矿井开采设计 1

22:11,21.矿井开采设计,主讲：刘建庄浑宝炬教授研究方向：巷道围岩控umtljzQQ：772594416,河北理工大学-煤矿开采学,本章要点：21.1矿井开采设计的依据、程序和内容21.2矿井开采设计方法21.3矿井开拓设计方案比较示例,21.矿井开采设计,2,22:11,21.1矿井开采设计的程序和内容,一、矿井设计的依据(一)设计任务书(1)矿井建设目的-该项目在国民经济中的作用。(2)建设规模-建设项目的井型，确定的根据及其技术经济合理性。(3)建设根据-地质资源资料、原材料、设备、动力供应和运输条件、技术人员和劳动力来源、生活资料供应条件、开采方式和煤的销售流向。(4)机械化程度-机械装备水平，它与煤层埋藏特征、井型大小、设备供应和国家经济状况等均有密切关系。为使所做的设计符合国情，井上下主要生产系统的装备水平要予以明确。,22:11,(一)设计任务书,(5)主要生产协作条件-所需原料、材料的数量、运输量和供应关系的协议(或建议)，资源的综合利用和“三废”治理要求，关于建设所需的特殊材料和设备供应的建议、交通运输、供电、供水方式、铁路接轨、供电接线的协议以及城镇建没等设施。(6)产品的产量和品种。(7)拟建项目的工业与生活建筑、占用土地估算，建设原则和建筑标准，职工单眷比等。(8)防空、防洪和防震等要求。(9)明确矿井投产标准(分期投产或是一次设计一次投产)及建设工期。(10)劳动定员、建设速度和投资估算，建设吨煤投资和总投资估算，预期达到的经济效益以及技术水平等。,22:11,其它,改扩建大中型项目的计划任务书还包括原有和现有地质资源情况、当前生产情况以及原有固定资产的利用程度和现有生产潜力发挥情况。自筹基建大中型项目的设计任务书，应注明资金、材料、设备的来源，并附有同级财政和物资部门签署的意见。小型建设项目设计任务书的内容，可参照上述内容，由各部门和省、市、自治区另行规定。,22:11,(二)精查地质报告,为初设提供可靠的资源储量依据。保证境界和井型不致因地质资料不准确而发生重大变化，影响资源既定的工业用途。对特别复杂的小型及地方小煤矿，可按详查最终地质报告作为的依据。为保证初设有可靠的储量资源基础，进行初设时应有较可靠的地质资料，全矿井特别是一水平必须有相当数量的高级储量(平衡表内的A+B级储量)。根据矿井井型和地质条件的不同，设计矿井及其第一水平的高级储量。,22:11,设计矿井及其第一水平的高级储量要求,22:11,(三)国家总的建设方针、政策及现行有关标准和规范的要求,为使煤炭工业基本建设健康发展，必须遵循国家正式颁发的与建设项目有关的方针政策，规程规范、规章制度和技术方向等；或国家对建设项目明确规定的有关文件，如指定采用某种设备或标准(通用、定型)设计等，井可作为设计依据。,22:11,(四)经批准的上阶段设计确定原则,经过批准的上一阶段设计中所确定的原则和技术标准，可作为下一阶段设计的依据。例如，井田划分、井型、开拓方式、机械设备造型、产品加工：工艺等。除个别情况下，由于当时条件的限制或某种原因所致，允许初步设计做局部修改以外，矿井初步设计所确定的设计原则，在做施工图设计时，般不允许做较大修改。除上述设计依据外，已签订的与建设项目有关的外部协议、文件等，设计时也应遵循。,22:11,二、矿井开采设计程序,矿井设计是综合性的设计，既要对开拓部署、井巷布置进行设计，又要对生产系统、辅助环节、安全措施妥善安排。矿井开采设计又包括全部设计和局部设计。它既需要对开采部分在总体上各环节的相互配合进行部署，又需要对其每一个局部有详细的设计，以便进行施工。