伯方煤矿120万吨新井设计-基于3DSMax和VR-Platform的采矿虚拟现实矿井系统开发-长壁工作面无支护水力开采研.doc
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1、中国矿业大学2012届本科生毕业设计 第IV页目 录一般部分11 矿区概况及井田地质特征21.1矿区概述21.1.1交通位置21.1.2地形地貌21.1.4气象地震21.1.5矿区电源及建筑材料41.2井田地质特征41.2.1井田地形概况及勘探程度41.2.2井田地层构成41.2.3井田地质构造71.2.4井田水文地质71.3煤层特征81.3.1煤层埋藏条件81.3.2煤质91.3.3瓦斯、煤尘及自燃性101.3.4其他有益矿产102 井田境界和储量112.1井田境界112.1.1井田范围及尺寸112.1.2开采界限112.2矿井储量计算112.2.1储量计算依据112.2.2地质储量计算12
2、2.2.3工业储量计算132.3矿井可采储量132.3.1矿井保护煤柱留设原则132.3.2矿井保护煤柱计算142.3.3矿井可采储量的计算143 矿井工作制度、设计服务年限及生产能力153.1矿井工作制度153.2矿井生产能力及服务年限153.2.1矿井生产能力设计原则153.2.2矿井设计生产能力及服务年限153.2.3第一水平服务年限校核164 井田开拓174.1井田开拓的基本问题174.1.1井筒形式的确定174.1.2井筒位置的确定184.1.3工业广场的位置204.1.4开采水平的确定204.1.5大巷与煤层间的关系204.1.6采带区接替顺序204.1.7开拓方案技术经济比较20
3、4.1.8开拓方案综合比较254.2矿井主要巷道254.2.1井筒254.2.2井底车场及硐室294.2.3主要开拓巷道315 准备方式带区巷道布置345.1煤层地质特征345.1.1带区位置345.1.2带区煤层特征345.1.3煤层顶底板情况345.1.4水文地质355.1.5地质构造355.1.6地表情况355.2带区巷道布置及生产系统355.2.1确定带区巷道布置及生产系统的原则355.2.2带区巷道布置365.2.3带区生产系统365.2.4带区巷道掘进方法385.2.5带区生产能力及采出率385.3带区车场选型396 采煤方法416.1采煤工艺方式416.1.1带区煤层特征及地质条
4、件416.1.2确定采煤工艺方式426.1.3回采工作面参数436.1.4放顶煤参数446.1.5工作面采出率计算456.1.6综采放顶煤工作面的设备选型及配套456.1.7采煤机工作方式506.1.8放顶煤工艺流程516.1.9工作面端头支护与超前支护536.1.10劳动与循环组织536.1.11工作面吨煤成本556.1.12综合机械化采煤过程中应注意事项576.2回采巷道布置586.2.1回采巷道布置方式586.2.2回采巷道参数587 井下运输617.1概述617.1.1矿井设计生产能力及工作制度617.1.2煤层及煤质617.1.3运输距离和辅助运输设计617.1.4矿井运输系统617
5、.2带区运输设备选型627.2.1设备选型原则627.2.2带区运输设备选型及能力校核627.3大巷运输设备选型647.3.1运输大巷设备选型647.3.2辅助运输大巷设备选型647.3.3运输设备能力验算668 矿井提升678.1矿井概况678.2主斜井提升678.2.1主斜井提升678.2.2检修道设备688.3副斜井运输699 矿井通风与安全709.1矿井概况709.1.1矿井地质条件709.1.2开拓准备方式709.1.3开采方法709.1.4井下硐室719.1.5工作制和人数719.2矿井通风系统的确定719.2.1矿井通风系统的基本要求719.2.2矿井通风方式选择719.2.3矿
