专题-五阳矿大采高可行性分析

专题部分五阳矿大采高可行性分析摘要：在分析目前应用于厚煤层开采的几种采煤法的优缺点及适用条件基础上，确定了厚煤层大采高一次全厚综采的采煤方法；针对五阳煤矿3#煤层赋存条件的特点，建立了采区煤层地质条件模糊综合评价模型，确定更为科学有效的评价因素隶属函数和权重，并根据综合评价值，将未来开采采区条件分为4级，使模型应用的针对性和时效性大为增强，应用效果更为满意。通过可行性分析可知：五阳矿七六、七八采区的综合评价均属于级，宜采用大采高一次全厚综采工艺开采。通过理论计算与分析，并结合实际生产地质条件，对3#煤层大采高综采面主要设备进行了选型与配套。研究成果可为类似条件下厚煤层开采提供借鉴。关键字: 厚煤层；大采高综采；可行性分析；采区地质条件；模糊综合评价模型；设备选型1引言目前，在我国一次能量消费结构中，煤炭占75%以上。煤炭不仅是我国的基本燃料，又是重要的工业原料，电力、钢铁、石油加工、水泥、化学原料五大行业都离不开煤炭，因此，煤炭工业的发展直接关系到国计民生。为使我国能源战略持续稳定的发展，必须稳步高效地发展煤炭工业。我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一。据不完全统计，己知含煤面积约55000km2，探明总储量在9000亿t以上，居世界前列。自1989年，我国一直是世界第一大煤炭生产国和消费国，煤炭产量占世界煤炭产量的1/4以上，而缓倾斜厚煤层煤炭产量又占我国总产量的40%以上，我国很多矿区赋存有3.56.0m厚的煤层，这类煤层在邢台、开滦、徐州、充州、淮北、阜新、双鸭山、义马、西山、铜川、阳泉等矿区均为主采煤层。随着市场经济的发展，煤炭工业日趋向大型化、集中化、高产高效方向发展，建设高产高效矿井，提高企业经济效益己成为煤矿企业的基本经营理念，尤其是市场经济的激励机制极大地促进了采煤技术与装备水平的快速发展。我国在引进国外大采高装备技术后，综采工作面日产量可达万吨，取得了举世瞩目的成绩。据目前国内外开采技术的发展，大采高综采是指采高在3.56.0m，工作面使用大功率双滚筒采煤机和重型刮板运输机割、运煤，用大吨位液压支架（支架工作阻力、单架支护面积和支架支撑高度大）控制顶板，一次采全高的综采技术。其设备趋于大型化、重型化和自动化，其特点是技术先进、性能可靠、装机功率大、生产效率高。对于煤层倾角小于30的厚煤层（3.56.0m）开采，大采高综采与综放采煤法相比，具有下列优点：煤炭资源回采率高；煤炭含研率低；回采工作面煤尘、煤的自然发火和瓦斯涌出安全性好；对于34m不适宜综放开采的厚煤层，大采高具有工效高、成本低等优点。大采高综采与分层开采相比，具有下列优点：工作面生产能力大，有利于合理集中生产；回采工效和煤炭资源回收率高、巷道掘进率和维护量低；回采工艺和巷道布置简化，综采设备搬家次数少，搬家费用省，增加生产时间；节省材料（人工假顶材料等）和回采成本低等优点。高产高效大采高综采生产能力大、回采率高、安全条件和经济效益好，是目前国内外厚煤层（3.56.0m）开采技术的主要发展方向之一，其优势使得其在国内外被广泛采用。山西省潞安环保能源开发股份有限公司隶属的五阳煤矿，地处潞安矿区北部，是一座国有大型矿山企业，始建于1956年，1963年正式投产，原设计生产能力为90万t/a，经19801985年的两次改扩建工程，于2003年矿井生产能力核定为150万t/a，山西省煤管局以统晋煤生字（1990）第1006号文件批准同意五阳煤矿扩大井田面积增加储量，将南丰详查区划归五阳煤矿开采。扩区后井田面积76.778km2，其中南丰扩区面积13.5 km2，新建的南丰风井投入运行后，矿井通风系统发生较大变化，采掘生产能力进一步提高，2008年山西省煤炭工业局批复五阳煤矿核定矿井生产能力为300万t/a。从2003至2008年五阳矿利用综采放顶煤开采技术在煤炭产量上实现了大的飞跃，由2003年的150万t/a提高到2008年的300万t/a。近20年来，综放开采技术得到了快速发展，取得了一系列有价值的科研成果，为我国高产高效矿井建设作出了巨大贡献，五阳也利用综放开采技术在产量上实现了大的飞跃，但不可否认的是，综放开采尚有很多技术难题尚未得到根本性解决，如回收率低、煤尘大、自燃的危险性大等等。在大采高技术的优越性尚未被人们接受前，放顶煤开采技术无疑是五阳矿较为合理的采煤方法，而大采高技术的发展，为五阳矿更合理、高效的开采所采厚煤层开辟了新的途径。论文根据五阳矿主要生产区（76、78采区）的地质情况，论述了该矿厚煤层（3#煤层）采用大采高开采的可行性，并给出了76采区7600大采高工作面设备配套选型方案。2大采高综采技术研究现状与发展2.1国外研究现状俄罗斯、德国、波兰、捷克、英国、日本等国从60年代开始就发展大采高综采技术。