矿井设计的程序应为：根据批准后的矿区建设可行性研究报告进行矿区总体设计；矿区总体设计批准后进行矿井可行性研究；矿井可行性研究报告批准后进行矿井初步设计；矿井初步设计审批后进行矿井施工图设计。,22:11,（一）矿区开发可行性报告,建设前期必不可少主要内容：技术经济上分析、论证、研究矿区开发的可行性。确定井田划分、矿区建设规模和矿井工程建设顺序。确定煤炭是否加工、产品用途、用户、矿区的辅助企业、附属企业及设施(例如总材料库、总坑木场、总火药库、机修厂、预制构件厂、水泥厂、采石场等)，以及矿区行政、文教、医疗和居住区、救护队的规模和布局。确定矿区内部和外部的交通运输、供电、通讯、给水和排水、综合利用与环境保护的可行方案。提出矿区的劳动定员和投资估算，并论证矿区建设对发展国民经济的作用，以及预期取得的经济效果。,22:11,(二)矿区总体设计,要解决矿区开发的总体部署问题。它比可行性研究更细致具体。批准后，可作为指导安排矿区开发基本建设计划的外部协作项目的依据，并可作为矿井和矿区内各单位工程初步设计的依据。是煤炭工业基本建设中一项战略性的任务。,22:11,(三)矿井可行性研究,在初步设计以前，在已批准的总体设计的矿井中进行，一般可不编制正式的可行性研究文件。对条件较复杂的矿井，有利于设计原则的正确贯彻。是一项内容广泛、严肃而又科学的工作，应从技术经济上全面考虑，以便为编制矿井计划任务书和初步设计提供依据,22:11,(四)矿井初步设计,在井田精查地质勘探对煤层赋存情况及开采条件取得全面了解的基础上，并对井田的开发进行可行性研究以后，进一步通过技术经济分析和计算而确定的。经过审批，即成为控制投资、提供设备订货清单、征购土地的依据，也是今后矿井各项工程施工图设计、编制施工组织设计、组织施工和生产的依据。内容较为广泛(具体内容后面叙述)，其设计质量及技术水平直接影响着整个矿井生产过程的技术经济效果。经上级审查批准以后，方可进行施工图设计。,22:11,(五)施工图设计,施工单位进行施工的依据。根据已批准的初步设计所确定的原则、技术要求，建设标准、装备水平等意图而进行的一项工作。为各项单位工程绘制施工图，并据此编制施工预算，以供基建单位施工之用。,22:11,矿井初步设计,进行煤矿建设的基本设计文件。在完成初步设计时，应提交设计说明书、设计图、机电设备和器材清册及设计总概算。,22:11,三、矿井初步设计内容,阐明设计的依据和指导思想论证该矿井建设的重要性和合理性矿井设计的主要技术原则，设计的主要特点，主要技术经济指标和分析，以及需在下一阶段设计中解决或提请审批机关决定和有关单位注意的问题与建议。主要内容13条。,22:11,四、矿井设计工作的原则,1.提高设计水平，保证设计质量2.要保证合理的设计周期3.加强设计审批工作,22:11,21.2矿井开采设计方法及评价准则,一、确定矿井开采设计方案的方法矿井设计包括井田开拓、采区准备和采煤方法，以及巷道掘进、矿井提升、运输、通风、排水、动力供应等各个生产系统，其中以井田的开采为中心。要求方案及参数在技术优越，经济合理，安全可靠。常用方案比较法，个别问题辅以统一分析法、技术标定法(或称标准定额法)、数学分析法等。随着电子计算机的应用，对于矿井这样一个复杂的系统工程，又发展了经济一数学规划法等。,22:11,(一)方案比较法,应用最广泛的方法。实质：对不同的方案进行技术经济分析和对比，从中选出在一定偏好准则下最优的方案。1.方案比较的内容(1)工程量(2)基本建设投资(3)基本建设工期(4)机电设备及主要材料需用(5)生产经营费用(6)其他矿井生产能力,22:11,2.