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1、第五章 矿井开采设计,基本流程：（1）可行性研究（2）根据计划任务书进行矿井初步设计（3）施工图设计,第一节 矿井开采设计程序和内容,一、矿井设计的依据,（一）矿井设计任务书,矿井设计任务书：是生产管理部门向设计部门委托设计任务的指令性文件。矿井设计任务书内容：规定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等，主要内容如下：1.建设目的 说明该项目在国民经济中的作用。2.建设规模 说明建设项目的井型，井型确定依据及技术经济合理性。3.建设根据 地质资源资料、原材料、设备、动力供应、运输、技术人员及劳动力来源、开采方式及销售流向。,（二）井田精查
2、地质报告,另外还包括：产品产量与品种、工业与生活建筑、劳动定员、投资估算等。,4.机械化程度 矿井的机械化装备水平与煤层埋藏特征、井型大小、设备供应和国家经济状况等有密切联系，故必须论证说明。,对于改扩建项目：计划任务书还应包括：原有和现有地质资源情况、当前生产情况以及原有固定资产利用程度、现有生产潜力发挥情况。,为矿井初步设计提供可靠资源储量的依据。保证井田境界和矿井井型不会因地质资料不准而发生重大变化。可靠的地质资料，全矿井特别是第一水平应有相当数量的高级储量。,对于自筹资金基建项目：注明资金、材料、设备的来源等。,（四）经批准的上一阶段设计确定的原则,（三）国家建设方针、政策及有关规程、
3、规范,煤炭工业矿井设计规范、煤矿安全规程等。,井田划分、井型、开拓方式、设备选型等。,煤矿建设必须严格按照基本建设程序办事，在建设前应有矿井开采设计。矿井开采设计是综合性设计（即系统工程）：主要包括矿井开拓部署、井巷布置、生产系统、辅助环节、安全措施等，既要在总体上对各个环节的相互配合进行部署，又要对局部每一个细节有详细的设计，便于施工。一般设计程序：矿区可行性研究矿区总体设计矿井可行性研究矿井初步设计施工图设计。,二、矿井设计程序,（1）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、矿区建设规模及矿井工程建设顺序。（3）确定煤炭是否加工、产品用途等，矿区附属企业及矿区行政
4、、文教、医疗等。（4）确定矿区内、外部交通、供电、通讯、给水、排水、环保等的可行性方案。（5）矿区劳动定员及投资估算等。,（一）矿区开发可行性研究,矿区建设涉及电力部门的电网规划、运输方面涉及到铁路、交通部门的路网规划等，应做好协调工作，经过批准的矿区开发可行性研究，可作为与有关部门签定协议的依据，也是编制矿区总体设计计划任务书的依据。,（二）矿区总体设计,矿区开发总体部署，合理进行井田划分及矿区规模决策，还要对矿区辅助企业、文教、卫生等统一安排，比可行性研究更具体。,预测市场对煤的需求情况，分析煤炭资源及地质条件，确定生产能力，根据国情选择开拓方案，确定工业场地总平面布置及环保方案，对建设项
5、目的经济效果进行总评价。为编制矿井计划任务书及初步设计提供依据。,（三）矿井可行性研究,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，以及对矿井进行可行性研究后，进一步通过技术经济分析、计算后而确定的。审批后的初步设计文件成为控制投资、提供设备订货清单、征购土地的依据。,（四）矿井初步设计,施工依据，根据已批准的初步设计所确定的原则、技术要求、建设标准等而进行图纸设计工作。并据此编制施工图预算，设计部门与施工单位配合、协作，使设计成果既便于施工，又利于生产，经济合理。信息化施工：根据定期的监测结果，边施工，边修改设计,（五）施工图设计,三、矿井初步设计的内容,（