早在60年代，日本曾设计了一种5m采高并带中间平台的液压支架，获得了日本国家设计奖。德国早在1970年使用贝考瑞特垛式支架成功地开采了热罗林矿4m厚的7#煤层，德国拥有的大采高液压支架(简称高架)架型包括威斯特伐利亚BC-25/56、赫姆夏特T55-22/60、蒂森RHS525-50BL及G320-23/45型大采高液压支架。20世纪70年代末，波兰利用3年时间在7个综采面装备了DOMA-25/45型两柱掩护支架，另外还开发了PLOMA系列两柱掩护式大采高支架，也取得了较好的使用效果；1983年美国在怀俄明州卡帮县1号矿采用长壁大采高综采技术开采厚煤层，采高达4.54.7m，日产量达6200t，工效达210360t/工；1980年前西德赫姆夏特公司开发出G550-22/60型掩护式支架，最大高度6m，在威斯特伐伦矿成功应用；捷克上西里西煤田已有10多个采煤工作面采高达4.5m；法国在洛林煤田的拉乌夫煤矿采用大采高综采技术；1987年底，前苏联有47个综采面装备KM130-4型大采高支架，另外还研制了KM142型、YKM-4型、YKM-5型等大采高支架；澳大利亚在已探明储量中，有60亿t以上储量为厚度大于4.5m的煤层，常用长壁大采高综采技术，最大采高为4.5m。20世纪末期以来，高新技术不断向传统采矿领域渗透，美、澳、英、德等国家采用了大功率可控传动、微机工况检测监控、自动化控制、机电一体化设计等先进适用技术，研制出适应不同煤层条件的高效综采大型设备，实现了从普通综合机械化生产向高产高效集约化生产的根本性转变。目前，国外综采成套设备的生产能力已经达到3000t/h以上，以德国的DBT、Eick-hoff和美国JOY公司为代表的国际采矿设备供应商，基本垄断了综采高端产品市场。美国新一代高产高效综采设备基本上实现了采煤工作面的半自动化，其中液压支架的发展尤为突出，据统计，美国长壁综采面中液压支架基本以掩护式为主，约占全部架型的96%，支架阻力平均在70008000kN，最大为9800 kN，6.0m高支架已逐步成系列化生产，美国大采高液压支架的发展趋势为向应用电液控制技是术两柱式掩护支架。2.2国内现状我国1978年从德国引进大采高综采设备，开始研究大采高综采技术，1984年在西山官地矿18202工作面首次采用全套国产大采高综采设备进行工业性试验。如图1-1所示，由于开采设备能力的限制、工作面设备的适应性差、围岩控制技术研究相对滞后，1998年之前大采高综采面最高单产均在250万t/a以下，处于较低发展水平。1998年之后，大采高综采技术发展加速，特别是在神东矿区的成功应用，工作面单产水平大幅提高。2000年大柳塔煤矿采用JOY公司生产的6LS5型采煤机、DBT公司生产的WS1.7掩护式支架等全套进口设备，工作面最高单产803.4万t；2003年大采高综采面最高单产超过1000万t，达到了世界领先水平；2006年，晋城寺河煤矿2307工作面首次采用ZY9400/28/62型国产液压支架、德国Eickhoff公司生产的SL-500型采煤机，开采厚6.2m的煤层，平均月产66万t，最高月产78万t；近3年来，大采高综采面最高单产均在1100万t/年以上，2008年补连塔煤矿采用德国Eickhoff公司的SL-1000型采煤机、国产ZY10800/28/63D型大采高液压支架，工作面单产达1180万t，万利一矿采用ZY8600/24/50D型液压支架，MG750/1815-GWD型采煤机等全套国产大采高综采设备，工作面单产1015万t。近年来，为适应我国煤矿综采机械化的发展，国内综采设备科研设计和制造企业已研制并开发出具有较先进技术水平的大功率电牵引采煤机、重型刮板输送机、电液控制强力液压支架和多点驱动大运力带式输送机。配套设备的生产能力达到15002500t/h，在适宜的煤层和矿井条件下，综采工作面可实现年产300万t以上。图2-1 19942008年大采高综采面最高单产纪录天地科技股份有限公司研制成功的MG750/1815-GWD型交流电牵引采煤机，总装机功率达到1815kW；鸡西煤矿机械有限公司研制成功的MG800/2040-WD型电牵引采煤机，总装机功率达到2040kW；西安煤矿机械厂研制成功的MG750/1910-WD型和MG900/2210-WD型交流电牵引采煤机，总装机功率分别达到1910kW和2210kW。张家口煤矿机械制造公司、西北奔牛集团公司研制成功的SGZ1200/1575型刮板输送机，输送能力最大达到2500t/h，总功率达到1575kW。我国近期研制成功了ZY8800/26/50型两柱掩护式液压支架、ZZ9900/20/45四柱支撑掩护液压支架。郑州煤机厂为神华上湾矿研制的ZY10800/28/63型两柱掩护式液压支架，整体结构强度高，调高范围2.86.3m，支护高度最大可达到6.3m，工作阻力10800kN，立柱缸径400mm，采用电液控制技术，寿命试验达5.8万次以上。