刘庄煤矿15 Mta新井设计高瓦斯煤层放顶煤安全开采与瓦斯治理新技术.docx
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刘庄煤矿15Mta新井设计高瓦斯煤层放顶煤安全开采与瓦斯治理新技术
编号：
（）字号
本科生毕业设计
姓名：
学号：
学院：
矿业工程学院
专业：
采矿工程专业
设计题目：
刘庄煤矿1.5Mt/a新井设计
专题：
高瓦斯煤层放顶煤安全开采与瓦斯治理新技术
指导教师：
职称：
副教授
二〇一二年六月
中国矿业大学毕业设计任务书
学院矿业工程学院专业年级采矿工程专业2008级学生姓名
任务下达日期：
年月日
毕业设计日期：
年月日至年月日
毕业设计题目：
刘庄煤矿1.5Mt/a新井设计
毕业设计专题题目：
高瓦斯煤层放顶煤安全开采与瓦斯治理新技术
毕业设计主要内容和要求：
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
题目：
刘庄煤矿1.50Mt/a新井设计。
井田走向长度约3.88~4.97km，倾向长度约1.67~2.37km，面积约9.152km2。
主采煤层为13-1、11-2、8、5和1号煤层，平均倾角为12°，平均厚度为18.5m。
井田工业储量为234.4Mt，可采储量为1147.14Mt，矿井服务年限为75.46a。
专题部分
题目：
高瓦斯煤层放顶煤安全开采与瓦斯治理新技术。
介绍我国放顶煤开采技术的发展过程，阐明放顶煤采煤法是一种既高产又安全的采煤方法。
对于高瓦斯煤层进行放顶煤开采，在硬顶煤和硬顶板特殊的地质条件下，必须采取特殊的措施才能安全开采。
翻译部分
题目：
CoalfaciesstudiesinSpain
院长签字：
指导教师签字：
摘要
本设计包括三个部分：
一般部分、专题部分和翻译部分。
一般部分为刘庄煤矿1.50Mt/a新井设计。
刘庄井田位于安徽省阜阳市。
东西走向长约3.88~4.97km，南北倾向长1.67~2.37km，面积约9.152km2。
主采煤层为13-1、11-2、8、5和1煤层，平均倾角为12°，平均厚度为18.5m。
井田工业储量为234.4Mt，可采储量为147.14Mt，矿井服务年限为75.46a。
矿井正常涌水量为250m3/h，最大涌水量为750m3/h。
矿井绝对瓦斯涌出量为27.46m3/min，属于高瓦斯矿井。
根据井田地质条件，提出四个技术上可行的开拓方案。
方案一：
立井一水平开采（岩石大巷）；方案二：
立井一水平开采（煤层大巷）；方案三：
立井两水平开采（岩石大巷）；方案四：
立井两水平开采（煤层大巷）。
通过技术经济比较，最终确定方案一为最优方案。
水平标高-700m。
设计首采区采用采区准备方式，工作面长度230m，采用一次采全高，矿井年工作日为330d，工作制度为“四六制”。
大巷采用胶带输送机运煤，辅助运输采用矿车运输。
矿井通风方式为中央分列式。
专题部分题目：
高瓦斯煤层放顶煤安全开采与瓦斯治理新技术，介绍我国放顶煤开采技术的发展过程，阐明放顶煤采煤法是一种既高产又安全的采煤方法。
对于高瓦斯煤层进行放顶煤开采，在硬顶煤和硬顶板特殊的地质条件下，必须采取特殊的措施才能安全开采；煤与瓦斯共采；煤与瓦斯突出动态预测技术；煤与瓦斯突出区域预测技术；瓦斯煤尘爆炸危险性预测评价技术。
翻译部分题目CoalfaciesstudiesinSpain西班牙的煤炭相关研究。
关键词：
立井；岩石大巷；采区布置；一次采全高；中央分列式。
ABSTRACT
Thisdesigncanbedividedintothreesections:
generaldesign,monographicstudyandtranslationofanacademicpaper.
