又有泥岩，砂质泥岩相隔，基本无水力联系，因此，如不受断裂构造影响，正常情况下不会造成突水。
井田断层富水性微弱，具有一定的隔水性能，一般情况下不会发生大导水威胁。
综上所述，本井田是一个与外部水力联系微弱，补给不足的较完整的独立水文地质单元，开采煤层远离地表水体，无流水影响，间接充水岩层“灰岩”虽然单位涌水量较大，局部在断层处有与煤层对接的可能性，如留好煤柱，远离断层，一般是不会突水的，本矿井水文地质，工程地质条件属中等类型。
矿井正常涌水量1180m3/h，考虑上段灰岩突水，最大涌水量为1917m3/h，目前矿井涌水量为1100m3/h。
1.3煤层特征
1.3.1煤层埋藏条件
本井田的主要含煤地层有下二叠统山西组（P1s），煤层总厚度平均10.21m，总的含煤系数为5.93%。
下二叠统山西组（P1s）含二煤组，由1～3个分层组成，分层编号从下至上分别为二1、二2、二3，煤层平均总厚度为8.84m，含煤系数为3.8%。
下石盒子组（P1x）含三煤组，由4～7个分层组成，分层编号从下至上分别为三1、三21、三22、三3、三4、、三5、、、、三6及三7。
煤层总厚度为6.27m，含煤系数为9.0%。
井田内二2、三1、三22、、三4煤层为可采煤层，（详见表1-3-1，图1-3-1）。
煤层埋深大于235m时，煤层基本正常，但局部较深的部位有风化现象，参考邻区陈四楼井田所确定的风化带深度为21m，故认为本井田风化带的深度为20m合适。
表1-3-1煤层情况一览表
煤
组号
煤层编号
煤分
层
数
煤厚
最小～最大
平均
（m）
间距
最小～最大
平均
（m）
夹
矸
层
数
可采
情况
含煤系数
煤层稳定性
二煤组
二3
1
0.2～0.40
0.30
1.40～5.10
2.91
0
不可采
3.8%
不稳定
二2
1～2
６.３２～7.68
７
0～1
全区可采
稳定
23.0～40.08
30.47
二1
1～2
0.2～0.55
0.40
0～1
不可采
不稳定
图1-3-1城郊煤矿综合柱状图
1.3.2煤的特征
二2煤层属低灰分，特低硫，特低磷，高发热量，易选的优质无烟煤。
首先可作为化工用煤，包括气化用煤及发生炉煤气用煤和化肥用煤，其次作为动力用煤及民用燃料等。
表1-3-2可采煤层煤质特征表
煤层编号
煤质
牌号
原煤
精煤
Ad（%）
St.d（%）
Qnet.ad
（MJ/kg）
Ag（%）
Vr（%）
Cc（%）
Hr（%）
二2
WY
8.64～35.67
14.41
（178）
0.14～1.05
0.498
（8）
20.7～32.4
28.5
（155）
2.50～11.53
6.23
（147）
5.62～9.86
7.80
（145）
91.03～95.29
92.76
（98）
3.24～4.20
3.78
（101）
TR
13.32～15.01
14.35
（4）
0.10～1.00
0.49
（8）
29.6～30.4
29.9
（4）
3.97～8.96
6.58
（4）
10.03～10.72
10.41
（5）
90.52～91.70
91.23
（3）
3.94～4.19
4.05
（3）
注：
最小值～最大值/算术平均值（样品个数）
1.3.3其它开采技术条件
（1）煤层顶底板
三煤组煤层直接顶板，底板主要为薄层状泥岩，砂质泥岩，局部为粉砂岩，抗压强度一般小于600kg/cm2（局部大于600kg/cm2），稳定性差，管理有一定困难。
二2煤层直接顶，底板多为细中粒砂岩，厚层状泥岩（厚度一般大于5m），局部为砂质泥岩或落层状泥岩，抗压强度一般大于600kg/cm2，岩石的完整性，稳定性较好，顶板易于管理，底板一般不易发生底鼓。
（2）瓦斯、煤尘等
井田中各煤层沼气含量一般小于0.5cm3/g，属低沼气矿井。
各煤层均无煤尘爆炸危险。
各煤层均属不自燃发火煤层。
煤的硬度系数为f=0.92。
（3）地温
井田内地温仅随深度的增加而增加。
井田的平均地浊梯度为2.670C/100m，从地温梯度看，浅部地温梯度较高，深部地温梯度较低。