6、井通风方法选择739.2.4带区通风系统要求749.2.5带区通风方式确定749.3矿井风量分配759.3.1回采工作面需风量759.3.2备用工作面需风量769.3.3掘进工作面需风量769.3.4井下硐室需风量789.3.5其他巷道需风量789.3.6矿井总风量789.3.7风量分配799.4全矿井巷通风阻力809.4.1矿井通风总阻力计算原则809.4.2通风容易时期和通风困难时期最大阻力路线的确定809.4.3计算全矿通风阻力849.5矿井通风设备选型859.5.1矿井通风机选型859.5.2电动机选型889.5.3对矿井通风设备要求889.5.4反风、风硐的基本要求889.6安全灾害
7、的预防措施899.6.1预防瓦斯和煤尘爆炸的措施899.6.2预防井下火灾的措施899.6.3防水措施89参考文献91专题部分92基于 3DS Max和VR-Platform 的采矿虚拟现实矿井系统开发93翻译部分114英文原文 Hydraulic Sluiced Longwall Mining without Supports115中文译文 长壁工作面无支护水力开采研究122致 谢128 中国矿业大学2012届本科生毕业设计 第73页一般部分1 矿区概况及井田地质特征1.1矿区概述1.1.1交通位置伯方井田位于山西省高平市城区西北约7km处的寺庄镇伯方村西,地理坐标为北纬3548523552
8、52,东经11247461125636,为沁水煤田高平矿区王报井田的一部分。太(原)焦(作)铁路由矿井井田东部通过,该铁路向南与京广、焦柳及陇海线相接,并可转运至连云港港口和石舀所港口,向北至榆次与同蒲铁路相连。公路运输向北至长治、太原,南至晋城、焦作、洛阳、郑州,西至候马。矿井距207国道1.5km,并有专用铁路线9.87km,专用铁路从高平车站接轨,直通矿井工业场地,交通十分方便(见图1-1)。1.1.2地形地貌井田位于太行山中南段西侧,西侧的王龙山,为沁水与丹沟的分水岭,北部的丹珠岭大保头山为浊漳河南源与丹河的分水线,井田内地形为西北高、东南低的低山丘陵,最高在井田中部,标高为 1130
9、m,最低在柏枝庄村东南部,标高为881.35m,最大相对高差为248.65m。在标高950m以上多为基岩出露,沟谷发育,沟谷呈树枝状展布,在标高950m以下,则为黄土丘陵区,黄土覆盖较厚,悬崖陡壁发育,大部分开垦为梯田,河床两岸为黄土和近代冲积层。一般可划分为三个阶地,级阶地高出河床12m,级阶地高出河床58m,级阶地高出河床1525m。1.1.3河流水系本区主要河流为丹河,纵贯井田东部边侧。较大的支流有高良河及杜寨河,高良河延入井田北部,杜寨河延入井田西南部,总的流向自西北流向东南与地形坡度基本一致。丹河常年有水,最高洪水位高出河床约33.5m,至南部高平高庙山断层带,全部漏失于奥陶系石灰岩
10、中。杜寨河流量不大,至南部许家沟全部漏失于奥陶系石灰岩中。成为间歇性河流。井田以北有釜山水库,库容量为295万立方米。在井田西北枣河村有一干水库,库容量为25万立方米,井田西部的沟南村有一干水库,库容量为15万立方米。1.1.4气象地震本区属大陆性气候,平均年降水量为557mm,最大为640.7mm,最小为446.7mm,雨季集中在7、8、9三个月;平均年蒸发量最大为2089.2mm,最小为640.7mm,平均为1364.5mm,蒸发量是降水量的2.5倍左右。历年最高日气温为36,七月份平均为23.7,最低日气温为19.2,一月份平均为-56.4,全年平均气温为9.8,春冬多西北风,夏秋多东南
11、风和南风,风力一般为34级,最大6级,每年10月中旬至翌年4月中旬为霜冻期,历时150180天,最大冻土深度0.48m。根据山西省地震基本烈度区划图说明书本区地震烈度为6度,区内没有发生过大于5级地震,仅在屯留一带发生过4.3级地震。图1.1 矿区交通位置图1.1.5矿区电源及建筑材料矿区距离北庄和马村最近,电源一回可引自北庄110kV变电站35kV母线。线路为LGJ95和LGJ70架空线,13公里;另一回35kV电源可引自马村110kV变电站35kV母线,线路为LGJ120架空线,19公里。建筑所需材料,当地市场可满足供应,除黄砂需由火车从外地调运外,其它材料均可在本地区购到,且材料价格合适
