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1 矿井概况与地质特征1.1 矿井概况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6km，东西宽约8km，勘探面积约48.1km2。矿井北临陈四楼井田，南接新桥井田，地理坐标为：东经11617301162521，北纬335352340035。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。矿井交通位置图见图1-1。图1-1 矿井交通位置图1.1.2 动力供应井田内第三、第四系含水量比较丰富，可作为矿井供水水源。矿区内现有永城县电厂，装机容量1.5万kW，供本县工农业用电。在建的永城县140kV变电站，是由地方集资兴建的，经夏邑、虞城到商丘，主要供地方用电。矿区永久电源由商丘220kV变电站供给。1.1.3 地形与河流城郊井田位于淮河冲积平原的东部，地势平坦，海拔标高在+21+24m之间，相对高差23m，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+24.6m。城郊井田内地表水系不发育，仅有淮河支流的沱河从本区北中部自西向东流过，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384 m3/s（1963年8月9日），年平均流量一般为12m3/s。其上游永城市段常年关闸蓄水，致使下游断流无水。夏季多东南风，冬季多西北风，平均风速3.4m/s，最大风速20 m/s。降雪期和冰冻期为11月至翌年3月。冻土深度一般10cm左右，最大19cm。1.1.4 气象本区地处中纬34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556.2。大气降水量多集中在78月份，可占全年降水量的50%以上，年蒸发量1808.9。1.1.5 自然地震按照中国地震烈度区划图（1990）的使用规定，永城地区受地震影响不大，地震烈度小于6度。经河南省地质局建议，对于特别重要的工程和建筑物，可提高一度设防。1.2 井田地质特征1.2.1 井田地形及煤系地层概述本井田位于淮河冲积平原北部，地面自然标高在+31+34m之间。地形微向东南倾斜，地势平坦。精查地质报告基本查明了井田的煤层赋存情况、构造情况、煤质以及水文地质条件。本井田属华北上古生界聚煤区，为新生界沉积物所掩盖。据钻孔揭露下伏地层由老至新有：中下奥陶统（O1-2）、中上石炭统（C2-3）及二叠系（P）。（柱状图见附图）。1）中下奥陶统（O1-2）本地层主要由灰色厚层状石灰岩、砾状石灰岩、豹皮状石灰岩以及白云质灰岩所组成。灰岩主要特征是质纯而致密，具多组极为发育的裂隙，被方解石岩脉充填。在井田内只有少数钻孔揭露本地层，揭露最大厚度为117.6m。2）石炭系（C）a中石炭统本溪组（C2）：本组地层下部主要为灰色铝土质泥岩，厚度一般为6m。上部主要为深灰色灰色铝土质泥岩，灰色砂质泥岩以及一层不稳定的石灰岩，厚度620m，一般厚14m。b上石炭统太原组（C3）：本组为一套典型的海陆交互沉积岩系。主要由1215层薄中厚石灰岩、泥岩、砂质泥岩、铝土质泥岩、砂岩以及45层薄煤线交互沉积而成，厚度130147m，一般137m。3）二叠系（P）a下二叠统山西组（P1）：本组主要由砂岩、砂质泥岩，泥岩以及13层煤（二煤组）所组成。厚度82120m，平均厚度96m。b下二叠统下石盒子组（P2）：本组主要由深灰色灰色泥岩、铝土质泥岩、砂质泥岩、砂岩及46层煤（三煤组）组成，厚度4595m，平均厚度84m。 c上二叠统上石盒子组（P21）：本组地层厚约729m，主要由灰色砂质泥岩、铝土质泥岩、砂岩以及69层薄煤线交互而成。d上二叠统石千峰组（P22）：本组地层主要由平顶山砂岩段，泥灰岩性和石膏钙核段组成，欢度为706m。井田内仅有少数几个钻孔揭露，此地层为不连续地层。4）上第三系（N）：本地层属河湖相沉积a中新统：本组厚度30145m，平均厚度101m。主要由米黄褐黄色中细砂岩、粉砂、粘土质砂及砂质粘土组成。b上新统（N2）：本统厚3788m，平均厚70m。主要由砂质粘土夹褐黄细砂、粉砂及粘土质砂组成。5）第四系a更新统：本组厚度2248m，平均厚度33m。主要有粉细砂、粘土，局部为粘土。b全新统：本组厚度1432m，平均厚度21m。