我国新研制开发的新型大采高综采装备技术参数已经接近国外先进水平，综采工作面年产能力达到300万t以上。2.3大采高综采技术发展趋势综合分析国内外相关文献，可以看出大采高综采技术的发展，主要呈现以下趋势：（1）采高持续增大，大采高的开采高度由最初的3.5m到现在的6.0m左右，随着7.0m高性能液压支架的研制成功，采高将持续扩大，大采高综采技术的使用范围进一步推广；（2）由赋存结构相对简单的神东、晋城等矿区向赋存结构复杂的两淮、潞安、阳泉、西山等矿区推广，两淮、阳泉、潞安等矿区对6.0m左右的松软厚煤层正开展大采高综采技术的试验。（3）采煤机的选型上以宁大勿小为原则。近年来，采煤机的截割速度一直在增加，目前采煤机的截割速度一般在1215m/min，一些新研究开发出来的采煤机的截割速度达到了2436m/min；截割功率、牵引功率更高更大，总装机功率将超过2400kW。（4）工作面液压支架工作阻力更高、单架支护面积更大，设计手段更先进，设计使用寿命要大于60000个循环。为满足采煤机截割深度大于1000mm的要求，增加支架顶梁的长度，以维护工作面顶板，防治冒顶；液压支架的宽度有1.5m和1.75m两种，从目前看还有加大的余地，支架中心间距可达到2000mm，可以增加大采高支架的稳定性，以满足增加支撑力的要求。（5）随着采高、工作面长度及生产能力的不断增长，工作面输送机链的直径也不断增大。刮板输送机的输送长度达到300m，小时运输量可达到5000t，输送机溜槽宽度、链条直径、总装机功率等都要增加，链条直径达到48mm以上，总装机功率达到3200kW，供电电压可达到4160V。3五阳矿概况3.1矿井地理位置山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿位于长治市襄垣县境内，地理坐标为东经11258251130509，北纬362646363347。井田范围南以文王山北正断层为界，北至西川正断层，东起 15-3#煤层露头线及经线38418000，西至经线38408000，见图3-1。南北长约13km，东西宽约10km，面积为78.3649km2。3.2矿井交通及隶属关系五阳煤矿交通条件较为便利，太焦铁路自北向南横穿井田，襄垣火车站、五阳火车站位于井田之内，本矿铁路专用线与五阳站相接。邯长、太焦铁路在长治北站交会。太焦线北接石太、同浦线，南接陇海线。榆黄公路从井田穿过，208国道及长太高速公路由井田西约1km自北向南经过。五阳煤矿距襄垣城约3km，距长治市约45km，距太原市约215km。襄垣县的滨河路连接着整个矿区，矿区至潞安集团、长治、太原等地均有汽车相通。图3-1 矿井四邻关系3.3矿井地质条件1含煤地层五阳井田主要含煤地层为石炭系上统太原组及二叠系下统山西组。石炭系上统太原组（C3t）为一套典型的海陆交互相沉积，形成四个明显的旋回韵律结构，其厚度为89.20139.00m，平均厚103m，岩性为灰色、深灰色石灰岩，灰色、灰白色细、中、粗粒石英砂岩，灰黑色粉砂岩、砂质泥岩，泥岩及煤层。其中夹815层煤，发育四层稳定的石灰岩（K2、K3、K4、K5）及一层不稳定的石灰岩（K6）。测井物性反映：煤层一般为高电阻、低密度、低伽玛，石灰岩为高电阻、高密度、低伽玛，因此标志明显。该组产植物化石碎屑及动物化石。二叠系下统山西组（P1s）为陆相沉积，其厚度为39.2085.85m，平均厚度约60m，岩性为灰色粉砂岩、砂质泥岩、泥岩，灰白色中、细粒石英砂岩及煤层。其中夹煤14层，中下部发育的3#煤为全区稳定的可采煤层，其厚度为1.50m7.90m，平均厚5.73m。测井物性反映：煤层表现为高电阻、低密度、低伽玛。由于3#煤层发育、厚度大且稳定，本身即为明显的标志层。该组产植物化石碎屑。2主要构造潞安矿区处于我国东部新华夏构造体系第三隆起带中段，即太行山段，在这个一级隆起带上发育有二级隆起与凹陷，由东向西有晋（城）获（鹿）断褶带，武（乡）阳（城）凹褶带等，它们彼此平行呈雁行排列。总体延伸方向为北2030东，局部地段因受其它构造体系的影响略偏北。潞安矿区处于武阳凹褶带中段，晋获断裂西侧，晋获断裂对矿区构造格局的形成和发展具有重要的控制作用。矿区主体构造线方向与晋获断裂带一致，呈北北东北东东向。沿南北方向分别以文王山地垒和二岗山地垒为界分为北、中、南段。北段南部文王山断层与西川断层之间，由宽缓褶曲和正断层组成北东东向的构造带，五阳井田位于该构造带内，北以西川断层为界，南以文王山北断层为界。五阳井田处于上述二级构造带之间，受晋获断褶带的控制和武阳凹褶带的影响主要形成低级，低序次的构造。本井田基本构造特征为：向南西倾伏宽缓褶曲，伴有大中型、高角度正断层和次一级的小型断裂，构造线方向大致为北东东和北东方向褶曲；地层总体倾向南西，倾角一般为10；地下3#煤层层位附近呈带状分布有陷落柱。