高林君

(國(guó)家能源集團(tuán)三道溝煤礦，陜西 榆林 719407)

0 引言

煤炭一直在我國(guó)經(jīng)濟(jì)中占據(jù)著重要地位，近幾年隨著煤炭落后產(chǎn)能的退出，煤炭?jī)r(jià)格不斷上升，煤炭資源的回收及開(kāi)采直接影響礦井的經(jīng)濟(jì)效益。合理的盤(pán)區(qū)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)集約化生產(chǎn)成為一個(gè)礦井最大限度提高經(jīng)濟(jì)效益必不可少的基礎(chǔ)條件[1-3]。三道溝煤礦在原八盤(pán)區(qū)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行認(rèn)真研究，反復(fù)論證，對(duì)盤(pán)區(qū)工作面設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化，從而降低了巷道掘進(jìn)率，減少設(shè)備投入免除不必要的礦務(wù)工程。設(shè)計(jì)方案最大程度減少壓煤，科學(xué)、合理布置提高資源利用率，設(shè)計(jì)方案要充分利用現(xiàn)有井下開(kāi)采系統(tǒng)，盡量減少投資，控制成本，把八盤(pán)區(qū)建設(shè)成投資小，工期短，安全可靠、高產(chǎn)、高效的盤(pán)區(qū)。

1 工程背景

1.1 礦井概況

礦井位置及儲(chǔ)量：三道溝煤礦位于陜西省榆林市府谷縣西北部，東距縣城約45 km，西距新街約60 km，南距榆林約180 km，北距東勝約180 km，交通便利。三道溝煤礦是陜西神府礦區(qū)新民開(kāi)采區(qū)總體規(guī)劃的9個(gè)大中型礦井之一，屬?lài)?guó)家規(guī)劃的陜北能源化工基地重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，井田面積約176.134 6 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量15.42億t，工業(yè)儲(chǔ)量14億t，可采儲(chǔ)量9.27億t，煤炭資源豐富，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力500萬(wàn)t/年。礦井主采5-2上、5-2煤層，為特低灰、特低硫、特低-低磷、中高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)工業(yè)動(dòng)力用煤，礦井原煤經(jīng)分級(jí)篩選，100 mm以上經(jīng)人工撿矸后供民用或綜合利用，不足100 mm的均破碎至25 mm以下供給配套電廠。

礦井布置：根據(jù)井田資源、地面場(chǎng)地選擇、煤層賦存等綜合條件，礦井采用平硐開(kāi)拓，單水平開(kāi)拓全井田，布置主平硐、副平硐、大路墕回風(fēng)斜井和樸牛圪塔回風(fēng)斜井4個(gè)井筒，在5-2煤層沿主、副平硐布置一組大巷貫穿整個(gè)井田，3條大巷間距50 m，中間一條為膠帶輸送機(jī)大巷、長(zhǎng)度11 214 m，另外2條分別為輔助運(yùn)輸大巷和回風(fēng)大巷，分別長(zhǎng)11 164 m、6 935 m。礦井主運(yùn)輸采用2部帶式輸送機(jī)搭接運(yùn)輸，輔助運(yùn)輸采用無(wú)軌膠輪車(chē)運(yùn)輸，礦井主、輔運(yùn)輸系統(tǒng)簡(jiǎn)單。

1.2 煤層及盤(pán)區(qū)概況

煤層概況：5-2煤層為礦井主要可采煤層，普遍含夾矸1層，個(gè)別地段2層，夾矸厚0.03～0.52 m，巖性以炭質(zhì)泥巖和泥巖為主，細(xì)砂巖少量。煤層的頂板巖性以粉砂質(zhì)泥巖和泥巖為主，少量為粉砂巖、中粒砂巖和炭質(zhì)泥巖；底板主要為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，次為泥巖和炭質(zhì)泥巖，個(gè)別為中粒砂巖。煤層與其頂?shù)装鍨槊黠@接觸，局部頂板為沖刷接觸。煤層層位穩(wěn)定，全區(qū)可采，厚度大，由四周向中部逐漸增厚的變化規(guī)律明顯，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤類(lèi)主要為不粘煤，灰分、硫分穩(wěn)定，屬穩(wěn)定型的中-厚煤層。