上部为黄色粘土质砂为主，下部为土黄褐黄粉细砂。1.2.2 构造特征城郊井田位于北北东向的永城隐伏背斜的西翼中段，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，见图1-2城郊井田构造纲要图。整个井田以近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。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。图1-2 城郊井田构造纲要图1.2.3 水文地质1）含水层、隔水层及其特征井田内主要有9个含水层组，4个隔水层组。其中，新生界4个含水层组，1个隔水层组；二叠系石盒子组1个含水层组，1个隔水层组；二叠系山西组1个含水层组，1个隔水层段；石炭系太原群2个含水层组，1个隔水层段；奥陶系中下统1个含水层组。a第四系全新统松散孔隙潜水含水层：此层厚21m左右，砂岩较发育，单位涌水量0.1524.16710-3/s.m2，渗透系数0.65423.06m/d，水位受大气降水影响，属强含水层。b第四系全新统松散孔隙承压水含水层：此层厚33m左右，中砂层厚21m，单位涌水量0.59410-3/s.m2，属中等含水层。c上第三系上部松散孔隙承压水含水层：此层厚70m左右，单位涌水量0.1980.46810-3/s.m2，渗透系数为0.4760.87m/d，属中等含水层。d新生界底部隔水层：此层厚31m左右，其中粘土层厚25m，可塑性好，分布广泛且稳定，为一良好隔水层。在16线以北变薄，起不到隔水作用。e下石盒子组三煤组顶板砂岩裂隙承压水含水组：此组厚45m左右，含水层为中、细砂岩，单位涌水量0.0004310.039910-3/s.m2，渗透系数为0.006160.361m/d，属弱等含水层。f山西组二2煤层顶板砂岩裂隙承压水含水组：此组厚52m左右，含水层为中、细砂岩，单位涌水量0.0003670.080410-3/s.m2，渗透系数为0.001720.0338m/d，属弱等含水层。g石盒子与山西组间隔水层：下石盒子组三煤组顶板砂岩含水层 山西组二2煤层顶板砂岩含水层之间有厚38m的泥岩、砂质泥岩、铝土岩，且分布稳定，起到了良好的隔水作用。h山西组与太原群间隔水段：二2煤层底板太原组之间有50m左右的细、粉砂岩和泥岩，岩石致密，为良好的隔水层。i太原组上段灰岩岩溶裂隙承压水含水组：此组厚32m左右。全井田发育稳定，岩溶裂隙最为发育，单位涌水量0.1250.79310-3/s.m2，渗透系数为0.8014.904m/d，水量相对丰富，但不急条件不良，属中等含水层。j太原组下段灰岩岩溶裂隙承压水含水组：此组厚24m左右。单位涌水量0.1211.21610-3/s.m2，渗透系数为0.7037.473m/d，水量大，属中等含水层。k太原组上段与下段间隔水层段：太原组上段灰岩含水组与下段灰岩含水组之间主要由泥岩、砂质泥岩及粉砂岩组成，为良好的隔水层。h奥陶系灰岩岩溶裂隙承压水含水组：此组厚度不详。单位涌水量0.008430.70410-3/s.m2，渗透系数为0.05611.878m/d，岩溶裂隙发育不均，富水性明显差异，属中等强含水层。2）矿井涌水量地质报告中预计矿井涌水量：正常180m3/h 最大220m3/h3）井田水文地质类型本井田主要开采下石盒子组三煤组和山西组二2煤层。三煤组以岩层裂隙水为主，水文地质条件简单；二2 煤以底板岩溶裂隙水为主，水文地质条件属中等类型。1.2.4 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。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。1. 3 煤层特征1.3.1 煤层埋藏条件及围岩性质本井田主要含煤地层为下二叠统山西组（含三煤）及下石盒子组（含煤46层）。两组地层平均总厚177m，含煤79层。煤层总平均厚度10.82m。主要可采煤层为二2、三22、三3、和三4煤层。煤层风氧化带深度，通过煤芯煤样化验、分析定为由基岩顶界向下垂深20m。本井田内石炭系、二叠系均为含煤地层。各可采煤层具体埋藏特性如下：1）二2煤层：位于山西组中下部，可采厚度为0.88.86m，平均厚度3.5m。煤层结构简单，仅有一层厚度小于0.41m的夹矸，煤层赋存稳定，煤层顶板多为砂质泥岩及中细砂岩，底板多为砂质泥岩及细砂岩。