（1）褶曲井田内主要褶曲是天仓向斜，与其伴生的次级褶曲由北向南有：崔村向斜、大郝沟向斜、十字道背斜、五阳背斜、东周背斜。其轴向除崔村向斜为北北东向外，其余均为北东东向。天仓向斜横贯井田中央，为本井田的控制性构造。褶曲的共同特点是：向西倾伏，两翼倾角520，一般10左右，仅天仓向斜和崔村向斜靠近枢纽部分大于20甚至达25。天仓向斜幅度在100m以上，其它在20m至80m之间。小黄庄断层以北至西川断层之间由崔村向斜和大郝沟向斜构成煤层的基本形态，而小黄庄断层以南至文王山北断层之间以中部的天仓向斜构成井田的基本形态。（2）断层在褶曲形成过程中，由于背斜轴部张引力的作用发育有高角度正断层，构成地垒、地堑构造，它们是五阳井田常见的断层组合形成，直接控制和影响含煤岩系的分布，发育规律和煤层开采。井田控制性断层从北向南：西川正断层、王家庄正断层、小黄庄正断层、崔家庄3#、2#、1#正断层、文王山北正断层，落差均大于100米，落差10100米的中型断层有：东南上正断层、仓上1#、2#正断层、西王桥正断层、南峰正断层、西大巷正断层、果园正断层、东周正断层。区内共揭露大小断层198条：其中正断层195条、逆断层3条。按落差大小统计：大于50米11条，1050米17条，510米27条，15米断层81条，小于1米断层62条，均不同程度地影响生产。除个别逆断层外，均为高角度正断层，断层倾角6585，一般为7075。断层延伸方向分两组，其中主要一组为NEE向，常在N6085E之间，一般为N7080E；另一组为NE向，常在N4550E之间。（3）陷落柱五阳井田内岩溶陷落柱较发育，主要集中在天仓向斜轴两侧，到目前共有53处，其中井下揭露44个，钻孔揭露2个，电法勘探发现7个。陷落柱横截面大多呈椭圆形，长短轴比一般为20:17，长轴多垂直于底板等高线，即与构造线方向近垂直，短轴则平行于构造线方向。柱体截面大小不一，最大可达97750m2，一般为4400m2，接触面呈锯齿状，常以7585倾角的反漏斗状向深部延伸。已揭露的陷落柱多在403450米水平，因大部分处在奥灰水位之上，所以一般无水。3水文地质条件井田内主要河流有浊漳河西源和南源。西源由西向东流经矿区，南源由南向北流入，南源和西源在井田甘村附近汇合后，由南向北至襄垣城东流出矿区，总汇水面积约750km2，在井田外两源上游分别建有漳泽水库和后湾水库。淤泥河系浊漳河支流，自南向北流淌，在东李村汇入浊漳河，一般流量为360m3/h，为季节性河流。流经本井田的浊漳河南源，常年流水，最高洪水位857.65m（1953.6.15），最大流量224m3/s，局部对煤层顶板含水层有明显的入渗补给。潞安矿区位于沁水煤盆地东翼、辛安泉流域补给区的西部边缘即该泉域若干个地下水迳流带的一个分支上，水文地质条件相对简单。该区奥灰被上覆地层覆盖、补给条件差、迳流速度慢。区内地层走向明显受褶曲控制，而地表水流向与地层走向基本垂直，一般不利于地表水直接补给地下水。南北边界断层造成五阳地块下降（形成地堑），导致煤层底板以下富水性较强的灰岩含水层与煤层顶板以上富水性较弱的砂岩含水层或煤层对接，成为补给边界。五阳井田断裂构造比较发育，且伴随有主要沿天仓向斜轴部发育的陷落柱，导致本井田水文地质条件复杂。4煤层赋存情况井田内的煤层主要分布在二叠系下统的山西组和石炭系上统太原组，共含煤13层，包括可采煤层2层，大部可采煤层1层，局部及偶尔可采10层，总厚度13.31m，含煤系数8.17%。（1）可采煤层3#煤层：位于山西组中下部，厚度1.507.90m，平均厚度5.75m，最薄点位于井田中东部的五-157孔，全区总体上稳定，无明显变化趋势，风化带内可见最小煤厚为0.22m。含夹矸02层，夹矸厚度最大0.10m，最小0.01m，平均0.06m，纯煤厚度5.69m。夹矸岩性多为炭质泥岩，少数为泥岩。煤层顶板岩性为泥岩、砂质泥岩，局部为细砂岩。底板岩性为黑色泥岩、粉砂岩，属结构简单。煤层全区稳定可采且厚度大，为井田正在开采煤层，控制研究程度均很高，确定3#煤层为稳定型。矿井现只采3#煤层。5煤质（1）煤的物理性质3#煤为黑色，细中条带状结构，层状构造，条痕色为黑色，强玻璃光泽，裂隙较发育，呈阶梯状或贝壳状断口。经取样测试3#煤视相对密度为1.35，1.41；散密度为849950kg/m3；安息角为37.237.3度；摩檫角为2024。（2）煤岩特征1）宏观煤岩特征3#煤岩组分以亮煤为主，暗煤次之，夹少量镜煤及丝炭条带。煤岩类型以半亮型为主，半暗型次之。3）显微煤岩特征3#煤的显微煤岩特征：有机组分以镜质组为主，惰质组次之，无机组分以粘土类为主，粘土类呈透镜状、浸染状，硫化铁类的黄铁矿呈颗粒状，偶见次生方解石。 （3）煤的化学性质水分（Mad）：各煤层原、浮煤水分变化不大；灰分（Ad）：3#煤层原煤灰分较稳定，一般在1316%，仅少数点20%。挥发分（Vdaf）：五阳煤矿各煤层挥发分产率在15%左右，在垂向上随着煤层埋藏深度的增加，挥发分产率逐渐降低。硫分（St,d）：3#煤层原煤全硫含量0.5%。依据GB/T15224.2-2004煤炭质量分级（硫分）标准，3#煤属特低硫煤。发热量（Qgr,v,d）：影响煤的发热量主要是水分和灰分。3#煤层原、浮煤高位发热量达29.97MJ/Kg以上，依据GB/T15224.3-2004煤炭质量分级（发热量）标准，对各煤层发热量进行分级：3#属特高热值煤。煤中的碳、氢元素是煤质分析的基本指标。3#煤层元素中以碳元素（Cdaf）为主，占91%以上，次为氢（Hdaf）元素，占4%左右，氮元素（Ndaf）和氧+硫元素（Odaf +St,daf）为少量。6瓦斯、煤尘、煤层自燃倾向性（1）瓦斯3#煤层瓦斯成分以甲烷为主，占34.4298.78%，平均75.37%，次为氮气，占0.0153.26%，平均20.07%，二氧化碳含量较少，占1.0112.25%，平均3.99%，其它重烃含量最少，占02.63%，平均0.62%，3#煤层埋深400m以深为瓦斯带，局部地段为氮气瓦斯带。3#煤层瓦斯含量为1.56017.502mL/gr，平均5.725mL/gr，变化较大。二氧化碳含量为0.010.47mL/gr，平均0.21mL/gr。瓦斯含量随着煤层埋藏深度的增大而增大。（2）煤尘爆炸性和煤的自燃倾向性3#煤层分别在1996年的补充勘探以及2001年、2004年76采区取样作了煤尘爆炸性和自燃倾向性试验，鉴定结果表明：3#煤层煤尘具有爆炸性，属不易自燃煤层，但局部区段3#煤层有可能产生自燃。7地温、地压矿井在勘查期间和开采过程中均未进行测温工作，已往报告也从未提过矿井地温情况，推断井下温度不会偏高，属于温度正常区，无热害威胁，也无冲击地压危害。3.4其它五阳煤矿为省属国有重点煤矿，截止2009年底，矿井3#煤地质保有储量为14920.5万吨，可采储量6110.4万吨，矿井服务年限为13.6年，证照齐全、有效。4采区概况4.1采区在井田中的位置五阳煤矿现有生产采区为南丰扩区、75采区。五阳煤矿于1990年上报申请将五阳煤矿相邻的南丰井田部分划归五阳煤矿开采，山西省煤管局以统晋煤生字(1990)第1006号文批准同意五阳煤矿扩大井田增加储量，将南丰详查区的东部（南丰扩区）划归五阳煤矿开采。近年来，随着矿井发展，南丰扩区作为一个采区具有一定的不合理性，并给生产管理带来一定得困难，因此，该矿委托“北京圆之翰煤炭工程设计有限公司潞安分公司”对南丰扩区进行进一步优化设计，将南丰扩区划分为76、78两个采区。因此，矿井共分为3个采区，即75、76、78采区。76、78采区为矿井的主要生产采区；75采区属于边角煤采区。76采区为五阳煤矿主采区，位于五阳井田西南部，其东部为75采区，南部和西部为井田边界，北部为78采区（见图4-1）。4.2 76采区可采煤层3#煤层：位于山西组中下部，厚度3.25-7.60m，平均厚度6.13m，含夹矸02层，厚度大且稳定，是全区稳定的主要可采煤层。9#煤层：位于k5、k4石灰岩之间，厚度0.101.85m，平均厚度为1.07m，含夹矸0-1层，厚度变化大，层位不稳定，为全区发育局部可采煤层。15-3#煤层：位于k2石灰岩之下10m左右，厚度为1.202.16m，平均厚度为1.60m，含夹矸0-1层，厚度变化大，层位稳定，为全区发育、较稳定可采煤层76采区现只采3#煤层。4.3 76采区构造揭露情况76采区在开拓掘进中没有遇到陷落柱，揭露断层有数十条，其中大的断层有西大巷断层、南丰断层、果园东断层，较大断层有76-1、76-2、76-3断层，在7600运输巷掘进中揭露1条断层，回风巷掘进中揭露1条断层，工作面内7516排水巷揭露1条断层。图4-1 76采区在井田位置关系4.3 76水文地质条件采区自上而下有：第四系覆盖层、二叠系上二叠统上石盒子组、下二叠统下石盒子组、山西组、石炭系上石炭统太原组，局部发育有本溪组及奥陶系灰岩地层。主要有11个含水层，分三个类型：3#煤底部灰岩裂隙、溶洞式含水层；3#煤顶部砂岩裂隙、孔隙式含水层；第四系风化壳孔隙式含水层。3#煤层上覆含水层主要有五层，下覆含水层主要有六层，区内构造发育，且有岩溶陷落柱，在以往的采掘过程中，矿井涌水量主要为上覆含水层，下覆含水层一般不对矿井生产造成影响，本采区3#煤层埋深大，底板承压高，有可能发生底板突水事故。4.4开采煤层顶底板岩性、节理裂隙1.煤层顶底板岩性老顶，细粒石英砂岩，灰白色、石英长石为主，含云母及暗色矿物，分选性、磨圆度较好，局部夹泥岩条带。直接顶，砂质泥岩，黑色、块状、性脆、含大量植物茎状化石。伪顶，炭质泥岩，黑色、夹煤线或煤屑，节理发育、易冒落。