12、,能够满足矿井建设的需要。1.2井田地质特征1.2.1井田地形概况及勘探程度伯方井田为原高平矿区王报井田的一部分,位于王报井田中部的高级储量区,19571959年华北煤田地质局152勘探队在王报井田进行了精查勘探,施工钻孔71个,钻探进尺为11695.67m,提交了王报南精查地质报告,王报北精查地质报告经1962年复审为不合格。1964年3月以山西省煤炭工业管理局地质勘探局119勘探队为主,114、148勘探队为辅,对王报井田重新进行精查勘探,历经7个月,施工43个钻孔,钻探进尺9736.88m,其中水文孔2个,水文钻探进尺560.76m。于1964年11月提交山西省沁水煤田高平矿区王报井田地
13、质勘探最终报告,经复审评价为优。王报井田精查勘探采用钻探测井为主,地面物探为辅的综合勘探方法,采用1000750m的基本工程密度控制A级储量,中南部复杂地段加密工程进行必要的控制。井田内基本上为一单斜构造,走向北东,倾向北西,倾角一般小于8度,南、北构造复杂程度有别,北部褶曲少而断层多,南部断层少而褶曲多,主要可采3号煤层,全区稳定可采,将勘探类型定为一类一型较合理。精查勘探查明了井田的构造形态和复杂程度,主要褶皱得到了控制;控制了主要断层的位置和落差;查明了可采煤层的层数、层位、厚度结构和可采煤层的可采范围;详细了解了陷落柱对煤层的影响;查明了可采煤层的煤质特征及其变化情况,确定了各煤层的煤
14、类为单一的无烟煤;查明直接充水含水层和间接充水含水层的岩性、厚度、埋藏条件、水位、水质、富水性,查明了隔水层的厚度、岩性组合,查明了直、间接充水含水层、地表水的水力联系以及地下水的补给、迳流和排泄条件,基本查明了对矿井充水影响的断层的水文地质特征;详细了解了可采煤层的顶、底板的工程地质特征。储量计算利用工程质量可靠,各级储量圈定合理。1.2.2井田地层构成根据地表出露和钻孔揭露情况,井田内发育的地层有奥陶系中统峰峰组,石炭系中统本溪组、上统太原组,二迭系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组,第四系中、上更新统、全新统,现将地层由老至新叙述如下:一、奥陶系中统峰峰组(O2f)地表未出露,据部分
15、钻孔资料,岩性为兰灰色,致密厚层状石灰岩,顶部为浅黄色的泥灰岩。二、石炭系(C)(1)中统本溪组(C2b)主要为浅灰色铝土质泥岩,局部沉积有薄煤层及黄铁矿,平均厚度为13.40m。(2)上统太原组(C3t)底部以K1砂岩与本溪组分界,为井田主要含煤地层之一。厚度65.1194.15m,平均厚度79.95m。主要岩性为深灰色、黑色的泥岩、砂岩,灰、灰黑色的石灰岩和煤层。三、二叠系(P)(1)下统山西组(P1s)井田主要含煤地层之一,底部以K7砂岩与太原组分界,厚度50.3860.53m,平均55.29m。主要岩性为灰黑色的泥岩、砂岩、煤层。(2)下统下石盒子组(P1x)底以K9砂岩与山西组分界,
16、顶以桃花色铝质泥岩与上石盒子组分界,该组厚70.3094.47m,平均厚87.54m。下段岩性主要为浅黄灰、灰黑色泥岩、粉砂岩,夹数层黄绿色中细砂岩,上段主要岩性为黄绿色的中粗及巨粒长石石英砂岩、厚层状和杏黄色的粉砂岩、泥岩、桃花色铝质泥岩。(3)上统上石盒子组(P2s)底部以一层黄绿色中细粒砂岩(K10)与下石盒子组分界,顶部多被剥蚀,最大残留厚度500m左右。从岩性、颜色可将该组分为三段:下段为杏黄色、紫色粉砂岩,泥岩夹数层透镜状石英长石砂岩。中段是红、黄、紫色的泥岩和几层不稳定的灰白色的砂岩。上段为葡萄紫色泥岩和巨厚黄绿色、灰白色中、粗粒石英长石砂岩互层。四、第四系(Q)(1)中、上更新
17、统(Q2+Q3)为浅红色亚粘土和淡黄色亚砂土、粉砂土,分布于低山丘陵之上的广大地区,厚度055.00m,与下伏地层不整合接触。(2)全新统(Q4)为近代冲积层,分布于井田大小沟谷中,在河漫滩为砂、淤泥和砾石,在中低山傍多为坡积、残积物,厚度05.00m左右。 图1-2 地质综合柱状图1.2.3井田地质构造高平矿区处于太行山背斜中南段西翼,沁水盆地东南边缘,呈走向北东,倾向北西的单斜构造,地层倾角一般为28。本井田位于高平矿区西部,即单斜下部,井田内褶皱和断层发育,南北构造特征各异。发育的褶皱如下:(1)乔家沟向斜:位于井田东南界处,轴向近南北,南部略偏西,东翼倾角36,西翼倾角12,向北倾伏于