6、1）矿井概述及地质特征 位置、交通、地形地貌、气象、地震等级、水文、工农业、水、电源等；煤层地层、地质构造、煤层赋存情况、煤（岩）特征；瓦斯、煤尘、煤的自燃性等。（2）井田境界及储量 说明井田境界及划分依据，井田内各可采煤层的地质储量，计算矿井及各水平的可采储量，安全煤柱留设及计算方法；说明矿井的生产能力及确定依据。（3）矿井开拓 提出几个开拓方案，对开拓方案进行技术经济比较，选择相对最优方案，并阐明所选方案的主要内容及选择理由。确定井筒数目和位置、井筒断面、设计井底车场及硐室。选择采煤方法，确定采区巷道布置、采掘机械配备选型、采区车场、采区煤矸运输、辅助运输及设备选型等。巷道掘进及支护，通风
7、方式及通风系统、计算风量、风压、风速等、降温措施及设备选型；说明井下预防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，选择提升、运输、通风、排水、压气设备。（5）说明煤质及用途，煤的加工，确定煤的生产工艺流程，地面生产系统及各环节的设备、能力；排矸系统及处理能力。（6）地面运输方式，设计运输线路（铁路及公路）、矿井装车站等。（7）确定工业广场总平面布置，防洪排涝措施等。（8）确定矿井电源，用电设备容量，井上下供配电系统，电机车运输、信号、照明、通讯、调度；矿井安全、生产监控及计算机管理系统。（9）地面建筑（工业广场建筑、行政、生活建筑）规划、总平面布置等。,（10）确定全矿
8、给水、排水、采暖、通风、消防系统及设施，井上下除尘措施等。（11）环境保护 确定环保标准，地面塌陷区治理，矸石、污水、烟尘、噪声、垃圾等的处理措施等。绿化规划，环境监测范围及内容等。（12）计算矿井建设工程量，施工顺序、速度及工期；说明并计算机电安装工程及工程量。（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，编制矿井主要技术经济指标。（经济部分）,第二节 采矿工程专业本科毕业设计内容,采矿工程专业本科毕业设计一般做矿井水平延深设计。矿井水平延深设计主要包括以下内容：,2.1 开采范围及储量2.2 生产能力与服务年限,1 矿井概述,1.1 矿区概况1.2 井田地质及煤层特征1.
9、3 井田开拓方式1.4 矿井延深的必要性,2 开采范围与生产能力,4 采区设计,3 矿井开拓,3.1 水平延深方案的选择 3.2 井筒及井底车场 3.3 水平接续时的技术措施,4.1 采区地质特征 4.2 采区生产能力及服务年限 4.3 采煤方法及采区参数 4.4 采区巷道布置 4.5 采区车场及硐室 4.6 采煤工作面配备和生产能力验算 4.7 采掘工作,5 矿井生产系统与主要机械设备,6 矿井供电,5.1 矿井通风 5.2 矿井运输提升 5.3 矿井排水,6.1 矿井供电系统 6.2 供电设备选型 6.3 照明与通讯,8 劳动定员与主要技术经济指标,8.1 劳动定员8.2 主要技术经济指标
10、,7.1 预防瓦斯和煤尘爆炸 7.2 防止水患 7.3 预防火灾 7.4 其它事故的预防（顶板、运输、职业病等）,7 安全技术措施,设计说明书1份（A4纸不少于100页）；大图4张,1）矿井开拓平面图 2）矿井开拓剖面图 3）采区巷道布置平面图 4）采区巷道布置剖面图,毕业设计开始前，开题报告（12周左右）,第三节 矿井开采设计方法及评价准则,一、确定矿井开采设计方案的方法,矿井设计包括多项内容：井田开拓、采区准备、采煤方法、巷道掘进、矿井提升运输、通风、排水、动力供应等。确定设计方案的原则：技术先进、经济合理、安全可靠。,技术先进指的是生产系统简单，机械化程度高，生产集中化，有利于提高资源回
