神东矿区采区最佳开采参数研究报告

1、神东矿区回采工作面最佳参数研究神东矿区回采工作面最佳参数研究 课题研究报告 太 原 理 工 大 学 神华神府东胜煤炭有限责任公司 2002年11月20日 课课题题组组人人员员组组成成 太太 原原 理理 工工 大大 学学 课 题 组 负 责 人 ： 康立勋 教 授（博 士） 王小汀 教 授（工学硕士） 课题组参加人员：冯志强 硕士研究生 张 军 硕士研究生 李国才 硕士研究生 高红波 硕士研究生 神华神府东胜煤炭有限责任公司神华神府东胜煤炭有限责任公司 课 题 组 负 责 人 ： 王 安 神东公司总工程师,副总经理 高级工程师 马茂盛 神东公司多经公司总工程师 高级工程师 课题组参加人员：田瑞云

2、 神东公司安监局总工程师 高级工程师 武子生 榆家梁煤矿总工程师 高级工程师 杨俊哲 大柳塔煤矿总工程师 高级工程师 杜福荣 乌兰木伦煤矿总工程师 高级工程师 程远辉 神东公司生产部 高级工程师 贺安民 大柳塔煤矿副总工程师 高级工程师 孙建民 神东公司生产技术部副部长 高级工程师 赵永峰 神东公司生产技术部副部长 高级工程师 潘 金 神东公司生产技术 高级工程师 赵俊辉 神东公司生产技术 工 程 师 杭月珍 神东公司计划部副经理 高级经济师 目目 录录 第一章 前 言 .1 第一节 神东矿区回采工作面最佳参数研究的必要性.1 第二节 课题主要研究内容.2 第三节 研究实施方案 .3 第四节

3、研究开发计划 .4 第五节 主要结论 .5 第二章 矿区开采技术条件.6 第一节 补连塔矿井简介 .6 第二节 煤层赋存条件 .6 第三节 井田开拓方式 .8 第四节 矿井生产系统 .8 第五节 采煤方法 .9 第三章 采区巷道布置类型分析.13 第一节 走向长壁巷道布置.13 第二节 倾斜长壁巷道布置.14 第三节 神东矿区采区巷道布置方式分析.15 第四章 工作面开采技术因素分析.18 第一节 地质条件对工作面参数的影响.18 第二节 开采技术条件因素分析.24 第五章 工作面最佳参数计算机优化系统.33 第一节采区各类费用计算 .33 第二节 建立经济数学模型.43 第三节 模拟程序设计

4、 .44 第三节 实际应用 .50 第六章 神东矿区工作面最佳参数多目标决策.59 第一节 多目标决策方法 .59 第二节 工作面参数评价准则的确定.68 第三节 提出可行方案集 .69 第四节 建立层次结构模型.72 第五节 应用插值法计算各方案相对各指标的评分值.75 第第一一章章 前前 言言 第第一一节节 神神东东矿矿区区回回采采工工作作面面最最佳佳参参数数研研究究的的必必要要性性 回采工作面生产系统是一个复杂多变的随机服务系统, 受矿 井的地质、设备、技术管理水平等众多因素的影响, 在不同开采 条件下，回采工作面开采技术参数取值不同，所取得的技术经济指标 是不同的，它将直接影响着矿井的

5、经济效益。如何确定回采工作面的 开采参数，取得最佳的技术经济指标是多年来采矿工作者一直关心的 问题，并且曾进行过大量的研究工作。 回采工作面最佳参数的研究是针对矿井的具体条件，以最优化理 论为基础，应用系统理论方法，在对现有矿井大量生产数据进行统计 分析的基础上，对多目标多参数进行分析，找出影响采煤工作面生产 系统的主要因素，确定回采工作面参数与各类费用的数值关系，在满 足给定矿井回采工作面各种约束条件的前提下，合理地选择设计变量 数值范围，通过应用计算机选优方法，获得在一定意义上的回采工作 面最优开采参数，其目的就是找到一组合适矿井实际生产条件下的回 采工作面参数的设计变量数值，使得由这些参

6、数所确定的设计方案为 回采工作面的最佳开采方案。 由此可见，回采工作面最佳参数的研究不仅是选优方法，也是一 种实用的新技术。如果回采工作面参数设计不合理，将对矿井今后的 生产和管理产生一系列影响。因此，回采工作面参数的研究将对矿井 安全生产、减员提效具有重要的现实意义。 将回采工作面最佳开采方案参数研究成果与计算机图形绘制和数 据库系统相结合，建立回采工作面最优开采技术方案的计算机优化系 统，可用于回采工作面的设计、决策、计划、管理，实现工作面管理 的智能化、自动化，将有助于提高矿井现代化管理水平，具有很大的 应用与推广价值。 神东矿区是我国最大的煤炭生产基地之一，煤层赋存浅，煤田地 质构造、

7、煤层结构、水文等条件简单，瓦斯涌出量小，矿井机械化、 自动化程度高。具有独特的地质条件和开采技术条件，拥有世界一流 采掘机械设备，其采掘工作面技术经济指标均达到国外先进水平。如： 补连塔矿综采工作面，采高4.54.8m，工作面长度 242m，工作 面推进长度达到5000m，工作面日产量最高达到3 万 t/d、月产量 最高达到 50 万 t/月，掘进工作面最高班进尺达到73m/班、最高 日进尺达到 130m/d、最高月进尺达到2960m/月，技术经济指标达 到国内领先水平。美国梅格斯31 号矿最高月产量达到521425t/ 月，创世界综采工作面单产最高记录。澳大利亚优兰矿综采，采高 2.753.