砂岩抗压强度3161063kg/cm2，泥岩抗压强度433612kg/cm2。2）三22煤层：位于下石盒子组中部的三煤组中，可采厚度为0.83.13m，平均厚度1.6m。结构较简单，含夹矸12层，煤层比较赋存稳定，煤层顶板多为砂质泥岩及粉砂岩，底板多为炭质泥岩及砂质泥岩。砂质泥岩抗压强度222314kg/cm2。砂岩抗压强度312859kg/cm2。3）三3煤层：位于下石盒子组中部的三煤组上部，可采厚度为0.83.16m，平均厚度1.62m。结构比较简单，为较稳定煤层，煤层顶板多为泥岩及砂质泥岩，底板多为砂质泥岩。泥岩抗压强度386kg/cm2。砂岩抗压强度498kg/cm2。4）三4煤层：位于下石盒子组中部的三煤组顶部，可采厚度为0.82.49m，平均厚度0.94m。结构比较简单，为局部可采煤层，煤层顶板多为泥岩及砂质泥岩，底板多为砂质泥岩。具体城郊矿可采煤层特征见表1-1。表1-1 城郊煤矿可采煤层特征表煤层名称煤层厚度/m(最小-最大)/平均与下煤层间距/m稳定程度煤层结构顶板底板三4(0.8-2.49)/0.948不稳定泥岩夹矸01层泥岩及炭质泥岩砂质泥岩三3(0.8-3.16) /1.628-10比较稳定局部有1层泥岩夹矸泥岩及砂质泥岩砂质泥岩三22(0.8-3.13) /1.680比较稳定12层泥岩夹矸粉砂岩或砂质泥岩炭质泥岩或泥岩二2(0.8-8.86) /3.5比较稳定局部有1层泥岩夹矸粉沙岩局部石灰岩粉沙岩及沙岩1.3.2 煤层特征1）煤的容重煤的实体容重二2煤1.6t/m3，三22、三3、和三4煤1.5 t/m3。2）煤的工业分析及用途本井田各可采煤层均以高变质程度的年轻无烟煤为主，其次为天然焦，个别煤层有少量贫煤点。二2煤层发热量QDfr7400cal/g，QDfT8400 cal/g；灰分在1015之间。三22、三3煤层发热量QDfr6600 cal/g，QDfT83 cal/g；灰分在1525之间。各煤层含硫量均小于1，一般在0.40.7之间；磷含量一般在0.0003左右。属低中灰分、特低硫、特低磷、高发热量无烟煤。3）瓦斯、煤尘及自燃a瓦斯：井田内瓦斯含量不高。经向省煤炭厅汇报，认为“可能有瓦斯突出”的根据不足，确定设计按低瓦斯矿井考虑。b煤尘：经鉴定，本井田设计开采二2煤为无烟煤，一般无煤尘爆炸危险。设计按无煤尘爆炸危险考虑。c自燃：井田各煤层还原样燃点之差T一般均小于20，为不自燃煤层。2 井田境界和储量2.1 井田境界2.1.1 井田境界划分的原则在煤田划分为井田时，要保证各井田有合理的尺寸和境界，使煤田各部分都能得到合理的开发。煤田范围划分为井田的原则有：1）井田的储量，煤层赋存情况及开采条件要与矿井生产能力相适应；2）保证井田有合理尺寸；3）充分利用自然条件进行划分，如地质构造（断层）等；4）合理规划矿井开采范围，处理好相邻矿井间的关系。2.1.2 井田境界根据以上划分原则以及永夏煤田的整体规划以及城郊煤矿的实际情况，四周边界为：北：煤层露头处以自然地质条件划分为边界；西：以F7断层为边界；南：以F20断层为自然边界；东：相邻边界为其他矿区开采井田，本矿区为进水平煤层，根据垂直划分原则，人为划分为直线；井田走向长平均约5.2km，最长7.0km，最短2.1km，倾斜宽平均约4.5km，最长6.0km，最短2.0km，面积约48.1km2。煤层倾角一般为5 12，平均倾角8.2。2.2 矿井工业储量2.2.1 井田勘探类型精查地质报告查明了本井田的煤层赋存情况、构造形态、煤质及水文地质条件。井田勘探类型为中等。2.2.2 储量等级本矿井设计中只对二2煤层进行开采设计，煤层倾角平均 = 8.2，二2煤层平均容重1.6t/m3。边界煤层露头线为-460m，-1000m以下的煤炭储量目前尚未探明，作为矿井的远景储量。2.2.3 工业储量计算由AutoCAD软件测得井田面积为473422.84mm2。在1：10000的开拓图上每1mm2表示100m2。煤容重为1.6 t/m3，煤层倾角平均8.2，煤厚平均为3.5m。井田范围内的煤炭储量是矿井设计的基本依据，煤炭工业储量由煤层面积、厚度及容重相乘所得，其计算公式一般为：Q=100SM/cos (2-1)式中： Q为井田工业储量，万t；S井田面积，km2；M煤层平均厚度，3.5m；煤的容重，t/m3，1.6t/m3煤层平均倾角，8.2；则：Zc=100（473422.8410010-6）3.51.6/cos8.2=26657.71万t。