直接底，砂质泥岩，灰黑色、团块状，含大量植物根部化石及煤屑。老底，细粒长石砂岩，灰白色、中厚层状、水平层理，夹泥岩条带，含云母，质较硬。顶底板岩石物理力学试验结果见表4-12.节理裂隙井田内常见和断裂方向一致的两组裂隙，一组为北7080东，另一组为北90120东，夹角3040，多呈隐裂隙和闭口裂隙。风化裂隙在基岩风化面3540m深度内很发育，多以开口状出现，裂隙面呈缓波状有时平直光滑，裂隙带多被一些泥质充填。表4-1 3#煤层顶底板岩石力学指标试验结果岩石名称厚度(m)内磨擦角()抗剪强度(MPa)抗拉强度(MPa)单向抗压强度(MPa)顶板粉砂岩48.0砂质泥岩2.40372917.151.9264.0粉砂岩3.75394818.521.8270.6砂质泥岩2.303.56101.0底板粉砂岩6.181.1864.1中粒砂岩3.09343132.546.298.75采区开采条件工艺性评价煤层地质条件开采工艺性的采区评价是对未来开采采区地质条件及工作面所选工艺的适应程度进行评价，为工作面的生产技术经济指标的预测和矿井持续稳定生产提供可靠依据。采区评价依据的资料有大量的准备与回采巷道揭露的地质材料及工作面采过后可靠的地质资料。随着高产高效矿井建设的不断深入，矿井生产越越来越集中，将逐步过渡到“一矿（井）一面”的开采模式。这样，采区地质条件的各异件，必然影响工作面开采工艺对地质条件的适应性和工作面单产水平，从而影响矿井的处术经济指标。因此，煤层地质条件开采工艺件的采区评价是高产高效矿井采煤工作面单产可靠预测和合理配置，及矿井生产持续稳定可靠运行的基础。在研究地质条件对开采影响一般规律的基础上，采用模糊综合评价模型和层次分析法对厚煤层工作面地质条件开采工艺性进行了综合评价，为采用一次全厚大采高综采工艺提供理论根据。煤层地质条件开采工艺性评价是在寻求地质条件诸因素对开采影响一般规律的基础上，对地质条件优劣程度进行客观评价；在寻求地质条件优劣程度与开采效果一般关系的基础上进行开采效果的预测和辅助技术决策。其实质就是从采矿的角度对具体煤层适合于开采工艺的程度进行定性分析与定量评价，以此作为开采技术决策、设计规划、生产管理的依据。采用模糊综合评价方法，从采区开采的总体方面进行的整体综合评价，为此必须确定评价因素结构隶属函数及权重。5.1评价因素结构指标体系1.评价因素结构建立评价因素结构是实现离散性评价问题系统化与标淮化的第一步，它集中体现了评价体系的内涵。评价因素结构如图5-1所示。图5-1 评价因素结构2.评价因素指标体系在评价因素结构中，复合因素有7个，基国素有15个，评价的顺序是由基因素到复合因素的评价是首要的。这里对评价基因素的影响因素和指标量化问题进行简述。（1）断层影响国内外开采实践与统计资利表明，全面地描述断层对开采的影响需3个指标。1）断层密度式中n1块段内的断层条数，条； s块段面积，km2。2）断层长度指数式中li第i条断层的长度，km。3）断层落差指数q3断层落差系数是指断层落差h与煤层开采厚度m的比值，同值的断层落差系数不同的煤层厚度下对开采的影响也不同，煤层开采厚度越小，断层导致的开采困难越大，因此必须对断层落差系数进行修正，以提高这一指标的鉴别力。通过统计分析得知，断层落差系数q3可以用煤层开采厚度的对数函数进行修正：式中 hi第i条断层落差，m； M工作面煤层开采厚度，m。上指标q1、q2、q3的计算，只限于块段(采区或带区)内的断层，对块段边界断层，作为块段边界，不加汁算。（2）褶皱影响因素褶皱发育程度的定量化指标主要有2个。1）褶皱剖面系数pl式中 L在垂直褶皱的剖面上两点间煤层实际长度，m；L该两的水平投影长度，m。2）褶皱复杂性系数p2式中 采区开采范围内最低与最高煤层等高线高差，m；l采区开采范围内最低与最高煤层等高线平距，m；w用弧度表示的等高线走向的变化值，rad；s采区面积。（3）煤层稳定性煤层稳定性可包括煤层厚度变化、可采厚度和结构变化三个方面的含义，分别可以用煤厚变异系数g、可采性指数Km、含歼系数G表示。 煤层变异系数式中 X钻孔煤厚平均值，m；Xi钻扎见煤际度，M；n钻孔个数。 可采性指数式中 n全部见煤钻孔数；n大于可采厚度的钻孔数。 含歼系数G式中 Gi钻孔内煤层夹秆厚度，m； Xi钻孔内煤厚，m。（4）煤层厚度煤层厚度将直接影响综采工艺方式及技术经济效果。综采工作面，当煤厚在6m以下时，用一次采全高采煤艺方式；煤厚在6m以上时，一般采用放顶煤综采或分层综采。煤厚的不同，可能取得的技术经济效果不同。评价煤层开采厚度以采区内见煤钻孔煤层厚度平均值为评价指标。即式中 Mi第i个钻孔见煤厚度，m；n采区内见煤钻孔数。（5）煤层倾角煤层倾角对采煤工作面支架的稳定性、采煤机运行速度、输送机生产能力、工人作业难易程度均有较大影响，不同煤层倾角对工作面开采工艺的影响程度可通过其隶属度和权重来具体体现。