8、65m，工作面长度 200m，工作面推进长度2000m，工作面 日产量达到 25000t/d。故此，对神东矿区的具体条件，研究工作面 最佳参数，是非常必要的，具有重要的现实意义和理论指导价值。 第第二二节节 课课题题主主要要研研究究内内容容 1、工作面巷道布置类型的研究：针对煤矿的实际条件，分析可 行的采区巷道布置类型以及其优缺点和适应条件，确定适合本矿区开 采的采区巷道布置类型。 2、工作面参数的技术经济论证：依据矿井回采工作面的地质条 件（煤层厚度、倾角、围岩条件、瓦斯、自燃发火等）、设备条件、 技术管理水平等条件，从技术上、经济上对回采工作面系统各类参数 进行综合分析，找出影响工作面参数

9、的主要因素，确定在不同条件下 工作面长度和推进长度的合理取值范围。 3、工作面内各类费用的研究：针对神东矿区高产高效矿井的具 体条件，与巷道布置类型相对应，确定不同类型回采工作面巷道布置 各类费用的计算方法及费用参数的取值。 4、回采工作面最佳参数的计算机优化系统：针对神东矿区典型 矿井不同回采工作面的巷道布置类型、各类费用取值，建立回采工作 面最佳参数的计算机优化系统软件，找出各类费用与工作面参数的关 系曲线，确定在不同条件下工作面的最佳布置长度和推进长度的取值 范围。 5、从系统整体最优化的观点，应用多目标决策决策理论的综合 指标极大值方法，对工作面的参数进行综合优化。 第第三三节节 研研

10、究究实实施施方方案案 1、以神华神府东胜煤炭有限责任公司补连塔煤矿为主要研究对 象，收集本矿长壁工作面和连采工作面生产的实际数据，对矿区采煤 系统进行系统研究，从技术上确定合理的采区巷道布置和回采工作面 参数的取值范围。 2、经济上找出工作面各类费用参数的费用组成，其费用包括： （1）巷道掘进费 ：集中运输巷、集中回风巷、工作面运输巷道、 工作面回风巷道、联络巷道、工作面开切眼等； （2）巷道维护费：集中运输巷、集中回风巷、工作面运输巷道、 工作面回风巷道、工作面集中巷道、掘进工作面及备用工作面巷道等； （3）煤炭运输费：煤炭运输设备费折旧及大修费、煤炭运输电 力消耗等； （4）工作面通风费；

11、 （5）工作面辅助运输费； （6）工作面搬家费； （7）工作面成本：工作面工人工资、工作面主材消耗、主要设 备折旧及大修费； 3、以采区吨煤费用最低为准则，建立回采工作面最佳参数的计 算机优化系统，确定补连塔矿综采工作面最佳参数的取值，并且对工 作面的技术经济指标进行预测分析，为神东矿区综采工作面参数的选 取提供科学依据。 第第四四节节 研研究究开开发发计计划划 2001 年 8 月2001 年 12 月，双方协商制定开发方案，收集综 采工作面有关资料； 2002 年 1 月2002 年 8 月，研制软件； 2002 年 9 月2002 年 11 月，改进完善软件，整理研究报告并 项目验收。

12、第第五五节节 主主要要结结论论 1、根据神东矿区的实际条件，采区巷道布置类型宜采用不设条 带集中巷各煤层分别布置胶带运输机巷和回风辅助运输巷的分层布置 的巷道方式。 2、通过对矿区地质因素分析，在现有的地质条件下，当对煤矿 井下防灭火采取有效技术措施后，工作面推进长度可达到 6000m，工作面长度达到250m 是完全可行的。 3、通过开采技术条件因素分析，就神东矿区的开采技术条件， 影响工作面参数的主要因素为各设备寿命和输送机长度限制了工作面 长度。其它诸如巷道维护、供电、巷道掘进、通风等方面，当采取一 定的技术措施后，工作面推进长度可达到6000m，工作面长度达到 250m。 4、矿业系统是

13、一个多层次多目标的复杂系统，涉及到资源效益 和经济效益等诸多方面。因此，在对其进行技术经济分析时，需要有 一套科学的有效决策理论和方法。神东矿区工作面最佳参数优化系统 的层次分析决策结果表明神东矿区在满足一定条件下，工作面长度不 应低于 200m，合理取值范围为210250m；工作面推进长度不应低 于 2000m，合理取值范围为40006000m。 第第二二章章 矿矿区区开开采采技技术术条条件件 第第一一节节 补补连连塔塔矿矿井井简简介介 补连塔煤矿位于内蒙古自治区伊克昭盟南部伊金霍洛旗境内，隶 属神华集团神东公司。 1987 年 7 月 1 日开工建设， 1997 年 10 月 16 日正式

14、移交投产。设计能力由60 万 ta，扩建规模到 800 万 ta。全矿井现有员工450 人，机构简单、人员精干，是一座一井 一面集煤炭生产、洗选加工、封闭式储装外运的现代化高产高效矿井。 第第二二节节 煤煤层层赋赋存存条条件件 井田地表覆盖第四系松散层，厚度550m，平均 20m 左右， 并呈东厚西薄、北厚南薄变化。 井田内赋存地层从下到上由老至新有：上三叠统延长组 （T3y） ，中、下侏罗统延安组（J1-2y） ，中侏罗统直罗组（ J2y） ， 上侏罗 下白垩统志丹群（ J3K1zh） ，第四系（ Q） 。 井田内含煤地层为中、下侏罗统延安组（J12y） ，该组含煤 地层平均厚度 178.3

