矿业工程概论课件第二章

第二章井田开拓,第一节井田开拓的基本问题,一、煤田划分为井田,（一）煤田与井田煤田：同一地质时期形成，并大致连续发育的含煤岩系分布区。井田：统一规划和开发的煤田或其一部分，称为矿区。划归一个矿井开采的部分煤田。,（二）煤田划分为井田,1划分的原则（1）井田境界、储量及开采条件与矿井生产能力相适应（2）保证井田有合理的尺寸我国煤矿生产实践表明，根据我国煤矿当前开采技术水平，小型矿井未规定，中型矿井约为4km，大型矿井约为8km。（3）充分利用自然条件划分井田（如图2-1）（4）要处理好相邻矿井之间的关系要全面规划，处理好浅部与深部矿井、新矿井与老矿井之间的关系，为矿区的建设和发展创造好条件。,2划分井田境界的方法,（1）垂直划分,图2-2人为划分井田境界1垂直划分;2水平划分;3倾斜划分;4以断层为界,（2）水平划分（3）按煤组划分,图23按煤组划分井界1、2浅部分组建斜井；3深部集中建立井,二、矿井储量、生产能力及服务年限,（一）矿井储量矿井储量是在划定的井田范围内，根据勘探资料计算而得的煤炭储量。,表2-1矿井地质储量分类表,1矿井地质储量（Z）矿井地质储量包括平衡表内储量和平衡表外储量。,2矿井工业储量（Zg）矿井工业储量是指在井田范围内，经过地质勘探，煤层厚度和质量均合乎开采要求，地质构造比较清楚，目前即可供利用的可列入平衡表内的储量。矿井工业储量是进行矿井设计的资源依据，一般列入平衡表内的A+B+C级储量，不包括作为远景的D级储量。地方小煤矿计算其工业储量时也可包括一部分远景储量，均可取为A+B+C+0.5D。,3矿区可采储量（Zk）矿井可采储量（Zk）是矿井设计的可以采出的储量，既(2-1)式中P保护工业广场、井筒、井田境界、河流、湖泊、建筑物等留置的永久煤柱损失量；C采区采出率。厚煤层不低0.75；中厚煤层不低于0.8；薄煤层不低于0.85；地方煤矿不低于0.7。,（二）矿井生产能力1矿井生产能力矿井生产能力一般是指矿井的设计生产能力。以万t/a表示。2矿井井型矿井井型是按矿井设计年生产能力大小划分的矿井类型。一般分大型、中型、小型矿井三种。大型矿井：生产能力为120、150、180、240、300、400、500万t/a及500万t/a以上的矿井；习惯上称300万t/a以上的矿井为特大型矿井。中型矿井：生产能力为45、60、90万t/a。小型矿井：生产能力为9、15、21、30万t/a。,3矿井生产能力的确定,要确定矿井生产能力，首先要了解影响矿井生产能力的因素。矿井生产能力主要根据矿井地质条件、煤层赋存状况、储量、开采条件、设备供应及国家需煤等因素确定。（1）地质条件及开采技术条件对于储量丰富、地质构造简单、煤层生产能力大、开采技术条件好的矿区应建设大型矿井。当煤层赋存深、表土厚、冲积层含水丰富、井筒需要特殊施工时，为扩大井田范围、少开井筒、降低成本，以建大型井为宜。对于地形地貌复杂的矿区，工业广场选择与布置较难，为减少过多的地面工程，井田范围划得大些，也宜建大型井。对于储量有限，煤层生产能力小，或多为薄煤层，开采条件差，或地质构造复杂，以及有煤与瓦斯突出危险的煤层，宜建中小型矿井。,如何确定矿井的生产能力?首先，确定采煤工作面的生产能力。其二，确定采区生产能力。其三，确定同时生产的采区数目。为实现合理集中生产，一般以开采一个水平来保证矿井的设计能力。因此，矿井内同时生产的采区数，实际上就是一个水平内同时生产的采区个数。为合理集中生产，矿井每翼同时生产的采区不宜超过2个。当前现代化高产高效矿井大多已实现一矿一面或两面的高度集中生产。,（2）矿井各生产环节通过能力。（3）储量条件。,表2-3我国各类矿井和水平服务年限,（4）安全生产条件。（5）经济条件。,（三）矿井服务年限,矿井可采储量Zk、设计生产能力A和矿井服务年限T三者之间的关系为：,式中K矿井储量备用系数，矿井设计一般取1.31.5。考虑储量备用系数k的原因是：矿井各生产环节有一定的储备能力，矿井投产后可能超产；局部地质条件变化，如煤层露头降低、小于25m的断层、小窑开采深度加深等，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。