一采区保护层开采设计

山东科技大学 2012 级采矿工程专业毕业论文1一采区保护层开采设计采矿工程 2012 级（2）班 摘 要：百灵煤矿是一个双突矿井，矿井的采掘活动必须严格按照防治煤与瓦斯突出规定 ，制定区域综合防突措施和局部综合防突措施。区域综合防突措施应当优先采用开采保护层。保护层的开采、保护层的瓦斯治理对矿井的安全生产起着决定性的作用。目前百灵煤矿保护层瓦斯治理技术研究还处在一个空白区域，怎样进行保护层的开采，实现保护层的瓦斯治理达标，是一个迫切需要解决的问题。论文根据百灵煤矿的瓦斯地质条件设计出百灵煤矿一采区保护层开采方案，保护层保护范围和保护层开采顺序，针对百灵煤矿在开采保护层过程中可能遇到的煤与瓦斯突出问题，确定了保护层掘进防突、回采瓦斯抽放技术等研究内容。根据保护层煤与瓦斯突出危险性，制定保护层掘进期间综合防治煤与瓦斯突出措施。 根据保护层瓦斯赋存和涌出情况，设计保护层瓦斯抽放方案：保护层本煤层顺层钻孔抽放，顶板岩石穿层钻孔抽放、底板岩石穿层钻孔抽放、采空区埋管抽放。根据保护层和被保护层间的层间距，优化钻场布置、设计钻孔参数，有效预防保护层回采期间的瓦斯突出和瓦斯超限，降低被保护层的瓦斯压力，使之变为非突出煤层。 关键字：煤与瓦斯突出；保护层开采设计；防突；瓦斯抽放山东科技大学 2012 级采矿工程专业毕业论文21前言内蒙古庆华集团阿拉善百灵煤炭有限责任公司（以下简称“百灵煤矿”），井田位于贺兰山煤田呼鲁斯太矿区百灵井田的北中段。行政区隶属于内蒙古阿善左旗宗别立苏木（乡）管辖。井田范围的地理座标为东经 1061305-1061521，北纬 391112-391307。矿井的可采储量为 6372 万吨，设计生产能力为 1.8Mt/a，服务年限为 27.2a。百灵煤矿于 2013 年 6 月份通过矿井验收，取得六证一照，正式投入矿井的安全生产。百灵煤矿共含煤 12 层，其中主采煤层为 2#、3#、6#、7#、8#五层煤。据基础资料，从建矿至今尚未发生过煤与瓦斯突出现象。但从已掘区域的钻孔施工情况看，局部地点存在喷孔或夹钻等动力现象。矿井在 2011 年 8 月 20 日施工 1208 胶带运输石门穿煤 3 层打钻孔过程中有瓦斯动力现象存在，且邻矿乌兰煤矿为煤与瓦斯突出矿井。2011 年经河南理工大学鉴定，百灵煤矿 2#和 3#煤层为煤与瓦斯突出煤层，内蒙古庆华集团百灵煤炭有限责任百灵煤矿鉴定为煤与瓦斯突出矿井。2012 年 8 月份由中煤科工重庆煤科院对百灵煤矿 5#、6#、7#、8#、9#煤层突出危险性进行鉴定。鉴定结果表明，百灵煤矿 5#、6# 煤层不具有突出危险性，7#、8#、9# 煤层均具有突出危险性，为突出煤层。6#煤层不具有突出危险性，可以作为一采区保护层进行首先开采。因此本设计依据防治煤与瓦斯突出规定 、 保护层开采技术规范 、 矿井抽放瓦斯工程设计规范等规定，就一采区保护层采掘部署、开采顺序、区域防突及局部防突措施、瓦斯抽采设计、瓦斯治理等方面提出切合矿井实际的解决方案，达到有效控制煤与瓦斯突出灾害的目的。2矿井概况及地质特征2.1 矿井概况2.1.1 交通位置阿拉善百灵煤炭有限责任公司百灵煤矿井田位于贺兰山煤田呼鲁斯太矿区百灵井田的北中段。行政区隶属于内蒙古阿善左旗宗别立苏木（乡）管辖。井山东科技大学 2012 级采矿工程专业毕业论文3田范围的地理座标为东经 1061305-1061521，北纬 391112-391307。