神东矿区采区最佳开采参数研究报告

神东矿区回采工作面最佳参数研究
课题研究报告
太原理工大学
神华神府东胜煤炭有限责任公司
2002年11月20日
课题组人员组成
太原理工大学
课题组负责人：康立勋教授（博士）
王小汀教授（工学硕士）
课题组参加人员：冯志强硕士研究生
张军硕士研究生
李国才硕士研究生
高红波硕士研究生
神华神府东胜煤炭有限责任公司
课题组负责人：王安神东公司总工程师,副总经理高级工程师
马茂盛神东公司多经公司总工程师高级工程师课题组参加人员：田瑞云神东公司安监局总工程师高级工程师
武子生榆家梁煤矿总工程师高级工程师
杨俊哲大柳塔煤矿总工程师高级工程师
杜福荣乌兰木伦煤矿总工程师高级工程师
程远辉神东公司生产部高级工程师
贺安民大柳塔煤矿副总工程师高级工程师
孙建民神东公司生产技术部副部长高级工程师
赵永峰神东公司生产技术部副部长高级工程师
潘金神东公司生产技术高级工程师
赵俊辉神东公司生产技术工程师
杭月珍神东公司计划部副经理高级经济师
目录
第一章前言 0
第一节神东矿区回采工作面最佳参数研究的必要性 (3)
第二节课题主要研究内容 (4)
第三节研究实施方案 (5)
第四节研究开发计划 (6)
第五节主要结论 (7)
第二章矿区开采技术条件 (8)
第一节补连塔矿井简介 (8)
第二节煤层赋存条件 (8)
第三节井田开拓方式 (10)
第四节矿井生产系统 (10)
第五节采煤方法 (11)
第三章采区巷道布置类型分析 (15)
第一节走向长壁巷道布置 (15)
第二节倾斜长壁巷道布置 (16)
第三节神东矿区采区巷道布置方式分析 (17)
第四章工作面开采技术因素分析 (20)
第一节地质条件对工作面参数的影响 (20)
第二节开采技术条件因素分析 (26)
第五章工作面最佳参数计算机优化系统 (35)
第一节采区各类费用计算 (35)
第二节建立经济数学模型 (45)
第三节模拟程序设计 (46)
第三节实际应用 (52)
第六章神东矿区工作面最佳参数多目标决策 (61)
第一节多目标决策方法 (61)
第二节工作面参数评价准则的确定 (70)
第三节提出可行方案集 (71)
第四节建立层次结构模型 (74)
第五节应用插值法计算各方案相对各指标的评分值 (77)
第一章前言
第一节神东矿区回采工作面最佳参数研究的必要性
回采工作面生产系统是一个复杂多变的随机服务系统, 受矿井的地质、设备、技术管理水平等众多因素的影响, 在不同开采条件下，回采工作面开采技术参数取值不同，所取得的技术经济指标是不同的，它将直接影响着矿井的经济效益。

如何确定回采工作面的开采参数，取得最佳的技术经济指标是多年来采矿工作者一直关心的问题，并且曾进行过大量的研究工作。

回采工作面最佳参数的研究是针对矿井的具体条件，以最优化理论为基础，应用系统理论方法，在对现有矿井大量生产数据进行统计分析的基础上，对多目标多参数进行分析，找出影响采煤工作面生产系统的主要因素，确定回采工作面参数与各类费用的数值关系，在满足给定矿井回采工作面各种约束条件的前提下，合理地选择设计变量数值范围，通过应用计算机选优方法，获得在一定意义上的回采工作面最优开采参数，其目的就是找到一组合适矿井实际生产条件下的回采工作面参数的设计变量数值，使得由这些参数所确定的设计方案为回采工作面的最佳开采方案。

由此可见，回采工作面最佳参数的研究不仅是选优方法，也是一种实用的新技术。

如果回采工作面参数设计不合理，将对矿井今后的生产和管理产生一系列影响。

因此，回采工作面参数的研究将对矿井安全生产、减员提效具有重要的现实意义。

将回采工作面最佳开采方案参数研究成果与计算机图形绘制
和数据库系统相结合，建立回采工作面最优开采技术方案的计算机优化系统，可用于回采工作面的设计、决策、计划、管理，实现工作面管理的智能化、自动化，将有助于提高矿井现代化管理水平，具有很大的应用与推广价值。

