摘要

本文旨在通过综合分析金岭地区的地质条件、资源储量及市场需求，为金岭矿井设计一套科学合理的年产10万吨煤炭的开采方案。论文首先概述了金岭矿井的地理位置、交通条件及地质特征，为设计提供了基础数据支持。随后，结合煤层赋存情况，设计了包括开采方法选择、工作面布置、巷道布置与支护等在内的开采方案，确保煤炭资源的高效、安全开采。在设备选型与配套方面，根据开采需求，合理配置了采煤设备、运输系统及通风安全系统，以提升矿井的生产效率和安全性。同时，论文还关注了环境保护与安全生产的重要性，提出了相应的环保措施和安全生产管理方案。最后，通过经济效益分析，评估了矿井建设投资、运营成本及预期收益，并进行了风险评估，为决策提供了依据。本文的研究成果不仅为金岭矿井的年产10万吨建设提供了技术支撑，也为类似矿井的设计提供了参考借鉴。

关键词：金岭矿井；资源储量；开采

Preliminary design for an annual output of 100,000 tons of Jinling Mine

Abstract

This paper aims to design a scientific and reasonable mining plan for an annual output of 100,000 tons of coal for Jinling Mine through a comprehensive analysis of the geological conditions, resource reserves, and market demand in the Jinling area. Firstly, it outlines the mine’s geographical location, transportation conditions, and geological characteristics, providing essential data support for the design. Subsequently, based on the coal seam occurrence, a mining plan is devised, encompassing selection of mining methods, working face layout, roadway layout and support, to ensure efficient and safe extraction of coal resources. In terms of equipment selection and support, mining equipment, transportation systems, and ventilation safety systems are rationally configured according to mining requirements, enhancing the mine’s production efficiency and safety. Additionally, the paper emphasizes the importance of environmental protection and safe production, proposing corresponding environmental protection measures and safe production management plans. Finally, through an economic benefit analysis, the mine’s construction investment, operating costs, and expected returns are assessed, along with risk evaluations, providing a basis for decision-making. The research findings not only provide technical support for the 100,000-ton-per-year construction of Jinling Mine but also serve as a reference for similar mine designs. 

