段文超

(山西晉城煤業(yè)集團 勘察設(shè)計院有限公司， 山西 晉城 048006)

隨著成莊礦3#煤層優(yōu)質(zhì)資源的不斷減少，開采下組煤將成為必然趨勢。然而，在3#煤層與下組煤配采過程中，面臨諸多技術(shù)問題，如配采比例的選取、下組煤的開采順序、開拓方式、盤區(qū)劃分、大巷布置等。因此，為保證成莊礦下組煤的合理配采，對配采工程進行優(yōu)化設(shè)計研究。

1 工程概況

成莊礦井田面積約74.334 km2，采用斜井開拓方式，工業(yè)場地位于井田東界，現(xiàn)采煤層為3#煤層，生產(chǎn)能力8.30 Mt/a. 礦井可采煤層主要有3#煤層和下組9#、15#煤層，其中，3#煤層平均厚度6.1 m，平均硫分0.38%(特低硫煤)，為優(yōu)質(zhì)資源；9#煤層平均厚度1.05 m，平均硫分3.57%(高硫煤)；15#煤層平均厚度3.72 m，平均硫分2.82%(中硫煤)。

目前，井田東區(qū)3#煤層回采基本結(jié)束，截止2013年底，3#煤層剩余服務(wù)年限約為28.1年，而下組9#、15#煤層均未開采。為實現(xiàn)優(yōu)劣資源的充分利用，需要進行厚薄煤層、高低硫煤層的合理搭配，實現(xiàn)3#煤層與下組9#、15#煤層的科學(xué)配采，提高煤炭資源利用率和礦井綜合經(jīng)濟效益。

2 配采工程的可行性與必要性

2.1 配采可行性

礦井3#煤層共劃分為東、西兩大區(qū)域，5個盤區(qū)。其中，一盤區(qū)、二盤區(qū)、三盤區(qū)以及四盤區(qū)(東)位于井田東區(qū)，目前回采已基本結(jié)束，接替盤區(qū)為四盤區(qū)(西)和五盤區(qū)，位于井田西區(qū)。當(dāng)?shù)V井開采下組9#、15#煤層時，可在充分利用東區(qū)既有的閑置井筒、井上下生產(chǎn)設(shè)施的基礎(chǔ)上，延深東區(qū)范圍內(nèi)的下組煤，與西區(qū)開采的3#煤層進行配采，形成分層、分區(qū)、獨立的生產(chǎn)系統(tǒng)。同時，隨著成莊礦外部交通運輸、供電、水源等條件的建成，實現(xiàn)3#煤層與下組煤的科學(xué)配采是完全可行的。

2.2 配采必要性

1) 實行厚薄煤層、高低硫煤層的科學(xué)配采，可提高煤炭資源利用率和礦井綜合經(jīng)濟效益。

2) 延長3#煤層的服務(wù)年限，實現(xiàn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展，拉動礦區(qū)周邊經(jīng)濟繁榮。

3) 礦井3#、9#、15#煤層均為無煙煤，屬于稀缺資源，在市場上具有明顯競爭優(yōu)勢，供不應(yīng)求。

4) 已經(jīng)具備了配采3#煤層和下組煤的條件，技術(shù)上可行，安全上可靠。

綜上所述，實行配采工程是十分必要的。

3 配采比例的選取

對于配采工程來說，科學(xué)合理的配采比例至關(guān)重要。該次配采設(shè)計結(jié)合了3#煤層和下組9#、15#煤層的參數(shù)指標(biāo)，根據(jù)配比原則，建立不同的優(yōu)化模型，得出了合適的配采比例。由于成莊礦屬于高瓦斯礦井，根據(jù)國家對于高瓦斯礦井的相關(guān)規(guī)定，生產(chǎn)能力上限為8.00 Mt/a，因此，該次配采設(shè)計按照8.00 Mt/a考慮。配采煤層主要參數(shù)指標(biāo)分析表見表1.

表1 配采煤層主要參數(shù)指標(biāo)分析表

1) 配采比需滿足產(chǎn)品硫分、發(fā)熱量要求。

采用線性規(guī)劃理論，通過解析三元一次方程選取最優(yōu)配采比例[1]. 根據(jù)集團公司要求，配采后的原煤硫分應(yīng)控制在1%左右，發(fā)熱量不小于29.36 MJ/kg.