,矿井A、T、Zk的协调关系是：第一，在富量煤田中，可先选定A，再确定与之相匹配的T，然后再求出必须的Zk，从而定合理的井田尺寸。第二，在限量煤田中，Zk一定，只能选择一个较合理的A与T与之相适应。在具体矿井设计中，为寻求矿井合理的A、T、Zk的关系，要提出若干个方案进行技术经济比较，从中选择较合理的方案。,三、矿井开采的概念,（一）井田再划分,1井田划分为阶段和水平阶段：沿一定标高划分的一部分井田称为阶段。,水平：阶段运输大巷及井底车场所在的水平位置及服务的开采范围，称为开采水平，也简称“水平”。水平表示：标高、开采顺序、用途,图2-4井田划分为阶段,2阶段内的再划分（1）采区式划分采区:在阶段或开采水平内，沿走向划分为具有独立生产系统的开采块段。,图2-5采区式划分1阶段运输大巷；2阶段回风大巷；3采区运输上山；4采区轨道上山；5区段运输平巷；6区段回风平巷,（2）带区式划分,在阶段内沿煤层走向划分为若干个具有独立生产系统的带区，带区内又划分为若干个倾斜分带，每个分带布置一个采煤工作面，如图2-6所示。,图2-6带区式划分J1，J2，J3阶段；F1，F2，F3，F4，F5，F6带区；、分带,（3）井田直接划分为盘区或（带区）,开采近水平煤层时，煤层沿倾斜高差较小。通常，根据煤层延展方向布置大巷，在大巷两侧划分为具有独立生产系统的若干块段，每一块段称为盘区，如图2-7所示。,图2-7井田直接划分为盘区P1,P2,P3,P4第一、二、三、四、盘区,（4）分段式,（二）井巷名称为进行地下开采的需要而开掘的井筒、巷道和硐室总称为矿山井巷。,图2-8矿山井巷1立井；2斜井；3平硐；4暗立井；5溜井；6石门；7煤门；8煤仓；9上山；10下山；11风井；12岩石平巷；13煤层平巷,1垂直巷道巷道长轴线与水平面近似垂直的巷道称为垂直巷道。（1）立井服务于地下开采，在地层中开凿的直通地面的竖直巷道，又称竖井。（2）暗立井不与地面直接相通的直立巷道称为暗立井。2水平巷道巷道的长轴线与水平面近似平行的巷道称为水平巷道。（1）平硐服务于地下开采，在地层中开凿的直通地面的水平巷道，称为平硐。（2）大巷与平巷与地面不直接相通的水平巷道，其长轴方向与煤层走向平行。为整个开采水平或阶段服务的平巷称为大巷。（3）石门与煤门与地面不直接相通的水平巷道，其长轴线与煤层走向正交或斜交的岩石水平巷道，称为石门。连接井底车场和大巷、为开采水平服务的石门称为主石门。为采区服务的石门称采区石门。在厚煤层内，与煤层走向正交或斜交的水平巷道，称为煤门。,3倾斜巷道巷道长轴线与水平面有明显坡度的巷道称为倾斜巷道。（1）斜井服务于地下开采，在地层中开凿的直通地面的倾斜巷道。其作用与立井、平硐相同。（2）上山与下山位于开采水平以上，为本水平或采区服务的倾斜巷道，称为上山。反之称为下山。（3）斜巷不直通地面、长度较短的倾斜巷道，用以行人、通风、运输等。,（三）矿井巷道布置及生产系统,1主井；2副井；3井底车场；4主要运输石门；5运输大巷；6风井；7回风石门；8回风大巷；9采区运输石门；10采区下部车场；11采区煤仓；12行人进风巷；13采区变电所；14采区运输上山；15采区轨道上山；16绞车房；17采区回风石门；18采区上部车场；19采区中部车场；20区段运输平巷；21下区段回风平巷；22联络巷；23区段回风平巷；24开切眼；25采煤工作面,图2-9矿井巷道布置示意图,1巷道布置2.矿井巷道开掘顺序矿井巷道开掘顺序应注意两点：第一，要尽快构通风路；第二，要尽量平行作业。3矿井主要生产系统（1）运煤系统采煤工作面25采下的煤2015115431地面。（2）通风系统新鲜风流自地面23345910141921222025采煤工作面。污风：采煤工作面252317876排出井外。,（3）运料排矸系统采煤工作面所需材料、设备，用矿车经副井下234591014182325。采煤工作面回收材料、设备和掘进工作面的矸石用矿车经与运料系统相反方向运至地面。（4）排水系统一般与进风风流方向相反。如采煤工作面25的水2014109543(井底水仓)2地面。,（四）矿井开拓、准备和回采的概念,图2-9所示的巷道系统，按其作用及服务范围不同，可分为开拓巷道、准备巷道及回采巷道。