百灵煤矿位于呼鲁斯太镇以南约 4km。乌（达）巴（音浩特）公路由矿区境内的北部通过，并于矿区公路接线。经乌巴（314 线）公路北至乌海市约70km；南距阿拉善盟巴音浩特镇约 86km；东南距宁夏石嘴山市 40km。另外，包（头）兰（州）铁路的支线平（罗）汝（箕沟）铁路从矿区内通过，矿井经公路至呼鲁斯太车站约 4km。区内交通尚属便利，有利于矿区的开发。2.1.2 矿井储量及生产能力2005 年由内蒙古自治区第八地质矿产勘查开发院，对百灵煤矿煤炭资源储量进行调查核实，经过现场勘查、核实和计算，百灵井田南北长 3.755km，东西宽 1.75km，面积为 6.11km2。矿井地质储量 8968 万 t，可采储量 6372 万 t。根据 2008 年兰州煤炭设计研究院对百灵煤矿做的矿井初步设计，矿井生产能力为 1.8Mt/a，服务年限为 27.2 年。2.1.3 矿井生产系统1、提升运输系统百灵煤矿矿井开拓方式为斜立混合方式，主井担负运煤，副井担负提升矸石、设备和材料等辅助提升任务、行人副斜井上下人员。主井选用 DX120/60/3450 型 1200mm 大倾角强力胶带运输机，带速3.5m/s。副井提升选用 JK-42.4/30E 型单滚筒缠绕式提升机，配 Z500-3A 型直流电动机（630kW，730r/min） ，提升容器为 1.5tU 型固定车箱式标准矿车，最大提升速度为 4.85m/s。2、供电系统地面 35KV 变电所主变双回路供电，安设两台型号为 SF10-10000/35/6.3KV变压器。井下中央变电所双回路供电，安设两台 KBSG-400、6/0.69KV 变压器。采区变电所双回路供电，安设两台 KBSG-800、6/0.69KV 动力变压器，一台KBSG-315、6/0.69KV 风机专用变压器。3、排水系统中央泵房选用 MD280-657 型水泵，共三台，一台工作、一台备用、一台检修。电动机功率 630kW，单机排水能力为 280m3/h,扬程为 455m。山东科技大学 2012 级采矿工程专业毕业论文4主排水管路安装在主斜井筒，规格长度：245*8 无缝钢管2*400m,245*10 无缝钢管：2*630m。4、通风系统矿井采用中央分列式通风，通风方式为机械抽出式。立井地面安设FBCDZ32/2400 型防爆对旋轴流式通风机二台，最大排风量为 14400 m3/min。三条斜井进风，一条立井总回风，现矿井总进风量 7357 m3/min，总回风量 7618m3/min。主斜井进风 1691 m3/min，材料副斜井进风 4505m3/min，行人斜井进风 1161 m3/min。矿井通风负压为 1300Pa，矿井等积孔 2.03m，属于通风容易矿井。5、瓦斯抽放系统矿井形成了高、低压瓦斯抽放系统。地面永久高负压瓦斯抽放系统，永久瓦斯抽放泵站安装了 2BEC62 型水环式真空泵二台，电机功率 355kw，最大抽气量为 280m3/min，通过立井井筒瓦斯抽放管路连接至井下 1320、1260、1200 三个水平，然后连接各采掘工作面。井下低负压瓦斯抽放系统，井下 10201 工作面建立了低负压瓦斯抽放系统，瓦斯抽放泵站设在 1320 回风石门，瓦斯抽放泵型号为 2BE3-400 型水环式真空泵二台，电机功率 110kw，最大抽气量 93.3m3/min。