工业储量是指在井田范围内，经过地质勘探厚度与质量均合乎开采要求，目前可供利用的列入平衡表内的储量，即ABC级储量。根据地质勘探资料显示，其中高级储量为：19141.79万t，约占工业储量的71.80 %，符合高级储量比例要求。2.3 矿井可采储量2.3.1 计算可采储量时，必须要考虑以下储量损失 1）工业广场保护煤柱；2）井田边界煤柱损失；3）采煤方法所产生煤柱损失和断层煤柱损失；4）建筑物、河流、铁路等压煤损失；5）其它各种损失。2.3.2 矿井永久保护煤柱损失量1）边界煤柱可按下列公式计算 ZLbMr (2-2)式中：Z边界煤柱损失量，t； L边界长度，m； b边界宽度，断层边界50 m，人为边界20 m。则井田的断层边界煤柱为：西边界断层：6000503.51.6=168.03 万t；南边界断层：8250503.51.6=231.46 万t；井田的人为边界煤柱为：(8089+5294) 203.51.6=149.89 万t。2）工业广场保护煤柱本矿井设计年生产能力为2.4Mt/a，按煤矿设计工业规范，占地面积指标应在（0.70.8）公顷/10万吨之间小井取大值，故取0.8。占地面积为240.819.2104m2。故设计工业广场的尺寸为400500m2的长方形，面积为：20104m2，尺寸为400500m2的长方形。工业广场位置处的煤层的平均倾角为4.5，工业广场的中心处在井田走向中央，倾向中央偏于煤层中上部，其坐标为：该处表土层厚度为200m。主井、副井、地面建筑物均在工业广场内。工业广场按大型矿井级保护，留围护带宽度为15m。本矿的地质条件及冲积层和基岩层移动角见表2-1。表2-1 矿井地质条件及冲积层和基岩层移动角广场中心深度煤 层 倾 角煤层厚度冲积层厚度冲积层移动角走向移动角下山移动角上山移动角mmm-7104.51020040707065.8由此根据上述已知条件，画出如图2-1所示的工业广场保安煤柱的尺寸，并由图得出保护煤柱的尺寸为：图2-1 工业广场保护煤柱示意图S=梯形面积=1/2(上宽下宽) 高=1/2(1290.331338.24) 1255.93=165.06104m2 则工业广场压煤为：Q1SMr/cos (2-3)1650649.963.51.6/ cos4.5927.19万t3）断层煤柱按断层落差大小两侧各留一定水平宽度的安全煤柱。具体留设方法见表2-2。表2-2 断层保护煤柱留设方法断层落差H留设尺寸H50m50m30mH50m30mH30m不留设煤柱则井田边界断层煤柱：由于F3、F4断层落差较大，长度分别为4012m、3415m、1100m、550m，断层两边各留煤柱50米、25米；F5、F6断层两侧各留煤柱20米，则断层保护煤柱损失为：Q3 40122503.51.6/cos5.734152253.51.6/cos5.5（580894）2203.51.6355.04万t4）防水煤柱的留设由于基岩上面普遍发育着一层隔水性能良好的灰色及深灰色粘土、砂质粘土，厚约30m左右，隔水性能良好。而煤层露头的顶板岩性一般为砂质泥岩、泥岩或被风化了的砂质泥岩、泥岩，是矿井浅部开采的主要突水水源，因此，必须留设合适的防水煤柱防止矿井突水。导水断裂带的高度一般为： H=100m/（1.6m3.6）5.6 (2-4)m各开采煤层的厚度，m； 对于本矿则：H=1003.5/（1.63.53.6）5.6=39.35.6结合矿井实际条件，留设防水煤柱的宽度为30m，即倾斜长度为30m。则上边界留设防隔水煤柱量=990.17303.51.6= 16.63万t。井田保护煤柱损失量见表2-3。表2-3 保护煤柱损失量煤 柱 类 型储 量（万t）井田边界保护煤柱549.35工业广场保护煤柱927.19断层及防水保护煤柱371.67合 计1848.212.3.3 矿井可采储量井田的可采储量Z按下式计算：Z=(QP) C (2-5)式中：Q矿井工业储量， P各种永久煤柱的储量之和， P=549.35927.19371.6728.40=1819.81万t 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；设计开采的二2煤层属中厚煤层，采区回采率取为0.80。则计算可采储量为：Z=(QP) C=（26657.711819.81）0.8=19870.32万t由此可得本矿井的可采储量为1.987108t。在备用储量中，估计约为50%为回采率过底和受未知地质破坏影响所损失的储量。