评价煤层倾角以采区范围内见煤钻孔煤层倾角平均值作为评价指标。即式中 ai第i个见煤钻孔煤层倾角。（6）煤层坚硬性煤层坚硬性是影响采煤机割煤及工作面内片帮程度的个因素，综放工作面还直接影响顶煤的冒放性及放煤作业时间，用煤层综合强度R作为指标式中 G夹秆系数(即矸石厚度与煤层厚度的比值)；Re夹矸岩石强度，MPa； Rc煤的单向抗压强度，MPa。（7）煤层项底板条件煤层顶底板条件是影响采煤工作面安全生产最重要的因素之一，顶板的稳定性影响机械化采煤工艺的选用、采煤机裁割深度、采煤机煤牵引速度和开机率。1）直接顶稳定性。以直接顶岩层单向抗拉强度s作为评价指标。2）基本顶支撑性。选用直接顶厚度与采高的倍数比作为反映基本顶支撑条件的慨略性总体指标3）伪顶影响。取伪顶厚度h0作为评价指标。4）底板强度。取直接底岩层的抗压强度qc作为评价底板影响的主要指标。（8）工作面块度长壁工作面块度包括2个指标。1）可布置面长工作面长度与采煤工艺方式、单产等技术经济指标存在着密切关系，理沦上，可布置工作面长度长些有利，一般在无地质和技术条件限制下，上作面长度不宜少于180 m。2）可推进长度可推进长度S增大，因工作面搬家造成的产量降低和费用增加相对减少，可推进长度一般不宜小于1500m。5.2评价因素隶属函数隶属函数是评价因素间在价值上约定的具有可比性的统一尺度，是实现离散性评价问题系统化和标准化的第二步，它刻画了某一地质因素变化对开采效果影响的模糊关系，是模糊综合评价模型的基础。在进行煤层地质条件工艺性矿井评价时，隶属函数的确定没有将不同工艺区别对待，则在进行采区评价时，必须考虑不同工艺方式的技术特点。此外，隶属函数构造本身就是个不断完善的过程。一方面随着开采技术的进步，将会提高开采技术对地质条件变化的适应性；另一方面增加矿区煤层地质条件开采工艺性评价的案例，扩大应用范围，就会增加统计分析的样本，充实新的评价资料。这都可能影响到隶属函数的性质，需要进行调整，或者构造新的隶属函数。构造隶属函数可综合利用技术总结、科研成果、统计分析和专家经验，可采用统计分析法、待定系数法、多相模糊统计法等恰当的方法。此处大采高综采工艺的评价因素隶属函数的确定，均是在已有研究成果基础上加以调整的。根据地质条件对大采高综采采区开采的条件，对断层影响、褶皱影响、夹矸系数、工作面可推进长度、工作面长、煤层开采厚度和煤层倾角等隶属函数作了调整。1.断层影响的多元隶属函数2.褶皱影响的多元隶属函数3.煤厚变异系数的隶属函数4.夹矸系数的隶属函数5.煤层开采厚度的隶属函数6.煤层倾角的隶属函数7.煤层坚硬性指标的隶属函数8.直接顶单向抗压强度指标的隶属函数式中 s直接顶单向抗压强度，MPa。9.直接顶支撑性的隶属函数式中 N直接顶厚度与采高的倍数比10.伪顶厚度的隶属函数式中 h0伪顶厚度，m。11.底板单向抗压强度的隶属函数式中 RD底板单向抗压强度，MPa。12.工作面推进长度的隶属函数13.工作面倾斜长度的隶属函数5.3评价因素权重综合评价因素权重是指评价系统在结构上的一种定量化约定，它表征了评价因素在评价结构上的相对重要性，是实现评价系统结构和功能相统一的关键。煤层地质条件评价因素权重，其实质就是各地质因素对开采工艺影响相对重要性的定量描述。确定煤层地质条件评价因素的权重要以开采规律为依据，以地质条件与开采工艺的相互适应性为主要内容，充分利用统计数据、研究成果和专家经验。目前最常用的方法有专家评分法和层次分析法等。这些方法依据专家对各因素对开采重要性的认识，概念清晰，简单易行，针对性强，对解决具体矿区煤层条件评价是比较适宜的。由于评价结果受专家的挑选及专家主观因素的影响，对专家不熟悉的条件的评价是有失公允的。本文主要采用层次分析法（AHP）确定出各评价因素的权重。层次分析法是系统工程中对非定量事件作定量分析的一种简单方法，也是对人们的主观判断作客观描述的一种有效方法，在确定多因素权重方面，可减少主观性，更接近客观实际。其应用可分为五个步骤：（1）建立层次模型；（2）构造判断矩阵；（3）层次单排序及其一致性检验；（4）层次总排序；（5）层次总排序的一致性检验。判断矩阵的确定是成功应用AHP法的关键。判断矩阵元素的值反应了人们对各因素相对的重要性（或优劣、偏好、强度等）认识，一般采用19及其倒数的标度方法，如表5-1所示。表5-1 判断矩阵标度及其意义标度含义1表示两个因素相比，具有同样重要性3表示两个因素相比，一个因素比另一个因素稍微重要5表示两个因素相比，一个因素比另一个因素明显重要7表示两个因素相比，一个因素比另一个因素非常重要9表示两个因素相比，一个因素比另一个因素极端重要2,4,6,8上述相邻判断的中指倒数因素i与j比较得判断，则因素j与i比较的判断采用以上步骤对大采高综采工作面煤层地质条件多因素评价结果见表5-25-6所示。