从二2煤层地温等值线图上看出，等温线与煤层底板等高线基本平行，二2煤层-500m以浅的地温一般低于26℃。
第2章井田境界和储量
2.1井田境界
2.1.1井田边界
井田划分的原则有：
（1）要充分利用自然条件划分井田；
（2）要有与矿区开发强度相适应的矿井数目和井田范围；
（3）照顾全局；
（4）为矿井发展留有余地；
（5）直（折）线原则；
（6）安全经济效果好；
根据以上的划分原则，再结合城郊矿的实际情况，将其边界做如下划分：
北西以正断层F14为边界；南东以正断层F5为边界；北东以煤层露头和永城集团人为划分的井田边界线-280m等高线为界；南以永城集团人为划分的-580m等高线井田边界线作为边界；
2.1.2井田边界扩大的可能性
由于本井田边界一部分以自然条件为划分依据，另一部分以永城集团根据矿井的发展战略而划分的。
在以两个正断层划分的边界处，F14断层落差达17-107m，F5断层落差达42-135m，并且这两处的煤层不很稳定，由此可见，这两处的边界均无扩大的可能性。
在人为划分的边界处，由于受相邻矿区的制约和社会上各方面的因素的影响，再加上本矿区集团总部的总体规划，这些边界处暂无扩大的可能性。
2.1.3井田划分结果
根据埋深、井田构造情况以及上述各项要求，本矿井井田境界确定如下：
井田的走向最大长度为5.5km，最小长度为3.8km，平均长度为4.65km。
井田的倾斜长度最大为3.3km，最小长度为2.8km，平均长度为3.1km。
煤层的倾角最大为8°，最小为4°，平均为6°。
井田的水平面积为17.6km²
2.2矿井工业储量
2.2.1井田勘探类型、钻孔及勘探分布
本井田的勘探类型当属中等偏简单构造，稳定到较稳定的煤层。
考虑习惯用法并参考相邻井田（勘探区）的经验，采用较为稳妥的作法以二类二型的基本线距进行勘探。
经过计算穿过本煤层的钻孔密度为2.70个/k㎡，使用合理。
根据本井田的地质报告，井田的勘探类型为二类二型,简单稳定划分各级储量的基本网度为：
A级一般500×500（米）
B级一般1000×1000（米）
C级一般2000×2000（米）
A、B级储量，允许跨越已经查明的单个断层，跨越时，断层两侧各留50米划分为C级储量。
A、B级储量不与风氧化带下界，插入的可采边界相接触，经查明煤层的平均厚度为7米。
2.2.2计算标高的划分
根据《煤炭工业设计规范》第2-6条，矿井的设计生产能力一般以一个生产水平来保证。
矿井设计生产能力在120-180万t/a的矿井，矿井第一水平设计服务年限一般不少于30a。
再结合本矿井的垂高和煤层厚度，按不同的标高计算的工业储量为：
风氧化带下界-280m～-440m，工业储量为8257.5万t；
-440m～-480m，工业储量为3076.5万t；
-480m～-580m，工业储量为5644.5万t；
2.2.3储量计算基础
1）根据井田地质报告提供的煤层储量计算图计算。
2）依据《煤、泥炭地质勘查》煤炭资源量估算指标中无烟煤为：
煤层最低可采厚度为0.8m，最高灰分为40%。
最高硫分为3%，最低发热量为22.1MJ/kg。
3）储量计算厚度：
加石厚度不大于0.05m时，与煤分层合并计算，复杂结构煤层的加石总厚度不超过每分层厚度的50%时，以各煤分层总厚度作为储量计算厚度。
4）井田内主要煤层稳定，厚度变化不大，煤层产状平缓，勘探工程分布比较均匀，采用分段块段的算术平均法。
5）煤层体积质量：
7号煤层的体积质量为1.49t/m³，8号煤的体积质量为1.55t/m³。
2.2.4工业储量计算
井田储量的计算公式：
（2-1）
式中α—煤层倾角,（º）
γi—煤容重,t/m3
Mi—煤层的总厚度,m
S—井田面积,㎡
所以Z=1.76×107×9×1.49/cos6°+1.76×107×8×1.55/cos6°
=4.57×108吨
2.3井田可采储量
2.3.1永久煤柱煤量
要计算井田可采储量，首先要确定各种永久煤柱损失。
永久煤柱一般是指保护工业广场和井筒的工业广场煤柱，井田境界和大断层两侧的井田境界煤柱和断层煤柱，以及保护地面建筑物、河流、铁路等而留设的保护煤柱等。
