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回采巷道底鼓机理分析.rar

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    回采 巷道 机理 分析
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    中国矿业大学 2012 届本科毕业设计 第 I 页目 录一般部分1 矿区概述及井田地质特征 ...................................................11.1 矿区概述 ......................................................................................................................11.2 井田地质特征 ..............................................................................................................21.3 煤层特征 ......................................................................................................................52 井田境界和储量 ...........................................................82.1 井田境界 ......................................................................................................................82.2 矿井工业储量 ..............................................................................................................92.3 矿井可采储量 ............................................................................................................113 矿井工作制度、设计生产能力及服务年限 ....................................143.1 矿井工作制度 ............................................................................................................143.2 矿井设计生产能力及服务年限 ................................................................................144 井田开拓 ................................................................164.1 井田开拓的基本问题 ................................................................................................164.2 矿井基本巷道 ............................................................................................................295 准备方式(采区巷道布置) ................................................385.1 煤层的地质特征 ........................................................................................................385.2 采区巷道布置及生产系统 ........................................................................................395.3 采区车场选型设计 ....................................................................................................436 采煤方法 ................................................................466.1 采煤工艺方式 ............................................................................................................466.2 回采巷道布置 ............................................................................................................587 井下运输 ................................................................617.1 概述 ............................................................................................................................617.2 