开拓巷道：为井田开拓而开掘的基本巷道，如井筒、井底车场、主要石门、运输大巷、回风大巷、主要风井等，称为开拓巷道，开拓巷道是自地面到采区的通路，它的作用在于构成或扩大原有开采水平，形成全矿生产系统的主体框架。这些井巷为全矿井或开采水平服务，服务期一般为1030a以上。准备巷道：为准备采区而掘进的主要巷道，如采区上山、下山、采区车场、采区硐室等，称为准备巷道。准备巷道是在采区范围内从已开掘好的开拓巷道通达区段的巷道，它的作用在于准备新采区，构成采区生产系统。准备巷道为采区服务，服务期一般为35a。回采巷道：形成采煤工作面及为其服务的巷道，如开切眼、区段运输平巷、区段回风平巷等，称为回采巷道。回采巷道的作用在于形成新的采煤工作面并进行生产。,四、井田开拓的概念,井田开拓：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，称为井田开拓。开拓系统：用于开拓的井下巷道的形式、数目、位置及其相互联系和配合称为开拓系统。开拓方式：开拓巷道在井田内的布置方式，称为开拓方式。井田开拓方式的种类繁多：（一）井筒（硐）形式按井筒（硐）形式可分为立井开拓、斜井开拓、平硐开拓、综合开拓。（二）开采水平数目按开采水平数目可分为：单水平开拓（井田内只设一个开采水平）、多水平开拓（井田内设2个或2个以上开采水平）。,（三）开采方式开采方式可分为上山式、上下山式及混合式。山上式，即开采水平只开采上山阶段，阶段内一般采用采区式准备。上、下山式，即开采水平分别开采上山阶段及下山阶段，阶段内采用采区式准备或带区式准备；近水平煤层，开采水平分别开采井田上山部分及下山部分，采用盘区式或带区式准备。上山及下山混合式，即上述方式的综合应用。,（四）开采水平大巷布置方式1.分煤层大巷开拓，即每个煤层设大巷；2.集中大巷开拓，即煤层群中设置大巷，通过采区石门与各煤层联系；3.分组集中大巷开拓，即将煤层群分组，分组中设集中大巷。我国常用的开拓方式如图2-10所示。,图2-10开拓方式分类,第二节井田开拓方式,在某一井田地质、地形及开采技术条件下，矿井开拓巷道有多种布置方式，开拓巷道的布置方式称为开拓方式。,一、立井开拓,主井、副井均采用立井的开拓方式，称为立井开拓。,（一）立井多水平上山式开拓方式1.井田的再划分（图2-11)2.井巷开掘顺序3.主要生产系统,图2-11立井多水平开拓,（二）立井单水平上下山开拓方式（图2-12）,当煤层倾角小于16时，井田划分为阶段，可采用立井单水平上下山开拓。当煤层倾角为12以下时，一般采用带区式准备。,图2-12立井单水平上下山开拓,二、斜井开拓,主井、副井均为斜井的开拓方式，称为斜井开拓。1.井田的再划分（图2-13),图2-13斜井多水平上山式开拓,2.井巷开掘顺序3.主要生产系统4.斜井提升方法不同时，对井筒倾角要求不同。（1）采用串车提升井筒倾角不宜大于25；（2）采用箕斗提升时，一般为2535；（3）当采用胶带输送机提升时，井筒倾角一般为17；（4）采用无绳运输的井筒，其倾角不大于10。5.斜井开拓时，对井筒的通风也有不同的要求，主井用胶带输送机运煤时，可兼作进风井，但风速不得超过4m/s，但不允许兼作回风井。6.斜井布置（图2-14）,图2-14穿层斜井（a）底板穿层斜井；（b）顶板穿层斜,三、平硐开拓,服务于地下开采，在地层中开掘的直通地面的水平巷道，称为平硐。主要用于运输矿产品的平硐称为主平硐。用主平硐的开拓方式称为平硐开拓。简言之，利用直通地面的水平巷道进入地下煤层的开拓方式称为平硐开拓。1.垂直走向平硐开拓垂直于煤层走向的平硐，称为垂直平硐。（图2-15）,图2-15垂直走向平硐开拓,2.走向平硐，即平行于煤层走向布置的平硐。(如图2-16所示),图2-16走向平硐开拓1主平硐；2盘区上山,3.阶梯平峒。（如图2-17所示）,图2-17垂直走向阶梯平硐,四、综合开拓,即采用立井、斜井、平硐等任何两种或两种以上的开拓方式，称为综合开拓。1.主斜井副立井（图2-18),2.平硐立井综合开拓（图2-19）,图2-18主斜井副立井综合开拓,图2-19平硐立井综合开拓,第三节井田开拓中几个重要问题分析,一、井筒（硐）形式分析及应用,平硐开拓是最简单最有利的方式。