方案比较法的步骤,(1)提出可行方案并进行技术比较(2)经济比较(3)综合技术经济比较结果，确定合理的矿井开拓方案(4)最后按设计任务的要求，编写出方案的详细文字说明，绘出说明方案的相关图纸,22:11,3.在进行方案比较时，应注意下列问题,(1)必须认真全面地研究各种条件和因素；不要遗漏方案；对方案中应当列入的对比项目，要进行反复核对，以免遗漏。(2)在进行经济计算时，只考虑重要项目的费用(3)相同费用项目可以不比较；对影响不大、差别很小的费用项目也可以不进行比较。(4)生产经营费用，一般是按一个水平或全矿服务期间的消耗总值计算。(5)在进行大的方案比较之前，可先把一些相同类型的局部方案进行比较，求出合理的局部方案后，再进行整体的方案比较。(6)在进行经济比较时，应将基本建设费用与生产经营费用分别列出。,22:11,方案比较中注意问题,(7)将各方案的矿井建设期限分别计算出来，作为方案比较的因素之一。(8)各方案的差别以百分比表示，将总费用最小的方案定为100，各方案在经济上相差不大，综合考虑，合理选定。(9)两个方案费用差额不超过10时，即认为此两方案在经济上是相等的。有些项目的设计方案虽然相差在10以内，但差值的绝对额很大时，也不能忽略，此时应以差值额作为对比的标准。(10)对方案进行最终综合评价时，一定要正确估计各项影响因素在所研究方案中的重要性程度，以便根据给定的目标，选取最优方案。,22:11,(二)统计分析法,通过调查统计，分析某些技术参数之间的关系，某些参数的合理平均值或可取值范围。理论基础是数理统计原理。可作为种辅助方法。,22:11,(三)标准定额法,以规范、规程和规定的形式对开采设计中的某些技术条件或参数值做出具体规定，而后据此规定条件确定某设计方案内其他有关参数。它不是一个独立的方法。,22:11,(四)数学分析法,以吨煤费用最低为准则，列出吨煤费用与所求参数之间的函数关系，采用微分法求极值的原理，求解开采设计方案中某些参数的有利值，这种方法称为微分求极值法，也称为数学分析法。一般只用到三个变量。只能用来研究某一方案的合理参数值，作为方案比较法的种补充。,22:11,(五)经济数学规划法,应用电子计算机解决矿井开采没计问题。规划论解决设计问题，经济数学模型由目标函数和约束条件组成。可以看成是上述方案比较法、数学分析法、标准定额法等设计方法的进一步发展。还结合层次分析法、模糊数学法来进行。,22:11,二、矿井开采设计的最优化准则,最优性准则有：生产费用，吨煤成本，基建投资，初期投资，折算费用，利润，地面建筑费用，劳动生产率，劳动消耗量，资源采出率，矿井生产能力建井工期，达到设计能力的时间，服务年限，初期和后期基建工程量巷道维护长度，掘进率，采掘关系，巷道维护的有效性开采系统变动的可能性(适应性)，技术装备的先进性，生产系统的可靠性，生产集中化程度开采强度，通风和运输的难易程度，生产施工的繁重程度，技术操作的安全性等。,22:11,最优化准则,作为主要准则，用于编制经济数学模型进行矿井开采优化设计的，基本有：折算费用法、投资回收期法、劳动生产率、吨煤投资和吨煤成本、利润和多目标决策等等。,22:11,1.折算费用法(也称计算费用法),包括基建投资和生产经营费用两个部分。以折算费用最小者作为最优方案。SC+E0ks年折算费用(或吨煤年折算费用)；C全部或计算项目的年度生产经营费用总和(或吨煤成本费用)；E标准投资效果系数，一般为0.10-0.12；k全部或计算项目的基本建设投资费用总和(或吨煤投资费用)。,22:11,2.投资回收期法,投资回收期法系指在设计方案中，用节约的经费来回收追加投资的年限。