采区巷道方案设计

采区巷道方案设计

一、采区设计的内容

（一）采区设计说明书

（1）采区位置、境界、开采范围及与邻近采区的关系；可采煤层埋藏的最大垂深，有无小煤窑和采空区积水；与邻近采区有无压茬关系（2）采区所采煤层的走向、倾斜、倾角及其变化规律、煤层厚度、层数、层间距离、夹矸层厚度及其分布，顶底板的岩石性质及其厚度等赋存情况及煤质。瓦斯涌出情况及其变化规律，瓦斯涌出量及确定依据；煤尘爆炸性，煤层自然发火性及其发火期；地温情况等。水文地质：井上、下水文地质条件；含水层、隔水层特征及发育情况变化规律；矿井突水情况、静止水位和含水层水位变化；断层导水性；现生产区域正常及最大涌水量，邻近采区周围小煤窑涌水和积水情况等。煤层及其顶底板的物理、力学性质等。

（3）确定采区生产能力，计算采区储量（工业储量、可采储量）和高级储量所占的比例，计算采区服务年限并确定同时生产的工作面数目。

（4）确定采区准备方式。区段和工作面划分、开采顺序，采掘工作面安排及其生产系统（包括运煤、运料、通风、供电、排水、压气、充填和灌浆等）的确定。当有几个不同的采区巷道准备方案可供选择时，应该进行技术经济分析比较，择优选用。

（5）选择采煤方法和采掘工作面的机械装备。

（6）进行采区所需机电设备的选型计算，确定所需设备型号及数量，

区信号、通讯与照明等。

（7）洒水、掘进供水、压气和灌浆等管道的选择及其布置。

（8）采区风量的计算与分配。

（9）安全技术及组织措施：对预防水、火、瓦斯、煤尘、穿过较大断

层等地质复杂地区提出原则意见，指导编制采煤与掘进工作面作业

规程编制，并在施工中加以贯彻落实。

（10）计算采区巷道掘进工程量。

（11）编制采区设计的主要技术经济指标：采区走向长度和倾斜长度、区段数目、可采煤层数目及煤层总厚度、煤层倾角、煤的容重、

采煤方法、主采煤层顶板管理方法、采区工业储量和可采储量、

机械化程度、采区生产能力、采区服务年限、采区采出率和掘进

率、巷道总工程量、投产前的工程量。

（二）采区设计图纸

设计图纸一般包括：地质柱状图、采区井上下对照图、煤层

等高线图、储量计算图及剖面图等。其均应进行复制，作为采区设计的

一部分。此外，还须有：

（1）采区巷道布置平面及剖面图（比例：1∶1 000或1：2 000）；（2）采区采掘机械配备平面图（比例：1∶1 000或1∶2 000）；（3）采煤工作面布置图（比例：1∶50或1∶200）；