18、伯方煤矿井田内,在613、618、619号钻孔间形成盆状向斜,轴向延展长度3000m。(2)乔家沟鼻状背斜:位于井田东南界外的乔家沟煤矿至613号钻孔间,轴向平行于乔家沟向斜,轴部较平缓,向北倾伏,轴向延展长度1800m。(3)柳树底向斜:位于35号钻孔与柳树底村,32号与640号钻孔之间,轴向N60E,向南至杜寨村转为N30E,东翼倾角1014,西翼于639629号钻孔间产生轴向为SW向的附生背斜至吴庄一带转为轴向N36E的单斜产状。该向斜轴向延展长度3000m,在本井田内延伸长度为1000m左右。(4)伯方东背斜:位于井田东界外伯方村东500m处,轴向N1020E,轴部出露中奥陶系石灰岩,
19、西翼倾角46,东翼被寺庄甲断层破坏,呈穹窿状。(5)申头村向斜:轴部位于申头村至高良村北,轴向N70W,北翼地层走向近南北向,倾角610,南翼为东西向,倾角912。发育断层如下:(1)F2、F3、F4断层:F2、F3走向相互平行,为北5570东,由西向东相距200300m,倾向相反构成地堑,随后合并为F4断层。F4断层自后河村南由落差812m向东至624号孔落差增大至1315m,整个断层延长3500m,井田内1800m。1.2.4井田水文地质一、含水层高平矿区位于太行山背斜西麓南段,区域水文地质单元属沁水盆地,山地丘陵水文地质分区属郭壁泉的泾流区,区域内分布着中奥陶系、石炭系、二迭系及第四系地
20、层,按地下水埋藏条件可分为孔隙水、裂隙水和裂隙岩溶水三类。本井田内地下水类型与区域水文完全一致,井田内主要含水层为:(1)奥陶系石灰岩含水层主要为奥陶系石灰岩裂隙溶洞水,在高平矿区东北部埋藏较深,至南部晋城矿区以东河谷以泉水形式出露。根据井田东北部3公里的望云井田,13号钻孔探测,水位标高为+694.68m。该含水层水量丰富,是良好的供水水源。(2)太原组K2、K3石灰岩含水组该含水组为石灰岩层间裂隙溶洞水,是15号煤层顶板,裂隙溶洞在浅部及断层裂隙处发育,深部很少。其中K2石灰岩富水性较强,厚度为5.429.76m,根据抽水试验,单位涌水量为0.00270.68L/s.m,渗透系数为0.27
21、17.43m/d,水位标高713.77764.31m。(3)太原组K5、K6石灰岩含水组该含水以K5石灰岩富水性较好,厚度为3.199.57m,单位涌水量为0.010.705L/s.m,渗透系数为0.1548.20m/d,水位标高777.61832.54m。(4)山西组K8砂岩含水组K8砂岩为3号煤层顶板,平均厚度为10.39m,为层间裂隙水,单位涌水量为0.000510.0595L/s.m,渗透系数为0.00620.535m/d,水位标高为866.22891.32m。(5)下石盒子基底砂岩含水层主要为层间裂隙水,大部分位于河床侵蚀面以上,据608号孔抽水试验,水量为0.00074L/s.m,
22、含水微弱,水位标高为979.68m。(6)风化裂隙水风化深度一般为2550m,砂岩含水层,石灰岩裂隙潜水,以大气降水和地表水为其补给来源,流量随地形变化很大,据43号、50号水文孔抽水试验,单位涌水量为0.5950.638L/s.m,渗透系数为0.5355.05m/d。(7)第四系孔隙潜水含水层主要为第四系砂、砂砾层孔隙水,分布于丹河、杜寨河河谷的冲积层,为当地居民和农业灌溉用水的主要水源。据伯方村一带水井简易抽水试验,单位涌水量为0.0941.55L/s.m,渗透系数为0.4574.60m/d。二、隔水层(1)本溪组隔水层位于15号煤层与奥陶系界面之间,为铝质泥岩、粘土岩隔水层,厚度变化大,
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