神东矿区是我国最大的煤炭生产基地之一，煤层赋存浅，煤田地质构造、煤层结构、水文等条件简单，瓦斯涌出量小，矿井机械化、自动化程度高。

具有独特的地质条件和开采技术条件，拥有世界一流采掘机械设备，其采掘工作面技术经济指标均达到国外先进水平。

如：补连塔矿综采工作面，采高4.5—4.8m，工作面长度242m，工作面推进长度达到5000m，工作面日产量最高达到3万t/d、月产量最高达到50万t/月，掘进工作面最高班进尺达到73m/班、最高日进尺达到130m/d、最高月进尺达到2960m/月，技术经济指标达到国内领先水平。

美国梅格斯31号矿最高月产量达到521425t/月，创世界综采工作面单产最高记录。

澳大利亚优兰矿综采，采高 2.75—3.65m，工作面长度200m，工作面推进长度2000m，工作面日产量达到25000t/d。

故此，对神东矿区的具体条件，研究工作面最佳参数，是非常必要的，具有重要的现实意义和理论指导价值。

第二节课题主要研究内容
1、工作面巷道布置类型的研究：针对煤矿的实际条件，分析可行的采区巷道布置类型以及其优缺点和适应条件，确定适合本矿区开采的采区巷道布置类型。

2、工作面参数的技术经济论证：依据矿井回采工作面的地质条件（煤层厚度、倾角、围岩条件、瓦斯、自燃发火等）、设备条件、技术管理水平等条件，从技术上、经济上对回采工作面系统各类参数进行综合分析，找出影响工作面参数的主要因素，确定在不同条件下工作面长度和推进长度的合理取值范围。

3、工作面内各类费用的研究：针对神东矿区高产高效矿井的具体条件，与巷道布置类型相对应，确定不同类型回采工作面巷道布置各类费用的计算方法及费用参数的取值。

4、回采工作面最佳参数的计算机优化系统：针对神东矿区典型矿井不同回采工作面的巷道布置类型、各类费用取值，建立回采工作面最佳参数的计算机优化系统软件，找出各类费用与工作面参数的关系曲线，确定在不同条件下工作面的最佳布置长度和推进长度的取值范围。

5、从系统整体最优化的观点，应用多目标决策决策理论的综合指标极大值方法，对工作面的参数进行综合优化。

第三节研究实施方案
1、以神华神府东胜煤炭有限责任公司补连塔煤矿为主要研究对象，收集本矿长壁工作面和连采工作面生产的实际数据，对矿区采煤系统进行系统研究，从技术上确定合理的采区巷道布置和回采工作面参数的取值范围。

2、经济上找出工作面各类费用参数的费用组成，其费用包括：
（1）巷道掘进费：集中运输巷、集中回风巷、工作面运输巷
道、工作面回风巷道、联络巷道、工作面开切眼等；
（2）巷道维护费：集中运输巷、集中回风巷、工作面运输巷道、工作面回风巷道、工作面集中巷道、掘进工作面及备用工作面巷道等；
（3）煤炭运输费：煤炭运输设备费折旧及大修费、煤炭运输电力消耗等；
（4）工作面通风费；
（5）工作面辅助运输费；
（6）工作面搬家费；
（7）工作面成本：工作面工人工资、工作面主材消耗、主要设备折旧及大修费；
3、以采区吨煤费用最低为准则，建立回采工作面最佳参数的计算机优化系统，确定补连塔矿综采工作面最佳参数的取值，并且对工作面的技术经济指标进行预测分析，为神东矿区综采工作面参数的选取提供科学依据。

第四节研究开发计划
2001年8月—2001年12月，双方协商制定开发方案，收集综采工作面有关资料；
2002年1月—2002年8月，研制软件；
2002年9月—2002年11月，改进完善软件，整理研究报告并项目验收。

