【正文】 前 言 山西省霍州煤電集團(tuán)汾河三交河煤礦位于洪洞縣萬(wàn)安鎮(zhèn)的左木村西側(cè)，為股份制企業(yè)。山西省國(guó)土資源廳換發(fā)的采礦許可證批準(zhǔn)該礦開(kāi)采 2上 、 2 下 、 11號(hào)煤層。 礦井采用平硐、立井聯(lián)合開(kāi)拓方式，主平硐擔(dān)負(fù)煤炭運(yùn)輸，輔助運(yùn)輸，排水、供電，人員運(yùn)輸及進(jìn)風(fēng)任務(wù)，兼做礦井的一個(gè)安全出口；楊坡回風(fēng)立井擔(dān)負(fù)五采區(qū)的回風(fēng)任務(wù)，兼做五采區(qū)的第二個(gè)安全出口；金山溝回風(fēng)立井擔(dān)負(fù)三采區(qū)的回風(fēng)任務(wù)，兼做三采區(qū)的第二個(gè)安全出口。 井田分二個(gè)水平開(kāi)拓 ,一水平 (+975m 水平 )開(kāi)采上組煤 (2 上 、 2 下 號(hào)煤 ),二水平 開(kāi)采 下 組煤 ( 11 號(hào)煤 層 ),目前開(kāi)采上組煤，后期延深開(kāi)采下組煤。 上組煤現(xiàn)生產(chǎn)采區(qū)為三、五采區(qū)，根據(jù)五采區(qū)準(zhǔn)備巷道揭露煤層條件分析， 2 上 與 2 下 號(hào)煤層在五采區(qū)北翼南部合并 (層間距小于 )，合并區(qū)走向長(zhǎng)度 7001000m。五采區(qū)南翼 2 上 與 2 下 號(hào)煤層基本全部合并，因此合并區(qū)以五采區(qū)南翼為主。 為了合理開(kāi)采合并區(qū)，提高煤炭資源回收率，實(shí)現(xiàn)安全高效，受霍州煤電集團(tuán)及三交河煤礦委托，我院與煤炭科學(xué)研究總院太原分院合作編制三交河煤礦五采區(qū) 2 上 號(hào)和 2 下 號(hào)合并區(qū)開(kāi)采設(shè)計(jì)，采區(qū)生產(chǎn)能力 。 一、編制設(shè)計(jì)的依據(jù) 1． 采掘工程平面圖及礦方提供的有關(guān)資料； 2．國(guó)家有關(guān)煤炭工業(yè)的規(guī)程、規(guī)范和技術(shù)政策等： (1)全國(guó)人大常委會(huì) 1992 年頒發(fā)的《中華人民共和國(guó)礦山安全法》； (2)國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局、國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局 2021 年頒發(fā)的《煤礦安全規(guī)程》； (3)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局和建設(shè)部 2021 年發(fā)布的《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī) 范》 ,(GB502152021)； (4)《礦山電力設(shè)計(jì)規(guī)范》； (5)原中國(guó)統(tǒng)配煤礦總公司中煤總安字 [1990]第 171號(hào)文《煤礦井下粉塵防治規(guī)范》 (試行 )； (6)全國(guó)人大常委會(huì) 1996 年頒發(fā)的 《中華人民共和國(guó)煤炭法》； (7)國(guó)務(wù)院 1996 年批準(zhǔn)的《中華人民共和國(guó)礦山安全法實(shí)施條例》； (8)其他有關(guān)法律法規(guī)。 3． 設(shè)計(jì)委托書(shū)。 二、存在的主要問(wèn)題與建議 建議加強(qiáng)生產(chǎn)礦井地質(zhì)工作，全面搜集井下資料，查明古窯老空及采空區(qū)積水、積氣情況 ,及時(shí)建立有關(guān)臺(tái)帳、卡片，進(jìn)行綜合編錄，根據(jù)地質(zhì)規(guī)律預(yù)測(cè)回采工作面地質(zhì)條件，并對(duì)頂板巖性做物理力學(xué)測(cè)試工作。 