盤(pán)區(qū)概況：八盤(pán)區(qū)位于5-2煤(與5-2上煤合層線向西)，為雙翼盤(pán)區(qū)，大巷在盤(pán)區(qū)中部布置，盤(pán)區(qū)走向6.7 km，傾向3.8 km，其中北翼南北向3.2 km，東西向3.8 km，盤(pán)區(qū)地層產(chǎn)狀平緩，傾向南西，傾角平緩，一般小于1°，無(wú)大的斷裂及褶皺發(fā)育，無(wú)巖漿活動(dòng)痕跡，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，盤(pán)區(qū)內(nèi)煤層厚度6.03～6.95 m，平均6.51 m，距煤層底板1.6 m處普遍含夾矸一層，局部區(qū)域中上部含一層夾矸，巖性為褐黃色泥巖，厚度0.1～0.22 m，為穩(wěn)定煤層。地表有大石一級(jí)公路從八盤(pán)區(qū)北翼中部東西向穿過(guò)，距開(kāi)采煤層垂距約82～141 m，為府谷縣的主要經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈，大石公路沿線設(shè)有橋梁、涵洞、擋土墻等建筑物，對(duì)開(kāi)采沉陷損害較為敏感，地下開(kāi)采容易引起上覆巖層移動(dòng)和地表沉陷，使公路路面、路基發(fā)生變形甚至破壞[4-6]。為了保證公路的安全使用，在儲(chǔ)量核實(shí)報(bào)告資源壓覆計(jì)算時(shí)，自公路中心線向兩側(cè)各推80 m作為保護(hù)煤柱，壓覆井田內(nèi)資源儲(chǔ)量1 849萬(wàn)t，壓覆資源進(jìn)行備案，按照國(guó)家規(guī)定不得隨意開(kāi)采，受大石公路影響，將八盤(pán)區(qū)北翼再次劃分為南北2部分，導(dǎo)致原設(shè)計(jì)的工作面走向變短，公路北煤炭資源缺少開(kāi)采系統(tǒng)，嚴(yán)重打破了總體生產(chǎn)布局。

1.3 采掘工作面情況

八盤(pán)區(qū)采掘工作面基本情況，工作面采用三巷式布置，分別為工作面膠運(yùn)順槽凈斷面6.0 m×4.0 m、輔助運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽凈斷面6.0 m×4.0 m，巷道均為矩形斷面，采用錨桿加錨索加鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。工作面主要配備有JOY7LS8型采煤機(jī)，ZY18000/32/70D型掩護(hù)式液壓架，SGZ1350/3×1500型刮板送輸機(jī)及配套的SZZ1350/700型轉(zhuǎn)載機(jī)、HB-SK11-18型破碎機(jī)各一套，DSJ160/400/4×500型可伸縮帶式輸送機(jī)1部。工作面膠運(yùn)順槽超前支護(hù)距離為20 m，采用ZC8000/31/50型超前支架配合單體液壓支柱加強(qiáng)支護(hù)；回風(fēng)順槽超前支護(hù)距離為20.3 m，采用ZC16000/31/50型超前支架2組。全區(qū)采用走向長(zhǎng)壁一次采全高綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板。掘進(jìn)工作面采用連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)，工作面主要配備JOY12CM27-11D型連續(xù)采煤機(jī)，JOY10SC32BC梭車(chē)，GPL460/150破碎機(jī)，DSJ1000/100/1×160型可伸縮帶式輸送機(jī)，CMM4-25型四臂錨桿機(jī)，F(xiàn)BD№6.3/2×30局部通風(fēng)機(jī)等設(shè)備，巷道采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。

2 盤(pán)區(qū)優(yōu)化

為減小大石公路壓覆對(duì)礦井生產(chǎn)影響，需要調(diào)整工作面開(kāi)采方案，經(jīng)研究分析對(duì)比提出了2套布置方案，分別為設(shè)計(jì)方案(設(shè)計(jì)院)和優(yōu)化方案。

2.1 盤(pán)區(qū)優(yōu)化原則

大石公路嚴(yán)重打破了三道溝煤礦的整體規(guī)劃，工作面縮短，搬家倒面次數(shù)增加，主輔運(yùn)輸、通風(fēng)距離加長(zhǎng)、掘進(jìn)巷道工程量增加，煤柱留設(shè)增多、煤炭資源浪費(fèi)。因此需對(duì)三道溝煤礦八盤(pán)區(qū)北翼工作面布置方案進(jìn)行優(yōu)化，主要是優(yōu)化盤(pán)區(qū)工作面布置，簡(jiǎn)化通風(fēng)、運(yùn)輸、排水系統(tǒng)，提高各系統(tǒng)的安全和可靠性，降低生產(chǎn)成本，提高礦井效益。減少巷道掘進(jìn)工程量，降低噸煤掘進(jìn)率、節(jié)約生產(chǎn)成本，緩解礦井采掘接續(xù)緊張。通過(guò)精準(zhǔn)留設(shè)保護(hù)煤柱，減少大石公路壓覆造成的資源損失，提高煤炭資源回收率，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

