矿井开采设计

第二十一章矿井开采设计第一节矿井开采设计的程序和内容第二节矿井开采设计方法及评价准则第三节矿井开拓设计方案比较示例10/21/20221安徽理工大学资管系采矿教研室第一节矿井开采设计的程序和内容一、矿井设计的依据设计任务书又称计划任务书,是生产管理部门向设计部门委托设计任务的文件。其中明确规定了拟建项目的任务和设计内容、技术方向、设计阶段、设计原则、计划安排以及配套工程的发展计划与要求。设计任务书是确定基本建设项目和编制设计文件的主要依据。主要内容：(一)设计任务书10/21/20222安徽理工大学资管系采矿教研室(1)矿井建设目的(2)矿井建设规模(3)建设根据(4)机械化程度(5)主要生产协作条件(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。10/21/20223安徽理工大学资管系采矿教研室井田精查地质报告是为矿井初步设计提供可靠的资源储量的依据。保证井田境界和矿井井型不致因地质资料不准确而发生重大变化,影响煤炭资源既定的工业用途。对地质条件特别复杂的小型煤矿及地方小煤矿,可以详查最终地质报告作为资源储量的依据。(二)精查地质报告为保证矿井初步设计有可靠的储幢资源墓础,进行初步设计时,应有较可靠的地质资料,全矿井特别是第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。应符合下表的规定。10/21/20224安徽理工大学资管系采矿教研室