平硐开拓的优点是：平硐施工条件较好，施工技术和设备简单，施工速度快，建井期短；一般不设硐口车场，无需在硐内设水泵房、水仓等硐室，减少许多井巷工程量；平硐无需排水设备，水自流出硐外，排水费用低，也利于防治水灾；采出的煤不需提升即可由平硐直接外运，运输环节和运输设备少、系统简单、费用低；地面工业广场内的建筑物较简单，不需要结构复杂的井架和绞车房。因此，当地形条件适合、煤层赋存在较高的山岭、丘陵或沟谷地区，只要上山部分的煤炭储量大致能满足同类井型的水平服务年限的要求时，都应采用平硐开拓。,斜井的主要优点是：井筒施工技术和施工设备较简单，掘进速度快，地面工业广场构筑物、井筒装备、井底车场及硐室都比立井简单，初期投资少，建井工期短；在多水平开拓时，斜井的石门总长度较用立井开拓时为短，因而掘进石门的工程量和沿石门的运输工作量较少；延深井筒施工方便，对生产干扰少；采用新型强力胶带运输机，增加了斜井开拓的应用范围，可以布置中央采区，可以节省初期建井工程量，加快矿井建设。胶带机可同时提升几个水平的煤，对上下水平过渡期提煤，或多水平同时生产时提煤都有利。斜井开拓的主要缺点是：在相同条件下，井身长；沿井筒敷设的管线长度大；围岩不稳固时，井筒维护费用高；当采用绞车提升时，能力低，费用较高；通风线路长，风阻大，费用高；为斜井留保安煤柱，煤炭损失大；当表土层厚或有流砂层时，斜井井筒施工技术复杂，有时难以通过。因此，斜井开拓的适用条件是：煤层埋藏较浅、表土层不厚、水文地质情况简单，无流砂层、井筒不需特殊施工的缓斜和中倾斜煤层。,立井开拓主要优点是：井筒短，提升速度快，提升能力大，对辅助提升特别有利；对大型矿井，可采用大断面的井筒，装备两套提升设备，增大提升能力；井筒断面大，可满足大风量要求；井筒短，通风线路短，阻力小，对深井更有利。其缺点与斜井开拓的优点相对应，不再叙述。因此，立井的适应性很强，一般不受煤层倾角、厚度、瓦斯、水文等自然条件的限制。当井田的地形和地质条件不利于采用平硐或斜井时，均可考虑立井开拓。对煤层埋藏较深、表土层厚或水文地质情况较复杂、井筒需要特殊施工，或多水平开采急倾斜煤层的矿井，或井田斜长过大，采用立井多水平开拓，对浅部和深部开采均有利。,二、开采水平高度的确定,（一）上、下山开采,1.概念从开采水平运输大巷向上，沿煤层(或岩层)开凿，为一个采区服务的倾斜巷道，称为上山。将开采水平运输大巷设在上山阶段的下部，煤炭沿运输上山向下运输，风流上行，称为上山开采。反之，若从开采水平运输大巷向下，沿煤层(岩层)开凿，为一个采区服务的倾斜巷道，称为下山。此时，将开采水平运输大巷设在下山阶段的上部，煤炭沿运输下山向上运输，风流先下行而后上行，称为下山开采。当开采水平运输大巷位于上山阶段的下部及下山阶段的上部，既为开采上山阶段又开采下山阶段服务，称为上、下山开采。上、下山开采的原则区别如图2-20所示。,图2-20上、下山开采的比较,2.上、下山开采的特点（1）掘进方面（2）运输方面（3）排水方面（4）通风方面（5）基建投资方面下山开采的主要优点是充分利用原有开采水平的井巷和设施，节省开拓工程量和基建投资，延长水平服务年限。3.应用条件当煤层倾角小于16、瓦斯涌出量低、涌水量较小时，可采用上下山开采。,（二）开采水平高度的确定运输大巷和井底车场所在的水平位置及所服务的开采范围，称为开采水平。开采水平上下边界之间的垂直距离，称为开采水平垂高。若一个开采水平既采上山阶段，又采下山阶段时，开采水平高度为上、下山阶段高度之和。如图2-21所示。,图2-21开采水平高度(a)上下山开采，水平高度H=H1+H2；(b)上山开采，水平高度H=H1,影响水平高度的主要因素有：1.煤炭储量开采水平内的煤炭储量应保证开采水平有合理的服务年限。水平服务所限可按下式计算：,2.技术因素煤的运输辅助运输行人要有合理的区段数目利于采区正常接替3.经济因素4.地质构造及煤层赋存特征我国现有技术装备和实践经验认为。较为合理的水平高度为：缓斜及中斜煤层为150200m，急斜煤层为100150m。,二、开采水平大巷的布置,（一）分煤层大巷,图2-22分煤层大巷和主要石门布置,分煤层运输大巷布置特点是：在每个煤层中都布置煤层运输大巷，用主石门联系井底车场与各煤层。这种布置方式一般适应于煤层间距大于70m的条件下。,（二）集中大巷开采水平内只布置一