第五节主要结论
1、根据神东矿区的实际条件，采区巷道布置类型宜采用不设条带集中巷各煤层分别布置胶带运输机巷和回风辅助运输巷的分层布置的巷道方式。

2、通过对矿区地质因素分析，在现有的地质条件下，当对煤矿井下防灭火采取有效技术措施后，工作面推进长度可达到6000m，工作面长度达到250m是完全可行的。

3、通过开采技术条件因素分析，就神东矿区的开采技术条件，影响工作面参数的主要因素为各设备寿命和输送机长度限制了工作面长度。

其它诸如巷道维护、供电、巷道掘进、通风等方面，当采取一定的技术措施后，工作面推进长度可达到6000m，工作面长度达到250m。

4、矿业系统是一个多层次多目标的复杂系统，涉及到资源效益和经济效益等诸多方面。

因此，在对其进行技术经济分析时，需要有一套科学的有效决策理论和方法。

神东矿区工作面最佳参数优化系统的层次分析决策结果表明神东矿区在满足一定条件下，工作面长度不应低于200m，合理取值范围为210—250m；工作面推进长度不应低于2000m，合理取值范围为4000—6000m。

第二章矿区开采技术条件
第一节补连塔矿井简介
补连塔煤矿位于内蒙古自治区伊克昭盟南部伊金霍洛旗境内，隶属神华集团神东公司。

1987年7月1日开工建设，1997年10月16日正式移交投产。

设计能力由60万t／a，扩建规模到800万t／a。

全矿井现有员工450人，机构简单、人员精干，是一座一井一面集煤炭生产、洗选加工、封闭式储装外运的现代化高产高效矿井。

第二节煤层赋存条件
井田地表覆盖第四系松散层，厚度5—50m，平均20m左右，并呈东厚西薄、北厚南薄变化。

井田内赋存地层从下到上由老至新有：上三叠统延长组（T3y），中、下侏罗统延安组（J1-2y），中侏罗统直罗组（J2y），上侏罗—下白垩统志丹群（J3—K1zh），第四系（Q）。

井田内含煤地层为中、下侏罗统延安组（J1－2y），该组含煤地层平均厚度178.30m ，共含有2、3、4、5、6五个煤组17层煤，其中11层可采，1-2、2-2、3-1号三个煤层为全区主要可采层。

中、下侏罗统延安组（J1—2y）自下而上分为三个岩段：
下岩段（J11-2y）：
白灰色、灰白色细砂岩、粉砂岩、灰黑色砂质泥岩、泥岩及煤组成。

底部是灰白色中砂岩，局部相变为粗砂岩，成份以石英
为主，含黄铁矿结核及植物化石，含5、6号煤层组，煤层多而厚度小，最多可达10层，最少为6层，一般为8层，其中4层局部可采，且有分叉、相变及尖灭现象。

中岩段（J21-2y）：
由绿灰色、灰黑色粉砂岩、细砂岩和煤组成，主要特征是粒度细、分选性好，粘土胶结，且有水平层理和交错层理，含植物化石较多，含2-2、3-1号两个主要煤层，厚度大、变化小，大部地区以单层出现，全井田可采，层位稳定，煤质好，结构简单。

上岩段（J31-2y）：
由灰白色细砂岩、中砂岩、粉砂岩和粗砂岩组成，其次有泥岩类和煤层组成。

砂岩成份以石英为主，长石次之，含少量云母及暗色矿物，泥质胶结，含1-2号煤组，该煤组由下而上有1-2下、1-2中、1-2中上、1-2上、1-1五个煤层。

1-2中煤层在深部厚度稳定，浅部厚度变化大，且有被冲刷、分叉和尖灭现象。

主要可采煤层赋存情况：
1-2中煤层：
全区发育，它包括1-2中煤层的主层及分叉后的下分层；厚0—6.53m，平均4.09m。

在分叉线以西，厚3.80—6.35m，平均5.03m；在分叉线以东厚0—2.32m，平均 1.66m。

受成煤环境及后期冲刷的影响，该煤层在BK3、BK4两个钻孔附近出现一个无煤区，在东部边缘及无煤区周围存在一定的不可采范围，距下部1-2下煤层0.5—17.30m，一般7.0m左右；距下部2-2号煤30m左右。