Thegeneraldesignisabouta1.50Mt/anewundergroundminedesignofLiuzhuangcoalmine.LiuzhuangcoalmineliesinFuYangCity,Anhuiprovince..It’sabout3.88~4.97kmonthestrikeand1.67~2.37kmonthedip,withthe9.152km2totalhorizontalarea.Theminablecoalseamis13-1、11-2、8、5and1withanaveragethicknessof18.5mandanaveragedipof12°.Theprovedreservesofthiscoalmineare234.4Mtandtheminablereservesare147.14Mt,withaminelifeof75.46a.Thenormalmineinflowis250m3/handthemaximummineinflowis750m3/h.Theminegasemissionrateis27.46m3/min,theminebelongstohighgasmine.
Basedonthegeologicalconditionsofthemine,Ibringforwardfouravailableprojectsintechnology.Thefirstisverticalshaftdevelopmentwithonemininglevel（rock）;thesecondisverticalshaftdevelopmentwithonemininglevel（mine）;thethirdisverticalshaftdevelopmentwithtwomininglevels（rock）;thelastisverticalshaftdevelopmentwithtwomininglevels（mine）.Thefirstprojectisthebestcomparingwithotherthreeprojectsintechnologyandeconomy.Thelevelisat-700m.
Designedfirstminingdistrictmakesuseofthemethodoftheminingdistrictpreparation.Thelengthofworkingfaceis230m,whichusesfully-mechanizedcoalcavingminingmethod.Theworkingsystemis“four-six”whichproduces330d/a.
Mainroadwaymakesuseofbeltconveyortotransportcoalresource,andminecartobeassistanttransport.Thetypeofmineventilationsystemisseparateventilation.
ThemonographicstudyisHigh-gascoaltoCavingsafeexploitationandthegascontroltechnology
ThetranslatedacademicpaperisCoalfaciesstudiesinSpain
Keywords:
Verticalshaft;Therockroadway;Miningdistrictpreparation;Coalfull-heightmining;separateventilation
一般部分
1矿区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
刘庄井田位于安徽省阜阳市颍上县北部，南距县城约20km，西至阜阳市40km左右。
地理坐标介于东经116º07＇30"~116º20＇40"与北纬32º45＇00"~32º51＇15"之间。
井田内有简易公路多条，可达阜阳等地；井田外边东部有颍（上）~利（辛）公路经过，并有潘（集）~谢（桥）公路相接。
斜穿井田西南隅淮（南）~阜（阳）铁路，经由淮南和阜阳车站均可达全国各地。
流经井田西南外缘的颍河常年通航，并可转接淮河水运。
交通方便（见图1-1-1）。
图1-1-1交通位置示意图
1.1.2矿区气候条件
该地区年均气温15.115.1℃，两极气温分别为41.415.1℃和-21.715.1℃;全年一般春季多为东南及东风，秋季多东南及东北风，冬季多东北及西北风，风速一般为2.8~3.6m/s。