第一章 采區(qū)概況及地質(zhì)特征 第一節(jié) 采區(qū)概況 一、采區(qū)概況 五采區(qū)位于井田西側(cè)，西、北、南部以井田邊界為界，采區(qū)東部以三、五采區(qū)的采 空區(qū)為界。 五采區(qū)開(kāi)采上組煤 2 上 、 2 下 號(hào)煤層。 據(jù)調(diào)查，采區(qū)內(nèi)東部存在古窯老空及采空區(qū)，建議礦方加強(qiáng)探掘工作，探清古窯老空及采空區(qū)的范圍，為工作面的布置及接替提供可靠的資料。 第二節(jié) 地質(zhì)特征 一、煤層及構(gòu)造 1． 2 上 、 2 下 號(hào)煤層結(jié)構(gòu)與厚度 直接頂：為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部相變?yōu)榉凵皫r，夾煤線，灰黑色，含植物化石，厚度 210m。 老頂：為 K8中砂巖，厚度 315m，灰白色中粗粒長(zhǎng)石砂巖，中厚層狀，致密堅(jiān)硬，裂隙發(fā)育，工作面頂板節(jié)理發(fā)育，砂泥巖交互處頂板破碎。 煤層結(jié)構(gòu)為： ()()，煤層結(jié)構(gòu)柱狀如表 121。 其中： 2 上 號(hào)煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，厚度穩(wěn)定，平均厚度 。 2 上 號(hào)與 2 下 號(hào)煤層間距 ，平均 ，巖性為泥巖，質(zhì)軟 ,遇水軟化成泥狀。 2 下 號(hào)煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度變化大，上部煤分層厚 ，平均厚度，中部夾石厚度變化大 ，平均厚度 ，巖性為泥巖、砂巖，較堅(jiān)硬，下部煤分層厚度較小， ，平均厚度 。 煤層底板： 煤層底板大部分為泥巖，質(zhì)較軟，局部為細(xì)砂巖，質(zhì)硬。本次設(shè)計(jì)對(duì)煤層底板 比壓進(jìn)行了測(cè)試，為支架選型提供更加可靠的數(shù)據(jù)。 煤層結(jié)構(gòu)柱狀圖 表 121 地層 巖石名稱(chēng) 最小厚度 最大厚度 平均厚度 (m) 巖性描述 山西組 2 上 號(hào)煤層老頂 315 8 為 K8中砂巖，灰白色中粗粒長(zhǎng)石砂巖，中厚層狀，致密堅(jiān)硬，裂隙發(fā)育。 2 上 號(hào)煤層直接頂 210 3 為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部相變?yōu)榉凵皫r，夾煤線，灰黑色，含植物化石。 2 上 號(hào)煤層 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,厚度穩(wěn)定 2 上 號(hào)與 2 下 號(hào)煤層間距 (合并區(qū) ) 泥巖 ,質(zhì)軟，遇水軟化成泥狀。 2 下 號(hào)煤層上分層 中部夾石 泥巖，砂巖 ,較堅(jiān)硬 2 下 號(hào)煤層下分層 2 下 號(hào)煤層底板 大部為泥巖，質(zhì)較軟，局部為細(xì)砂巖，質(zhì)硬。 五采區(qū)未發(fā)現(xiàn)大的斷層，在巷道掘進(jìn)和回采過(guò)程中揭露數(shù)條落差小于6m 的斷層。對(duì)采區(qū)巷道布置和工作面布置影響不大。 二、煤質(zhì) 根據(jù)三采區(qū)采取的煤樣以及五采區(qū)所收集的資料，五采區(qū) 2號(hào)煤層物理性質(zhì)及宏觀煤巖特征： 黑色塊狀，條帶狀和粒狀結(jié)構(gòu)，呈弱瀝青光澤，該煤層屬低灰 中灰，特低硫 低硫，高 特高熱值焦煤。 三、水文地質(zhì) 根據(jù)礦井多年開(kāi)采實(shí)踐，井下涌水量很小，只有在雨季涌水量較大。 據(jù)井下現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，五采區(qū)巷道干燥，涌水量很小。水文條件屬簡(jiǎn)單。 四、開(kāi)采技術(shù)條件 1． 