15、0m ，共含有 2、3、4、5、6 五个煤组 17 层 煤，其中 11 层可采， 1-2、2-2、3-1号三个煤层为全区主要可采层。 中、下侏罗统延安组（ J12y）自下而上分为三个岩段： 下岩段（ J11-2y）： 白灰色、灰白色细砂岩、粉砂岩、灰黑色砂质泥岩、泥岩及煤组 成。底部是灰白色中砂岩，局部相变为粗砂岩，成份以石英为主，含 黄铁矿结核及植物化石，含5、6 号煤层组，煤层多而厚度小，最 多可达 10 层，最少为 6 层，一般为 8 层，其中 4 层局部可采，且 有分叉、相变及尖灭现象。 中岩段（ J21-2y）： 由绿灰色、灰黑色粉砂岩、细砂岩和煤组成，主要特征是粒度细、 分选性好，

16、粘土胶结，且有水平层理和交错层理，含植物化石较多， 含 2-2、3-1号两个主要煤层，厚度大、变化小，大部地区以单层出现， 全井田可采，层位稳定，煤质好，结构简单。 上岩段（ J31-2y）： 由灰白色细砂岩、中砂岩、粉砂岩和粗砂岩组成，其次有泥岩类 和煤层组成。砂岩成份以石英为主，长石次之，含少量云母及暗色矿 物，泥质胶结，含1-2号煤组，该煤组由下而上有1-2下、 1-2中、 1-2中上、 1-2上、 1-1五个煤层。 1-2中煤层在深部厚度稳定，浅部 厚度变化大，且有被冲刷、分叉和尖灭现象。 主要可采煤层赋存情况： 1-2中煤层： 全区发育，它包括1-2中煤层的主层及分叉后的下分层；厚

17、06.53m，平均 4.09m。在分叉线以西，厚3.806.35m，平均 5.03m；在分叉线以东厚02.32m，平均 1.66m。受成煤环境及后 期冲刷的影响，该煤层在BK3、BK4 两个钻孔附近出现一个无煤区， 在东部边缘及无煤区周围存在一定的不可采范围，距下部1-2下 煤层 0.517.30m，一般 7.0m 左右；距下部 2-2号煤 30m 左右。 2-2号煤层： 位于延安组中岩段顶部，全区发育；结构简单；厚度大、变化小； 仅在底部（顶部局部）含有12 层夹矸，煤层厚5.917.98m， 平均 6.75m，距其下部 3-1号煤层 30m 左右。 3-1号煤层： 位于延安组中岩段中下部，

18、全区发育，结构简单，全区基本不含 矸，煤层厚 2.28m，平均 3.16m，距 5-1上煤层 27m 左右。 井田地质构造简单，无大的断层和褶曲，煤层赋存条件优越，主 要可采煤层厚度大、倾角平缓03。层位稳定、储量丰富；煤层 瓦斯含量低（ 0.19m3/t） ；矿井水文地质条件简单、涌水量小 （150m3/h 左右） ；煤层埋藏浅，相对地压小、顶底板较稳定易于管 理，因煤层属于中硬以上而且韧性较好，故在采掘活动中顶板矿压显 现较小。但本井田突出弱点是煤的燃点低（300左右） ，且在失 水状态下易于自燃（夏季在地表堆积3m 高的情况下，自燃发火期 为一个月）。 第第三三节节 井井田田开开拓拓方方

19、式式 井田开拓方式为主斜井 副平硐综合开拓，矿井按煤层分组划 分两个开采水平， 2-2煤层为上煤组，划分为第一开采水平，3-1 煤层为下煤组，划分为第二开采水平；大巷布置采用分煤层盘区大巷 布置方式。 第第四四节节 矿矿井井生生产产系系统统 1、煤炭运输系统：工作面采出的煤炭经工作面刮板输送机运至 工作面运输顺槽，由顺槽胶带输送机运至1-2胶带机中巷，由1-2 胶带机中巷胶带输送机将煤运至4#煤仓，煤炭通过4#煤仓经胶运 大巷、主斜井由胶带输送机运至地面筛选厂。 2、辅助运输系统：辅助运输采用无轨胶轮车运输。地面材料、 设备、人员通过胶轮车经辅助运输平硐、+1055 水平辅助运输大巷、 1-2

20、煤层辅助运输巷、下一工作面运输巷道、工作面联络巷进入综采 工作面。 3、通风系统：矿井通风方式采用分区抽出式通风。新鲜风流由 工业场区的主井、副井、辅助运输平硐和南进风井四个井筒共同进风。 在 1-2煤层中专设一条大巷为回风大巷，污浊风流通过南风井场区的 南回风井排至地面。 在南回风井安装两台主扇，型号为1K58No24 轴流式风机，配 套电机 JS1288、电机功率 155kW、转速 750rmin，于 1997 年 7 月 9 日投入运转，在叶片角35时，可满足 6000m3min 风 量要求。 在工业场区回风井安装两台主扇，型号为1K58No18 轴流式风 机，配套电机 JS1174 型

21、、电机功率 75 kW、转速 980rmin，于 1997 年 7 月 9 日停止运行，准备在开采2-2煤层 时启用，在叶片角30时，可满足 3000m3min 风量要求。 第第五五节节 采采煤煤方方法法 采煤方法采用倾斜长壁一次采全高全部跨落综合机械化采煤方法。 一一、地地质质与与煤煤层层赋赋存存 1、煤层赋存 开采 1-2号煤，该煤层呈黑色，条痕黑褐色，煤层结构简单，赋 存稳定，暗淡光泽，弱沥青光泽，参差状缺口，块状层状结构，坚硬， 裂隙不发育，以暗煤为主，容重1.29t/m3，燃点在 300左右。 煤层厚度 3.75.53m ,平均厚度 5.29m，煤层含 03 层夹矸，煤 层赋存稳定。

22、煤层为单斜构造，煤层倾角13，具有宽缓的波 状起伏，上覆基岩厚度50150m。 2、顶底板情况 直接顶、老顶较完整，硬度中等；直接顶水平层理发育，半坚硬， 泥质结构；老顶水平层理及波状层理发育，半坚硬，砂质结构，节理 不发育，属于二级二类顶板（煤层顶底板具体情况见表2-1） 。 表 2-1 1-2号煤层顶底板情况表 顶底板 名 称 岩 性厚度（ m）岩性特征 伪 顶泥岩 0.50 岩性软、易冒落 直接顶中、细粉沙岩 7.16 以石英为主，裂隙不发育 老 顶砂岩、粉沙岩 24 灰色、灰白色石英、长石为主 直接底以泥岩为主粉、细砂岩次之 0.430.9 以泥质为主、易软化 老 底泥岩 1.747.