平均3m/s；年均降雨量926.33mm，最大1723.5mm，语气多集中在6、7、8三个月；学期一般在每年11月上旬至次年3月中旬，最大降雪量16cm；土壤的最大冻结深度为30cm。
1.1.3矿区的水文情况
济河自西北向东南流流经井田的东北部，至井田外的西淝河后汇入淮河，该河道宽约20m，水深1m左右，属排洪、灌溉的季节性河流。
其最高洪水位+25.90m，河堤标高+27.40m，区内无内涝现象。
1.2井田地质特征
1.2.1煤系地层
刘庄井田属于全隐蔽含煤区，钻探所及地层由老到新依次有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系和第四系（见表1-2-1）。
表1-2-1地层简表
地层
揭露厚度（m）
主要特征简述
界
系
统
组
新生界（Kz）
第四系
（Q）
全新统（Q4）
27．15-48.20
黄色砂质粘土，夹粉、细砂层
上更新统（Q3）
24.58-45.25
灰黄、锈黄色中、细砂层，间夹砂质粘土
中更新统（Q2）
0-419.00
上部为灰色粘土层，间夹细砂；中、下部为中细砂，间夹粘土层
下更新统（Q1）
0-115.70
上部为灰色致密粘土；下部为由具椭园状、角砾状的紫红色石英砂岩组成的碎石层
中生界（Mz）
三叠系（T）
最大304.34
以棕红、褐红和紫红色砂岩为主
古生界（Pz）
二叠系（P）
上统（P2）
石千峰组（P22）
平均125.00
浅灰、紫红、灰绿等杂色泥岩和砂岩
上石盒子组（P21）
平均535.00
灰色泥岩和砂岩，含煤10～20层，可采5层
下统（P1）
下石盒子组（P12）
平均109.00
灰色砂岩和泥岩，含煤10层，可采7层
山西组（P11）
平均75.00
灰黑色、深灰色泥岩和砂岩，含1层可采煤层
石炭系（C）
上统（C3）
太原组（C3t）
平均120.00
灰岩、泥岩和砂岩相间，含煤2～5层，薄而不稳定，均不可采
奥陶系（O）
中、下统（O1+2）
最大32.42
以厚层白云质灰岩为主，局部夹泥质条带。
寒武系（∈）
最大666.80
以鲕状灰岩、结晶灰岩和白云质灰岩为主，夹紫色泥岩和粉砂岩。
1.2.2井田地质构造
本井田位于淮南复向斜中的次一级褶皱——陈桥背斜之南翼，基岩由原地系统与推覆体两部分组成。
其中原地系统的总体形态为一轴向NWW的不对称向斜之西部转折端，北翼地层走向近东西，倾角浅陡（10°～20°）深缓（3°～5°）；南翼地层比较平缓，大部分为推覆构造所切割，形态保存不完整；转折端部分则呈窄小的马鞍平台，其两侧地层的走向呈相向凸出的弧形，分别向NW和SE两个方向倾斜。
按构造形态及断层分布情况，自西向东可分为F12～F14、F14～F19和F19～F5三部分。
推覆体为阜凤逆冲断层的上盘，主要由寒武系和石炭、二叠系组成，该部分地层走向混乱，倾向多变，规律性不明显。
精查地质资料和F22～F31块段高分辨率三维地震资料表明：
本井田共发现最大落差大于等于15m的断层80条，其中正断层72条，逆断层8条。
此外，尚有落差小于15m而大于等于5m的断层76条。
断层的展布方向以NE向为主，NWW向次之，NW向甚少。
主要断层特征见表1-2-2。
表1-2-2主要断层特征表
名称
性质
走向
倾向
倾角（°）
落差（m）
走向长度（km）
查明程度
备注
﹡F19
正
NE
NW
38~89
0~170
﹥7.4
查明
井田中部大断层
﹡F25
正
NE
SE
49~83
0~160
﹥6.4
查明
井田中部大断层
地系统的F14～F5块段内共有断层71条，其中正断层66条，逆断层5条。
按最大落差大小区分，大于等于100m的有6条，小于100m而大于等于50m的有8条，小于50m而大于等于30m的有18条，小于30m而大于等于15m的有39条。
此外，尚有落差小于15m而大于等于5m的断层若干条。
本井田原地系统的次一级褶曲不甚发育，但推覆体的煤系内却发育有两向两背的不对称紧密褶皱。
1.2.3水文地质条件
本井田基岩为厚度介于60～550m的南薄北厚的第四系松散层所覆盖。
按照沉积物的组合特征，可将第四系大致分为3个含水层（组）、2个隔水层（组）和1个碎石层。
其中中更新统孔隙含水组在井田中部与基岩直接接触，砂层平均厚度约235m，富水性中等，为基岩含水层的主要补给水源。
下更新统隔水组除在古地形隆起处缺失以外，大部分分布稳定，平均厚度40m左右，系其上、下含水层（组）间的良好隔水层。
底部的碎石层因厚度小、富水性很弱，即使局部上覆中更新统孔隙含水组直接相连，也不致于对矿井开采构成大的威胁。