Key words: Jinling Mine; Resource Reserves; Mining

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摘要

Abstract

第1章矿井概况及建设条件

1.1 矿区概况

1.1.1 矿区的地理位置及交通条件

1.1.2 地形地貌

1.1.3 主要河流

1.1.4 气象

1.1.5 地震

1.1.6 地温

1.1.7 煤田开发历史

1.2 井田地质特征

1.2.1  地层

1.2.2 地质构造

1.2.3 水文地质情况

1.3 煤层特征

1.3.1 煤层埋藏条件

1.3.2 煤质

1.3.3 煤层顶底板

1.3.4 瓦斯、煤尘等

第2章  井田境界与储量

2.1 井田境界

2.1.1 井田境界

2.1.2 井田特征

2.2 井田储量

2.2.1 矿井工业储量

2.2.2 矿井设计储量

2.2.3 矿井设计可采储量

2.3 矿井年储量及服务年限

2.3.1 矿井工业制度

2.3.2 矿井设计生产能力的确定

2.3.3 矿井服务年限

2.3.4 井型校核

第3章井田开拓

3.1 概述

3.1.1 开拓方式选择

3.1.2 影响立井开拓的主要因素分析

3.2 井田开拓

3.2.1 对井田开拓中若干问题分析

3.2.2 方案的提出及技术比较

3.2.3 方案经济比较

3.2.4 确定方案

3.3 井筒特征

3.3.1  井筒断面尺寸

3.3.2   井壁的支护材料及井壁厚度

3.3.3  井筒深度

3.4 井底车场

3.4.1 概述

3.4.2 选择确定井底车场型式

3.4.3 线路总平面布置

3.4.4 井底车场通过能力计算

3.4.5 确定井底车场主要巷道断面及硐室位置

3.4.6 井底车场硐室

3.5 开采顺序及采区、采煤工作面的配置

3.5.1  开采顺序

3.5.2 保证年产量的同采采区数和工作面数

3.6 井巷工程量和建井工期

3.6.1 井巷工程量

3.6.2 建井工期

第4章采煤方法

4.1 采煤方法的选择

4.1.1 概述

4.1.2 影响准备方式选择的因素

4.2 采区巷道布置及生产系统

4.2.1 采区概况

4.2.2 采区准备方式

4.3 综采工艺设计

4.3.1 生产技术条件

4.3.2 综采设备配套

4.3.3 回采工艺及作业方式

4.3.4 工作面主要经济技术指标

第5章矿井运输、提升及排水

5.1 矿井运输

5.1.1 设计原则和原始资料

5.1.2运输方式和运输系统的确定

5.1.3 采区运输设备的选型

5.1.4 大巷运输设备的选型

5.1.5 矿车和电机车的型号和数量

5.2 矿井提升

5.2.1设计依据

5.2.2 主井提升设备的选型计算

5.2.3 副井提升设备选型计算

5.3 矿井排水

5.3.1 设计依据

5.3.2 排水设备选型计算

第6章矿井通风与安全技术

6.1 矿井通风系统

6.1.1 通风设计的基本依据

6.1.2 确定矿井通风系统

6.2 风量计算及风量分配

6.2.1 矿井总风量确定

6.2.2 风量分配及风速验算

6.3 全矿通风阻力计算

6.3.1矿井通风阻力计算原则

6.3.2 矿井通风阻力计算

6.3.3 计算矿井总风阻及总等积孔

6.4 扇风机选型

6.5 矿井安全技术措施

6.5.1 概述

6.5.2 瓦斯爆炸的预防措施

6.5.3 矿井瓦斯突出的防治措施

6.5.4 矿井火灾的预防措施

6.5.5 井下水灾的预防措施

6.5.6 粉尘的综合防治

第7章矿山环保

7.1 矿山污染源概述

7.2 矿山污染的防治

7.2.1 大气污染处理

7.2.2 矿井水处理

7.2.3 固体废弃物处置

7.2.4 噪声治理

7.2.5 其它措施

参考文献

致谢

第1章  矿井概况及建设条件

1.1 矿区概况

1.1.1 矿区的地理位置及交通条件

金岭煤矿位于河南省新密煤田西南部、平陌－金岭矿区东部，行政区划主体位于河南省新密市金岭镇申沟村。其地理坐标为：东经113°22′47″～113°27′35″，北纬34°25′09″～34°26′58″。向北直距矿务局和新密市约12km和15km，向东北直距郑州市约40km。区内有公路直达新密、登封、新郑和郑州等地市，还有本矿专用铁路—宋（寨）大（冶）铁路经新密铁路与京广铁路相连，矿区北邻3km处还有窄轨铁路向东通达开封。矿区北部15km处的豫04公路以及东部40～45km处的107国道、京广铁路、京珠高速公路通达全国各地。总之，本区交通方便交通位置图见（图1-1）。

1.1.2 地形地貌

矿区位于新密井田南部，属丘陵地带。地形总体表现为西北高东南低，矿区内地势较为平坦，东部冲沟发育，地面高程156.50m~223.50m，最大相对高程差51.10m。

1.1.3 主要河流 

矿区范围内无常流河。

1.1.4 气象

本区属半干旱大陆性气候，夏季炎热多雨,冬季寒冷干旱,据密县气象站记载：该区平均年降雨量在397.7mm～973mm，平均624.35mm，日最大降雨量103.5mm，降雨多集中在每年的七、八、九三个月；平均年蒸发量为2086.3mm；年平均气温14.3℃，最高41.3℃，最低－17.8℃；最大积雪深度20cm，最大冻土带深度18cm；最大风速为22m/s，夏季多南风，冬季多西北风。