1）工业广场保护煤柱
受保护面积边界是由受保护建筑物和主要井筒的边界向外加上一部分备用量即维护带确定的。
受保护建筑物边界一般不是直接以被保护建筑物的外边界为准，而是取平行于煤层走向或倾斜方向的与受保护建筑物外缘相连的直线所围成的面积，作为受保护建筑物的边界。
地面建筑物和主要井筒的保护煤柱是从受保护的边界起，按基岩移动角β、γ和δ及表土层移动角Ø所做的保护平面与煤层的交线来确定。
煤层群开采时，应采用重复采动条件下的移动角值。
基岩移动角和表土层移动角如图2-3-1所示。
图2-3-1岩层移动角示意图
安全煤柱的留设与计算一般用垂直断面法求得。
煤柱的留设的计算方法与步骤如下：
a确定受保护面积
如图所示，在开拓平面图上通过建筑物四个角分别做平行与煤层走向和倾斜的四条直线，得矩形abcd。
在矩形的外缘加上20m宽的维护带，得受保护面积aˊbˊcˊdˊ。
图2-3-2用垂直断面法确定建筑物下安全煤柱
b确定受保护煤柱
通过受保护面积中心作一沿煤层倾斜剖面1在这个剖面上，由维护带的边缘点m1，n1起在表土层以Φ=45º划两条保护线，即m1m2，n121n2。
然后在基岩中在下山和上山方向按上山移动角γ=75º和下山移动角β=70º作保护线，与煤层相交得nˊ和kˊ，则通过nˊ和kˊ的走向线分别为保护煤柱的上部和下部边界。
以同样的方法在平行煤层走向的剖面2，按走向移动角δ=75º作保护线，得沿走向的煤柱边界AˊBˊ和CˊDˊ，将nˊkˊ和AˊBˊ，CˊDˊ均绘制在平面图上，即得保护煤柱边界ABCD。
煤柱是一个梯形。
c煤柱煤量计算
工业场地煤柱煤量=梯形面积*煤层平均厚度*煤层平均密度
工业广场面积的取值，依据设计井型大小按（表2-3-1）所列数值的规定选取。
表2-3-1工业广场占地指标表
井型（万吨/年）
指标（公顷/10万吨）
400～600
0.45～0.6
240～300
0.7～0.8
120～180
0.9～1.0
45～90
1.2～1.3
注：
指标中小井取大值，大井取小值
本矿井井型为400万吨/年，工业广场占地面积为：
400÷10×0.5×10000×＝2.0×105m2
设计工业广场形状为长方形，长为500m,宽为400m。
矿井的表土层厚度为80米，煤层平均倾角6º，δ=γ=75º，则β=70º，ɑ=6º，冲击层移动角Φ＝45º，围护带宽度为20m。
得S底=1/2×（801.2+865.5）×989.6=82.47×104m2
所以
7煤层工业场地煤柱量＝82.47×104×9×1.49＝11.0×106t
8煤层工业场地煤柱量＝82.47×104×8×1.55＝10.0×106t
总工业场地煤柱损失量＝21.0×106t。
2.3.2矿井可采储量计算
矿井可采储量的计算公式为：
（2-2）
式中
Z—矿井可采储量
Zc—矿井工业储量
P—各种永久煤柱煤量损失之和
C—采区回采率，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
所以
设计矿井可采储量为3.2×108t。
第3章矿井工作制度和设计生产能力
3.1矿井工作制度
矿井设计生产能力按工作日330d计算。
每天4班作业，每天净提升时间为16h。
因此，设计时按矿井年工作日330d，每天4班作业，每天提升能力为16小时设计。
随着社会进步和劳动制度改革，目前综采多采用四六制，每班工作六小时，三班出煤一班检修，以缩短煤矿工人的辅助劳动时间，以减轻工人的劳动强度。
所以本矿井计划采用“四六”工作制度。
3.2矿井设计生产能力及服务年限
对于储量丰富，地质构造简单，煤层生产能力大，开采技术条件好的矿区宜建设大型矿井。
当煤层赋存深，表土层厚，冲积层含水丰富，井筒需要特殊施工时，为扩大开采范围降低吨煤成本，建设大型矿井较为合理。
对煤层生产能力大，地形地貌复杂的矿区，工业广场不易选择和布置，为避免过多的地面工程，井型应当定大一些，
储量不丰富，煤层生产能力不大，或为薄煤层，或地质构造复杂，或有煤与瓦斯突出危险，宜建中小矿井。