煤炭运输方式和设备的选择 ....................................................................................627.3 辅助运输方式和设备选择 ........................................................................................658 矿井提升 ................................................................688.1 矿井提升概述 ............................................................................................................688.2 主副井提升 ................................................................................................................689 矿井通风与安全 ..........................................................739.1 矿井概况、开拓方式及开采方法 ............................................................................739.2 矿井通风系统的确定 ................................................................................................749.3 矿井风量计算 ............................................................................................................779.4 矿井通风阻力计算 ....................................................................................................819.5 选择矿井通风设备 ....................................................................................................879.6 安全灾害的预防措施 ................................................................................................90中国矿业大学 2012 届本科毕业设计 第 II 页10 设计矿井基本技术经济指标 ...............................................92回采巷道底鼓机理分析 ......................................................94前言 ...................................................................................................................................941 巷道底鼓研究现状 ........................................................................................................942 巷道底鼓成因、分类和治理 ........................................................................................953 具体案例 ......................................................................................................................1004 数值模拟 ......................................................................................................................1015 结论 ..............................................................................................................................109英文原文 .........................................................................................................................110中文译文 .........................................................................................................................121致 谢 ...................................................................130中国矿业大学 2012 届本科毕业设计 第 1 页1 矿区概述及井田地质特征1.1 矿区概述1.1.1 矿区地理位置王庄煤矿位于山西省长治市郊区故县,距市中心 30 公里,其地理坐标为:东经 112°58′25″- 113°03′21 ″ ,北纬 36°14′04 ″- 36°24′35″。