1.1.5 地震

本区历史上无大的自然灾害，地震烈度为Ⅵ度。按照《中国地震动参数区划图》（2001）划分，本区地震烈度为VI度。

1.1.6 地温

本区地温梯度为0.84～2.30℃/100m，平均1.87℃/100m，推测本区一级高温区位于二1煤层底板标高－300m以深。本区开采最大深度为+400m，属正常地温区，无热害影响。

1.1.7 煤田开发历史

东面是金岭矿镇第三煤矿，西面有镇办矿小金岭开采，南面有渣山，北面私人开的振兴煤矿，经过多年破坏形成了许多采空区，对我的设计增加了难度。矿区周围有许多耐火材料厂，其污染环境特别厉害，常年是黑烟滚滚。

水源和电源：矿井供水水源取用于地下水和利用矿井排水。取用于地下水为工业场地生产、生活用水；利用矿井排水净化后作为井下消防洒水、断面防尘及洗煤厂生产补给用水。

1.2 井田地质特征

1.2.1  地层

矿区范围内基岩大部被第四系掩盖。根据钻孔、井巷揭露和区域地层资料，以沉积时序和接触关系，矿区范围内赋存的地层由老至新有：中奥陶统马家沟组、中石炭统本溪组、上石炭统太原组、下二叠统山西组、下石盒子组、第三系、第四系。其中含煤地层为上石炭统太原组、下二叠统山西组。由老到新分述如下：

（1）奥陶系马家沟组（O2m）

为本矿的一1煤层的间接底板，以灰色、致密质纯的灰岩为主，上部为兰灰色厚层状石灰岩，致密，下部为灰黄色泥质灰岩，本组地层区域资料显示，厚约70m左右，与下伏寒武系地层呈平行不整合接触。  

（2）石炭系(C)

本井田缺失下石炭统，上石炭统厚87.50米。

上石炭统本溪组（C2b）：本组地层为灰白至深灰色铝土岩，致密质纯具滑感，一般具豆状或鲕状结构，含黄铁矿晶体，平均厚度为7.69m，厚度变化大。与下伏奥陶系地层呈平行不整合接触。

上石炭统太原组（C3t）：下界为本溪组铝土岩顶，上界止于L9石灰岩（或相变为硅质泥岩）顶面。由一套属于海陆交互相形成的灰岩、泥岩、砂质泥岩、砂岩及煤层组成。按其岩性组合特征，可将太原组分为三段，即：下部灰岩段、中部砂泥岩段及上部灰岩段。下部灰岩段：自一1煤底至L4灰岩顶， L1～L4灰岩分布稳定，常合并为1～2层，含燧石结核、燧石条带，并富含海百合茎和假希瓦格蜓化石，可作为本组的重要标志层，也是一1煤的直接顶板。中部砂泥岩段：自L4灰岩顶至L7灰岩底， L6灰岩在井田西北部较稳定，有时沿走向相变为砂质泥岩或泥岩，上部由灰～深灰色中厚层状泥岩、砂质泥岩和一7煤组成，局部夹有鲕状泥岩或中、细粒砂岩，含白云母片及植物化石。上部灰岩段：由L7－8、L9三层灰岩和一8煤及泥岩、砂质泥岩组成，下部的L7－8灰岩呈深灰色，致密坚硬，夹燧石条带，层位稳定，两层灰岩间夹一薄层泥岩或一8煤。顶部的L9灰岩极不稳定，沿走向有时相变为薄层菱铁质泥岩，其顶部即为与上覆山西组的分界面。本组地层厚度平均81.54m，与本溪组呈连续沉积。

（3）二叠系(P)

底界为上石炭统太原组L9灰岩顶面，上界止于金斗山砂岩底面，与下伏地层呈连续沉积，含煤地层总厚度610.00m，分上、下两统八个煤组，本矿区主要保留有部分下统的山西组和下石盒子组地层，上部地层被剥蚀缺失。