6、压风系统现地面安设四台压风机，其中一台水冷式，三台风冷式（SA250W） ，单台排气量为 38.2m3/min，压力为 1.05MPa,满足了矿井生产的需要。7、防灭火系统（1）注氮系统：在地面工业广场安装 DM-1200 型地面固定式制氮装置二套，其中一套工作，一套备用，电机功率 22kW，电压 380V；单台设备生产氮气量 1200m3/h。（2）注浆系统：在地面风井井口附近建有 150m3的泥浆搅拌池，安设泥浆泵二台、清水泵二台、润滑泵二台及灌浆泵房。通过立风井、1320 轨道运输石门到工作面回风巷，通过 DN125 的普通钢管到达工作面采空区。8、安全监测、监控系统百灵煤矿安装一套 KJ160N 矿用安全、生产监测系统。人员监测系统与山东科技大学 2012 级采矿工程专业毕业论文5KJ160N 系统共用一根下井电缆，其系统为 KJ251B。9、通讯系统目前百灵煤矿已装备了一套行政、调度合一的全数字程控调度交换机，用于矿井内部行政及调度用户通信。通信设备置于新建成的综合办公楼内，实现井上下的通讯联络。10、消防洒水、除尘系统井下消防、除尘水源来自地面高位蓄水池，经主斜井133 无缝钢管，再经各水平石门114 管路接至各施工迎头。2.2 地质特征2.2.1 井田内主要地层及地质构造（一）地层本区划分为华北地层区，鄂尔多斯地层分区，贺兰山桌子山小区，出露地层比较全。区内出露的主要地层从下至上有太古界（贺兰山群） 、震旦系（西勒图组） 、寒武系、石炭系（太原组） 、二叠系（山西组）三叠系（延长组）、侏罗系、第四系（更新统、全新统） ，缺少白垩系和新近系（第三系）地层。其中石炭系太原组和二叠系山西组为百灵井田的含煤地层。（二）井田内主要构造井田内构造不甚发育，主要包括褶皱和断层构造。1、褶皱构造区内褶皱构造主要发育于古生和中生代地层中，呈宽缓的背、向斜形式。本区的褶皱构成与成矿关系不密切，部分含煤地层的褶皱转折端煤层有加厚或变薄现象，但总体分析井田内褶皱构造对今后的煤层开采影响不大。2、断层构造井田的外围形成多条大的区域性断层，但距本井田较远，只有在井田东部存在一条逆断层，将煤层切割，并将深部煤层逆推上来，形成了井田的煤层露头（均出露地面） 。在该条断层的影响下，井田出现了几条小的伴生局部断层。这些局部断层大部表现为走向断层。最大的走向断层 F14，断距小（20m） ，走向短（约 1550m） ，对今后的煤层开采不会造成大的影响（留有断层防护煤柱）。山东科技大学 2012 级采矿工程专业毕业论文62.2.2 煤系地层及煤层情况井田内含煤地层为二叠系山西组（PS）和石炭系太原组（CT） 。共含有 12煤层，其中主要可采层为 2#、3#、6#、7#煤四煤层，煤层倾角一般为 21左右。（一）二叠系下段地层厚度为 73m。岩性为灰色薄层砂岩、粉砂岩、炭质页岩、灰白色中厚石英砂岩。含有二煤层（煤 2和煤 3） ，煤层平均总厚为16.44m，含煤系数为 15.8%。1、2#煤层全区区连续分布，煤层厚度 0.728.94m，平均厚度 2.94m。煤层结构较为简单，一般含 14 层夹矸，夹矸厚度 00.7m（总厚） ，为主要可采煤层。2、3#煤距 2#煤一般为 40.8m 左右，煤层厚度为 0.1-23.4m，平均厚度13.5m，全区大部可采。3#煤在厚度上分布很不规律，主要表现为上部厚下部薄、南部厚北部薄，矿井南部局部地段煤层厚度出现透镜体，范围不大。而且下部+1200m 标高以下大部不可采。