（4）采区通风系统（最大、最小负压）示意图；

（5）瓦斯抽放系统图（低瓦斯矿井不要）；

（6）采区管线布置图（包括防尘、洒水、灌浆管路布置等）；

（7）采区轨道运输系统图（比例：1∶1 000或1∶2 000）；

（8）采区供电系统图（比例：1∶1 000或1∶2 000）；

（9）避灾路线图；

（10）采区车场图（比例：1∶200或1∶500）；

（11）采区巷道断面图（比例：1∶50或1∶20）；

（12）采区巷道交岔点图（比例：1∶50或1∶100）；

（13）采区硐室布置图（比例：1∶200）。

前9张图属方案设计附图，后4张图是施工图。具体设计时应根据情

况适当增删

二、采区设计的依据、程序和步骤

（一）采区设计的依据

1. 已批准的采区地质报告

2. 批准的采区设计任务书

3. 国家有关煤炭工业技术政策、规程和规范等

（二）采区设计的程序

采区设计通常分为两个阶段进行，即确定采区主要技术特征的采区方案设计和根据批准的方案设计而进行的采区单

位工程施工图设计。

（三）采区设计的步骤

（1）认真学习有关煤矿生产、建设的政策法规，收集有关地质和开采技术资料，掌握上级管理部门对采区设计

的具体规定。

（2）明确设计任务，掌握设计依据。

（3）深入现场，调查研究。

（4）研究方案，编制设计。

（5）审批方案设计。

（6）进行施工图设计。

三、采区设计方法

（一）方案比较法

（二）其他设计方法

1. 统计分析法

2. 标准定额法

3. 数学分析法

4. 经济数学规划法

模块Ⅱ采区巷道方案设计

课题五采区准备方式和参数确定

课题六缓、倾斜煤层采区巷道方案设计

课题七盘、带区巷道布置设计

课题五采区准备方式和参数确定

任务一采煤方法选择

任务二采区准备方式的选择

任务三采区参数的确定

任务一采煤方法选择

一、采煤方法基本概念

二、采煤方法分类

三、采煤方法选择

四、采煤方法发展方向

一、基本概念

1、采场：是指在采区内，用来直接大量开采煤炭资源的场所。

2、采煤工作面：是指在采场内进行采煤的煤层暴露面，又称

煤壁。在实际工作中，采煤工作面就是指采煤作业场地，

与采场是同义语。

3、采煤工作：是指在采场内，为了开采煤炭资源所进行的一

系列工作。

4、采煤工艺：是指在一定时间内，按照一定的顺序完成采煤

工作各项工序的过程。

5、采煤系统：是指采区内的巷道系统以及为了正常生产而

建立的采区内用于运输、通风、等目的的生产系统。

6、采煤方法：是指采煤系统与采煤工艺的综合及其在时间、

空间上的相互配合。不同采煤工艺与采区内相关巷道布置的组合，构成了不同的采煤方法。

二、采煤方法的分类

（一）壁式体系采煤法

在采煤工作面的两端各至少布置一条巷道，构成完整的生产系统。采煤工作面长度较长，一般在80—250m。

采煤工作面可分别采用把爆破、滚筒式采煤机或刨煤机破煤和装煤，用与工作面煤壁平行铺设的可弯曲刮板输送机运煤，用自移式液压支架或单体液压支柱与铰接顶梁组成的单体支架支护工作面空间，用全部跨落法或充填法处理采空区。