下二叠统山西组（P1S）：本组地层是属于海退过程中形成的一套滨海相沉积地层，上界止于砂锅窑砂岩底面，厚度65m，主要以砂岩、砂质泥岩、泥岩、煤层组成，其显著特点是：岩层的颜色普遍较深，砂岩发育，层面上含有较多的白云母片，本组地层富含菱铁质结核。本组地层所含的二1煤层，层位稳定，为本矿的开采对象，其本身也是一个良好的标志层。

二1煤层老顶大占砂岩也是地层、煤层对比的良好标志层之一，岩层厚度变化大，全区发育，有时为二1煤层直接顶板。厚0～15.50m,下距二1煤层顶6.00m左右。

第三系、第四系（Q+N）：区内分布广泛，下部为流砂及砾石；上部为黄土层，平均厚度约36.50m。覆盖于本区煤系地层之上，与下伏二叠系呈角度不整合接触。

矿井综合柱状图见下页图1-2。

图1-2 矿井综合柱状图

1.2.2 地质构造

区内总体构造为夹持于新密复向斜南翼的次一级平陌－金岭向斜东段（本区叫张沟向斜），主体位其北翼。地层走向总体近东西向，南北对倾，倾角变化范围在4～45º之间，北缓南陡。伴有三组（近EW、NW和NE向）多条断裂构造。主要的构造方向为近东西向，其次为北东和北西向。较大的（中型和大型）断层（断距＞40m）主要有杨台逆断层、金岭断层、崔庄断层3条，另有20多条小断层；另外龟山断层南还发育滑动构造。金岭井田地质构造中等。主要地质构造见表1-1

表1-1 主要地质构造特征表

1.2.3 水文地质情况

本矿区位于金岭井田中部，金岭井田属新密煤田东南部，为地下水径流区。本矿现开采二1煤层，与开采关系密切的主要含水层，自下而上依次是上寒武、奥陶系灰岩含水层、太原组下段灰岩含水层。主要隔水层有本溪组铝质泥岩和太原组中段砂泥岩隔水层。现将本矿区的主要含水层及隔水层分述如下。

（1）含水层

1）奥陶系、上寒武系灰岩岩溶裂隙承压含水层：奥陶系岩性为厚层状微晶灰岩或泥质灰岩，上寒武系为白云质灰岩、泥质灰岩，岩性相对稳定，厚度大于200m。由于矿物成份和结构不均一，致使岩溶发育规模较小，且不均衡，可见的是一些小溶洞和溶孔，多沿古剥蚀面、风化裂隙带及构造破碎带分布，在连续完整的岩层中很少见到。受岩溶裂隙发育状况影响，岩溶水强弱程度不同。钻孔抽水单位涌水量0.0034～0.0130L/s。由于处在径流区，其水位季节性变化较大。水化学类型为HCO3—Ca·Mg型，矿化度<0.5g/l。该层上距煤层底板一般7m左右，为煤层主要充水含水层，O2m灰岩水位已下降到+140以下，因此，本矿开采二1煤层受水害威胁较小。

2）上石炭统太原组下段灰岩岩溶裂隙承压含水层：主要由L1、L2、L3、L4灰岩组成，并常合并为一层，岩溶裂隙发育，但不均一，富水性变化较大。钻孔抽水单位涌水量0.0359～0.0655L/s，该层水化学类型为HCO3—Ca·Mg型，矿化度<0.5g/l。该含水层是煤层的直接顶板充水含水层，水位已下降到+120以下，因此，本矿开采一1煤层受水害威胁较小。

3）上石炭统太原组上段灰岩岩溶裂隙承压含水层：L7～8灰岩水位已下降到±0以下，因此，本矿开采二1无影响。

4）第三、四系潜水及地表水：主要靠大气降雨补给，仅以井筒淋水方式淋入井下。因开采的二1煤层，形成的导水裂隙带不会通达地表，第三、四系潜水及地表水不会影响矿井安全生产。