二叠系砂岩裂隙发育不均，富水性弱，以储存量为主，补给水源贫乏，且在主要可采煤层与粘土岩之间，多呈不稳定分布，在自然状态下，含水层之间无密切的水力联系。
若被断层切割或受采动影响而致水力均衡遭到破坏时，上、下含水层可能互相沟通，从而导致局部砂岩裂隙水突溃现象的发生。
石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水组上部岩溶裂隙发育不均，富水性弱，具补给水源贫乏的储存量消耗型特征，但因其水压较高，上距1煤层较近（平均15m左右），故在开采1煤层时，若太灰的水头压力超过1煤层底板隔水层的抗压强度时，势必发生底板突水事故。
本井田的断层破碎带多以泥质岩屑为主，且含砂岩碎块，钻探过程中未见含水和泥浆漏失现象，正常情况下有一定的阻水作用。
若受采动影响而致断层活化，很可能成为矿井突水的主要途径。
综上所述，本井田的第四系中更新统孔隙含水组、二叠系砂岩裂隙含水组和石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水组对井下开采影响较大。
但是，只要在可采煤层的浅部留设适当高度的防水煤柱，第四系中更新统孔隙水一般不致于溃入矿坑而对煤层的开采构成大的威胁。
这样，二叠系砂岩裂隙含水组和石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水组便成为矿井开采的主要充水因素。
因此，在正常情况下，17-1～4煤层属裂隙类充水矿床，水文地质条件简单；1煤层属以岩溶裂隙底板进水为主类型充水矿床，水文地质条件中等。
井田主要水文地质特征见表1-2-3。
根据本井田的水文地质条件，运用比拟法和地下水动力学法预计的矿井涌水量为：
开采17-1～4煤层的正常涌水量为550m3/h，最大涌水量为750m3/h。
开采1煤层时太灰的正常突水量为126m3/h。
1.3煤层特征
1.3.1煤层
本井田的煤系地层为石炭、二叠系，其中二叠系的山西组与上、下石盒子组为主要含煤层段。
井田内二叠系的含煤层段总厚度约为719m，共含煤30余层，煤层总厚度32.82m，含煤系数为4.6%。
共有可采煤层13层，平均总厚度27.58m；其中13-1、11-2、8、5和1煤层为主要可采煤层，平均总厚度18.51m，占可采煤层总厚度的67.1%；17-1、16-1、11-1、9、7-2、6-1、5-1和4煤层为次要可采煤层，平均总厚度9.07m，占可采煤层总厚度的32.9%。
各可采煤层主要特征见表1-3-1。
表1-3-1可采煤层主要特征表
煤层
纯煤厚度（m）
最小~最大
平均
平均间距
（m）
顶板岩性
底板岩性
结构类
型
可采性
稳定性
备注
17-1
0.00~2.12
0.93
11.40
以泥岩、砂质泥岩为主，尚有粉砂岩和细砂岩
以泥岩、砂质泥岩为主
简单
部分可采
不稳定
16-1
0.39~2.22
1.34
以泥岩、砂质泥岩为主，尚有少量砂岩
以泥岩、砂质泥岩为主
简单
大部可采
较稳定
88.20
13-1
2.41~5.73
4.24
以砂质泥岩、泥岩为主、砂岩少量
以砂质泥岩、泥岩为主
简单~较复
杂
全区可采
稳定
70.00
11-2
1.37~5.40
3.29
以砂质泥岩、泥岩为主、砂岩少量
以砂质泥岩，泥岩为主，砂岩少量
简单~较复
杂
全区可采
稳定
2.90
11-1
0.00~2.60
0.83
浅中部为泥岩、砂质泥岩，
中深部为粉细砂岩
以泥岩、砂质泥岩为主，偶见粉砂岩
简单
局部可采
不稳定
13线以东全部可采
66.90
9
0.00~1.69
0.63
以泥岩、砂质泥岩为主，偶见粉砂岩
以泥岩、砂质泥岩为主
单一
局部可采
不稳定
15~31线间大部可
采
11.80
8
0.96~4.45
2.54
以泥岩、砂质泥岩为主、砂岩少量
以泥岩、砂质泥岩为主
简单
全区可采
稳定
5.40
7-2
0.00~1.92
0.75
以砂质泥岩、泥岩为主
以砂质泥岩、泥岩为主
简单
局部可采
不稳定
17线以东大部可采
26.60
6-1
0.00~3.86
1.48
以泥岩、砂质泥岩为主，粉、细砂岩少量
以砂质泥岩、泥岩为主
简单
大部可采
较稳定
10.80
5
0.00~7.70
4.24
以泥岩、砂质泥岩为主，细砂岩少量
以粉、细砂岩为主，泥岩少量
简单
大部可采
区段稳定
11线以西全部可采
2.20
5-1
0.55~3.00
1.51
以泥岩、砂质泥岩为主，中、细砂岩少量