井田实际采出储量用下式计算：Z实际=ZZ（K1）50%/K (2-6) 式中：Z实际 井田实际采出煤量，万t； Zk矿井的可采储量，19870.32万t； K矿井储量备用系数，取1.4；由2-3式，得： Z实际=19870.3219870.32（1.41）50%/1.4 =17031.703万t即本设计矿井实际采出煤量为17031.703万t。矿井工业储量及各水平储量见表2-4。表2-4 矿井储量统计表煤层名称水平序号工业储量/万t永久煤柱损失可采储量/万t工广和村庄/万t防水/万t断层/万t边界煤柱/万t合计/万t二2一927.1916.63184.62198.771327.21二00170.40350.58520.98小计26657.71927.1916.63355.04549.351848.2119870.323 矿井工作制度、设计生产能力及服务年限3.1 矿井工作制度按照煤炭工业矿井设计规范的规定，参考关于煤矿设计规范中若干条文修改决定的说明，确定本矿井设计生产能力按年工作日330d计算。“三八制”作业（两班生产、一班准备检修）每天两班出煤，净提升时间为16h。3.2 矿井设计生产能力及服务年限3.2.1 确定依据煤炭工业矿井设计规范第2.2.1条规定：矿井设计生产能力应根据资源条件、开采条件、技术装备、经济效益及国家对煤炭的需求等因素，经多方案比较或系统优化后确定。矿区规模可依据以下条件确定：1）资源情况：煤田地质条件简单，储量丰富，应加大矿区规模，建设大型矿井。煤田地质条件复杂，储量有限，则不能将矿区规模定得太大；2）开发条件：包括矿区所处地理位置（是否靠近老矿区及大城市），交通（铁路、公路、水运），用户，供电，供水，建筑材料及劳动力来源等。条件好者，应加大开发强度和矿区规模，否则应缩小规模；3）国家需求：对国家煤炭需求量（包括煤中煤质、产量等）的预测是确定矿区规模的一个重要依据；4）投资效果：投资少、工期短、生产成本低、效率高、投资回收期短的应加大矿区规模，反之则缩小规模。3.2.2 矿井设计生产能力本井田储量丰富，设计开采煤层赋存稳定，煤层厚度大部分比较稳定，属中厚煤层(3.5m)；煤层平均倾角小，属近水平煤层。因地质构造简单，同时煤田范围较大，开采技术好的矿井适合布置大型矿井。因此，初步确定矿井的设计生产能力为240万t/a。3.2.3 矿井服务年限矿井服务年限必须与井型相适应。矿井可采储量Zk、设计生产能力A矿井服务年限T三者之间的关系为： TZk /（AK） （3-1）式中： T矿井服务年限，a；Zk矿井可采储量，万t；A设计生产能力，万t；K矿井储量备用系数，取1.3。确定井型时需要考虑备用系数的原因是，矿井各生产环节有一定的储备能力，矿井投产后，产量迅速提高；局部地质条件变化，使储量减少；有的矿井由于技术原因，使采出率降低，从而减少了储量。则，矿井服务年限为：T =19870.32/2401.3 = 63.69 a服务年限符合要求。3.2.4 井型校核下面按矿井的实际煤层开采能力，各辅助生产环节的能力，储量条件及安全条件因素对井型进行校核：1）煤层开采能力矿井的开采能力取决于回采工作面和采区的生产能力，根据本设计第四章（矿井开拓）与第六章（采煤方法）的设计可知，该矿由于煤层地质条件较好，二2煤厚度较厚，布置一个一次采全高综采工作面完全可以达到本设计的产量。2）辅助生产环节的能力校核本矿井为大型矿井，开拓方式为立井开拓，主井提升容器为两对12t底卸式提升箕斗，运煤能力和大型设备的下放可以达到设计井型的要求。工作面生产的原煤一律用强力胶带输送机运到带区（采区）煤仓，运输能力也很大，自动化程度较高。辅助运输采用双层罐笼，大巷辅助运输采用600mm轨距的1.5t固定车厢式矿车，同时本矿井井底车场调车方便，通过能力大，满足矸石，材料和人员的调动要求。所以各辅助生产环节完全可以达到设计生产能力的要求。3）通风安全条件的校核本矿井无煤尘爆炸性，瓦斯含量低，属于低瓦斯矿井。水文地质条件中等，在副井中铺设两趟水管路可以满足排水要求。矿井采用对角式通风，有专门的风井，可以满足要求。辅助运输大巷进风，煤炭运输大巷回风，工作面采用后退式U型通风，通过第九章的通风设计知可以满足通风需要。4）矿井的设计生产能力与服务年限相适应，才能获得好的技术经济效益。本设计中第一水平倾斜范围为-460m-740m，第一水平服务年限的计算公式为：T =29.63a式中: T第一水平服务年限，a煤炭工业矿井设计规范给出了井型和服务年限的对应要求，见表3-1。本矿井的服务年限以及第一水平的服务年限的设计服务年限符合规定。