北距太原市 230 公里,南到焦作市 220 公里,东距邯郸市 183 公里。地处潞安矿区的东南部,跨长治市郊区和屯留县两个行政区。1.1.2 矿区交通条件该矿区 208 国道由北向南穿越井田,东距王庄矿工业广场约 6 公里,309 国道横贯矿区。王庄矿铁路专用线至长治北站 14 公里,与太(原)焦(作)及长(治)邯(郸)铁路相接,通往全国各地。区内各村镇均有公路相通。交通极为方便。图 1-1 王庄煤矿交通位置图1.1.3 矿区周围环境资源1.老窑采空区:目前,王庄井田范围内共有小煤矿 17 座,均为地下开采,小煤矿井口标高都高于当地最高洪水位线,井田内小矿均有独立的通风系统,目前对王庄矿影响不大,小煤矿均处于停采状态。2.矿区建设资源:矿区东面为长治钢铁公司,王庄煤矿与长治钢铁公司两大企业组成本区一片规模较大的煤铁工业区,与之配套的各种服务行业也比较发达。3.矿区电力来源:工业广场 35KV 变电所两回电源线路为 LGJ-185/3.1KM,由崔蒙 35KV变电所 332、 337 转送至工业广场 35KV 变电所的高压开关 351、352 送至两段 35KV 母线,经353、354 送至两台 SFZ9-10000KVA 主变,降压为 6KV 后, 由 640、631 两回路配出,分两段母线运行,供矿井提升、运输、洗煤等生产系统用电。1.1.4 矿区气候条件1.气温:井田地处黄土高原,区域气候属暖温带半干旱大陆性气候区,年温差和日温差变化较大,夏季午间较热,晚间较凉。年平均最低气温 7.8℃,年平均最高气温为 9.7℃,长 治 市太 原 市 晋 中 市 阳 泉 市 石 家 庄 市邢 台 市邯 郸 市 安 阳 市鹤 壁 市新 乡 市焦 作 市晋 城 市临 汾 市吕 梁 市 太 长 高速京昆高速 二广高速 青 兰 高 速G208G207G207G309王 庄 煤 矿中国矿业大学 2012 届本科毕业设计 第 2 页19 年平均气温为 9.15℃。2.降水:井田内,蒸发量为降水量的 3 倍多。年最高蒸发量 1996.3mm,年最低蒸发量为 14938mm,20 年平均蒸发量为 1731.84mm。年最高降水量为 917.00mm,年最低降水量为 311.8mm,年平均降水量为 558.8mm。3.风况:夏季多为东南风,冬季为西北风。年平均风速为 2.48m/秒。最大风速为 14-16m/s。4.冰冻:冰冻期是每年 10 月至次年的 4 月,最大冻土深度为 75cm。1.2 井田地质特征1.2.1 井田地形地貌王庄矿地处上党盆地西北部,属高原内部断陷堆积盆地。盆地北部黄土冲沟发育,局部有基岩出露,南部为山前斜坡地带,区内地势起伏不平,均被较厚的第四系黄土所覆盖,井田北部较高,南部较低,最大标高 1024..7m,位于寒山煤矿附近;最小标高 898m,位于矿区东部边界一带,最大相对高差为 127m 左右。1.2.2 井田煤系地层本井田主要含煤地层为二迭系下统山西组地层(P1S)和石炭系上统太原组(C3t) 。1.二叠系下统山西组(P1S):地层厚 46.59-99.31 米。平均厚 73.70 米,含煤 1-4 层。单孔煤层总厚 6.97-8.52 米,平均厚 7.60 米,含煤系数 9.7%。其中 3 号煤层为全区稳定可采煤层,其余煤层为局部发育,不稳定,不可采煤层。2.石炭系上统太原组(C3t):地层厚 89.08-134.23 米。平均厚 112 米,含煤 7-15 层,一般 13 层。单孔煤层总厚 6.70-7.8 米,平均厚 7.25 米,含煤系数 6.5%。其中 15-2、15-3 号煤层为较稳定、全区可采煤层,9#、10#、13#、15-1 #为大部或局部可采煤层,其余煤层均为不可采煤层。中国矿业大学 2012 届本科毕业设计 第 3 页图 1-2 主采煤层综合柱状图中国矿业大学 2012 届本科毕业设计 第 4 页1.2.3 井田地质构造王庄井田位于潞安矿区的中部东缘,处于文王山南断层与二岗山北断层之间。总体走向为南北向,倾向东西的单斜构造,地层倾角一般在 2°- 6°,最大倾角达 16°。1.褶曲:井田中褶曲宽缓,在井田北部和中部,褶曲大致沿东西向展布,在井田南部,以宽缓的背向斜为主,区内构造线方向近南北向。大多数褶曲的两翼地层倾角较平缓,发育的规模也不尽相同,有的褶曲延伸长,有的延伸短。2.断层:井田内断层主要为故县断层、刘家畛断层、安昌断层和二岗山北正断层。这些断层在井田内均延伸较长,甚至贯穿整个井田东西区域,而且在井田内呈一定间隔分布,对井田内的断裂构造起着主导作用。其产状见表 1-1。故县正断层:位于井田的中北部,断层的走向变化较大,在 N70°- 95W°间变化,倾角 70°- 80°,断层的倾向随走向由 NNE 变为 NNW,断层的落差 H=20-48m,断层穿越井田的东、西边界,向西延伸至常村井田内。在西边界处,断层面倾角 70°。 断层向东部井田外延伸呈逐渐尖灭迹象,在王庄井田内共延伸 4000 余米。刘家畛断层:位于井田的中南部,贯穿井田的东西边界,断层是在精查勘探阶段查明的,断层的走向 58°,倾向 148°,断层的落差 H=20-50m,倾角 75°,在井田内延伸长度为3700m。安昌正断层:位于井田的中南部,贯穿井田的东西边界,是在勘探阶段发现的,断层的走向 56°东,倾向 150°,倾角由西向东变陡,一般 70°- 75°,断距为 130m-230m,西段为 130m,东段为 140m,该断层落差 70-170m 之间,在井田内延伸长度为 3700m。二岗山北正断层:为井田南部边界。井田内长 4600 m。断层的走向北 63°东,倾向北西 152°,倾角 70°。断距由东向西逐渐变小,落差为 350 m。断距为 300 m。3.陷落柱:王庄井田内基本无陷落柱。4.