煤层结构较复杂，一般含矸 05 层，最多可达 12 层，夹矸累厚 01.2m。煤 3 层为本井田内主要可采层，资源量占全区的 38.9%。（二）石炭系太原组一段厚度为 254m。主要岩性煤层上部为灰色中厚层状石英粗砂岩、炭质页岩。煤层下部为石灰岩（透镜体） 、细砂砾岩、粘土岩和深灰色泥晶灰岩。本地层中共含有可采煤层为 3 层（6#、7#、8#煤层） 。1、6#煤是全区可采煤层中最稳定的煤层之一，煤层厚度平均为 1. 1m。结构简单，一般无夹矸，厚度稳定。2、7#煤也是全区最稳定的煤层之一，平均厚度为 1.56m，结构简单，一般无夹矸，距 6#煤层 33.1m 左右。3、8#、9#、12#煤为不稳定的局部可采煤层，可作为矿区生产中的配采煤层（炮采） 。（三）煤质1、煤的物理性质各煤层呈黑色，油脂玻璃、沥青光泽，条带状、线状、少量为致密块状。断口呈贝壳状、阶梯状。属于半光亮半暗型煤。煤的平均容重为 1.4山东科技大学 2012 级采矿工程专业毕业论文71.55t/m3。2、煤的化学成份（1）原煤灰分：3#煤为富灰煤，7#煤为低灰煤，其余为中灰煤。（2）原煤硫分：2#煤、3#煤，全硫含量 0.50.54%，属特低硫煤，6#煤为低硫煤，7#煤、12#煤、15#煤为中硫煤，8#煤、10#煤为高硫煤。但从总体分析特低硫低硫煤的储量占了 90%以上。（3）磷分：各煤层均属特低磷煤。（4）其它性质：各煤层原煤挥发分为 20.6524.92%，洗精煤挥发分为17.920.75%；洗精煤灰分 812%；胶质层厚度一般25mm，属于焦煤类型，少量属于瘦煤。（5）发热量：各煤属中位发热量均在 5500 卡以上。（四）一采区实际揭露煤层情况百灵煤矿掘进过程中一采区实际揭露煤层情况如下：表 1-1 百灵煤矿掘进过程中一采区实际揭露煤层情况煤层 厚度 倾角 煤层间平距 煤层层间距2# 2.94m 21 104.5m 40.8m3# 13.5m 2153m 20.7m5# 0.58m 2151m 20.1m6# 1.1 m 2184.8m 33.1m7# 1.56m 218# 0.72m 21 4.7m 2m其中 3#煤到 6#煤的法线距离为 41.4m，6#煤到 7#煤的法线距离为33.1m，6#煤到 8#煤的法线距离为 36.7m。2.3 开拓开采状况及储量矿井设计井型为 1.8Mt/a，开拓方式为斜立混合式。（一）矿井各井筒技术特征主斜井井筒为直墙半圆拱断面，净断面积 15.9 m2,锚喷支护，内设配置有YJJ 型钢绳芯胶带接头在线监测仪的大倾角钢绳芯带式输送机用于进风、皮带运煤；材料副斜井井筒为直墙半圆拱断面，净断面积 12.6 m2,锚网喷支护，采山东科技大学 2012 级采矿工程专业毕业论文8用单滚筒缠绕式提升机，用于进风、材料、设备、矸石运输；行人副斜井井筒为直墙半圆拱断面，净断面积 10.8m2,锚网喷支护，内设循环式架空乘人器，专门升降井上、下人员及进风；立风井井筒为圆形断面，净断面积 19.6m2,混凝土浇筑支护，用于回风。（二）矿井开拓工程及主要硐室矿井已施工完毕的准备巷道：1320 轨道运输石门、1260 轨道运输石门、1200 轨道运输石门、1266 胶带运输石门、1208 胶带运输石门、1330 专用回风石门。矿井已施工完毕的主要硐室：井下中央变电所、水泵房、主副水仓、井下火药库、井下消防材料库、1320 避险硐室、1260 避险硐室、1200 避险硐室、一采区变电所。