表3-1 我国各类井型的矿井和第一水平设计服务年限矿井设计生产能力（万t/a）矿井设计服务年限（a）第一开采水平服务年限（a）煤层倾角45600及以上8040300500703512024060302520459050252015930各省自定4 井田开拓井田开拓是在总体设计已经划定的井田范围内，根据精查地质报告和其它补充资料，具体体现在总体设计合理原则，将主要巷道由地表进入煤层，为开采水平服务所进行的井巷布置和开掘工程。其中包括确定主、副井和风井的井筒形式、深度、数量、位置、阶段高度、大巷位置、采（带）区划分以及开采顺序与通风运输系统。4.1 井田开拓的基本问题井田开拓是指在井田范围内，为了采煤，从地面向地下开拓一系列巷道进入煤体，建立矿井提升、运输、通风、排水和动力供应等生产系统。这些用于开拓的井下巷道的形式、数量、位置及其相互联系和配合称为开拓方式。合理的开拓方式需要对技术可行的几种开拓方式进行技术经济比较，才能确定。本矿井开拓方式的确定，主要考虑到以下因素：1) 地形平坦，地势高差小，有内涝威胁；2) 煤层埋深较大，且表土层厚度大，平均200 m；3) 第四系覆盖层较厚，井筒需要特殊凿井方法施工；为防止第四系水溃入井下，需留设合理的防水煤柱；4) 太原组灰岩水压较大，水量相对丰富，岩溶裂隙比较发育，选择井筒位置时需留有足够的隔水岩柱；5) 本矿井为低瓦斯矿井。确定开拓问题，需根据国家政策，综合考虑地质、开采技术等诸多条件，经全面比较后才能确定合理的方案。在解决开拓问题时，应遵循下列原则：1) 贯彻执行国家有关煤炭工业的技术政策，为早出煤、出好煤高产高效创造条件。在保证生产可靠和安全的条件下减少开拓工程量；尤其是初期建设工程量，节约基建投资，加快矿井建设。2) 合理集中开拓部署，简化生产系统，避免生产分散，做到合理集中生产。3) 合理开发国家资源，减少煤炭损失。4) 必须贯彻执行煤矿安全生产的有关规定。要建立完善的通风、运输、供电系统，创造良好的生产条件，减少巷道维护量，使主要巷道经常保持良好状态。5) 要适应当前国家的技术水平和设备供应情况，并为采用新技术、新工艺、发展采煤机械化、综掘机械化、自动化创造条件。6) 根据用户需要，应照顾到不同媒质、煤种的煤层分别开采，以及其它有益矿物的综合开采。4.1.1 确定井筒形式、数目、位置及坐标1）井筒形式的确定井筒形式有三种：平硐、斜井、立井。一般情况下，平硐最简单，斜井次之，立井最复杂。a.平硐开拓受地形迹埋藏条件限制，只有在地形条件合适，煤层赋存较高的山岭、丘陵或沟谷地区，且便于布置工业场地和引进铁路，上山部分储量大致能满足同类井型水平服务年限要求。b.斜井开拓与立井开拓相比：井筒施工工艺、施工设备与工序比较简单，掘进速度快，井筒施工单价低，初期投资少；地面工业建筑、井筒装备、井底车场及硐室都比立井简单，井筒延深施工方便，对生产干扰少，不易受底板含水层的威胁；主提升胶带化有相当大的提升能力，可满足特大型矿井主提升的需要；斜井井筒可作为安全出口，井下一旦发生透水事故等，人员可迅速从井筒撤离。缺点是：斜井井筒长，提升深度有限，辅助提升能力小；通风路线长、阻力大、管线长度大；斜井井筒通过富含水层、流沙层施工技术复杂。c.立井开拓不受煤层倾角、厚度、深度、瓦斯及水文等自然条件的限制，在采深相同的的条件下，立井井筒短，提升速度快，提升能力大，对辅助提升特别有利，井筒断面大，可满足高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井需风量的要求，且阻力小，对深井开拓极为有利；当表土层为富含水层或流沙层时，立井井筒比斜井容易施工；对地质构造和煤层产状均特别复杂的井田，能兼顾深部和浅部不同产状的煤层。主要缺点是立井井筒施工技术复杂，需用设备多，要求有较高的技术水平，井筒装备复杂，掘进速度慢，基本建设投资大。由于表土层厚且含水，地表是平原，煤层埋深较大，第一水平只能用立井开拓。根据矿井提升的需要与本矿的地质条件，及煤矿安全规程的规定，设立主副井筒各一个，主井用来提升煤炭，副井用来运送人员、材料、矸石及通风等。本矿井瓦斯涌出量小，且矿井采用条带式开采，但由于井田面积大，通过第九章的比较，采用两翼对角式的通风方式。2）井筒位置的确定井筒位置的确定原则：a.有利于第一水平的开采，并兼顾其他水平，有利于井底车场和主要运输大巷的布置，石门工程量少；b.有利于首采区布置在井筒附近的富煤阶段，首采区少迁村或不迁村；c.井田两翼储量基本平衡；d.