由于本矿井煤层赋存较深，表土层较厚，且储量丰富，没有煤与瓦斯突出危险。
因此，可以设计为大型矿井。
综合考虑各方面因素，初步确定本矿井的设计生产能力为400万吨/年。
1）校核矿井煤层的开采能力是否满足设计生产能力的要求
矿井的开采能力取决于回采工作面和采区的生产能力，本矿井计划用一个采区的一个高产、高效工作面保证全矿井的产量。
主采煤层厚度9.0m，工作面长度200m，采煤机截深0.6m，每天进9刀，一年330d,工作面回采率90%，则综采面的生产能力是430.2万吨
由于掘进出煤约占矿井产量的10%，等于40万吨。
430.3+40=470.3>400万吨每年。
故能够满足矿井设计生产能力的要求。
2）校核各种辅助生产环节的能力
根据后面矿井运输提升部分的设计可知，矿井的各种辅助运输能力都能满足矿井生产能力的要求。
3）校核储量条件
矿井的设计生产能力应与矿井储量相适应，以保证矿井有合理的服务年限。
新建矿井及水平服务年限见表3-1。
表3-2-1矿井及水平服务年限表
矿井设计生产
能力（Mt/a）
矿井设计服务
年限（a）
第一水平设计服务年限/a
煤层倾角
0°～25°
煤层倾角
25°～45°
煤层倾角
45°～90°
6.0及以上
70
35
3.0～5.0
60
30
1.2～2.4
50
25
20
15
0.45～0.9
40
20
15
15
矿井服务年限可用下式计算：
（3-1）
式中
T—矿井设计服务年限，61.54a
Z—矿井可采储量，万t
A—矿井设计生产能力，万t/a
K—储量备用系数，这里取1.3
设计规范规定：
400万t/a大型矿井的服务年限不小于60a，开采倾角0～25º煤层的矿井，第一水平服务年限不小于30a，经校核储量条件满足设计生产能力的要求。
4）校核安全条件
全矿井瓦斯绝对涌出量为10.214m3/min，相对涌出量为1.790m3/t，二氧化碳绝对涌出量为22.349m3/min，相对涌出量为3.918m3/t，矿井瓦斯等级为低瓦斯矿井。
7煤层、8煤层自燃倾向性为自燃。
煤与瓦斯突出及冲击地压危险性小。
涌水量很大。
根据以上条件，本矿采用中央并列式通风，工作面采用U型通风。
在副井中铺设四趟排水管道可满足排水的要求。
煤自燃的预防，可在开拓、回采工艺、巷道布置、监测等方面来采取措施。
综上所述，本矿井的设计生产能力为400万吨/年。
第4章井田开拓
4.1井田开拓的基本问题
4.1.1确定井筒的形式、数目、配置
1）井筒形式选择的一般标准
煤层赋存和地形等条件具有平硐开拓条件时，应首先考虑采用平硐开拓。
当平硐以上煤层垂高或斜长过大时，多开地面出口有利时，可采用阶梯平硐开拓。
对于煤层赋存较浅，表土层不厚，水文地质条件简单的缓倾斜、倾斜煤层，应尽量采用斜井开拓。
各种提升方式的斜井井筒倾角一般规定如下：
串车提升≤25°
箕斗提升25-35°
输送机≤16°
对于有条件的矿井，在急需煤炭地区，其浅部可采用片盘斜井开拓，提前出煤，由小到大，然后集中斜井开拓。
片盘斜井可一个片盘生产，一个片盘准备。
采用立井开拓的一般条件为：
a煤层赋存较深或冲积层较厚时；
b水文地质条件复杂，井筒需要特殊施工时；
c多水平开拓的急倾斜煤层；
d其他井筒形式无法开拓的条件。
根据井田特点，结合地面布置，采用单一的开拓方式不能满足通风、安全生产、提升、运输时或单一开拓不合理时，可采用平硐—立井、平硐—斜井、斜井—立井等综合开拓方式。
第一水平采用立井开拓的大中型矿井，其延深方式可采用延深井筒方法开拓深部水平，或采用胶带输送机暗斜井和至延深副井的开拓方式。
当条件受限制时，主副井不能直接延深时，也可采用暗立井延深开拓方式。
大型矿井采用立井多水平开拓，而第二水平采用暗斜井延深时，暗斜井井筒个数、主副暗斜井的提升能力，以及通风安全等条件均应作详细计算，避免出现暗斜井能力不足，要特别注意副井提升能力的校
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