简

单中

等复

杂大型中型小型大型中型小型中型小型井田内A+B级储量占总储量的比例％4035253530202515第一水平内A+B级储量占本水平储量的比例％70606060603040不做具体规定第一水平内A+B级储量占本水平储量的比例％4030153020不做具体规定不要求(三)国家总的建设方针、政策及现行有关标准和规范的要求(四)经批准的上阶段设计确定原则10/21/20225安徽理工大学资管系采矿教研室煤矿建设必须严格按照基本建设程序办事,在建设前应编制矿井开采设计。矿井开采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。二、矿井设计程序10/21/20226安徽理工大学资管系采矿教研室（一）矿区开发可行性报告矿区开发可行性研究的主要内容：(1)根据矿区的煤炭资源和开发技术条件,在国家方针政策指导下,从技术经济上分析、论证、研究矿区开发的可行性。(2)确定井田划分、矿区建设规模和矿井工程建设顺序。(3)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。(4)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。(5)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。10/21/20227安徽理工大学资管系采矿教研室矿区总体设计是根据批准的矿区总体设计计划任务书、矿区详查地质报告和矿区开发可行性研究报告(总体设计方案)以及环境影响报告书等,在落实外部协作条件的基础上,通过更全面深入的工作和各种具体计算,进一步完善可行性研究所推荐并经审查批准的方案,去编制矿区总体设计。矿区总体设计主要解决矿区开发的总体部署问题,它不仅要对井田划分和矿区规模懂出合理决定,而且还要对矿区的地面运输、供电系统、供水系统以及矿区的辅助企业、文教、卫生及生活设施做出统一安排。它比可行性研究更细致具体。国家颁发有编制矿区总体设计内容的专门文件,做总体设计涉及内容的参考框架。矿区总体设计批准后,可作为指导安排煤炭工业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,是指导矿区开发建设的重要文件。搞好矿区总体设计,是煤炭工业基本建设中一项战略性的任务。(二)矿区总体设计10/21/20228安徽理工大学资管系采矿教研室矿井可行性研究是在初步设计以前,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在编制初步设计前进行可行性研究工作,有利于设计原则的正确贯彻。在矿井可行性研究中应对建设项目的主要方面进行深入细致的研究,其主要内容包括：预测市场对煤的需求情况；分析煤炭资源条件和原始地质资料；确定矿井生产能力；择优确定先进可靠和符合我国技术政策及能源政策的开拓方案；选择矿井合理的工艺流程和主要设备；确定合理的矿井工业场地总平面布置以及环境保护方案、占地面积,居住区规划等；协调各方面的关系；对建设项目的经济效果进行总评价等。总之,矿井可行性研究是一项内容广泛、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。当可行性研究报告批准以后,可提供井筒检查钻孔的位置,测量工业场地地形,做必要的工程地质工作,为进行矿井初步设计创造条件。(三)矿井可行性研究10/21/20229安徽理工大学资管系采矿教研室矿井初步设计是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。初步设计文件经过审批,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。矿井初步设计的内容较为广泛(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。矿井初步设计经上级审查批准以后,方可进行施工图设计。(四)矿井初步设计10/21/202210安徽理工大学资管系采矿教研室施工图是施工单位进行施工的依据。施工图设计是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。为矿井设计中的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。为此,设计部门要密切结合现场实际,加强与施工单位的商洽,使设计成果既便于施工,又利于生产,做到经济合理。实践证明,设计中的重大质量问题,往往是由于不坚持设计程序而造成的。也就是说,坚持矿井设计程序是保证设计质量的关键,也是坚持基本建设程序的基础。矿井初步设计是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、设汁图、机电设备和器材清册及设计总概算。(五)施工图设计10/21/202211安徽理工大学资管系采矿教研室三、矿井初步设计内容矿井初步设计应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。10/21/202212安徽理工大学资管系采矿教研室矿井初步设计应阐明和砾定如下主要问题。(1)说明矿井的位置、交通、地形地貌、河流湖泊、沼泽的分布及范围、气象及地震、水文、工农业、建筑材料概况,现有水、电源,煤炭运销和经济效益情况,文物古迹、旅游区及其它地面建筑等情况；说明煤层地层、主要地质构造、煤层赋存状况、煤层及围岩特征、煤质及用途、瓦斯、煤尘、煤的自燃性、地温、水文地质情况,其他有益矿物的勘探、赋存及储量、开采情况；说明地质资料的勘探程度、存在的主要问题,必要时需提出补充勘探工作的建议。(2)说明井田境界及其划分的依据,井田内务可采煤层的地质储量,计算矿井及各水平的可采储量,安全煤柱的留设及其计算方法,说明采用的设计工作制度,说明(必要时尚需分析论证)矿井设计生产能力及确定的依据。(3)说明提出的几个主要开拓方案,列举各主要开拓方案的技术经济比较,阐明推荐开拓方案的主要内容及推荐理由。选择采煤方法,确定采区巷道布置、矿井移交生产和达到设计能力时的采区布置、采掘机械配备、采区车场、装车点及硐室、采区煤矸运输和辅助运输方式及设备选型等等。确定井筒数目和位置,井筒断面,设计井底车场及硐室,验算井底车场通过能力。说明巷道掘进方法和支护形式,确定通风方式和通风系统,计算风量、风压及等积孔,矿井降温措施及设备选型,说明预防井下灾害所需采取的措施及安全装备。(4)确定矿井提升及大巷运输方式,选择矿井提升、运输、通风、排水、压气设备,并计算其能力。(5)说明煤质及用途、煤的加工,确定煤的生产工艺流程、地画生产系统及其各环节的设备和能力；排矸系统设备及矸石处理能力；机修厂、化验室和坑木场的设备及面积。10/21/202213安徽理工大学资管系采矿教研室(6)说明地面运输方式,设计运输线路(铁路及公路)、矿井装车站、桥涵及防排水、隧道、特殊路基防护措施、铁路经营管理方式等。同时,还要说明其他运输方式,例如场外窄轨铁路、水运、架空索道等。(7)确定矿井工业场地总平面布置,说明平面布置、竖向布置及场内运输、场内排水；说明风井工业场地的选定及平面布置,爆破材料库库址选择,工业场地的防洪排涝措施。(8)确定矿井供电电源、用电设备容鬃、井上下供配电系统、地面变电所位置、主要设备的控制、电机车运输、信号、照明、通讯及调度,矿井的安全和生产监控与计算机管理系统。(9)说明地面建筑设计需要的气象条件、工程地质及地震资料、建筑材料以及现场施工技术条件等。确定地面工业建筑物及其结构物,包括工业场地的建筑物及结构物,行政、生活建筑及居住区规划、居住区总平面布置等等。(10)确定全矿给水、排水、采暖、通风、供热,消防系统及设施,井下降尘洒水,井筒防冻以及地面生产系统的除尘。(11)确定矿井环境保护标准,说明环境保护的设计依据及有关要求、地表塌陷治理、研石处理、圬水处理、烟尘处理、噪声治理和垃圾处理等措施。说明工业卫生设施及有关管理办法、绿化规划、结构及设施、环境监测任务,范围及其内容、监测站的设置,环境管理及投资,环境保护存在的问题及建议。(12)计算矿井建设工程量,施工顺序、速度和工期,土建工程及施工顺序,说明井计算机电安装工程及其工程量,施工方法和顺序,三类工程综合排队和总工期。(13)编制矿井劳动定员、原煤成本估算、技术经济分析以及总概算,编制矿井主要技木经济指标。10/21/202214安徽理工大学资管系采矿教研室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．加强设计审批工作四、矿井设计工作的原则10/21/202215安徽理工大学资管系采矿教研室第二节矿井开采设计方法及评价准则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。矿井开采设计主要应解决井田开采的技术方案和确定各项开采参数,如确定井田开拓方式、新水平开拓延深方案、采准巷道布置及生产系统,选择采煤方法,确定阶段垂高、采区走向长度、采煤工作面长度等。使所选用的方案及参数在技术上是优越的,经济上是合理的,安全上是可靠的。一、确定矿井开采设计方案的方法10/21/202216安徽理工大学资管系采矿教研室方案比较法是我国目前确定矿井开采设计方案时应用最广泛的方法。方案比较法的实质就是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。这种设计方法称方案比较法。(一)方案比较法统计分析法就是根据现有生产矿井的实际情况,针对需要解决的问题进行调查统计,借以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。例如,统计一定条件下的工作面长度与其技术经济指标之间的关系,以寻求合理的采煤工作面长度；统计分析采区设计的与实际的生产能力,以合理地确定同采工作面数目和采煤工艺方式；调查统计一定条件下的巷道维护费用,以确定相似条件下的赞用参数；统计分析现有矿井的平均先进的技术经济指标,作为设汁类似矿井的参考数值等。(二)统计分析法标准定额法是以规范、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。(三)标准定额法数学分析法通常是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氖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。(四)数学分析法10/21/202217安徽理工大学资管系采矿教研室二、矿井开采设计的最优化准则所谓矿井开采设计的最优化准则就是衡量矿井某项决策,在技术、经济和社会等方面合理性的尺度、它应该具有完善地反映技术经济效果的广阔度,能够反映方案的多种差别的灵敏度和可以用来评价多种性质问题的适应性。目前,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。10/21/202218安徽理工大学资管系采矿教研室巷道：CJ=Lj式中CJ——该巷道的掘进费用,元；L-该巷道的长度,m