2.2 原八盤(pán)區(qū)北翼設(shè)計(jì)

盤(pán)區(qū)集中巷掘進(jìn)：在八盤(pán)區(qū)邊界以0°方位，掘進(jìn)3條盤(pán)區(qū)集中巷(分別為集中輔運(yùn)巷、集中膠運(yùn)巷、集中回風(fēng)巷)至井田北邊界位置，集中巷分別與5-2煤輔運(yùn)大巷、膠運(yùn)大巷、回風(fēng)大巷相連，交叉處通過(guò)風(fēng)橋連接，需要掘進(jìn)巷道11 480 m。

膠帶機(jī)敷設(shè)：在集中膠運(yùn)巷敷設(shè)一條長(zhǎng)3 200 m的膠帶機(jī)與5-2煤膠運(yùn)大巷垂直搭接，作為主運(yùn)輸系統(tǒng)。

工作面布置：八盤(pán)區(qū)北翼，公路南側(cè)資源采用條帶式開(kāi)采、工作面垂直大巷布置南北走向布置，共計(jì)布置6個(gè)工作面，工作面傾向300.5 m，走向1 742～2 155 m。大石公路北側(cè)資源采用盤(pán)區(qū)集中式布置，工作面垂直與盤(pán)區(qū)集中巷，東西走向布置，共計(jì)布置工作面3個(gè)，其中1個(gè)為刀把工作面，工作面傾向300.5 m、走向1 998 m。受大石公路不規(guī)則彎曲布置影響，形成邊角煤資源約156.6萬(wàn)t，無(wú)法布置長(zhǎng)壁綜采回采，如需要回采只能布置短壁工作面進(jìn)行殘采，以降低資源損失。如圖1所示。

圖1 盤(pán)區(qū)式布置示意

2.3 優(yōu)化后的方案

工作面采用條帶式布置，順槽巷道垂直大巷南北布置，八盤(pán)區(qū)北翼共計(jì)可布置6個(gè)工作面，工作面走向長(zhǎng)度為3 180 m，傾向長(zhǎng)度300 m，工作面推進(jìn)方向由北向南，在經(jīng)過(guò)大石公路保護(hù)煤柱時(shí)開(kāi)掘回撤通道和切眼，利用跳采工藝通過(guò)盤(pán)區(qū)累計(jì)增加搬家倒面2次，需多掘回撤通道及切眼2 400 m。工作面巷道直接與5-2煤輔運(yùn)大巷、5-2煤膠運(yùn)大巷、5-2煤回風(fēng)大巷相連，順槽膠帶輸送機(jī)與大巷皮帶直接搭接，運(yùn)輸、輔助運(yùn)輸、通風(fēng)、供排水系統(tǒng)簡(jiǎn)單、距離短，工作面屬于俯采主運(yùn)輸、排水阻力小，節(jié)能降耗突出。條帶布置如圖2所示。

圖2 條帶布置示意

3 方案對(duì)比與實(shí)際收益

3.1 方案比較

技術(shù)比較：①首先原設(shè)計(jì)方案增加了巷道工程量7 840 m，北側(cè)工作面留設(shè)了2道保安煤柱，損失煤量59萬(wàn)t；北翼共計(jì)可布置9個(gè)工作面需要10次搬家倒面(含1個(gè)縮面)；大石公路北側(cè)工作面各系統(tǒng)距離加長(zhǎng)、不易于安全管理；大石公路曲線段留設(shè)保護(hù)煤柱無(wú)法用長(zhǎng)壁采煤法回收，短壁采煤法資源回收率低，通風(fēng)條件差、安全風(fēng)險(xiǎn)高、投入大[7-11]。②優(yōu)化后設(shè)計(jì)由盤(pán)區(qū)式開(kāi)采改為條帶式，工作面數(shù)量減少至6個(gè)，機(jī)頭硐室、風(fēng)橋減少，去除了盤(pán)區(qū)集中巷的掘進(jìn)，避免了不規(guī)則區(qū)域煤柱損失，提高了資源回收率，簡(jiǎn)化了掘進(jìn)、運(yùn)輸、通風(fēng)、供排水等系統(tǒng)，增加了搬家倒面2次。