煤層頂 、 底板特征 煤層頂 、 底板特征 見(jiàn)前述介紹，五采區(qū)現(xiàn)綜采工作面回采 2 上 號(hào)煤層，一次采全高，頂板管理采用全部垮落法。根據(jù)開(kāi)采實(shí)踐，頂板初次來(lái)壓步距為 30m, 周期來(lái)壓步距為 14m，頂板較易管理。 2．瓦斯 五采區(qū)所采的 2 上 、 2 下 號(hào)煤層由于埋藏較淺，瓦斯含量 低，但由于部分地段煤層直接頂板泥巖較薄， K8 砂巖距煤層較近，砂巖中裂隙發(fā)育，常有瓦斯積聚。采煤工作面的絕對(duì)瓦斯涌出量因工作面長(zhǎng)度以及其他各種因素影響而有所不同，礦井日產(chǎn)煤 5334t 時(shí)，礦井絕對(duì) CH4 涌出量為 m3/min ，相對(duì) CH4涌出量 ，絕對(duì) CO2涌出量為 m3/min ，相對(duì)CO2涌出量 ，屬低瓦斯礦井。其中五采區(qū)日產(chǎn)煤 2021t，絕對(duì) CH4涌出量為 ，相對(duì) CH4涌出量 ，絕對(duì) CO2涌出量為 m3/min ，相對(duì) CO2涌出量 ， 當(dāng)五采區(qū)生產(chǎn)能力達(dá)到 ，經(jīng)計(jì)算絕對(duì) CH4 涌出量為。 3．煤塵及煤的自燃 傾向 根據(jù)山西省煤炭工業(yè)局檢測(cè)中心 2021 年 6 月 27 日檢驗(yàn)報(bào)告 ,該礦 2號(hào)煤層煤樣火焰長(zhǎng)度為 400mm、巖粉用量均為 80%，煤塵有爆炸危險(xiǎn)性。 2 號(hào)煤層吸氧量 ,自燃傾向?yàn)?II類(lèi) ,屬自燃煤層。 4． 地溫 本區(qū)屬地溫正常區(qū)。 第二章 采區(qū)巷道布置及采煤方法 第一節(jié) 采區(qū)邊界及儲(chǔ)量 一、采區(qū)邊界 五采區(qū)位于井田西側(cè)，西、北、 南部以井田邊界為界，采區(qū)東部以三、五采區(qū)的采空區(qū)為界。 二、采區(qū)儲(chǔ)量 1．資源儲(chǔ)量 五采區(qū) 2 上 號(hào)煤層資源 /儲(chǔ)量為 Mt；五采區(qū) 2 下 號(hào)煤層資源 /儲(chǔ)量為 Mt。 2．可采儲(chǔ)量 采區(qū)可采儲(chǔ)量計(jì)算公式如下： 可采儲(chǔ)量 =(工業(yè)儲(chǔ)量 永久煤柱損失 )179。采區(qū)回采率 式中 :永久煤柱損失量為保護(hù)井筒、村莊和為保證安全生產(chǎn)的井田邊界、大巷等留設(shè)的煤柱損失量。 采區(qū)回采率根據(jù)《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定選取，中厚煤層80%。 經(jīng)計(jì)算，五采區(qū)剩余可采儲(chǔ)量為 。 三、采區(qū)煤柱 五采區(qū)膠帶運(yùn)輸巷、軌道 巷之間留 25m煤柱 , 回風(fēng)巷、軌道巷之間留35m 煤柱 ,巷道兩側(cè)留 35m 煤柱，采區(qū)邊界兩側(cè)各留 10m，順槽之間留 20m煤柱。井筒按Ⅰ級(jí)保護(hù)，村莊按Ⅲ級(jí)保護(hù)，再根據(jù)表土層和基巖厚度 (表土移動(dòng)角 45176。，基巖移動(dòng)角 70176。 )計(jì)算保安煤柱。 第二節(jié) 采區(qū) 生產(chǎn)能力及服務(wù)年限 五采區(qū)生產(chǎn)能力 ，年工作日 330d，每天 四 班作業(yè)， 三 班生產(chǎn)，一班準(zhǔn)備，日凈提升時(shí)間 16h。 1．五采區(qū)生產(chǎn)能力 大采高綜采工作面投產(chǎn)后，五采區(qū)以 1個(gè)工作面和 2個(gè)掘進(jìn)工作面保證 。 2．服務(wù)年限 經(jīng)計(jì)算五采區(qū) 2 上 和 2 下 號(hào)煤層剩余可采儲(chǔ)量 ，按 Mt/ a生產(chǎn)能力計(jì)算剩余服務(wù)年限。 五采區(qū)剩余服務(wù)年限按下式計(jì)算： T= KAZK? 