23、6 以泥质为主、半坚硬 3、沼气、二氧化碳含量和煤的自燃 据地质资料表明， 1-2煤层沼气含量 00.19m3/t，CO2含量 0.010.15m3/t，根据已采的 2211、3201 工作面生产情况表明， 本矿井煤层无沼气，二氧化碳有突出倾向，属于低沼气矿井。煤层具 有自燃发火倾向，该煤层在地面堆积1 个月左右有自燃发火现象。 4、水文地质 工作面上部大部分为风积沙所覆盖，赵家弯及王家梁地表冲刷沟 通过工作面上方，在工作面上方形成松散含水层。赵家弯沟及王家梁 沟基岩厚度只有66.4m 和 64.9m。3202 工作面开采后，导水裂隙带 能到达第四系松散含水层，当雨季过沟时，应采取相应措施，防

24、止水 害发生。 根据地勘公司提供的水文资料，预计工作面最大涌水量为 177m3/h，正常涌水量为9109m3/h。 二二、采采区区巷巷道道布布置置方方式式 采用倾斜长壁巷道布置：在井田内沿煤层走向延伸的方向，在1-2 号煤层内（标高约为1120m）平行布置两条巷道，即胶带机中巷和 回风中巷，在两条巷道两侧布置综采工作面，工作面沿倾斜方向推进， 推进长度 4620m，工作面巷道布置采用双巷布置、双巷掘进，两巷煤 柱宽度为 20m，双巷掘进两联络巷间距60m,工作面长度为 242m。 三三、采采煤煤工工艺艺及及设设备备情情况况 综采设备为全引进美国JOY 公司（附 综采设备技术参数表 ） 。 采煤

25、机割煤方式为采煤机上滚筒割顶煤，下滚筒割底煤，采煤机 双向割煤往返一次割两刀。入刀方式采用端头斜切式入刀方式，刮板 输送机弯曲段长度为18.0m，采煤机全长 15.65m，端头缺口长度 为 49.3m，正常割煤长度为192.0m ，工作面支架的支护方式采用 及时支护。为保证煤质和有利于工作面顶板管理，留顶煤300 400mm，留底煤 100150mm，采高 3.54.8 m，截深 0.85m，循 环产量 1194t。工作面工作制度为 “三、八制 ”作业，作业方式采 用“两采一准 ” ，即两班生产、一班检修。工作面在籍人数为50 人，回采工效为348t/工。 四四、掘掘进进工工艺艺 综采工作面巷

26、道、联络巷、开切眼、回撤通道采用成套全引进连 续采煤机设备（附 连采设备技术参数表 ） ，5000m 长的工作面 巷道采用双巷全风压通风，连续掘进，局扇送风最长距离为 1200m，最高班进尺为73m/班，最高日进尺为130m/d，最高月进 尺为 2960 m/月。 第第三三章章 采采区区巷巷道道布布置置类类型型分分析析 矿区开采煤层为近水平煤层，其采区巷道布置类型有：走向长壁 巷道布置方式和倾斜长壁巷道布置方式。 第第一一节节 走走向向长长壁壁巷巷道道布布置置 一一、上上（下下）上上盘盘区区巷巷道道布布置置 在盘区内布置上（下）山，通过联络巷道将水平大巷和区段巷道 连接，建立各生产系统，以形成

27、完整的盘区巷道布置系统，依据盘区 内煤层层数、层间距及厚度和含沼气程度的不同，可设置两条或两条 以上的上（下）山，其上（下）山可布置在煤层中也可布置在岩石中。 二二、石石门门盘盘区区巷巷道道布布置置 自水平大巷开掘盘区石门作为盘区主要运输巷道，为了便于各煤 层通风、运料，在各煤层或岩石内布置轨道上（下）山和回风上（下） 山，在盘区石门内布置进风、行人斜巷，以便行人通风，石门盘区的 区段平巷、层间联系与上（下）山盘区基本相同。 石门盘区巷道布置与上（下）山盘区巷道布置比较具有以下优点： 1、工作面采出的煤经溜煤眼至盘区石门，由电机车运出盘区， 取消了煤的上（下）运输，减少了运输环节，提高了盘区的

28、生产能力。 2、溜煤眼相当与一个大煤仓，对运输起调节作用，有利于工作 面连续生产。 3、盘区石门、溜煤眼均布置在岩石内，较布置在煤层内的上 （下）山压力小，维护费用低，煤柱损失小。 石门盘区巷道布置的主要缺点是：岩石工程量大，准备时间长， 矿井开拓费用高。 第第二二节节 倾倾斜斜长长壁壁巷巷道道布布置置 倾斜长壁巷道布置即是在主井和副井开凿至开采水平标高后，布 置井底车场，沿煤层走向方向开掘水平运输和回风大巷，而后在水平 大巷两侧沿煤层走向划分若干条带，在每个条带中布置一个或两个回 采工作面，在工作面两侧掘进工作面运输和回风斜巷。工作面可沿仰 斜或俯斜方向推进。 倾斜长壁开采巷道布置方式具有以