随着采煤工作面前进，顶板暴露面积增大，矿山压力显现较为强烈。

1、按煤层倾角分

①近水平煤层采煤法

②缓倾斜煤层采煤法

③倾斜煤层采煤法

④急倾斜煤层采煤法

根据开采技术特点，煤层按倾角分为：

近水平煤层<8°～100

缓倾斜煤层8°（100）~ 25°

倾斜煤层25°~ 45°

急倾斜煤层> 45°

2、按煤层厚度分

①薄及中厚煤层采煤法

②厚煤层采煤法：整层开采（放顶煤），分层开采（倾斜、水平、斜切分层）

根据开采技术特点，煤层按厚度分为：

薄煤层最小可采厚度<1.3m

中厚煤层 1.3m~ 3.5m

厚煤层>3.5m

3、按采煤工艺方式分

①爆破采煤法

②普通机械化采煤法

③综合机械化采煤法

4、按采空区处理方法分

①垮落采煤法

②刀柱（煤柱支撑）法

③充填采煤法

5、按采煤工作面推进方向分

①走向长壁采煤法

②倾斜长壁采煤法（俯斜，仰斜）

（二）柱式体系采煤法

①房式采煤法

②房柱式采煤法

特点：

煤房比较窄5---7m

采掘合一

煤柱支撑顶板

三、采煤方法的选择

（一）选择采煤方法的原则

根据煤层赋存条件、矿井开采技术水平等因素，选用技术选进、经济合理、安全生产条件好、资源回收率高的采煤方法。

选择采煤方法必需满足安全、经济、煤炭采出率高的基本原则，努力实现高产高效安全生产。选择采煤方法应当遵循的

三个基本原则，是密切联系又相互制约的，在选择时应当综合

考虑。

（二）影响采煤方法选择的因素

1、地质因素

1）煤层倾角：2）煤层厚度：

3）煤层特征及顶底板稳定性：

4）煤层地质构造：5）煤层含水性：

6）煤层瓦斯含量：7）煤层自然发火倾向：

2、技术发展及装备水平

3、矿井管理水平

4、矿井经济效益

四、采煤方法发展方向

1、改进采煤工艺，因地制宜地发展先进的机械化采煤技术

2、扩大走向长壁采煤法和倾斜长壁采煤法的应用范围

3、缓、倾斜厚煤层推行倾斜分层下行跨落法和放顶煤采法

4、大力推广无煤柱护巷技术

5、急斜煤层开采要进一步探索采煤机械化的发展途径

6、柱式体系采煤法应用范围将不断扩大

7.、采煤方法是一个发展着的系统工程

任务二采区准备方式的选择

相关知识

一、采区准备方式的分类

二、选择采区准备方式应遵循的原则

三、准备方式的发展方向

一、准备方式的分类

采区（或盘区）的准备巷道布置方式称为采区（或盘区）准备方式。采（盘）区准备方式的种类

很多，按照采区（或盘区）开采方式、上（下）山

位置和煤层间的联系方式，对采区（或盘区）准备

方式作如下分类。

（一）按开采方式分为上（下）山采（盘）区准备

在煤层倾角小于160的情况下，可利用水平大巷分别开采

上山采区和下山采区。上山采区是指位于开采水平标高以上的

采区。下山采区是指位于开采水平标高以下的采区，。

在煤层倾角大于160时，下山采区在采煤、掘进、运输、

通风、排水等方面就有一定的困难。因此，一个开采水平往往

只开采上山采区。

（二）按上、下山的布置位置分单、双翼和跨多上、下山采区

1、双翼采区

特点：采区上（下）山布置在采区走向的中央，采区上（下）山的两翼分别布置采煤工作面进行开采。与单翼采区相比较，双翼采区相对减少了采区上（下）山、车场、硐室等巷道的掘进工程量，减少了采区运输等设备数量，采区生产能力大，生产比较集中。

2、单翼采区

特点：将采区上（下）山布置在采区一侧的边界，形成单翼开采。上（下）山布置在采区靠近井田边界一侧的，为前上（下）山单翼采区；上（下）山布置在采区靠近井筒一侧的，为后上（下）山单翼采区。前上（下）山开采时，煤炭运输有折返现象，增加了运输工作量，但采区商（下）山是在未采动的煤体中，上（下）山维护条件好。

3、跨多上（下）山采区

特点：沿煤层走向每隔一段距离（一台带式输送机长度），在煤层底板岩层中布置一组上（下）山，采煤工作面跨几组上（下）山连续推进，相当于由多个单翼采区组成的大采区的准备方式，减少了工作面搬迁次数。一般应用于地质构造简单的综采或综放工艺条件。

三、按煤层群开采时的联系方式，分为单层和联合准备

二、选择准备方式应遵循的原则

（1）有利于合理集中生产，保证采（盘）区有合理的生产能

力和增产潜力；

（2）安全生产条件好，符合《煤矿安全规程》的有关规定；

（3）保证有完整的生产系统，有利于充分发挥机电设备的效

能，为采用新技术、发展综合机械化和自动化创造条件（4）力求技术先进、经济合理，尽量简化巷道系统，减少巷

道掘进和维护工作量，减少设备占用率和生产成本费

用，便于采（盘）区和工作面的正常接替；

（5）煤炭损失少，有利于提高资源采出率。

三、准备方式的发展方向

1. 准备方式多样化

2. 采区大型化

3. 单层化和全煤巷化

知识链接

采煤工作面矿山压力基本规律

一、矿山压力基本概念

（一）矿山压力的概念

由于井下采掘工作破坏了岩体中原岩应力平衡状态，引起应力重新分

布，我们把存在于采掘空间周围岩体内和作用在支护物上的力称为矿山压

力。

（二）矿山压力的来源

采动前，原始岩体中已经存在的应力是矿山压力产生的根源。井下深部原岩处于复杂的受力状态。承受着上覆岩层重量引起的自重应力，地质构造引起的构造应力，遇水膨胀和温度变化引起的应力等1、自重应力