11、收率，有利于安全生产；吨煤生产能力的基建投资少，特别是初期投资少，劳动生产率高，吨煤生产费用低等。经济合理指的是所选用的方案吨煤生产能力的基本建设投资少，特别是初期投资少，劳动生产率高，吨煤生产费用低，矿井建设时间短，投资效果好，投资回收期短，利润高。确定矿井开采设计方案的方法主要有：方案比较法、统计分析法、技术标定法（标准定额法）、数学分析法以及经济数学规划法等。,（一）方案比较法,1、方案比较的内容,（1）工程量,（6）其他方面（生产能力、煤炭回收率、巷道掘进率等）,井巷工程量（井巷长度或掘进体积、硐室掘进体积等）、地面建筑工程量、机电设备安装工程量（设备台数、管路和线路的长度）、其他工程
12、量（占用农田面积、平整土地石方数）。,（2）基本建设投资,井巷、地面建筑、设备安装等费用，注意初期投资。,（3）基本建设工期,（4）机电设备及主要材料需用量,（5）生产经营费用,巷道维护费用、运输提升费用、通风费、排水费等。,2方案比较法的步骤（1）提出可行方案进行技术比较 根据井田的自然地质条件和采矿技术条件，深入研究设计中的有关问题，提出几个在技术上可行的方案，进行技术分析，否定明显有问题的方案，将剩余的2-3个方案进行完善，若能明显判断哪个方案最好，就可直接确定最终方案，否则要进行经济比较。（2）经济比较 经济计算与比较，考虑以下费用：基本建设费：井巷工程开凿费、建筑物及结构物的修建费、
13、特殊设备费 生产经营费（巷道维护费、排水费、运输提升费、通风费等）。（3）技术、经济比较后，确定合理的矿井开拓方案。综合分析评价、权衡各方案利弊、抓住关键问题（4）根据设计任务要求，写出详细的文字说明，绘图。,3.方案比较应注意的问题,（1）全面认真地研究各种条件及因素；不要遗漏方案；方案中应当对比的项目，要进行反复核对，以免遗漏。（2）经济计算时，只考虑重要项目的费用；项目费用的重要程度是相对的，几千万几万。一般情况下，重要项目包括井巷工程费、地面建设费、煤炭运输提升费、井巷维护费。（3）相同项目费用可不比较；影响不大，差别很小的费用项目也可不比较。具体问题具体分析，如低瓦斯矿井的通风费及涌
14、水量小的矿井的排水费可作为影响不大的项目不予计算。（4）生产经营费单价选取要可靠，尽可能使方案比较的数学与结果符合实际。否则单价不准确，比较结果也无意义。,（5）在进行大的方案比较前，可先比较一些相同类型的局部方案，求出合理的局部方案后，再比较整体方案。（6）经济比较时，将基本建设费与生产经营费分别列出。基本建设费用是以国家投资形式集中拨出的，要考虑发挥整体投资效果，确保国家增加利润和税收；生产经营费则是列入每年的成本而付出的。（7）列出各方案的矿井建设工期，作为方案比较的一个因素，缩短工期可早出煤炭，同时又可节约施工费。（8）总费用最小的方案定为100%，其他方案费用与其相比较，差别以百分比
15、表示。若两方案的费用差额不超过10%，则认为经济上是等相的（因为原始资料不可能十分准确）。（9）各方案最终综合评价时，要正确认识各影响因素在方案中的重要性程度。经济评价是确定方案的主要标准，但不是唯一标准。,根据现有矿井的实际情况，针对需要解决的问题进行调查统计，分析某些技术参数间的关系、某些参数的合理平均值或取值范围。例如：统计一定条件下工作面长度与技术经济指标间的关系；统计一定条件下的巷道维护费用，以确定类似条件下的费用参数。统计分析现有矿井的平均先进的技术经济指标，作为设计类似矿井的参考依据。一方面采矿问题十分复杂，要得到大量同类可比的统计资料比较困难，对于条件多样，影响因素复杂的技术方
16、案，不宜采用统计分析法；另一方面，从现有生产矿井的经验教训来看，总结某些开采参数，还是可行的，因此可作为一种辅助方法。,（二）统计分析法,二、矿井开采设计的最优化准则,矿井开采设计的最优化准则是衡量矿井某项决策在技术、经济和社会等方面的合理性尺度。矿井建设方案所包括的技术经济指标是多方面的。在建设时期有投资指标、在生产时期有年经营费用指标、劳动生产率指标、原材料消耗指标等。评价矿井开采设计的最优化准则一般有：生产费用、吨煤成本、基建投资、初期投资、折算费用、劳动生产率、矿井生产能力等多个因素。目前常用的基本准则（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）有:(1)折算费用法；(2)