29、下优点： 1、倾斜长壁开采，取消了采区上（下）山，减少了采区车场等 巷道和确室。因此，准备工程量少。同时，简化了运输、通风系统， 减少了运输、设备费用，减少了煤柱损失，提高了矿井资源回采率。 2、倾斜长壁工作面两侧的运输、通风巷道沿煤层倾斜方向直线 开掘，回采工作面长度不受煤层倾角影响基本保持不变，有利于充分 发挥综合机械化采煤设备的效能，也便于工作面运输巷道内铺设胶带 输送机运煤。 3、倾斜长壁工作面的推进方向，既可沿仰斜向上推进，也可沿 俯斜向下推进。当煤层顶板破碎、煤质较硬、或顶板淋水较大时，宜 采用仰斜开采。当煤层厚度大、煤质松软易片帮、瓦斯含量较大时， 宜采用俯斜开采。 4、倾斜长壁

30、采煤法可使相邻两个工作面同时回采，中间设胶带 输送机巷，形成 “对拉 ”工作面。这样可使所需设备减少，生产更 加集中，而且两个工作面同时生产，当一侧工作面发生故障时，可留 少数人员处理，多数人可转到另一侧工作面生产。 倾斜长壁开采存在的问题，主要是长距离的倾斜巷道使辅助运输 和行人比较困难。其次是目前生产的工作面机械设备，还不能完全适 应倾斜长壁工作面生产的要求。倾斜长壁采煤法的采用受到煤层倾角 的限制。开采厚煤层时，倾角的影响更大。回采工作面的顶板管理， 倾斜巷道的材料和矸石的运输，以及安全问题等，随着煤层倾角的加 大都更为复杂和困难。 第第三三节节 神神东东矿矿区区采采区区巷巷道道布布置置

31、方方式式分分析析 从地质条件看，神东矿区煤田属于煤层群开采，矿井地质条件简 单，煤层赋存条件优越，主要可采煤层至上而下为三层：1-2、2- 2 和 3-1煤层， 1-2煤层（分叉线以东平均厚度1.66m，分叉线以西 平均厚度 5.03m，且为全采），2-2煤层平均厚度 6.75m，3-1煤层 平均厚度 3.16m。上覆基岩厚 10180m，1-2煤层与 2-2煤层的层 间距 36m，2-2煤层与 3-1煤层的层间距 30m。煤层厚度大、倾角平 缓、层位稳定、储量丰富；煤层瓦斯含量低，具有自燃发火倾向；矿 井水文地质条件简单、涌水量小；工作面巷道采用锚杆支护，煤层巷 道易于维护，维护费用低。 从

32、机械化程度看，矿区矿井机械化、自动化程度高，矿井运输全 部实现皮带化，辅助运输采用无轨胶轮车运输，解决了倾斜长壁开采 中的运输问题。由此大大简化了矿井煤炭和辅助运输系统。采煤工作 面综采设备为全引进美国JOY 公司，掘进工作面采用成套全引进连 续采煤机设备，实现了长距离顺槽掘进，巷道采用全锚杆支护，矩形 大断面，运输顺槽断面尺寸为17.28m2（长宽 3.6 4.8m） ，回风 顺槽断面尺寸为18 m2（长宽 3.6 5.0m） 。目前，补连塔矿回采工 作面长度达到 242m 和推进长度达到5000m。矿区机械化水平已达 到国际领先水平。 从矿井管理水平看，矿井生产管理集中，基本实现高产高效的

33、 “一矿一井一面 ”的矿井生产模式，采掘工作面的单产单进水平已 达到国内外先进水平。 从以上条件分析，得出以下结论： 1、由于煤层倾角平缓、层位稳定。故此，应尽量采用倾斜长壁 巷道布置方式。 2、从主要可采煤层（ 1-2、2-2和 3-1煤层）三层煤的层间距和 煤层内的巷道维护条件的角度，结合矿区先进的掘进、运输方式，采 区巷道布置应多布置煤层巷道，少开掘岩石巷道，以减少巷道掘进费 用。 根据神东矿区的实际条件，为了充分利用先进的采掘设备和优越 的煤层赋存条件，采区巷道布置类型易采用不设条带集中斜巷各煤层 分别设置胶带运输机巷和回风辅助运输巷的分层布置的倾斜长壁巷道 方式。该巷道布置方式具有矿

34、井生产系统简单，矿井生产集中，便于 矿井安全和生产管理，有利于实现矿井机械化生产和提高矿井的产量 和效率等优点。 第第四四章章 工工作作面面开开采采技技术术因因素素分分析析 矿区地质条件简单，煤层稳定，倾角平缓，瓦斯含量低，矿井机 械化程度高，有利于加长工作面的长度和推进长度，以充分发挥机械 的效能，减少工作面搬家次数，降低吨煤成本，提高工作面单产和劳 动生产率。 第第一一节节 地地质质条条件件对对工工作作面面参参数数的的影影响响 从地质因素分析，影响工作面参数的主要因素有： 一一、矿矿井井自自燃燃发发火火对对工工作作面面各各参参数数的的影影响响 根据补连塔矿资料表明，神东矿区煤层的突出弱点是

35、煤的燃点低 （300左右） ，而且在失水状态下易于着火（夏季在地表堆积 3.0m 高的情况下，自燃发火期为一个月） 。故此，煤层的自燃发火 问题成为制约工作面推进长度的重要因素，为了保证工作面具有较长 的的推进长度，必须对采区防灭火问题采取响应的技术措施。 根据补连塔矿的实践经验，在工作面开采过程中，当采取以下措 施后，工作面推进长度完全可以达到5000m 以上。 1、清除所有联络巷道和其它死角巷道集存的碎煤及自燃发火倾 向的碎状可燃物 在保证煤质和有利顶板支护的前提下，尽量沿顶板开采，不留顶 煤或少留顶煤。同时加强巷道支护，防止巷道煤壁片帮，避免由巷道 煤柱片落下来的煤和工作面顶煤的堆积构成