式中 ： T—— 剩余 服務(wù)年限， a； ZK —— 可采儲(chǔ)量， Mt； A—— 采區(qū) 設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力， Mt/a； K—— 儲(chǔ)量備用系數(shù)，取 。 則采區(qū)剩余服務(wù)年限為 : A 礦 = KAZK? = ? = 經(jīng)計(jì)算五采區(qū)的剩余服務(wù)年限為 。 第三節(jié) 采煤方法 一、采煤方法的選擇 1. 采煤方法的比選 五采區(qū)現(xiàn)在采區(qū)北翼布置 1個(gè)走向長(zhǎng)壁綜采工作面，開(kāi)采 2 上 號(hào)煤層。采高 ,工作面長(zhǎng)度 200m。 2 上 與 2 下 號(hào)煤層在五采區(qū)北翼南部合并 (層間距小于等于 )，夾矸為泥巖，質(zhì)軟，遇水軟化成泥狀。具備單一煤層開(kāi)采條件，走向長(zhǎng)度7001000m，五采區(qū)南翼 2 上 與 2 下 號(hào)煤層基本全部合并， 2 上 與 2 下 號(hào)煤層合并層最小厚度 (含夾矸 ) m, 最大厚度 (含夾矸 ) m。 2 下 號(hào)煤層分為上下兩個(gè)分層，中間夾矸 ，平均 , 為泥巖、砂巖，較堅(jiān)硬， 2 下 號(hào)煤層屬于優(yōu) 質(zhì)焦煤，市場(chǎng)需求量大。 近幾年，煤礦井下工作面裝備快速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)化程度不斷提高，尤其是大采高綜合機(jī)械化采煤方法的應(yīng)用在神華集團(tuán)、晉城煤業(yè)集團(tuán)所屬煤礦的使用中取得了很大的成功，晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河煤礦一次采全高最大采高已達(dá)到 。為了提高三交河煤礦的資源回收率，提高礦井的綜合經(jīng)濟(jì)效益，根據(jù) 2 上 與 2 下 號(hào)煤層的賦存條件， 2 上 與 2 下 號(hào)煤中間夾矸較軟， 2 下 號(hào)煤層中間夾矸較堅(jiān)硬，但節(jié)理裂隙發(fā)育。設(shè)計(jì)推薦在五采區(qū)南北兩翼合并區(qū) (夾矸小于等于 )采用大采高綜合機(jī)械化采煤方法。 五采區(qū) 2 號(hào)層合并區(qū) (夾矸小于等于 )一次采全高，頂板管理采用全部垮落法。 (1) 工作面長(zhǎng)度 確定綜采工作面長(zhǎng)度應(yīng)充分考慮地質(zhì)條件與工作面技術(shù)裝備水平，工作面長(zhǎng)度的增加，有利于減少輔助作業(yè)時(shí)間，降低巷道掘進(jìn)率；有利于提高開(kāi)機(jī)率、采區(qū)回采率、工作面單產(chǎn)，從而提高工作面效率。工作面地質(zhì)條件優(yōu)越，煤層傾角小、厚度大、頂?shù)装宸€(wěn)定，可將工作面長(zhǎng)度適當(dāng)加大。機(jī)械化裝備水平越高，要求工作面生產(chǎn)能力越大，工作面長(zhǎng)度要與生產(chǎn)能力相適應(yīng)。工作面長(zhǎng)度越長(zhǎng)，對(duì)工作面機(jī)械設(shè)備的可靠性的要求越高。確定工作面長(zhǎng)度，還應(yīng)考慮頂板管理，煤層瓦斯含量以及工作面 通風(fēng)等因素，條件受限時(shí)，工作面長(zhǎng)度不宜過(guò)大。 綜合考慮，確定三交河礦五采區(qū) 2 號(hào)層合并區(qū)大采高工作面長(zhǎng)度為200m。首采 505工作面順槽巷道已掘成，工作面長(zhǎng)度 200m。 (2)工作面推進(jìn)長(zhǎng)度 提高工作面推進(jìn)長(zhǎng)度，可減少工作面搬家次數(shù)，為工作面連續(xù)穩(wěn)定高產(chǎn)創(chuàng)造條件，推進(jìn)長(zhǎng)度受地質(zhì)因素、順槽膠帶強(qiáng)度、巷道掘進(jìn)方式及煤層煤柱和邊界條件的制約。