17、投资回收期法；(3)劳动生产率；(4)吨煤投资和吨煤成本；(5)利润和多目标决策等。,把方案比较中的“二元值”（基建投资与生产经营费用）变为“一元值”（计算费用），反映了经济效果的综合性指标，简化了经济比较的工作量。,1、折算费用法（计算费用法）,在技术方案费用中，包括基建投资和生产经营费两部分，二者性质不同，前者属于一次性支出，非一次性消耗；后者属于经常性支出，一次性消耗。利用投资效果系数（折算比率）将各方案中基本建设投资折算成和生产经营费类似的费用，然后与生产经营费相加，得到一个“折算费用”的数值。选择数值最小者作为最优方案。,一般以年为周期，相应的折算费用为“年折算费用”。S=C+E0K
18、式中：S年折算费用(吨煤年折算费用)；C年内生产经营费用总和(吨煤成本费用)；E0标准投资效果系数(0.10.12)；K全部或计算项目的基本建设投资总和(或吨煤投资费用),在设计方案中，用节约的经费来回收追加投资的年限，以此作为评价方案技术经济效果的方法。式中：K1、K2第一、二方案的投资总额(吨煤投资)；C1、C2第一、二方案的年成本总额(吨煤成本)；T投资回收期，a；K两方案的投资差额；C两方案的年成本差额式中：E投资效果系数。若EE0或TT0，则方案一有利；E0、T0标准投资效果系数、投资回收期(一般为0.1、10a)适用于局部方案比较，是常用的一种方法，其计算不涉及投资项目的生产总成本
19、、产品价格和利润、税金等。注意：该方法习惯采用相同部分不予比较的原则，对于矿井生产能力不同的两个设计方案，是不可以采取这一原则的。,2、投资回收期法,劳动者在单位时间内所生产的产品数量。P=Q1/Nt式中：P矿井工人劳动生产率，t/工；Q1采煤工作面日产量，t；Nt采煤工作面昼夜出勤人数。劳动生产率的高低取决于煤层开采条件、采煤机械化程度、劳动组织形式及生产管理水平等因素。是衡量矿井技术水平的综合指标，在方案比较中应用较多。,3、劳动生产率,4、吨煤投资和吨煤成本,5、多目标决策评价,吨煤投资：矿井建设投资总额除以矿井生产能力后的值。不同井型对应不同的吨煤投资限额（国家规范）。吨煤成本：矿井生
20、产总成本除以矿井产量所得到的值。综合性指标，无论是生产矿井还是新建矿井都要计算、比较此项目，是矿井开采经济最优性的重要指标。,多目标之间不能用同一单位度量，而且有些目标间还存在矛盾。多目标决策方法实质：将计量单位不同的评价指标转化为无量纲的值，转化后的无量纲指标可以进行加、减、乘、除运算，从而求得综合的数量指标。该方法综合反映了矿井技术、经济等因素，应用越来越广泛。,多目标：（1）吨煤投资越低越好（2）投产后创造价值越高越好。,2、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，m3.,三、矿井设计主要费用参数计算,（一）
21、掘进费用,1、巷道：CJ=L j式中：CJ巷道掘进费用，元；L巷道长度，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 理等因素确定。,2、提升费用Ct=Qt1H1Y1+Qt2H2Y2+式中：Ct提升费用，元；Qt1、Qt2、Qtn1、2、n水平的提升煤量，t；H1、H2、Hn1、2、n水平的提升距离，km；Y1、Y2、Yn1、2、n水平的提升单价，元/(tkm)；,（二）运输提升费用,1、运输费用Cy=Qb Lb yb式中：Cy沿该巷道的运输费用，元；Qb货载运输量，t；Lb巷道长度，km；yb运输单价，元/(tkm)。,（三）巷道维护费用,提升费用Cw=Lw Tw Yw式