井筒不宜穿过厚表土层、厚含水层、断层破碎带、煤与瓦斯突出煤层或软弱岩层；本矿井在二2煤层底板下部230m处有一太原组灰岩承压含水层，压力大，水量也较大，设计时须使井筒、井底车场与该承压水之间有一定厚度的保护层，在确定延深方式时应综合考虑，尽量使井底车场避开该含水层。因此，为避开太原组承压含水层的影响，一水平以下延深方式的不同，将会选择不同的井筒位置。依据本矿实际条件，主副井筒选址考虑布置在储量中心和尽量减少工广压煤。经后面方案比较确定主、副井筒位置大致位于井田中央，井田倾向的中上部。风井井口位置的选择应在满足通风条件的前提下，与提升井筒的贯通位置最短，并利用各种煤柱以减少保护煤柱的损失。在设计中采用初期中央并列式后期两翼对角式通风，因表土层较厚，共设计三个风井：中央风井服务工业附近的一水平带区；东风井服务第一、二水平的东翼，东翼下一水平的通风通过回风斜巷与东风井相连。西风井服务第二水平的西翼，西翼下一水平的通风通过一段回风平巷与西风井相连。东翼风井布置在井田边界之外，不留煤柱；另外将西翼风井布置在断层煤柱内，从而减少了煤柱损失。4.1.2 工业场地的位置1）布置要求a.工业广场地应具有稳定的工程地质条件，避开法定保护的文物古迹，风景区、内涝低洼区和采空区，不受岩崩、滑坡、泥石流和洪水等灾害威胁；b.工业场地应少占耕地，少压煤；c.距水源，电源较近，矿井铁路专用线短，道路布置合理。2）工业场地位置结合以上要求，根据井筒位置，工业场地的布置：a.井田走向的中央和倾向的中上部；b.工业广场的保护煤柱的短边与F4断层重合。3）工业场地形状、面积工业场地的形状和面积：根据工业场地占地面积指标，确定地面工业场地的占地面积为20公顷，形状为矩形，长500 m,宽400 m。为了减少边角煤，短边平行于F4断层保护煤柱线。4.1.3 开采水平的确定本矿井煤层露头标高为-460m，煤层埋藏最深处达-920m，垂直高度达460m，根据煤炭工业矿井设计规范规定，缓倾斜、倾斜煤层的阶段垂高为200350m，根据本矿井的实际条件，结合阶段斜长考虑，决定煤层的阶段垂高选为200m左右。本井田可划分两个和三个水平，但考虑三个水平生产系统过于复杂，如果两个水平都采用上下两个阶段可简化生产系统，因此采用两个水平开采。由于太原组灰岩水压较大，且水量丰富，需用暗斜井延深；或者井筒位置打在煤层的靠下部位。4.1.4 井底车场和运输大巷的布置1）运输大巷的布置由于运输大巷要为上下水平的开采服务以及本煤层厚度为3.5m，为便于维护和使用，且不受煤层开采的影响，将第一水平大巷布置在煤层中，第二水平大巷布置在距煤层底板30m处的中细砂岩中。第一水平煤层大巷的优点是巷道掘进速度快，矿井投产早，而且掘进出煤量也很可观；第二水平岩层大巷其优点是巷道维护条件好，维护费用低，巷道施工能够按要求保持一定方向和坡度；在开采上下水平时，可以跨大巷开采，不留保护煤柱，减少煤柱损失，便于设置煤仓。2）井底车场的布置由于井底车场一般要为整个矿井服务，服务时间较长，故要布置在较坚硬的岩层中。本矿井布置位置可以选择在煤层顶板或者煤层底板中。煤层顶板为中硬的砂泥岩，底板为坚硬的中细砂岩。后者相对于前者维护费用较低，但对于不同的开拓方案还需进行技术与经济比较，以选择最优方案。4.1.5 矿井开拓延深及深部开拓方案本矿井开拓延深可考虑以下二种方案：双立井延深；双暗斜井延深。双立井延深：采用双立井延深时可充分利用原有的各种设备和设施，提升系统单一，转运环节少，经营费低，管理较方便。但采用这种方法延深时，受太灰水的限制，致使井筒需打在煤层较深处，增大井筒的保护煤柱量。同时，该方法使原有井筒同时担任生产和延深任务，施工与生产相互干扰，立井接井时技术难度大，矿井将短期停产；延深两个井筒施工组织复杂，为延深井筒需要掘进一些临时工程，延深后提升长度增加，能力下降，可能需要更换提升设备。暗斜井延深：采用两个暗斜井延深时，原有井筒的位置，水平的划分，上山或下山开采的确定都不受太灰水的影响。暗斜井主井内铺设胶带输送机，系统较简单且生产能力大，可充分利用原有井筒能力，同时生产和延深相互干扰少。其缺点是增加了提升、运输环节和设备，通风系统较复杂。4.1.6 开采顺序本井田开采顺序为先采第一水平，再采第二水平上下山；采区开采顺序：采用采区前进式，即由井筒向井田边界推进；采区内回采顺序：采用后退式，即由采区边界向采区上山推进。4.1.7 方案比较1）提出方案根据以上分析，提出以下四种方案，如图4-1所示方案1：两水平开采，立井井筒位于-660煤层处，双暗斜井延深第二水平，一、二水平均上下山开采，岩层大巷。