第一种假说：把岩石视为均质各向同性的弹性体

σ1=γH σ2=σ3=λσ1

λ＝μ /(1-μ ) ? max＝(σ1-σ2)/2

式中μ—单元体岩层的泊松比；

λ—侧压系数。

第二种假说：随着开采深度的增加或由于岩性等

方面原因，使得μ=0.5时，即

σ1= σ2=σ3= λH

形成所谓的静水压力状态，即岩体深部的原岩垂直应力与其上覆岩层重量成正比，侧向应力大致与垂直应力相等。

2、构造应力

构造应力具有以下特点：

（1）一般情况下地壳运动以水平运动为主，因此构造应力以水平应力为主；而且以水平压应力为主。

（2）在构造应力场中，主应力的大小和方向可能有很大的变化；两个方向的水平应力值（σ2=σ3）通常不相等。

（3）测定表明，水平应力大于垂直应力，即

σHmax ＞σHmin ＞σV

（4）构造应力在坚硬岩层中出现一般比较普遍。软岩强度低，易变形，其中储存的变形能随之释放；硬岩则相反。

（三）矿山压力显现

1、矿山压力显现

在矿山压力作用下，围岩和支架所表现出来的力学宏观

现象，称为矿山压力显现。

矿压显现的形式主要有：工作面顶板下沉、支架变与形

折损、顶板破碎或大面积冒落、煤壁片帮、支柱插入底板、

底板鼓起膨胀等。

2、矿山压力控制

把所有人为的调节、改变和利用矿山压力的各种技术措施。（矿山压力的显现会给井下采掘工作造成不同程度的危害，为了维护采掘空间，就必须采取各种技术和措施加以控制。其中包括对采掘空间的支护、对软弱岩体的加固、强制放顶等，也包括合理利用矿山压力为

采煤工作服务。）

二、采煤工作面围岩移动特征

采煤工作面上方的岩层称顶板，下方的岩层称底板。根据顶板岩层和煤层的相对位置、及其垮落的难易程度，把采煤工作面顶板分为伪顶、直接顶和基本顶。

（一）直接顶的初次跨落

采煤工作面自开切眼推进一段距离后，直接顶悬露达到一定跨度，就要对采空区顶板进行初次放顶，使直接顶跨落下来，这一过程称作直接顶的初次跨落。直接顶初次跨落的跨距称为初次跨落步距。初次跨落步距的大小取决于直接顶岩层的强度、分层厚度和直接顶内节理裂隙的发育程度等，一般为6～12m。由于岩层破碎后体积将产生碎胀，直接顶跨落后堆积高度要大于原来的厚度。

若跨落岩层原来的体积为V，破碎后的体积位V` ，则两者之比值称为碎胀系数，以KP表示，即

KP =V`/V

岩石随胀后，在其上部岩层压力作用下，逐渐压实，使碎胀系数变小，岩块压实后的体积与破碎前原始体积之比称为残余碎胀系数以KP`表示。

若直接顶岩层的总厚度为∑h，则它冒落后堆积的高度为Kp∑h。它与基本顶之间可能留下的空隙△：

△= ∑h+m－Kp∑h=m－∑h(Kp －1)

当m= ∑h(Kp －1)时，则△=0，即冒落得直接顶充满采空区。

若不计基本顶下沉，形成充满采空区所需直接顶的厚度为：

∑h=m/(Kp －1)

减小直接顶跨落后岩堆与基本顶之间的空隙△，有利于控制基本顶的活动。

（二）基本顶的初次跨落

1、基本顶初次跨落前的岩层结构

若△＞0时，随直接顶初次跨落，采煤工作面不断推进，基本顶在一定范围内呈悬露状态，此时可将基本顶视为一边由采煤工作面煤壁支撑，另外三边由煤柱支撑的一个“板”的结构。但是由于基本顶在采煤工作面方向上的长度远大于沿工作面推进方向的跨距，因此、可将基本顶视为一端由采煤工作面煤壁支撑，另一端由煤柱支撑的两端固定的梁的结构。