河流冲刷带:王庄井田内基本无同沉积河流冲刷带表 1-1 井田内主要断层产状走向 倾向 倾角 落差 长度故县断层N70°-95W°NNE 变为 NNW 70°- 80° 15-48m 4000m刘家畛断层 N58°E NW148° 75° 50m 3700m安昌断层 N56°E NW150° 70°- 75° 70-170m 3700m二岗山北断层 N63°E NW152° 70° 350 m 4600 m1.2.4 井田水文地质1.含水岩层:井田内水文地质条件简单,矿井主要含水层为Ⅶ号、Ⅷ号老顶砂岩含水层。井田中部,南北被故县断层所隔,东部有浊漳河直接补给,补给量较大,属水文地质中等类型。矿区地下水主要是中奥陶统碳酸盐裂隙岩溶水和第四系冲洪积层孔隙水。石炭二叠系基岩风化带及砂岩裂隙含水层等具有贮水条件的地下水。基岩含水层主要有:二叠系基岩风化带,砂岩裂隙含水层及石炭系灰岩岩溶裂隙含水层。基岩风化带因受地质构造,岩性,埋藏深度,季节性补给条件等诸多因素的制约,其富水程中国矿业大学 2012 届本科毕业设计 第 5 页度差异较大,单位涌水量为 0.00497-1.6731/SM。一般时间属弱富水程度,在雨季补给期补给条件好的情况下可达强富水程度。砂岩裂隙含水层可以 K8 砂岩作为代表(即 8 号含水层)实验 9 值,0.003-0.8141/SM。K7 砂岩与 3 号煤顶板砂岩一般含水性较弱,试验 9 值为0.00084-0.4361/ SM。太原组 K2-K5 灰岩含水层,除 K2 灰岩外,其余各层均含水极弱或不含水,K2 灰岩实验Q 值 0.00046-0.351L/SM奥陶系中统峰峰组与上马家沟组灰岩岩溶裂隙含水层,为本区主要含水层,岩层总厚400-600 米,富水性强,随盖层的增厚其富水性也发生相应变化,实验 Q 值 0.083-52L/S.M。2.充水因素分析: 3 号煤层回采破坏顶板后,其导水裂隙带高度为 70-80 米,而 3 号煤层顶板距Ⅶ号含水层 5 米,距Ⅷ号含水层 53.45 米。故影响 3 号煤层开采的主要充水因素为Ⅶ、Ⅷ号含水层的顺水导水裂隙全部或部分涌入工作面,对生产有一定的影响。井田中部,故县与安昌断层之间,地表水发育,含水层有充足的补给,补给量大。加之该区段东南部 3号煤层上覆基岩较薄,预计导水裂隙带能达到第四纪冲积层内,对煤层开采有很大影响,水文地质条件相对复杂。3.涌水量:矿井最大涌水量 292 m3/ h,正常涌水量为 144 m3/ h。1.3 煤层特征1.3.1 煤层埋藏条件井田内可采及局部可采煤层有 6 层(3 号,8-2 号,9 号,15-1 号, 15-2 号,15-3 号), 煤层总厚度 12.2m。3 号煤层:为本井田主采煤层。煤层走向近南北,倾向西,倾角 2-6°,属近水平煤层。厚 6.72-8.79m,平均厚度 7.5m,煤层厚度变异系数 γ=10.59%。其可采指数 Km=1,故该煤层属稳定煤层。煤层无露头与风化带。9 号煤层,在扩区编号为 8-2 号煤层(114 队编号) ,最小厚度为 0.06m,最大厚度2.05m,平均厚度 0.68m。局部可采。该煤层的可采性指数 Km=0.32,煤层厚度变异系数γ=48.85%。由于主要指标 Km55%,故评价其煤层稳定性为“极不稳定煤层” 。15-1 煤层,本地俗称“二节煤” ,上距 K1 底板 6.86m,据 173 个钻孔统计,煤层厚度0.19-2.30m,平均厚度 0.82m,在潞安矿区为主要可采煤层之一,含夹矸,该煤层在井田北部分布较多,在井田中部,部分地区呈东西向条带被河流冲刷破坏了煤层的完整性,多呈零星分布,在南区,大部分地区均无该层煤。15-2 煤层,旧称 2 号煤,本地俗称“底节煤” ,上距 15-1 煤 1.74m,下距 15-3 煤层底板2.86m,一般不含夹矸,偶见 0.2-0.4m 厚的夹矸,煤层厚度 0.04-2.10m,平均厚度 0.63m,煤层的顶底板均为泥岩或砂质泥岩,局部为粉砂岩或炭质泥岩。15-3 号煤层,旧称 1 号煤,本地俗称“四节煤” ,位于太原组底部,上距 15-2 号煤1.3m 左右,厚度变化在 0.20-4.58m,平均厚度 1.72m,煤层结构较复杂,有 1-3 层泥岩或炭中国矿业大学 2012 届本科毕业设计 第 6 页质泥岩夹矸,局部夹矸较厚。煤层顶底板为泥岩、炭质泥岩。煤层层位全局稳定,大部可采,冲刷带仅限于南部,从厚度变化来看,从南向北煤厚逐渐变小,中南部略有变薄趋势。表 1-2 主采煤层特征表煤层 顶底板岩性 容重/ t/m3煤厚/m最小-最大平均变异系数 稳定性倾角/°最小-最大平均3 号顶底板均为中粒砂岩、细粒砂岩、砂质泥岩、泥岩。1.30 6.72-8.797.50 10.59% 稳定 2°- 6°4°1.3.2 煤层围岩性质本采区的老顶、直接顶、老底、直接底从东北至西南项厚度上有变薄趋势。老顶从东北到西南向由中砂岩相变为细砂岩、粉砂岩、局部为砂质泥岩;直接顶多为粉砂岩,局部为泥岩、砂质泥岩;直接底多为泥岩,南部、东部部分地区为砂岩,老底多为中、细粒砂岩。中部南部相变为泥岩、砂质泥岩。老顶:位于直接顶之上,其岩性为灰白色石英长石砂岩,块状,厚层,分选性,磨园性中等。钙质胶结,坚硬致密,分层厚度大且不稳定,范围从 5.94-18.58 米,平均厚度 11.50米。直接顶:位于煤层和伪顶之上,为灰黑色泥岩或砂质泥岩,含植物化石碎片,层理较发育。层厚不稳定,变化大,变化范围 0-12.65 米,平均 4.93 米。伪顶:直接位于煤层之上,为黑色泥岩或炭质泥岩,厚度极不稳定,硬度低,完整性差,含有丰富的植物化石碎片,一般随生产进行随采随落。直接底:为浅灰、灰、紫或杂色的泥岩偶夹砂质泥岩,致密性脆。层厚在 0.4-0.7m 内变化,平均 4.2m。老底:为中粒和细粒砂岩为主,层厚较厚,在 1.4-56m 内变化,平均厚度为 34m。1.3.3 煤质特征3 号煤层,属贫瘦煤,原煤水分 0.11-1.85%,平均 0.85%,原煤灰分 10.78-26.37%,平均15.17%,挥发分 13.27-18.64%,平均 15.87%,原煤硫分 0.18-1.03%,平均 0.34%,原煤分析基弹筒发热量 27.579-30.9929MJ/kg,平均 29.176MJ/kg。精煤挥发分(52)11.91-16.80%,平均 13.99%。