36、聚热条件。 2、对地表裂隙及时进行封堵 神东矿区煤系地层普遍突出特点是：第一主采煤层（1-2煤层） 上覆基岩厚（ 1180m）地表又覆盖着较厚的第四系松散冲积沙层 （550m） ，且冲沟发育、纵横交错、构成复杂的地貌，在这一松散 层中含有较丰富的潜水，基岩上面普遍存在冲沟和古河道，其水力联 系也较强。因此，矿井是既定在厚松散层、薄基岩特殊条件下的开采。 所以，在开采第一主煤层（1-2煤层）时，对于顶板管理和防治综 合利用水尤为重要。在开采第二主采煤层（2-2煤层，与 1-2煤层 层间距 36m）和第三主采煤层（ 3-1煤层，与 2-2煤层层间距 30m）时，防治采完后的上层主采煤层遗煤自燃和环

37、境保护更显得特 别重要。 3、井下涌水灌存采空区 充分利用基岩上覆第四系松散层中的潜水和泥质结构顶板碎后泥 化的特性，将采空区封闭好，形成采空区储水条件，把井下涌水有量 有目的地存放在采空区，即可自然净化后抽取利用，又可用水浸泡遗 煤和湿润煤柱，极有利于防止采空区自燃发火。另外对于冒落的碎状 泥质结构顶板，采空区集水长期软化和泥化这些冒落泥质结构岩石， 使跨落的泥质结构岩层被浸溶循化压实形成再生岩层，这对开采下层 煤来说也是有利于顶板管理。更为重要的是把地下水良性循环地保存 于地下，这对于地处中国西北部自然气候环境干旱缺水的特定气象条 件下的神东矿区是具有重大意义的举措。 4、调整通风系统及风

38、量 将工作面 “Y”型通风改为 “U”型通风，并在满足工作面风量 要求的前提下，尽量减少工作面风量（如：补连塔矿将工作面风量由 1800m3/min 减少到 1200m3/min） 。在保证其它生产地点供风的前提 下，适当改变风路，使通风压力重新分配，达到降低火区两端压力减 少漏风量的目的。 5、对采空区注氮 主要目的是： 使采空区中 O2的浓度降低，提高N2的浓度； 提高密闭区的压力，减少漏风；利用低温 N2的吸热作用，使 火灾气体、岩层和煤层的温度降低。 通过在补连塔矿对3201 和 3202 采空区注氮后，工作面回风隅 角的 CO 浓度明显下降。 6、对正在开采工作面两出口前后喷洒阻化剂

39、 喷洒阻化剂是国内外正在采用的一种防止煤炭自燃的新技术。它 是采用一种或几种介质的溶液或乳浊液喷洒在煤柱、煤堆上或灌注到 采空区等易于自燃的地点，降低煤的氧化能力，阻止氧化过程。 补连塔矿通过考察研究，确定使用兖矿集团公司东滩煤矿和徐州 意创化工科技有限公司共同研制的MEA 系列煤矿防灭火剂 。通 过使用喷洒阻化剂，根据2001 年 7 月 16 日取回风隅角气体气样分 析结果， CO 浓度降低到 17ppm，对井下防灭火起到了积极作用。 7、人工巡检配合束管监测系统做好自燃发火迹象的早期预测预 报工作 补连塔矿 3202 工作面采空区出现高温点现象给煤矿的最大教训 是没有早期对自燃迹象的预测

40、预报。而痛定反思后，认为开采有自燃 着火倾向性煤层，关键是做好预防工作，在此基础上同步做好预测预 报工作，建立了专门机构并配备专职人员恢复测试系统，购置先进的 便携式仪器，真正从思想上到行动上落实矿井自燃火灾预测预报工作。 8、定期定点取样分析气体成分构筑好最后一道防线 对防治矿井自燃看火问题，有准备的预防和完善的预测预报系统， 坚持定期定点取样在实验室分析气体成分，证实人工检测和监测系统 的数值准确性及可靠程度，以校正其它测法的不准确性，使矿井对自 燃现象的检测监控做到高度警惕，确保矿井安全生产，提高矿井的整 体抗灾能力。 二二、煤煤层层厚厚度度及及倾倾角角对对工工作作面面参参数数的的影影响

41、响 神东矿区主采煤层3 层，煤层厚度较大，煤层倾角平缓，倾角 大多在 03，为近水平煤层。工作面使用国外引进的先进设备， 具有良好的稳定性和防片帮能力，工作面采高可达到5.0m，工作 面长度可达到 250m，经过使用，设备选型合理。此外，由于煤层倾 角平缓，使得矿井运输、通风和排水等生产系统简单，对倾斜长壁综 合机械化开采极为有利。故此，从煤层厚度和倾角考虑，对于神东矿 区工作面参数的选取影响较小。 但是，随着煤层采高和倾角的加大，将影响到设备的稳定性， 出现煤壁片帮，控顶距、端面距增大，设备负荷增加等一系列问题， 影响整个工作面系统的可靠性。 三三、矿矿井井沼沼气气涌涌出出对对工工作作面面各

42、各参参数数的的影影响响 神东矿区为低沼气矿区，根据补连塔矿的地质资料表明，矿井相 对沼气涌出量仅有0.19m3/h。但是，在工作面长度较长的情况下， 产量又很大时，要求加大工作面风量。此时，工作面风速有可能超过 “煤矿安全规程 ” 的规定。对此，应该用风速对工作面长度进行校 核，校核公式如下： ，m KMbnq KSv L CH ff 4 0 864 式中：工作面允许的最大风速，4m/s； f v 工作面空间断面或综采支架有效通风面积，m2; 0 S 风流收缩系数，取0.95； f K 日产 1t 煤的瓦斯涌出量， m3/d.t； 4 CH q 每日循环进刀次数； n 每一循环的进尺， m ；