回采煤量比較：①原設(shè)計(jì)方案。綜采工作面回采面積474.3萬(wàn)m2，回采煤量4 038萬(wàn)t，短壁工作面面積達(dá)26萬(wàn)m2，儲(chǔ)量239萬(wàn)t，在厚煤層中按資源回收率40%計(jì)算，采出煤量95.7萬(wàn)t，累計(jì)采出煤量4 134.6萬(wàn)t；掘進(jìn)完成全部資源需要掘進(jìn)巷道66 975m，萬(wàn)噸掘進(jìn)率為16.58 m。②優(yōu)化后方案。通過(guò)地表沉陷觀測(cè)和工作面調(diào)斜技術(shù)相結(jié)合，將切眼、回撤通道走向盡可能與大石公路走向平行布置，減少保護(hù)煤柱留設(shè)，使得回采面積達(dá)502.4萬(wàn)m2，回采煤量4 278.3萬(wàn)t，去除了邊角煤區(qū)域，較原設(shè)計(jì)多回收資源143.6萬(wàn)t，圈出全部資源需要完成巷道掘進(jìn)58 374 m，萬(wàn)t掘進(jìn)率為13.64 m。

經(jīng)濟(jì)比較：優(yōu)化后方案較原設(shè)計(jì)多回收資源143.6萬(wàn)t，采出率提高3.4%，按噸煤利潤(rùn)120元計(jì)算，增加凈利潤(rùn)17 240萬(wàn)元；優(yōu)化后減少巷道掘進(jìn)8 601 m，萬(wàn)t掘進(jìn)率降低2.94 m，按每米巷道平均掘進(jìn)成本6 200元計(jì)算，可節(jié)約5 332.6萬(wàn)元；減少機(jī)頭硐室掘進(jìn)及膠帶安裝4次，每次費(fèi)用約580萬(wàn)元，可節(jié)約2 320萬(wàn)元；減少新購(gòu)置膠帶機(jī)1部，節(jié)約費(fèi)用1 500萬(wàn)元，減少工作面回風(fēng)順槽和盤(pán)區(qū)集中回風(fēng)巷風(fēng)橋4組，每組費(fèi)用120萬(wàn)元，可節(jié)約480萬(wàn)元；搬家倒面增加2次，每次1 420萬(wàn)元，需增加投資2 840萬(wàn)元。綜合以上直接經(jīng)濟(jì)對(duì)比，優(yōu)化后方案增加效益24 032.6萬(wàn)元，同時(shí)減少長(zhǎng)距離運(yùn)輸、通風(fēng)、供排水、巷道維護(hù)、供電、輔助運(yùn)輸?shù)瘸杀尽?/p>

3.2 實(shí)際收益

八盤(pán)區(qū)北翼按照優(yōu)化方案組織施工，目前已完成85203、85204綜采工作面掘進(jìn)、回采，實(shí)際效益明顯，具體如下。

回采煤量：2017—2019年，三道溝煤礦依次完成85203-1、85203-2、85204-1、85204-2綜采工作面的回采，完成了4次搬家倒面，回采周期平均6個(gè)月，綜采工作面實(shí)際累計(jì)回采煤炭1 385.2萬(wàn)t，較優(yōu)化方案增加了40.4萬(wàn)t，凈利潤(rùn)較方案值增加4 848萬(wàn)元。

掘進(jìn)進(jìn)尺方面：統(tǒng)計(jì)每個(gè)工作面掘進(jìn)的全部巷道進(jìn)尺，平均為9 820 m，圈出可采煤量724萬(wàn)t，掘進(jìn)率完成13.56 m，較原設(shè)計(jì)方案降低了3.02 m，與優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案基本持平。

搬家倒面：減少了機(jī)頭硐室掘進(jìn)、基礎(chǔ)施工、膠帶機(jī)安裝，節(jié)約費(fèi)用580萬(wàn)元，搬家倒面費(fèi)用平均每次增加473萬(wàn)元。

綜上所述，三道溝煤礦應(yīng)用優(yōu)化方案對(duì)煤炭回采、巷道掘進(jìn)等方面進(jìn)行驗(yàn)證，每個(gè)工作面綜合成本降低，實(shí)際收益大于預(yù)期。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)盤(pán)區(qū)工作面優(yōu)化設(shè)計(jì)，生產(chǎn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單合理、安全可靠，礦井正常生產(chǎn)接續(xù)得到了保證，降低了采掘比。壓覆資源得到了最大回收，采出率提高、工作面生產(chǎn)能力得到了最大釋放，礦井收益增加。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終確定八盤(pán)區(qū)北翼受大石公路壓覆影響的開(kāi)采方案，為三道溝煤礦安全高效生產(chǎn)提供重要的技術(shù)保障。