精煤发热量 (18)27.69-33.49MJ/kg,平均 30.58MJ/kg 很稳定。煤炭硬度属于中硬煤。15-1 号煤层,原煤水分 0.06-2.56%,平均 0.85%,精煤水分 0.31-1.30%,平均 0.84%,原煤灰分 13.02-42.83%,平均 24.21%,精煤灰分 8.25-19.25%,平均 12.49%,原煤挥发分11.64-21.81,平均 15.47%,精煤挥发分 10.50-16.12%,平均 13.61%,原煤硫分 1.06-4.25%,平均 2.37%,原煤干燥基高位发热量为 21.58-36.56 MJ/kg,平均 34.97 MJ/kg。15-2 号煤层,原煤水份 0.46-3.65%,平均 1.11%,精煤水份 0.32-1.46%,平均 0.78%,原煤灰分 18.00-34.48%,平均 27.42%,精煤灰分多在 7.18-16.07%,平均 11.16%,原煤挥发分 13.10-22.01,平均 17.77%,精煤挥发分 10.67- 15.42%,平均 13.20%,原煤硫分 1.06-4.94%,平均 2.73%。精煤硫分 0.93-7.13%,平均 3.09%。中国矿业大学 2012 届本科毕业设计 第 7 页15-3 号煤层,原煤水分 0.11-1.85%,平均 0.85%,变化很小,精煤水分 0.07-1.85%,平均 0.84%,很稳定,原煤灰分 11.38-82.99%,平均 24.38%,精煤灰分 4.95-17.62%,平均 9.21%,原煤挥发分 11.14-18.18%,平均 15.20%,精煤挥发分 9.97-18.18%,平均 12.47%,原煤硫分0.44-10.90%,平均 2.17%。原煤干燥基高位发热量为 19.23-36.53 MJ/kg,平均 34.14 MJ/kg。原煤分析基弹筒发热量 22.315-26.256 MJ/kg 平均 24.319 MJ/kg。1.3.4 瓦斯、煤尘和煤的自燃倾向1.瓦斯:王庄矿属低瓦斯矿井,但瓦斯涌出量呈逐年增长趋势,据 2002 年王庄矿瓦斯鉴定报告,矿井瓦斯绝对涌出量为 28.22m3/min,相对涌出量为 3.23m3/t;二氧化碳绝对涌出量为 16.59 m3/min,相对涌出量 2.48 m3/t。2.煤尘爆炸性:根 据 井 下 采 样 检 测 , 3 号 煤 爆 炸 指 数 南 翼 27.12%, 北 翼19.73%, 均 具 有 煤 尘 爆 炸 危 险 性 。3.煤的自燃:王庄矿井开采的 3 号煤层未发生过自燃现象,根据钻孔采样试验,3 号煤层还原样与氧化样燃点之差 ΔT1-3 为 6-33 C°,属不自燃-不易自燃煤层。1.3.5 地温、地压1.地温王庄矿地温为低温正常区。在王庄扩大区地质勘探时,在 0502、0701、0301、0501 等孔进行了简易井温测量,王庄矿恒温带的深度大约在 20-50m,中性点在 30m 左右。恒温带的温度变化范围为 9.5-13.2℃,平均地温 11.2℃。地温梯度平均每 100m 为 0.7℃, 未发现地温异常。在实际生产中,井下气温正常,未发现地温异常区。因此,王庄矿地温为低温正常区。2.地压王庄矿地压为地压正常区。在多次地质勘探所施工的钻孔中,未见关于岩芯由于地应力增高而呈现异常现象的报道。在生产中,亦未有冲击地压现象。因此,王庄矿地压为地压正常区。中国矿业大学 2012 届本科毕业设计 第 8 页2 井田境界和储量2.1 井田境界2.1.1 井田范围1.东部:上部沿中村、上葛家庄及西沟村以拐点 1、2、······8 的连线与石圪节井田分界,下部以拐点 8 和 9 拐点的连线为界。2.西部:北以经线 38409000 与常村井田分界,南以拐点 10、11、12、点连线为界。3.南部:以二岗山北断层为界。4.北部:以纬线 4031553 与漳村矿分界。本矿井在矿界北有漳村矿,东北为石圪节矿,西北为常村矿。表 2-1 拐点坐标点号 X 坐标 Y 坐标 点号 X 坐标 Y 坐标1 4031498.56 38412717.17 8 4014100.17 38412800.272 4029339.84 38412740.00 9 4012101.73 38409441.873 4029339.84 38413575.00 10 4018000.00 38407860.004 4028137.44 38414104.27 11 4018860.00 38409400.005 4020884.58 38414085.11 12 4029000.00 38409400.006 4017500.00 38412699.37 13 4029000.00 38409000.007 4014968.78 38412465.54 14 4031553.00 38409000.002.1.2 开采界限本井田内可采及局部可采煤层有 6 层(3 号,8-2 号,9 号,15-1 号, 15-2 号,15-3 号), 煤层总厚度 12.2m。其中, 3 号煤层为主采煤层,平均厚度为 7.5m,由于 3 号煤层厚度大,赋存条件好,故本设计矿井只考虑 3 号煤层。2.1.3 井田尺寸1.走向长度(1)最大走向长度:19456.9081m=19.46km;(由 CAD 命令测量)(2)最小走向长度:7252.2631m=7.25km; (由 CAD 命令测量)(3)平均走向长度:18549.8093m=18.55km;(由 CAD 命令测量)2.倾斜宽度(1)最大倾斜宽度:5044.5838m=5.04km;(由 CAD 命令测量)(2)最小倾斜宽度:3722.4462m=3.72km;(由 CAD 命令测量)(3)平均倾斜宽度:4693.3418m=4.69km;(由 CAD 命令测量)3.井田倾角(1)取一般点计算: tanβ=H/L; (2-1)β---煤层倾角°;H---相邻两等高线的高差 m;L---相邻两等高线水平垂距 m;
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