2-2号煤层：
位于延安组中岩段顶部，全区发育；结构简单；厚度大、变化小；仅在底部（顶部局部）含有1—2层夹矸，煤层厚 5.91—7.98m，平均6.75m，距其下部3-1号煤层30m左右。

3-1号煤层：
位于延安组中岩段中下部，全区发育，结构简单，全区基本不含矸，煤层厚2.28m，平均3.16m，距5-1上煤层27m左右。

井田地质构造简单，无大的断层和褶曲，煤层赋存条件优越，主要可采煤层厚度大、倾角平缓0—3°。

层位稳定、储量丰富；煤层瓦斯含量低（0.19m3/t）；矿井水文地质条件简单、涌水量小（150m3/h左右）；煤层埋藏浅，相对地压小、顶底板较稳定易于管理，因煤层属于中硬以上而且韧性较好，故在采掘活动中顶板矿压显现较小。

但本井田突出弱点是煤的燃点低（300℃左右），且在失水状态下易于自燃（夏季在地表堆积3m高的情况下，自燃发火期为一个月）。

第三节井田开拓方式
井田开拓方式为主斜井—副平硐综合开拓，矿井按煤层分组划分两个开采水平，2-2煤层为上煤组，划分为第一开采水平，3-1煤层为下煤组，划分为第二开采水平；大巷布置采用分煤层盘区大巷布置方式。

第四节矿井生产系统
1、煤炭运输系统：工作面采出的煤炭经工作面刮板输送机运
至工作面运输顺槽，由顺槽胶带输送机运至1-2胶带机中巷，由1-2胶带机中巷胶带输送机将煤运至4#煤仓，煤炭通过4#煤仓经胶运大巷、主斜井由胶带输送机运至地面筛选厂。

2、辅助运输系统：辅助运输采用无轨胶轮车运输。

地面材料、设备、人员通过胶轮车经辅助运输平硐、+1055水平辅助运输大巷、1-2煤层辅助运输巷、下一工作面运输巷道、工作面联络巷进入综采工作面。

3、通风系统：矿井通风方式采用分区抽出式通风。

新鲜风流由工业场区的主井、副井、辅助运输平硐和南进风井四个井筒共同进风。

在1-2煤层中专设一条大巷为回风大巷，污浊风流通过南风井场区的南回风井排至地面。

在南回风井安装两台主扇，型号为1K58No24轴流式风机，配套电机JS—128－8、电机功率155kW、转速750r／min，于1997年7月9日投入运转，在叶片角35°时，可满足6000m3／min风量要求。

在工业场区回风井安装两台主扇，型号为1K58No18轴流式风机，配套电机JS－117－4型、电机功率75 kW、转速980r／min，于1997年7月9日停止运行，准备在开采2-2煤层时启用，在叶片角30°时，可满足3000m3／min风量要求。

第五节采煤方法
采煤方法采用倾斜长壁一次采全高全部跨落综合机械化采煤方法。

一、地质与煤层赋存
1、煤层赋存
开采1-2号煤，该煤层呈黑色，条痕黑褐色，煤层结构简单，赋存稳定，暗淡光泽，弱沥青光泽，参差状缺口，块状层状结构，坚硬，裂隙不发育，以暗煤为主，容重1.29t/m3，燃点在300℃左右。

煤层厚度3.7—5.53m ,平均厚度5.29m，煤层含0—3层夹矸，煤层赋存稳定。

煤层为单斜构造，煤层倾角1—3°，具有宽缓的波状起伏，上覆基岩厚度50—150m。

2、顶底板情况
直接顶、老顶较完整，硬度中等；直接顶水平层理发育，半坚硬，泥质结构；老顶水平层理及波状层理发育，半坚硬，砂质结构，节理不发育，属于二级二类顶板（煤层顶底板具体情况见表2-1）。

表2-1 1-2号煤层顶底板情况表
3、沼气、二氧化碳含量和煤的自燃
据地质资料表明，1-2煤层沼气含量0—0.19m3/t，CO2含量0.01—0.15m3/t，根据已采的2211、3201工作面生产情况表明，本矿井煤层无沼气，二氧化碳有突出倾向，属于低沼气矿井。