目標(biāo)函數(shù)：MinZ=X1

式中:

Xi—第i個煤層原煤產(chǎn)量，萬t，i=1為3#煤層，i=2為9#煤層，i=3為15#煤層；

Q—礦井設(shè)計年產(chǎn)量，萬t；

Smax—滿足集團公司硫分最大要求，為1%左右；

Jmin—滿足集團公司發(fā)熱量的最低要求，MJ/kg，取29.36.

根據(jù)成莊礦的配采要求，目標(biāo)函數(shù)3#煤層的產(chǎn)量為MinZ=X1；

約束條件：

年產(chǎn)量約束：X1+X2+X3=Q=800

硫分約束：

發(fā)熱量約束：

通過計算，當(dāng)不等式選取等號時，計算得X1=596.1，X2=37.9，X3=166. 經(jīng)過優(yōu)化取整后，確定3#煤層產(chǎn)量6.00 Mt/a，9#煤層產(chǎn)量0.50 Mt/a，15#煤層產(chǎn)量1.50 Mt/a，此配比可滿足上述約束條件。

2) 配采煤層的產(chǎn)量配比應(yīng)接近配采煤層的儲量比。

在滿足配采產(chǎn)品煤質(zhì)的情況下，應(yīng)增加下組煤的配采產(chǎn)量，繼而減少3#煤出煤量，以延長3#煤層的服務(wù)年限，因此，正常情況下下組煤的配采比率應(yīng)接近其儲量比率[2].

由表1中的設(shè)計可采儲量計算，下組煤的儲量比率：

通過比較，發(fā)現(xiàn)K1≈K2，目前的配采比例可滿足要求。后期隨著下組煤運行系統(tǒng)的穩(wěn)定，可適當(dāng)提高下組煤產(chǎn)量，延長3#煤層的服務(wù)年限。配采煤層產(chǎn)量表見表2.

表2 配采煤層產(chǎn)量表

4 配采優(yōu)化設(shè)計方案

成莊礦下組煤配采工程，在充分利用礦井東區(qū)既有生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用“暗斜(立)井”方式延深下組煤，形成分層、分區(qū)、獨立的生產(chǎn)系統(tǒng)[3]. 該次配采優(yōu)化設(shè)計主要針對以下幾個問題展開探討，經(jīng)過研究，形成了如下結(jié)論：

1) 下組煤開采范圍的重新劃分。

下組煤層在開采過程中主要受底板奧灰?guī)r溶含水層突水的危險，通過分析西安研究院編制的成莊礦東區(qū)下組煤開采峰峰組隔水性研究報告，峰峰組頂部相對隔水層段厚度取最小值35 m，開采下組煤時奧灰水突水系數(shù)均小于0.06，理論上是可行的。但從安全角度出發(fā)，考慮到奧灰突水的發(fā)生受多種因素的影響，若不采取任何安全措施盲目對帶壓區(qū)域進行回采，極易引起突水事故。因此，配采設(shè)計中，依據(jù)《成莊礦東區(qū)下組煤開采峰峰組隔水性研究報告》，把奧灰承壓水帶壓線做為界線，將下組9#、15#煤層劃分為東、西兩區(qū)，其中下組9#煤東區(qū)和下組15#煤東區(qū)為配采設(shè)計范圍，9#煤層?xùn)|區(qū)配采面積34.15 km2，15#煤層?xùn)|區(qū)配采面積28.25 km2，該范圍均為奧灰水不帶壓區(qū)域，有安全保障。9#、15#煤層?xùn)|、西區(qū)井田分界示意圖見圖1，圖2.

圖1 9#煤層?xùn)|、西區(qū)井田分界示意圖

圖2 15#煤層?xùn)|、西區(qū)井田分界示意圖

2) 下組煤開采順序以及盤區(qū)劃分、接替優(yōu)化設(shè)計。

a) 開拓方式及大巷布置。

配采設(shè)計中，在充分利用東區(qū)既有井筒以及3#煤層部分生產(chǎn)設(shè)施的基礎(chǔ)上，采用暗斜(立)井開拓延深方式，聯(lián)合開采下組9#、15#煤層，主水平及主要大巷設(shè)置在15#煤層中，在9#煤層中設(shè)置輔助水平。