22、中：Cw巷道维护费用，元；Lw巷道长度，m；Tw巷道维护时间，a；Yw维护单价，元/(am)；,（四）排水费用,排水费用可分两种情况计算1、已知含水系数：按斜井或立井提升费用计算2、已知涌水量：Cp=36524(T1 H1 Q1 Yp1+T2 H2 Q2 Yp2+)式中：Cp矿井排水费用，元；T1、T2、Tn1、2、n水平的服务年限，a；H1、H2、Hn1、2、n水平的排水距离，km；Q1、Q2、Qn1、2、n水平的涌水量，m3/h；Yp1、Yp2、Ypn1、2、n水平的排水单价，元/(m3km)；,注意：主要费用参数确定是矿井设计的基础性工作，应长期、系统积累有关 资料，以提高设计质量。,第
23、四节 矿井开拓设计方案比较示例,一、井田概况,某矿地面为平原地带，井田范围内地表标高为+8090m，表土及风化带厚度(垂高)约5060m，有流砂层，井田中部较薄，井田境界处较厚。煤层+30m-420m底板等高线为界，井田两侧人为划定境界，井田走向长9km，倾斜长约1740m。井田内共有4个可采煤层，倾角均为15左右。各煤层的名称、厚度、间距及顶底板情况如表所示，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，无自燃倾向；平均容重为1.32t/m3。本矿属低瓦斯矿井，涌水量较大，矿井正常涌水量为380m3/h。,1、工业储量ZcZc=90001740（1.8+1.
24、9+1.6+2.0)1.32=15089.976万t=150.9Mt2、可采储量ZZ=(Zc P)C=114.68Mt式中：P工广、境界煤柱等永久煤柱损失，永久煤柱损失约占工业储量的5；C采区采出率，80。3、矿井服务年限P=Z/(A K)=68.3a式中：A矿井生产能力，1.2Mt/a；K矿井储量备用系数，1.4。4、实际可采储量Zs 在备用储量中估计50%为采出率过低和受未预知的小地质破坏影响所损失的储量。Zs=Z-(Z-Z/1.4)50%=98.3Mt,二、开拓方案技术比较,1、井筒(1)井筒形式 地形平坦，表土较厚且有流砂层，不具备平硐条件，立井开拓(主井设箕斗)。(2)井筒位置 按流
25、砂层较薄、井下生产费用较低的原则，井筒位于井田走向中部流砂层较薄处。(3)井筒数目 为避免采用箕斗井回风时封闭井塔等困难，减少穿越流砂层开凿风井的数目，决定采用中央边界式(分列式)通风，主立井、副立井，风井。,2、阶段划分 本井田可划分为23个阶段:(1)两个阶段：阶段斜长=1740m/2=870m(2)三个阶段:第一阶段斜长740m 第二阶段斜长500m 第三阶段斜长500m 井田涌水较大，若采用下山开采，排水系统复杂，因此阶段内均采用上山开采。3、采区划分 阶段内采用采区准备方式，每个阶段沿走向划分为6个走向长1500m的采区。在井田每翼布置一个生产采区，采用采区前进式开采顺序。,4、水平
26、服务年限(1)方案一（两阶段划分）一水平68.26/2=34.13a 二水平68.26/2=34.13a(2)方案二（三阶段划分）一水平（68.26/1740m）740m=29a 二水平（68.26/1740m）500m=19.61a 三水平（68.26/1740m）500m=19.61a,5、设计区段采出煤量 设计区段采出煤量=采区设计采出煤量/采区内区段数(1)方案一 一水平六个采区，每采区5个区段：4915.05万t/6/5=163.84万t 二水平六个采区，每采区5个区段：4915.05万t/6/5=163.84万t(2)方案二 一水平六个采区，每采区4个区段：4180.62万t/6/