煤层具
有自燃发火倾向，该煤层在地面堆积1个月左右有自燃发火现象。

4、水文地质
工作面上部大部分为风积沙所覆盖，赵家弯及王家梁地表冲刷沟通过工作面上方，在工作面上方形成松散含水层。

赵家弯沟及王家梁沟基岩厚度只有66.4m和64.9m。

3202工作面开采后，导水裂隙带能到达第四系松散含水层，当雨季过沟时，应采取相应措施，防止水害发生。

根据地勘公司提供的水文资料，预计工作面最大涌水量为177m3/h，正常涌水量为9—109m3/h。

二、采区巷道布置方式
采用倾斜长壁巷道布置：在井田内沿煤层走向延伸的方向，在1-2号煤层内（标高约为1120m）平行布置两条巷道，即胶带机中巷和回风中巷，在两条巷道两侧布置综采工作面，工作面沿倾斜方向推进，推进长度4620m，工作面巷道布置采用双巷布置、双巷掘进，两巷煤柱宽度为20m，双巷掘进两联络巷间距60m,工作面长度为242m。

三、采煤工艺及设备情况
综采设备为全引进美国JOY公司（附《综采设备技术参数表》）。

采煤机割煤方式为采煤机上滚筒割顶煤，下滚筒割底煤，采煤机双向割煤往返一次割两刀。

入刀方式采用端头斜切式入刀方式，刮板输送机弯曲段长度为18.0m，采煤机全长15.65m，端头缺口长度为49.3m，正常割煤长度为192.0m ，工作面支架的支护方式采用及时支护。

为保证煤质和有利于工作面顶板管理，留顶
煤300—400mm，留底煤100—150mm，采高3.5—4.8 m，截深0.85m，循环产量1194t。

工作面工作制度为“三、八制”作业，作业方式采用“两采一准”，即两班生产、一班检修。

工作面在籍人数为50人，回采工效为348t/工。

四、掘进工艺
综采工作面巷道、联络巷、开切眼、回撤通道采用成套全引进连续采煤机设备（附《连采设备技术参数表》），5000m长的工作面巷道采用双巷全风压通风，连续掘进，局扇送风最长距离为1200m，最高班进尺为73m/班，最高日进尺为130m/d，最高月进尺为2960 m/月。

第三章采区巷道布置类型分析
矿区开采煤层为近水平煤层，其采区巷道布置类型有：走向长壁巷道布置方式和倾斜长壁巷道布置方式。

第一节走向长壁巷道布置
一、上（下）上盘区巷道布置
在盘区内布置上（下）山，通过联络巷道将水平大巷和区段巷道连接，建立各生产系统，以形成完整的盘区巷道布置系统，依据盘区内煤层层数、层间距及厚度和含沼气程度的不同，可设置两条或两条以上的上（下）山，其上（下）山可布置在煤层中也可布置在岩石中。

二、石门盘区巷道布置
自水平大巷开掘盘区石门作为盘区主要运输巷道，为了便于各煤层通风、运料，在各煤层或岩石内布置轨道上（下）山和回风上（下）山，在盘区石门内布置进风、行人斜巷，以便行人通风，石门盘区的区段平巷、层间联系与上（下）山盘区基本相同。

石门盘区巷道布置与上（下）山盘区巷道布置比较具有以下优点：
1、工作面采出的煤经溜煤眼至盘区石门，由电机车运出盘区，取消了煤的上（下）运输，减少了运输环节，提高了盘区的生产能力。

2、溜煤眼相当与一个大煤仓，对运输起调节作用，有利于工
作面连续生产。

3、盘区石门、溜煤眼均布置在岩石内，较布置在煤层内的上（下）山压力小，维护费用低，煤柱损失小。

石门盘区巷道布置的主要缺点是：岩石工程量大，准备时间长，矿井开拓费用高。

第二节倾斜长壁巷道布置
倾斜长壁巷道布置即是在主井和副井开凿至开采水平标高后，布置井底车场，沿煤层走向方向开掘水平运输和回风大巷，而后在水平大巷两侧沿煤层走向划分若干条带，在每个条带中布置一个或两个回采工作面，在工作面两侧掘进工作面运输和回风斜巷。