T=K/C=(K1-K2)/(C1-C2)K1、K2分别为第一与第二方案的投资总额(或吨煤投资)；C1、C2分别为第一与第二方案的年成本总额(或吨煤成本)；K两方案的投资差额；C两个方案的年成本差额；T投资回收期，a。倒数为E投资效果系数。,22:11,3.劳动生产率,指劳动者在单位时间内所能生产的产品数量。P=Q1NtP矿井生产工人劳动生产率，t工；Q1采煤工作面日产量，t；Nt采煤工作面昼夜出勤人数。是衡量矿井技术水平的综合指标，在方案比较中占有重要的位置，应用比较多。,22:11,4.吨煤投资和吨煤成本,吨煤投资就是矿井建设投资总额除以矿井生产能力所得到的商。它是矿井建设水平的指标。吨煤成本就是矿井生产总成本除以矿井产量所得到的商。吨煤成本反映了产品生产活动的最终结果，是一项综合性的指标。,22:11,5.多目标决策评价,多目标优化的问题。以设计人员掌握的资料，选取对决策有重大影响的一些指标，并相应确定这里标的重要性系数，使综合的无量纲指标值更符合实际。由于综合反映了矿井技术、经济等因素，因此越来越受到人们的重视也日益广泛。,22:11,三、主要费用参数计算,(一)掘进费用巷道：CJ=Lj；井底车场：Cch=jdVd(二)运输提升费用1.运输Cy=QbLbyh2.提升费用Cy=Qt1H1Y1+Qt2H2Y2+(三)巷道维护费用Cw=LwTwYw(四)排水费用(已知含水系数按照提升公式类似技术)Cp=36524(T1H1QlYp1+T2H2Q2Yp2+)（五）通风费用低瓦斯占吨煤成本中的25，所以一般不予考虑。高瓦斯矿井应计算。,22:11,21.3矿井开拓设计方案比较示例,一、井田概况平原地带，地表为+8090m，表土及风化带厚度约5060m。表土中央有厚度不一流沙层，中部较薄，境界处较厚。煤层上以+30m，下以-420m底板等高线为界，两侧系人为划定境界。走向9km，倾斜约1.74km。4个可采煤层，倾角均为15左右。由上下各煤层的名称、厚度、间距及顶底板情况如表21-2所示。,22:11,井田概况,低瓦斯矿井，涌水量较大，正常为380m3/h。m4煤层的底板等高线图及井田中部的地质剖面如图所示。,22:11,井田概况,已查明的工业储量为150.9Mt，工广煤柱、境界煤柱等永久煤柱损失约占的5%，采区采出率为80%，可采储量为114.68Mt。生产能力确定为1.2Mt/a。储量备用系数按1.4计算，可得矿井服务年限为68.3a。备用储量中估计50%损失，井田实际采出储量约为98.30Mt。,22:11,二、开拓方案技术比较,地形平坦，表土较厚且有流沙层，采用立井开拓（主井设箕斗），并按流沙层较薄、井下生产费用较低的原则确定井筒位于井田走向中部流沙层较薄处。避免采用箕斗井回风时封闭井塔困难和将少穿越流沙层开凿风井的数目，决定采用分列式通风。本井田可划分为13个水平（即23个阶段）；每个阶段沿走向划分为6个走向长1.5km的采区。在井田每翼布置一个生产采区，并采用采区前进式开采顺序。,22:11,开拓方案,涌水较大，否定单水平上下山开采。各煤层间距较小，采用集中大巷。底板下垂距为30m的厚层砂岩。上阶段运输大巷留做下阶段回风大巷。集中岩石上山联合准备，中央采区上山距底板30m以上的砂岩中，采后维护做下阶段回风上山及安全出口，其它采区距m4底板约20m的砂岩中采后报废。,22:11,技术可行开拓方案1和2,1和2的区别仅在于二水平是用暗斜井开拓还是直接延深立井。粗略估算表10-4：两方案费用相差不大。方案1的提升、排水工作的环节少，人员上下较方便，在方案2中未计入暗斜井上、下部车场的石门运输费用，以及方案1在