15#煤盤區(qū)大巷采用5巷布置(3進2回)，大巷間距30 m，沿15#煤層頂板布置，為全煤巷道，分別為15#輔運一巷、15#膠帶巷、15#回風(fēng)一巷、15#回風(fēng)二巷和15#輔運二巷。為實現(xiàn)9#煤層聯(lián)合開采，沿9#煤層布置“1進、1回”兩條大巷，分別為9#煤層輔運巷和9#煤層回風(fēng)巷，在適當(dāng)位置補充溜煤眼、進風(fēng)立眼、回風(fēng)立眼，與15#煤膠帶大巷、輔運大巷、回風(fēng)大巷貫通，形成9#煤生產(chǎn)系統(tǒng)。

b) 下組煤開采順序。

根據(jù)成莊礦地質(zhì)資料，3#煤層平均厚度6.10 m，9#煤層平均厚度1.05 m，15#煤層平均厚度3.72 m，3#煤層與9#煤層間距平均為48.02 m，9#煤層與15#煤層間距平均為34.25 m.針對上述條件，提出兩種開采方案：上行開采順序、下行開采順序。

配采設(shè)計采用最小層間距判別法對開采方案進行驗證，主要原理為采用上行開采順序，當(dāng)先開采下部煤層時，為使得上部煤層不致破壞，至少需要留有Hmin的安全間距：

Hmin=KMcosα

式中：

Hmin—允許開采的最小層間距，m；

K—頂板管理系數(shù)，冒落法取10，充填法取6；

α—煤層傾角，(°).

當(dāng)先開采下組15#煤層時，H15-9=KMcosα=10×3.72×cos0=37.2 m. 為使9#煤層不被破壞至少需要留有37.2 m凈間距，而9#煤層與15#煤層平均間距為34.25 m，不能滿足要求，同時通過計算9#煤層處于15#煤層上部裂隙帶內(nèi)部，當(dāng)下組15#煤層開采時，會對上部9#煤層造成一定程度的破壞，因此采取上行開采順序是不行的。鑒于此，配采設(shè)計采用下行開采順序，即先采9#煤層，后開采15#煤層。

c) 盤區(qū)劃分和盤區(qū)接替方案。

井田東區(qū)下組9#煤、15#煤共劃分為兩層煤四大盤區(qū)，以主運石門和3#煤二盤區(qū)大巷煤柱為界，以北為北翼九一盤區(qū)和十五一盤區(qū)，以南為九二盤區(qū)和十五二盤區(qū)。

下組9#、15#煤層形成“分層、分區(qū)、聯(lián)合布置”的獨立系統(tǒng)，根據(jù)礦井盤區(qū)劃分和建設(shè)安排，先采9#煤層，后開采下部的15#煤層。9#煤層先投產(chǎn)北翼九一盤區(qū)，接替盤區(qū)為南翼九二盤區(qū)；15#煤層先期投產(chǎn)北翼十五一盤區(qū)，接替盤區(qū)為南翼十五二盤區(qū)，保證南、北翼開采不同煤層。同時，除初期投產(chǎn)九一盤區(qū)外，其余均能實現(xiàn)9#、15#煤層同時開采，保證下組9#、15#煤層2.0 Mt/a的設(shè)計生產(chǎn)能力，實現(xiàn)工作面正常的抽掘采銜接。

3) 工作面順槽布置方式優(yōu)化設(shè)計。

隨著下組煤開采深度的加大，煤層中的瓦斯含量也隨之增加，在提高瓦斯抽采力度的同時，工作面采用“2進2回、大U套小U”的4巷通風(fēng)方式(分別為膠帶進風(fēng)順槽、輔助進風(fēng)順槽、輔運回風(fēng)順槽、輔助回風(fēng)順槽)，可解決工作面上隅角的瓦斯積聚現(xiàn)象[4]，提高工作面的抗災(zāi)能力，改善工作面作業(yè)環(huán)境，且該種布置方式已經(jīng)在晉城礦區(qū)成功使用。雙U型通風(fēng)示意圖見圖3.

圖3 回采工作面雙U型通風(fēng)方式示意圖

5 結(jié) 語

通過對3#煤層與下組煤層配采優(yōu)化設(shè)計，形成了如下結(jié)論：

1) 通過建立模型，采用線性回歸原理，得出3#煤層與下組9#、15#煤層的配采比例為12∶1∶3，即3#煤層產(chǎn)量為6.00 Mt/a，下組9#煤層產(chǎn)量定為0.50 Mt/a，下組15#煤層產(chǎn)量為1.50 Mt/a，可滿足配采煤層產(chǎn)品要求，同時可最大限度延長優(yōu)質(zhì)3#煤層服務(wù)年限。

2) 該次配采設(shè)計，采用暗斜(立)井開拓延深方式，聯(lián)合開采下組9#、15#煤層，采用下行開采順序，主水平及主要大巷設(shè)置在15#煤層中，在9#煤層中設(shè)置輔助水平，形成了“分層、分區(qū)、獨立系統(tǒng)”的配采模式。