工作面可沿仰斜或俯斜方向推进。

倾斜长壁开采巷道布置方式具有以下优点：
1、倾斜长壁开采，取消了采区上（下）山，减少了采区车场等巷道和确室。

因此，准备工程量少。

同时，简化了运输、通风系统，减少了运输、设备费用，减少了煤柱损失，提高了矿井资源回采率。

2、倾斜长壁工作面两侧的运输、通风巷道沿煤层倾斜方向直线开掘，回采工作面长度不受煤层倾角影响基本保持不变，有利于充分发挥综合机械化采煤设备的效能，也便于工作面运输巷道内铺设胶带输送机运煤。

3、倾斜长壁工作面的推进方向，既可沿仰斜向上推进，也可沿俯斜向下推进。

当煤层顶板破碎、煤质较硬、或顶板淋水较大
时，宜采用仰斜开采。

当煤层厚度大、煤质松软易片帮、瓦斯含量较大时，宜采用俯斜开采。

4、倾斜长壁采煤法可使相邻两个工作面同时回采，中间设胶带输送机巷，形成“对拉”工作面。

这样可使所需设备减少，生产更加集中，而且两个工作面同时生产，当一侧工作面发生故障时，可留少数人员处理，多数人可转到另一侧工作面生产。

倾斜长壁开采存在的问题，主要是长距离的倾斜巷道使辅助运输和行人比较困难。

其次是目前生产的工作面机械设备，还不能完全适应倾斜长壁工作面生产的要求。

倾斜长壁采煤法的采用受到煤层倾角的限制。

开采厚煤层时，倾角的影响更大。

回采工作面的顶板管理，倾斜巷道的材料和矸石的运输，以及安全问题等，随着煤层倾角的加大都更为复杂和困难。

第三节神东矿区采区巷道布置方式分析从地质条件看，神东矿区煤田属于煤层群开采，矿井地质条件简单，煤层赋存条件优越，主要可采煤层至上而下为三层：1-2、2-2和3-1煤层，1-2煤层（分叉线以东平均厚度1.66m，分叉线以西平均厚度5.03m，且为全采），2-2煤层平均厚度6.75m，3-1煤层平均厚度3.16m。

上覆基岩厚10—180m，1-2煤层与2-2煤层的层间距36m，2-2煤层与3-1煤层的层间距30m。

煤层厚度大、倾角平缓、层位稳定、储量丰富；煤层瓦斯含量低，具有自燃发火倾向；矿井水文地质条件简单、涌水量小；工作面巷道采用锚杆支护，煤层巷道易于维护，维护费用低。

从机械化程度看，矿区矿井机械化、自动化程度高，矿井运输全部实现皮带化，辅助运输采用无轨胶轮车运输，解决了倾斜长壁开采中的运输问题。

由此大大简化了矿井煤炭和辅助运输系统。

采煤工作面综采设备为全引进美国JOY公司，掘进工作面采用成套全引进连续采煤机设备，实现了长距离顺槽掘进，巷道采用全锚杆支护，矩形大断面，运输顺槽断面尺寸为17.28m2（长⨯宽3.6⨯4.8m），回风顺槽断面尺寸为18 m2（长⨯宽3.6⨯5.0m）。

目前，补连塔矿回采工作面长度达到242m和推进长度达到5000m。

矿区机械化水平已达到国际领先水平。

从矿井管理水平看，矿井生产管理集中，基本实现高产高效的“一矿一井一面”的矿井生产模式，采掘工作面的单产单进水平已达到国内外先进水平。

从以上条件分析，得出以下结论：
1、由于煤层倾角平缓、层位稳定。

故此，应尽量采用倾斜长壁巷道布置方式。

2、从主要可采煤层（1-2、2-2和3-1煤层）三层煤的层间距和煤层内的巷道维护条件的角度，结合矿区先进的掘进、运输方式，采区巷道布置应多布置煤层巷道，少开掘岩石巷道，以减少巷道掘进费用。

根据神东矿区的实际条件，为了充分利用先进的采掘设备和优越的煤层赋存条件，采区巷道布置类型易采用不设条带集中斜巷各煤层分别设置胶带运输机巷和回风辅助运输巷的分层布置的倾斜长壁巷道方式。

该巷道布置方式具有矿井生产系统简单，矿。