以粉、细砂岩为主
简单
大部可采
较稳定
仅限于17线以东部
分
5.40
4
0.00~3.27
1.51
多为泥岩、砂质泥岩
多为泥岩、砂质泥岩
简单
大部可采
较稳定
90.10
1
0.00~9.39
4.20
以石英砂岩、中细砂岩为主
泥岩和砂质泥岩
简单
部分可采
区段稳定
27线以东大部可采
1.3.2煤质
本井田的可采煤层主要属中灰、低硫～特低硫、低磷～特低磷、高挥发份、中等发热量、具弱粘结性、高熔～难熔灰分和富油～高油的气煤，尚有极少量的1/3焦煤和1/2中粘煤。
各煤层均难洗选。
可作电力、配焦、化工、锅炉和生活用煤。
1.3.3主要可采煤层顶、底板岩石力学特征
本井田主要可采煤层的顶板，除1煤层以砂岩为主外，其余均以泥岩、砂质泥岩为主，少量为砂岩；其中泥岩的抗压强度较低，砂质泥岩稍高，砂岩比较高。
不同的岩性作为直接顶板的稳定性分类表明：
泥岩属不稳定类，砂质泥岩属不稳定～中等稳定类，砂岩属中等稳定～稳定类（见表1-3-3）。
底板多为泥岩和砂质泥岩。
由此可见，本井田主要可采煤层除1煤层外，顶板岩石的工程地质条件均比较差，巷道支护和顶板管理较为困难。
望有关部门加强对井下岩体工程地质研究，确保矿井建设与生产的安全。
表1-3-3主要可采煤层直接顶板稳定性分类
煤层
实测值
直接顶板分类
岩性
抗压强度（Mpa）
岩性
厚度（m）
稳定程度
13-1
泥岩
16.0～29.3
泥岩、砂质泥岩为主
泥岩0.28～9.43
不稳定
砂质泥岩
45.2～76.2
砂质泥岩0.53～7.17
不稳定～中等
砂岩>2.0
中等～稳定
11-2
泥岩
8.8
泥岩、砂质泥岩为主
泥岩0.47～4.62
不稳定
粉砂岩
96.7
砂质泥岩0.38～7.37
不稳定～中等
石英砂岩
101.0～125.5
砂岩>4.0
中等～稳定（局部无直接顶板）
8
泥岩
2.3
泥岩、砂质泥岩为主
泥岩0.57～6.67
不稳定
砂质泥岩
49.5
砂质泥岩0.55～8.78
不稳定～中等
细砂岩
96.4
砂岩>4.0
中等～稳定（局部无直接顶板）
石英砂岩
149.1～214.8
5
泥岩
13.2～44.3
泥岩为主
泥岩0.43～4.47
不稳定～中等
砂质泥岩
1.8
砂质泥岩0.70～12.55
不稳定
1
粉、细砂岩
72.0
石英砂岩为主
粉、细砂岩0.99～6.81
中等
砂质泥岩0.35～2.61
不稳定
石英砂岩2.07～24.47
稳定～坚硬（半数以上无直接顶板
1.3.4瓦斯
本井田自基岩界面向下垂深平均约210m为瓦斯风化带与瓦斯带的分界面。
从据各主要可采煤层的瓦斯含量与煤层埋深之间的相关关系式计算的不同水平平均瓦斯含量来看，13-1和5煤层的瓦斯含量较大，11-2和8煤层较小。
各主要可采煤层分水平平均瓦斯含量及瓦斯梯度情况见表1-3-4。
表1-2-5各主要可采煤层分水平平均瓦斯含量表单位：
m3/t
煤层
水平（m）
13-1
11-2
8
5
1
-500
1.54
1.13
0.15
0.64
0.13
-600
2.44
1.62
0.72
1.97
1.03
-700
3.34
2.11
1.29
3.30
1.93
-800
4.24
2.60
1.86
4.63
2.83
-900
5.14
3.09
2.43
5.96
3.73
-1000
6.04
3.58
3.00
7.29
4.63
梯度（m/m3/t）
111
204
175
75
111
2井田境界和储量
2.1井田境界
2.1.1井田范围
刘庄井田位于安徽省阜阳市颍上县的北部，南距颍上县城20km，西至阜阳市40km。
井田范围：
东以F31断层以东200m到700m为界；西以F25断层为界；南自13-1煤层-1000地板等高线的地面投影线，北至1煤层隐伏露头。
东西走向长约3.88~4.97km，南北宽1.67~2.37km，面积约9.152km2。
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。
根据已看勘探的煤种以气煤为主，本矿井设计对13-1、11-2、8、5和1煤层进行开采设计，其中13-1、11-2、5和1煤层为厚煤层，8煤层为中厚煤层，顶板以砂岩泥岩、泥岩为主、砂岩少量，底板以砂质泥岩、泥岩为主，顶底板比较稳定。
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
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