（2）基本顶初次来压

基本顶由开始破坏直至跨落一般要持续一定时间，上方有时在基本顶跨落前的二三天，即出现顶板断裂的声响等来压预兆。在跨落前的12h采空区上方可能有隆隆巨响，通常煤壁片帮严重，顶板产生裂缝或掉渣，顶板下沉量和下沉速度明显增加，支架载荷迅速增高，这种现象称为基本顶的初次来压。基本顶初次来压时，其最大悬露跨度L初称为基本顶初次跨落步距。其值得大小取决于基本顶的强度、厚度、岩性等因素。

（三）基本顶的周期来压

1、基本顶周期来压前状态

基本顶初次跨落后，随着采煤工作面继续推进，工作面上方的基本顶岩层由两端固定梁状态转变为悬臂梁状态。此时上覆岩层的重量将由基本顶的悬臂直接传递给煤壁，部分上覆岩层及已跨断的基本顶重量，将直接作用在已跨落得矸石上，采煤工作面空间处于基本顶悬臂的保护之下。

2、基本顶周期来压及矿压显现特征

（1）基本顶周期来压

当采煤工作面继续推进，基本顶悬臂跨度达到极限跨度时，基本顶在其自重及上覆岩层载荷的作用下，将沿工作面煤壁甚至煤壁之内发生折断和跨落。随着采煤工作面的推进，基本顶这种“稳定—失稳—再稳定”现象，将周而复始的出现，使采煤工作面矿山压力周期性明显增大。这种基本顶的周期性破断失稳对工作面产生的周期性的来压显现，称为基本顶的周期来压。

（2）矿压显现特征

基本顶周期来压的主要表现形式：顶板下沉速度急剧增大，顶板下沉量变大，支柱所受载荷普遍增加，有时还可能引起煤壁片帮、支柱折损、顶板发生台阶下沉等现象。

基本顶两次周期来压的间隔时间称为来压周期。在来压周期内采煤工作面推进的距离称为周期来压步距，用L周表示。

（四）工作面上覆岩层移动规律

在长壁开采全部跨落法管理顶板的采煤工作面，随着工作面不断推进，上覆岩层发生位移或破坏，岩层移动概貌如下图。

根据岩层移动特征，可将煤层的上覆岩层分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。

1、冒落带；当采煤工作面移架或回柱放顶后，冒落带岩层自下而上依次跨落。一般在冒落带下部因岩块跨落时自由度比较大，排列极不整齐；而上部岩块由于自由度比较小，块度较大，排列较规则。多数情况下，冒落带是由直接顶跨落后形成的。

冒落带的高度∑h，可由公式∑h=hm/(Kp-1)来估算，当

Kp=1.5时，则∑h=2hm，即冒落带高度为采高的2倍。一般

认为开采后冒落带的高度为采高的2～4倍。

2、裂隙带

裂隙带位于冒落带之上，随冒落带岩石的跨落和逐渐压实，裂隙带岩层出现弯曲下沉，离层和断裂为排列整齐的岩块。裂隙带的范围，随冒落带上覆岩层的性质、开采高度变化而变化。

3、弯曲下沉带

裂隙带上方直至地表的岩层为弯曲下沉带，这部分岩层不产生裂缝或仅产生极微小的裂缝，并在采空区上方的地表形成一个比开采范围大的沉降区。

三、采煤工作面四周支承压力显现规律

（一）采煤工作面四周支承压力显现规律

采煤工作面四周支承压力是指采煤工作面前后方、两侧煤柱或采空区大于原岩应力的矿山压力。支承压力的显现特征可用支承压力分布范围、峰值的位置及应力集中系数表示。支承压力分布范围是指

沿指定截面（通常是指沿垂直或平行于煤壁的截面）支承压力连续分布的长度；支承压力峰值的位置是指支承压力的最大值所在的位置范围；应力集中系数是指支承压力峰值与原岩应力的比值大小。