表 5-2 AB层判断矩阵AB1B2B3B4B5B6B7B11657877B21/6133343B31/51/313333B41/71/31/31333B51/81/31/31/3122B61/71/41/31/31/213B71/71/31/31/31/21/31表 5-3 B1C判断矩阵B1C1C2C117C21/71表5-4 B2C判断矩阵B2C5C6C512C61/21表 5-5 B6C判断矩阵B6C7C8C9C10C61323C71/3123C81/21/213C91/31/31/31表5-6 B7C判断矩阵B7C11C12C1011C1111表5-7 厚煤层一次采全厚综采各因素权重计算结果复合因素权重子因素权重1.地质结构复杂程度0.4846断层影响褶皱影响0.42400.06062.煤层稳定性0.1727煤厚变异性夹矸系数0.09940.07333.煤层厚度0.1220煤层厚度0.12204.煤层倾角0.0856煤层倾角0.08565.坚硬性0.0526煤层坚硬性0.05266.煤层顶底板条件0.0470直接顶强度基本顶支撑性伪顶影响底板强度0.02120.01210.00930.00437.采区块段0.0355可布置面长可推进长度0.03110.0044合计1.000合计1.0005.4综合评价模型煤层地质开采工艺性评价是对采区地质条件适应程度进行多层次综合评价，将单因素的评价按一定算法映射为一综合评价值，并将此综合评价的大小来衡量地质条件综合适应性的优劣程度。设评价因素集为，评价指标特征向量，相对应的影响因素隶属度矩阵为，影响因素的结构权重为。综合评价模型选用加权评价型，即：，式中 算子，针对不同的模型，可选取（、）等具体运算符号。一般采用线性加权综合评价模型。因为本文影响因素权重的结构权重为用层次分析法确定的，即，所以上式可转化为式： 式中 bj综合评价值。5.5采区综采评价等级分类根据上述评价，结合五阳矿采区的具体情况，可将大采高综采采区分成4个等级，如表5-8。评价等级评价结果开采条件0.85好0.700.85较好0.600.70一般0.60较差6大采高可行性评价根据五阳矿七六和七八采区地质条件可得七六、七八采区评价因素指标，如下表6-1。表6-1 七六、七八采区评价因素指标采区号断层影响褶皱影响煤层稳定性煤层厚度断层密度断层长度指数断层落差指数褶皱剖面系数褶皱平面系数煤厚变异系数夹矸系数76采区0.56181.71910.93320.050.10010.03180.00996.0478采区0.21740.76093.39340.060.12300.03470.00976.08采区号煤层倾角煤层硬度煤层顶底板条件工作面快段直接顶稳定性老顶支撑性伪顶影响底板强度可布面长可推进长度76采区69.542.250.40230.3538.9240137278采区69.343.150.41150.3737.62401476通过评价因素隶属度函数计算可得采区煤层地质条件开采工艺性的评价因素隶属度如下表6-2表 6-2 评价因素隶属度采区号76采区0.93240.97680.64332.01.00.9780.15078采区0.96910.86410.62742.01.00.9780.150采区号76采区0.46050.00270.550.95971.00.806378采区0.46050.00340.550.95971.00.8947由综合评价模型式可知，综上所述，对于五阳矿七六、七八采区的综合评价均属于级，宜采用大采高一次全厚综采工艺开采。7 600工作面设备选型与配套根据国内安全高效矿井生产经验，厚煤层综采工作面应具有较长的工作面长度，采煤机具有大截深、大功率（可切割夹矸）、较快的切割速度，液压支架移架速度快（电液阀控制）且与大运量的重型可弯曲刮板输送机相匹配。主要采煤设备的选型与配置按照各环节生产能力相适应、技术要求相配套的原则进行配备。矿井移交生产及达到设计生产能力时，共布置两个盘区两个工作面，每个工作面均按3.0Mt/a配备采煤设备。7.1液压支架选型液压支架是综采工作面主要设备之一，也是工作面装备中投资最多的设备，应把液压支架的可靠性放在首位。液压支架的选型既要考虑设备先进性，又要考虑性能稳定可靠、经久耐用。本次设计液压支架选型基于国内比较成熟的大采高液压支架。1.支护高度支架支护高度根据开采煤层的结构厚度确定。76采区7600工作面3#煤厚度为4.316.2m，平均5.5m，除1个钻孔煤层厚度为6.1m外，绝大部分钻孔的煤层厚度在5.74.0m之间。设计本着少丢煤的原则，同时兼顾减少技术难度，确定液压支架的最小支撑高度为2.6m，最大支撑高度为5.6m。2.支护强度结合3#煤的顶底板岩性，按倍数岩重法对液压支架支护强度进行计算。计算公式如下：p=（68）M式中：p支护强度，N/m2；M采高，平均