43、b 工作面采高， m；M 煤的容重， t/m3; 工作面回采率， %。K 四四、顶顶底底板板岩岩石石性性质质对对工工作作面面参参数数的的影影响响 神东煤田顶底板岩石情况如下： 1-1煤层顶板岩石为砂岩及砂泥岩，底板岩石为砂泥岩； 2-2煤层顶板岩石为泥岩，底板岩石为粉砂岩； 3-1煤层顶板岩石为砂泥岩，底板岩石为砂泥岩； 煤层直接顶、老顶较为完整，硬度中等，顶板水平层理发育，半 坚硬，泥质结构。老顶水平层理及波状层理发育，半坚硬，砂质结构， 节理不发育，属于二级二类顶板。工作面顶板稳定易于管理，顶底板 岩石性质对工作面参数影响较小。 五五、煤煤层层埋埋藏藏深深度度对对采采区区各各参参数数的的影

44、影响响 神东矿区煤层埋藏较浅，1-2煤层上覆基岩厚为10180m，煤 层赋存特征为浅埋深、薄基岩、上覆厚松散沙层，虽然煤层倾角近水 平，赋存稳定，开采条件优越，但矿井初期开采实践表明，长壁工作 面普遍呈现出台阶下沉现象，矿压显现剧烈，主要表现在以下方面： 1、顶板基岩沿全厚切落，破断直接波及地表，来压时顶板有明 显的台阶下沉和动载现象。 2、工作面上覆岩层沿垂直方向垮落后仅形成了“两带 ” ，即 冒落带和裂隙带。沿工作面推进方向在煤壁上方形成支承压力升高区， 但其影响强度较少。 3、顶板破断首先在煤壁前方老顶上部产生拉裂隙，然后采场老 顶产生离层 断裂 垮落，顶板载荷运动有 “迟滞 ”和“载荷

45、传 递”效应。 4、基岩厚度直接影响工作面顶板破断规律和结构形态，基岩厚 度较薄时，顶板呈现单一关键层；基岩厚度较厚时，老顶形成多个关 键层，顶板来压表现为普通工作面特征。另外，采高对顶板结构稳定 性也有一定影响，增大采高，关键块失稳并有逆向回转趋势，岩块沿 煤壁切落运动明显，采场矿压显现增强。 5、采场来压时，支架工作处于“给定载荷 ”状态，采场支护 的主要任务是控制顶板滑落失稳。支架需要提供其控制区内直接顶的 重量和阻止老顶滑落失稳的支护阻力。 由以上分析可知，在确定工作面参数时应考虑工作面设备选型和 工艺各工序安排应与顶板压力相适应。此外，随着工作面的开采，上 覆顶板岩石跨落，容易造成采

46、空区与地面沟通，引起采空区漏风和自 燃。故此，需对工作面采空区漏风和自燃与上覆基岩厚的关系进行研 究，找出工作面上覆基岩厚度与工作面参数的关系，以保证工作面面 长和推进长度。 第第二二节节 开开采采技技术术条条件件因因素素分分析析 一一、巷巷道道掘掘进进长长度度对对工工作作面面推推进进长长度度的的影影响响 神东矿区综采工作面巷道巷道布置方式为双巷布置，掘进方式为 双巷掘进，掘进通风利用矿井全压通风，解决了掘进工作面长距离单 巷掘进的通风问题。掘进工作采用成套全引进连续采煤机设备完成， 掘进设备采用 12CM15-10D 连续采煤机完成割煤和装煤工序，通过 运煤车将煤运至DSP-1063/100

47、0 胶带输送机运出，完成装煤和运煤 工序。巷道支护方式为全锚杆支护，采用CWT4 锚杆机完成锚杆支 护的打眼和锚杆安装工作，整个掘进工作全部连续作业，实现了长距 离顺槽掘进，补连塔矿已实现了5000m 长顺槽的掘进。 二二、供供电电电电压压对对工工作作面面推推进进长长度度的的影影响响 随着工作面推进长度的加长，设备负荷的加大，线路电压降成为 限制工作面推进长度的重要因素。补连塔矿综采工作面负荷已达到 5500kw 以上，掘进工作面负荷达到1250kw 以上，为了解决长距离 供电电压损失大的问题，矿区利用煤层埋藏较浅的特点，供电方式采 用地面 35kV 箱式移动变电站向井下工作面10kV 直接供

48、电。 1、采区供电系统 回采工作面供电系统：由工业广场35kV 箱式移动变电站 地 面钻孔（分三路线，采用三个钻孔直接从地面进入采区变电所，电缆 型号为 YJV326000 3185，长度 250m）采区变电所（分三路 线进入回采工作面移动变电站，其中：一路线给转载机、破碎机、乳 化液泵、喷雾泵供电，供电负荷为1098kW，电缆型号为 UGSP 6000 350，移动变电站型号为1250kVA/6/1.14，电缆长度近似 为工作面推进长度；另两路线供给工作面采煤机和刮板输送机供电， 供电负荷为 3200kW，电缆型号为 YJV226000 3185，移动变电 站型号为 2000kVA/6/3.