方案2：两水平开采，立井井筒位于-660煤层处，双暗斜井延深第二水平，一、二水平均上下山开采，煤层大巷。方案3：两水平开采，井筒位于-800水平煤层处，石门到达大巷；二水平立井延深，石门到达大巷，一、二水平均上下山开采，岩层大巷。方案4：两水平开采，井筒位于-800水平煤层处，石门到达大巷；二水平立井延深，石门到达大巷，一、二水平均上下山开采，煤层大巷。2）技术比较方案1与方案2的区别在于大巷掘在岩层中还是煤层中，两方案生产系统都比较简单可靠，相同的石门开凿和石门运输费用没有比较；将工业广场布置在井田上部中央，压煤少且井筒浅，容易施工。方案3与方案4的区别也仅在于大巷掘在岩层中还是煤层中。都要开一段石门；井筒延深短，二水平提升运输、排水都比较容易。方案一：立井井筒位于煤层-660水平，暗斜井延深二水平 大巷布置在岩层中方案二：立井井筒位于煤层-660水平，暗斜井延深二水平 大巷布置在煤层中方案三：立井井筒位于煤层-800水平，通过石门到一、二水平 大巷布置在煤层中方案四：立井井筒位于煤层-800水平，通过石门到一、二水平 大巷布置在岩层中图4-1 开拓方案3）粗略经济比较以上四种方案在技术上都各有优势，需要先进行粗略经济比较选出明显不经济者：表4-1 方案1和方案2的粗略比较方案项目方案 1方案 2基建费/万元立井开凿2692300010-4=415.2立井开凿2692300010-4=415.2暗斜井延深22065.8110010-4 =454.476暗斜井延深22065.8110010-4 =454.476井底车场100090010-4=90井底车场100090010-4=90大巷开凿105002398.810-4=2518.74大巷开凿105001311.710-4=1377.285小计3478.416小计2336.961生产费/万元立井提升1.217031.70.690.85=12021.66立井提升1.217031.70.690.85=12021.66暗斜井提升1.26960.582.06580.48=8281.7暗斜井提升1.26960.582.06580.48=8281.7斜立井排水24365(33.41727+32.38727)0.152510-4=6389.52斜立井排水24365(33.41727+32.38727)0.152510-4=6389.52小计25836.9小计25836.9总计费用/万元30171.296费用/万元29029.841百分率104.1%百分率100% 表4-2 方案3和方案4的粗略比较方案项目方案 3方案 4基建费/万元立井开凿2872300010-4=523.2立井开凿2872300010-4=523.2石门开凿2(838.95+1260.6)110010-4 =461.9石门开凿2(1052.35+1150.5)110010-4 =484.63井底车场100090010-4=90井底车场100090010-4=90大巷开凿105001311.710-4=1377大巷开凿105002398.810-4=2518.74小计2452.1小计3616.57生产费/万元立井提升1.215819.340.9150.85=15704.49立井提升1.215819.340.9150.85=15704.49石门运输1.2(1.48519.69+1.226960.57) 0.38=9310.52石门运输1.2(1.658519.69+0.8396960.57) 0.38=9072.48立井排水24365(33.41727+32.38727)0.152510-4=6389.52立井排水24365(33.41727+32.38727)0.152510-4=6389.52小计32400.17小计32162.13总计费用/万元34852.27费用/万元35778.7百分率100%百分率102.7%通过粗略经济比较，得出方案2、方案3均属技术上可行，水平服务年限也都符合要求并且整体投资较少。方案2和方案3相比，方案2的总投资要少一些，但是方案3的生产经营费用可能要低一些。因此，两方案还需要通过具体的经济比较，才能确定其优劣。4）详细经济比较第2、第3方案有差别的建井工程量、生产经营工程量、基建费、生产经营费和经济比较结果，分别计算汇总于下列表中。表4-3 建井工程量项目方案 2方案 3初期主井井筒/m662+30842+30副井井筒/m