j--单位长度掘进费用,根据岩层性质、断面大小、支护形式、施工管理等因裹定,元／m井底车场：Cch=jd*Vd式中Cch--井底车场掘进费用,元；jd——井底车场掘进单价,元／m3；Vd,——井底车场掘进工程量,m三、主要费用参数计算(一)掘进费用10/21/202219安徽理工大学资管系采矿教研室1．运输费用

Cy=QbLbYh式中

Cy——沿该巷道的运输费用,元；Qb——货载运输量,Lb——巷道长度,km；

Yh——运输单价,元／(tkm),运输距离不同,单价有时也不同。2．提升费用

Cy=Qt1H1Y1+Qt2H2Y2+…式中Cy——提升费用,元；

Qt1、Qt2…——一、二、…、”水平的提升煤量,

H1、H2、…、——一、二、…、”水平的提升距离,km；

Y1、Y2：、…——一、二、…、”水平的提升单价,元／(t·km)。(二)运输提升费用10/21/202220安徽理工大学资管系采矿教研室排水费用可分成两种情况进行计算：如已知含水系数时,则按斜井或立井提升费用的办

法来求；如已知涌水量(m3/h),则可按下式计算：

Cp=365*24(T1H1QlYp1,+T2H2Q2Yp2+…)式中Cp——矿井排水费用,元；

T1、T2、…——一、二、…、n水平服务年限,a；

H1、H2、…——一、二、…、n水平排水距离,km；

Ql、Q2、…——一、二、…、n水平的涌水量,m3/h；

Yp1、Yp2、…——一、二、…、”水平的排水单价,元／(m3·km)。

Cw=LwTwYw

式中

Cw-——该巷道的维护费用,元

Lw-——巷道长度,m；

Tw——巷道维护时间,a；

Yw-——维护单价,元／a·m。(四)排水费用(三)巷道维护费用10/21/202221安徽理工大学资管系采矿教研室第三节矿井开拓设计方案比较示例某矿位于平原地带,井田范围内地表标高为+(80-90)m,表土及风化带厚度(垂高）约50--60m,表土中央有厚度不一致的流沙层,井田中部流砂层较薄,靠井田境界处较厚。本井田煤层上以+30m,下以-420m底板等高线为界,两侧系人为划定境界。井田走向长9000m,倾斜长约1740m。井田内共有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。各煤层成层平稳,地质构造简单,无大断层,煤质中硬,属优质瘦贫煤,煤尘无爆炸性危险,煤层无自然倾向,平均密度为1.32t／m。本矿属低瓦斯矿井,涌水量较大,矿井正常涌水量为380m3／h。井田内m4煤层的底板等高线图及井田中部的地质剖面如图21-1和图21-2所示。一、井田概况10/21/20222