27、4=174.19万t 二、三水平各六个采区，每采区3个区段：2824.74万t/6/3=156.9319万t,6、采区服务年限采区服务年限按设计平均服务年限+1年产量递增、递减期计算。两个采区保证产量，即两个采区同采，则每个采区服务时间：方案一 方案二一水平34.13a/3=11.38a+1 a 一水平29a/3=97+1 a 二水平19.61a/3=6.54+1 a二水平34.13a/3=11.38a+1 a 三水平19.61a/3=6.54+1 a,阶段主要参数表,7、大巷布置方案 集中大巷布置：煤层间距较小，岩 石 大 巷：为减少煤柱损失和保证大巷维护条件，岩石大巷位置：位于m4煤层底板
28、下垂距为30m的厚砂岩内，上阶段运输大巷 留作下阶段回风大巷。8、上山布置 采区采用集中岩石上山联合准备，中央采区上山位于m4煤层底板下垂距为大于30m的砂岩中，并在采后加以维护，留作下阶段的总回风通道及安全出口。其他采区上山位于距m4煤层底板约20m的砂岩中，采后报废。,方案一：立井两水平,方案二：立井单水平加暗斜井,技术上可行的开拓延深方案,（1）第二水平是用暗斜井延深还是直接延深立井；（2）方案一需多开立井井筒(2225m)、阶段石门800m和立井井底车场，并相应地增加了井筒和石门的运输、提升、排水费用；（3）方案二则多开暗斜井井筒(倾角15，2870m)和暗斜井的上、下部车场，并相应地
29、增加了斜井的提升和排水费用。,方案一与方案二的区别：,粗略估算两方案的费用差别不大（3.37%），方案1的提升、排水工作环节少，人员上下较方便，方案2费用计算中没有计入暗斜井上、下部车场的石门运输费，方案1在通风方面优于方案2。选择方案一。,方案三：立井三水平,方案四：立井二水平加暗斜井,（1）第三水平是用暗斜井延深还是直接延深立井；（2）方案三需多开立井井筒(2130m)、阶段石门600m和立井井底车场，并相应地增加了井筒和石门的运输、提升、排水费用；（3）方案四则多开暗斜井井筒(500m+580m)和暗斜井的上（300m）、下部车场（500m）；并相应地增加了暗斜井的提升和排水费用。,方案
30、三与方案四的区别：,各方案粗略费用估算表（续）,方案4比方案3费用高4%，二者总费用相差不到10%，可视为相等，但终究是高一些，同时方案3的提升、排水等环节比方案4少。选择方案三。,三、开拓方案经济比较,经济比较说明：,（1）两方案的各采区均布置两条采区上山，采区上山的总开掘长度 相同，总开掘费用也近似相同，上山掘进费用未对比。,（2）立井、大巷、石门及采区上山的辅助运输费用均按占运输费用的20%计算。,（3）井筒、井底车场、主石门、阶段大巷及总回风巷等均布置在坚硬岩石中，其维护费用低于5元/am，未列入比较。,（4）采区上、中、下部车场的维护费用均按占采区上山维护费用的20%估算，采区上山的
31、维护单价按受采动影响与未受采动影响的平均维护单价估算。,建井工程量,方案1的生产费用略高于方案3，但其基建投资费用明显低于方案3（基建费的计算误差要小的多），认为方案1相对较优。从建井工期看，虽然方案1初期要多掘主副井筒各35m，运煤及轨道上山各130m，但是可少掘270m的主石门（方案1与方案3差别不大）。从开采水平接续看，方案1仅需延深1次立井，对生产影响小于方案3。综上所述，方案1与方案3在技术、经济上不相上下，但方案1基建投资较少，开拓延深对生产影响略小，最后选用方案1。,四、综合比较,初期大巷（750+100）2=1700）2=1700后期大巷：一水平（650+1500+750+100）2=6000二水平15004+8502=7700，三水平15004+8502=7700,1主井、2副井、3井底车场、4主要运输石门、5运输大巷、6风井、7回风石门、8回风大巷、9采区运输石门、10采区下部车场、11采区下部材料车场、12采区煤仓、13行人进风巷、14运输上山、15轨道上山、16上山绞车房、17采区回风石门、18采区上部车场、19采区中部车场、20区段运输平巷、21下阶段回风平巷、22联络巷、23区段回风平巷、24开切眼、25回采工作面,