我國(guó)普通綜采工作面的推進(jìn)長(zhǎng)度一般為1000m1200m，高效工作面長(zhǎng)度達(dá)到 1500m3000m，按照三交河煤礦合并區(qū)生產(chǎn)能力要求，大采高工作面推進(jìn)長(zhǎng)度五采區(qū)北翼約 1100m，南翼約 2700m，大采高工作面主要分布在南翼。 二、工作面采煤、裝煤、運(yùn)輸方式及設(shè)備選型 綜采工作面的采、裝、運(yùn)、支工序全部采用機(jī)械化。 從目前綜采的發(fā)展趨勢(shì)看，設(shè)計(jì)安全高效的綜采面要求加大工作面的長(zhǎng)度，加大截深，選用能切割硬煤的特大功率采煤機(jī)，提高采煤的截割速度，相應(yīng)要求提高移架速度，與大運(yùn)量的重型可彎曲刮板輸送機(jī)相匹配，加強(qiáng)端頭支護(hù)，采用長(zhǎng)距離順槽膠帶輸送機(jī)。針對(duì)上述要求，對(duì)于綜采系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮了以下原則： ①機(jī)械設(shè)備的選擇首先滿足技術(shù)先進(jìn)，生產(chǎn)可靠，提高綜采設(shè)備的開(kāi)機(jī)率，達(dá)到安全高效。同時(shí)各設(shè)備間要相 互配套，保證運(yùn)輸暢通，并增加運(yùn)輸環(huán)節(jié)的緩沖能力，以期達(dá)到采運(yùn)平衡，最大限度地發(fā)揮綜采優(yōu)勢(shì)。 ②為綜采工作面創(chuàng)造快速連續(xù)開(kāi)采的條件，加大工作面推進(jìn)長(zhǎng)度，減少搬家次數(shù)，并保證快速搬家。同時(shí)做到采準(zhǔn)工作快，增大巷道斷面特別是順槽斷面，采用掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，利用頂板完整，煤層比較堅(jiān)硬的條件，采用樹(shù)脂錨桿支護(hù)，以提高掘進(jìn)速度，保證工作面的接替要求。 ③對(duì)輔助運(yùn)輸系統(tǒng)，要求系統(tǒng)簡(jiǎn)單、環(huán)節(jié)少，把工作人員及材料快速方便地運(yùn)送至工作地點(diǎn)，作為提高工作面生產(chǎn)能力的一個(gè)重要因素考慮，并在巷道布置上加以保證。 綜采工作面總體配套設(shè)計(jì)包含 以下內(nèi)容： ①成套設(shè)備生產(chǎn)能力、技術(shù)參數(shù)的配套計(jì)算和校核； ②根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)對(duì)工作面長(zhǎng)度和巷道斷面進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化； ③工作面成套設(shè)備的合理布置。 由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴，后期維護(hù)成本高，而國(guó)產(chǎn)設(shè)備目前已能夠滿足厚煤層綜采工作面的要求，并且在國(guó)內(nèi)很多礦井得到應(yīng)用，因此本次設(shè)計(jì)工作面設(shè)備中液壓支架 (電液控制系統(tǒng)進(jìn)口 )、刮板輸送機(jī)立足國(guó)產(chǎn)，為了滿足進(jìn)度的要求，采煤機(jī)也選用國(guó)產(chǎn)設(shè)備。 大采高工作面主要采煤設(shè)備選擇分述如下： 1．采煤機(jī) (1)采煤機(jī)截深 合理確定采煤機(jī)截深，可充分發(fā)揮綜采設(shè)備的效率，提高開(kāi)機(jī)率。加大截深有 利于提高循環(huán)產(chǎn)量，但增加了采煤機(jī)的運(yùn)行阻力，降低了采煤機(jī)的運(yùn)行速度，對(duì)頂板管理不利。目前，我國(guó)綜采面采煤機(jī)截深一般為，高效工作面一般為 。 由于該合并層工作面煤層中有 2層夾石，其中 1層夾石為泥巖、砂巖，截