1、采煤工作面前后方支承压力分布

由于煤壁处为自由面，抗压强度小，煤壁附近煤层产生压缩变形，支承压力峰值KγH随工作面推进向煤壁深处转移。

侧向应力从煤壁自由面向煤壁深处逐渐增加，煤体由单向受力状态逐步过渡到三向受力状态，其抗压强度逐渐增加。当工作面不推进时，垂直应力的峰值KγH便较稳定地处于煤壁深处，侧向应力也将增至KγH后逐渐稳定。

采煤工作面前后方支承压力分布

由于煤壁处为自由面，抗压强度小，煤壁附近煤层产生压缩变形，支承压力峰值KγH随工作面推进向煤壁深处转移。

采煤工作面前后方支承压力分布特点

（1）采煤工作面前方煤壁一端支承着工作面上方裂隙带及其上覆岩层的大部分重量，即工作面前方支承压力远比工作面后方大。（2）由于采煤工作面的推进，煤壁和采空区冒落带是向前移动的，因此工作前后方支承压力是移动支承压力。

（3）由于裂缝带形成了以煤壁和采空区冒落带为前后支承点的半拱式平衡，所以采煤工作面处于应力降低区。

2、采煤工作面两侧支承压力分布

采煤工作面两侧的支承压力是指工作面两侧煤柱或煤体上的

支承压力。对采煤工作面两侧支承压力分布规律的掌握，为采煤工作面区段平巷护巷煤柱尺寸的确定、沿空留巷和沿空送巷位置及时间的选择具有指导意义。

随着采煤工作面推进，除工作面前后方产生支承压力外，工作面两侧的煤柱或煤体也将出现支承压力区。在采动影响范围内，工作面两侧支承压力的显现比较明显。在工作面前方采动影响范围之外和采空区顶板岩层冒落带稳定之后趋于固定值，因此也称为“固定支承压力”。

采煤工作面两侧支承压力研究结论

（1）采煤工作面两侧的支承压力剧烈影响区并不在煤体边缘，而是位于煤体边缘有一定距离的地带。长期以来采用8～25m煤柱护巷，使巷道恰好处于支承压力的高峰区内，这是使用煤柱护巷仍难以维护的根本原因。

（2）采煤工作面两侧煤体边缘处于应力降低区，支承压力低于原岩应力。而且工作面推过一定时间后仍能长期保持稳定，如果把巷道布置在这个应力降低区内，可以使巷道容易维护，这是目前广泛推广无煤柱护巷的理论依据。

（3）采煤工作面两侧支承压力从形成到向煤体深部转移要经过一段时间过程，所以要使沿空掘巷保持稳定，必须从时间上避开未稳定

的支承压力作用期，应使沿空掘巷相对于上区段采煤工作面由一个合理的滞时间。（一般在3个月到1年）

（二）支承压力在底板中的传递

采煤工作面采动后，在工作面四周形成的支承压力将向

煤层底板进行传递，尤其采煤工作面两侧支承压力的传递，

对下部煤层开采巷道布置产生重要影响。

若煤柱上方为均布载荷，底板为处于弹性变形阶段的均质岩层，可将承受压力的煤柱视为压模，把支承传递给底板。在垂直方向与煤柱不同距离的水平截面上的压应力，将按下图分布。从图中可知：底板内各点的应力大小与施力点的距离成反比，随底板岩层与煤之间的垂直距离增加迅速降低，应力以中心为最大。向煤柱外侧呈一定角度扩展，在边缘处迅速减小。

如果把底板中垂直应力相同的各点连成曲线，即构成“等压线”，如图

所示。曲线4、5以内的底板岩层为增压区，距煤柱越近，压力越大；曲

线4、5以外的底板岩层为不受煤柱上方支承压力影响区域；曲线6以内是低于原岩应力的降压区。

底板岩层内压应力的大小与煤柱上方的支承压力成正比，

即与煤层的厚度、倾角、埋藏深度、顶板岩性、煤层的采动

情况和煤柱的宽度密切相关。若煤柱两侧都以采动，形成支

承压力叠加，则在煤柱上引起的支承压力要大于单侧采动时，

其在底板中传递的深度和应力大小也将比单侧采动时大。随

煤柱尺寸宽度减小，支承压力在底板中的传递深度和应力都