49、3，电缆长度近似为工作面推进长度。 ） 回采工作面用电地点。 工作面运输顺槽供电系统：采区变电所工作面运输顺槽分段 进入各移动变电站（各段移动变电站分别供给一台胶带输送机、顺槽 水泵供电，供电负荷为1311kW，电缆型号为 UGSP6000 350， 移动变电站型号为1250kVA/6/1.14，每段电缆长度近似为胶带胶 带输送机长度，第一台移动变电站距采区变电所300m。 掘进工作面供电系统：采区变电所掘进工作面移动变电站 （电缆型号为 YJV226000 3185，长度近似为工作面推进长度， 供电负荷为 1285kW， ）掘进工作面用电地点。 2、各段供电系统电压降损失校核 电缆干线电压降

50、损失计算公式： Ge 3 GeX G SU 10LPK U 式中：干线电缆电压降损失，正常运行时高压输电网路额定电 G U 压的 5%8%，取 5%； 需用率， %； X K ，% X K Pe P6 . 0 4 . 0 max 综采工作面最大功率设备负荷，kW；maxP 电缆负荷总额定功率， kW； e P 干线电缆长度，近似为工作面推进长度，m； G L 额定电压， V； e U 电导率， m/欧.mm2，铜线取 53，铝线取 32； 干线电缆导线截面， mm2； G S 下面以补连塔矿的实际数据，对工作面各条供电线路电压降损 失进行校核。 （1）回采工作面第一路线电压降损失校核 电缆型号

51、为 UGSP6000 350，=50mm2，=6000v， =53m， G S e U =6000m，=1098kW，=250kW，=0.537%。此时， G L e PmaxP X K =222.5V60005%=300V，符合电压降损失要求。 G U （2）回采工作面另两路线电压降损失校核 两条路线选取一条负荷最大的路线进行电压降损失校核，电缆 型号为 YJV226000 3185，=180mm2，=6000V， =53，=6000m，=1800kW G S e U G L e P ，=1500kW，=0.9%。此时，maxP X K =165.22V60005%=300V，符合电压降损失

52、要求。 G U （3）工作面运输顺槽供电线路电压降损失校核 工作面运输顺槽供电线路为沿着干线分散布置，分两段进入各移 动变电站，每段电缆长度近似为胶带胶带输送机长度L，第一台 移动变电站距采区变电所300m。第一段 =2244kW，=1125kW，=0.70%，=300m，第二段 1e PmaxP 1X K 1G L =933kW，=750kW，=0.88%， =3000m，电缆型号为 2e PmaxP 2X K 2G L UGSP6000 350，=50mm2，=6000V， =53。此时，运输顺槽 G S e U 电压降损失为： ，V47.1701000) 50600053 3000933

53、88 . 0 50600053 30022447 . 0 ( G U =170.47V60005%=300V，符合电压降损失要求。 G U 依据补连塔矿的实际数据，通过对采区各条供电线路电压降损失 校核，当工作面推进长度达到6000m 时，工作面电压降损失满足要 求。 三三、矿矿井井通通风风对对工工作作面面推推进进长长度度的的影影响响 根据补连塔矿的实际，工作面巷道布置采用双巷布置，巷道端面 为矩形断面，运输顺槽断面尺寸为17.28m2（长宽=3.6 4.8m） ， 回风顺槽断面尺寸为18m2（长宽=3.6 5.0m） 。工作面风量为 12001800m3/min，工作面巷道风速约为1.11.

54、7m/s，工作面巷 道断面大，通风阻力小。但是，随着工作面推进长度的加长，矿井通 风阻力加大。故此，在加长工作面长度的同时，应计算矿井通风阻力， 验算矿井主扇是否满足要求。 1、矿井通风阻力及等级孔的计算 依据矿井通风阻力最大线路各巷道的井巷摩擦阻力系数、巷道长 度、巷道周长、巷道净断面积及巷道通过的风量，计算矿井困难时期 通风阻力，通风阻力计算公式为： ，Pa 3 2 S QUL h 式中：井巷阻力， Pa；h 井巷阻力系数， kg/m3； 巷道长度， m；L 巷道周边长度， m；U 矿井中流过的风量， m3；Q 井巷净断面面积， m2。S 依据补连塔矿井的实际数据，矿井通风阻力计算见表41

55、。 补连塔矿三采区矿井困难时期的通风阻力为： hmax=1117.4，Pa 补连塔矿三采区矿井困难时期的矿井等级孔为： Amax=3.075，m2 4 . 1117 38.86 19 . 1 19 . 1 max h Q 由上述计算可知，补连塔矿矿井通风容易，属矿井通风容易矿井。 2、计算扇风机的工作风量 表 41 矿井通风困难时期通风阻力计算表 分支始末点 编 号 井 巷 名 称 摩擦阻力系数 （kg/m3） 长 度 （m） 周 长 （m） 面 积 （m2） 风 量 （m3/s ） 通 风 阻 力 （Pa） 12 辅助运输平硐 0.01841490.0016.1719.4550.5150.5

56、77319 23 辅助运输大巷 0.007021475.0013.9916.0935.5844.024112 34 三采区辅助运输巷 0.0024594015.2816.8956.5823.380523 45 工作面运输顺槽 0.05216600016.817.2823.67570.90443 56 3202 工作面 0.03946240.0015.1417.5023.6714.989135 67 工作面回风顺槽 0.05216600017.218.0012.07134.46656 78 三采区集中回风巷 0.00245119015.2816.8956.5829.598748 89 2#回风大巷 0.011011400.0016.0820.3646.5863.718721 910 回风斜井 0.00456328.0010.338.5386.38185.71997 合 计 1117.379518 Q=KQ 矿，m3/s。 式中： Q矿井扇风机的工作风量，m3/s； K扇风机装置漏风系数1.11.5，取 1.4； Q 矿矿井总风量， m3/s。 补连塔矿扇风机的工作风量为： Q=KQ 矿=1.486.38=120.93，m3/s。 3、计算扇风机的工作全压 Hmax=hmax+h+H