（2）隔水层

1）煤层底板下石炭统本溪组隔水层：本溪组地层平均厚度为7.69m，厚度变化大，为灰白至深灰色铝土岩，一般具豆状或鲕状结构，含黄铁矿晶体，结构致密，分布连续、广泛、稳定，具良好隔水性能，一般能阻隔底部奥陶、上寒武系灰岩含水层对一1煤层矿床的直接充水。

2） 煤层顶板上石炭统太原组中段砂泥岩隔水层：该段以泥岩、砂质泥岩为主，夹砂岩，分布连续、稳定，隔水性良好，能阻隔上部包括太原组上段灰岩含水层在内的诸含水层对煤层的充水。

3）充水因素分析

1）底板奥陶系灰岩水：为底板承压水，由于本矿区无断裂构造导通，且水位较低，奥陶系灰岩水作为潜在威胁存在，一般对开采不会造成直接影响。

2） L1－3灰岩水：和下部的奥陶系灰岩水水力联系密切，同样为底板承压水，一般对开采不会造成影响。

3） L7－8灰岩水：该含水层经长期疏放，水位已下降至±0m标高以下，水位较低，不会对本矿生产构成威胁。

（4）水文地质勘查类型

二1煤生产系统直接充水含水层主要为顶板砂岩及底板灰岩裂隙含水层，由于原小金岭矿长期的开采，对二1煤顶底板直接充水含水层水已有较

大的疏放，参照小金岭矿抽水试验单位涌水量满足：0.1<q<1L/s•m，根据新规范，二1煤水文地质勘查类型划分为第二类第二型，即以裂隙含水层为主的水文地质条件中等矿床。矿井设计正常涌水量为1000 m3/h，最大涌水量为1500 m3/h。

1.3 煤层特征

1.3.1 煤层埋藏条件 

本矿区内含煤地层为上石炭统太原组和下二叠统山西组。太原组和山西组在本区平均厚度为146.5m，含煤总厚平均为10.40m，含煤系数为7.09%。

下二叠统山西组下部的二1煤层大部可采，也是本矿的开采对象，结构简单，层位稳定，测井曲线反映良好，其老顶是灰白色细至中粒长石石英砂岩（大占砂岩），含大量云母片，层位稳定，是预见二1煤层的主要标志层。本矿二1煤层最厚24.91m，最薄7.40m，平均厚为10m；矿区内煤层底板标高+60～－550m，埋深110～765m。煤层走向65°～110°，倾向155°～200°，平均倾角12.5 °，表现为单斜构造。太原组一煤组、山西组二1煤层，对比依据充分，对比可靠。

综上所述，本矿区内二1煤层属较稳定煤层。

1.3.2 煤质

（1）物理性质和煤岩类型

二1煤为灰黑至黑色，视密度1.40t/m3，条痕色为灰至棕黑色，呈粉沫状，半亮至全亮型，玻璃、油脂光泽，性脆易碎。

（2）化学性质和工艺性能

1.3.3 煤层顶底板

二1煤层直接顶为Ⅰ级顶板，多为泥岩、次为砂质泥岩，个别为砂岩，厚度一般5~7m，不稳定，易垮落；老顶为大占砂岩，距煤层顶板0~10m；底板多为泥岩或粉砂岩 ，厚度5~6m。二1煤层硬度f小于1，属典型的“三软”不稳定煤层。

1.3.4 瓦斯、煤尘等 

矿井瓦斯相对涌出量6.48m3/t，瓦斯分布不均匀，高瓦斯区呈条带状分布，属煤与瓦斯突出矿井。煤层自然发火等级为三级，为不易自燃煤层。煤尘具有爆炸危险性，爆炸指数为17.58%。

表1-2 煤层特征表

表1-3 煤的工业分析