（三）矿井准备巷道巷道布置了 3#煤层岩石中巷，即 1320 回风中巷（南、北翼） 、1260 运输中巷（南、北翼） ，目前 1320 及 1260 南翼、北翼两条 3#煤层岩石中巷均已施工完毕。（四）矿井储量全井田南北长 3.755km，东西宽 1.75km，面积约 6.11km2。全矿井+1350水平到+900m 水平。地质储量 8968 万吨、工业储量 8496.7 万吨、设计储量8095.4 万吨，可采储量 6372 万吨。2.4 矿井通风及瓦斯情况一、矿井通风方式矿井通风方式为中央分列通风方式，主斜井、材料副斜井、人行斜井进风，立风井为回风井，通风方法为抽出式。矿井具备完整独立的通风系统，一、三采区采用中央分列式通风，目前矿井总进风量 6140 m3/min，总排风量 6188m3/min，矿井通风负压为 1300Pa，矿井等积孔 2.03m，属于通风容易矿井。二、矿井瓦斯情况2011 年矿井进行了瓦斯等级鉴定，矿井相对瓦斯涌出量为 15.038m3/t，绝对瓦斯涌出量为 14.620m3/min，绝对二氧化碳涌出量为 7.447m3/min，相对二山东科技大学 2012 级采矿工程专业毕业论文9氧化碳涌出量为 7.660m3/t，鉴定为高瓦斯矿井。三、突出危险性鉴定情况2011 年经河南理工大学鉴定，百灵煤矿 2#和 3#煤层为煤与瓦斯突出煤层，内蒙古庆华集团百灵煤炭有限责任百灵煤矿鉴定为煤与瓦斯突出矿井。2012 年 8 月份由中煤科工重庆煤科院对百灵煤矿 5#、6#、7#、8#、9#煤层突出危险性进行鉴定。鉴定结果表明，百灵煤矿 5#、6# 煤层不具有突出危险性，7#、8#、9# 煤层均具有突出危险性，为突出煤层。2.5 瓦斯治理和防突现状一、百灵煤矿防突现状 （一）百灵煤矿现有瓦斯治理措施1、百灵煤矿瓦斯抽放情况矿井形成了高、低压瓦斯抽放系统。地面永久高负压瓦斯抽放系统：永久瓦斯抽放泵站安装了 2BEC62 型水环式真空泵，电机功率 355kw，最大抽气量为 280m3/min，通过立井井筒瓦斯抽放管路连接至井下 1320、1260、1200 三个水平，然后连接各采掘工作面。永久抽放泵对工作面上下顺槽、各水平运输及回风中巷和石门揭煤通过钻孔进行抽放。井下低负压瓦斯抽放系统：井下 10201 工作面建立了低负压瓦斯抽放系统，瓦斯抽放泵站设在 1320 回风石门，抽放泵为水环式真空泵，最大抽气量93.3m3/min。抽放泵对工作面采空区进行低负压瓦斯抽放。2、开采保护层区域防突措施是指在突出煤层进行采掘前，对突出煤层较大范围采取的防突措施。区域防突措施包括开采保护层和预抽煤层瓦斯两类。目前百灵煤矿采取的预抽煤层瓦斯方式有：井下穿层钻孔或顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯、穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯、顺层钻孔或穿层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯、穿层钻孔预抽石门（含立、斜井等）揭煤区域煤层瓦斯、顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯等。保护层开采目前在百灵煤矿还是一个空白，开采保护层作为区域防突的一项重要措施，是下一步