衰老礦井回采工藝改革及系統(tǒng)改造探討

王新豐，高明中，李 彥

(安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

鑒于資源的有限性和不可再生性，礦井必然由開(kāi)發(fā)、興盛走向衰老，目前我國(guó)就有大量礦井進(jìn)入或即將進(jìn)入衰老期［1－2］。隨著衰老礦井的長(zhǎng)期開(kāi)采，原煤儲(chǔ)量日趨枯竭，生產(chǎn)條件劇烈惡化，生產(chǎn)系統(tǒng)老化嚴(yán)重［3］，直接制約了煤礦企業(yè)的快速、協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。

淮北礦業(yè)集團(tuán)袁莊煤礦是一個(gè)有著50 余年開(kāi)采歷史的礦井，由于設(shè)計(jì)井型較小、水平繁多、生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜，長(zhǎng)期以來(lái)一直沿用傳統(tǒng)的炮采工藝，機(jī)械化程度低。近年來(lái)，隨著煤炭可采儲(chǔ)量的日益減少，礦井衰老的特點(diǎn)逐漸凸顯，因此，為實(shí)現(xiàn)礦井安全高效的循環(huán)發(fā)展目標(biāo)，對(duì)工作面實(shí)行了炮采變綜采的工藝改革，更新技術(shù)理念，并相應(yīng)完成了礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化改造，大大提升了礦井生產(chǎn)能力，促進(jìn)了企業(yè)的增產(chǎn)增收。

1 衰老礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的特點(diǎn)

衰老礦井普遍存在著可采儲(chǔ)量日漸減少、生產(chǎn)能力日趨緊縮、礦井產(chǎn)量不斷下降、生產(chǎn)條件日益復(fù)雜、生產(chǎn)費(fèi)用持續(xù)升高、礦井負(fù)擔(dān)越來(lái)越重等問(wèn)題［2－4］，受以上因素制約，衰老礦井的生產(chǎn)系統(tǒng)通常呈現(xiàn)以下特點(diǎn)［5－7］:

(1)主、副井提升設(shè)備落后，提升能力有限，安全系數(shù)較低。

(2)開(kāi)采設(shè)計(jì)布局不甚合理，導(dǎo)致后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)料、排矸以及煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)周轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)多、運(yùn)輸路線長(zhǎng)、機(jī)械事故頻發(fā)。

(3)通風(fēng)設(shè)施多，通風(fēng)阻力大，通風(fēng)路線長(zhǎng)，集中化程度低，礦井漏風(fēng)較為嚴(yán)重。

(4)安全監(jiān)控設(shè)備陳舊，維修量大，監(jiān)控能力下降。

(5)供電設(shè)備老化損毀嚴(yán)重，漏電現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，檢修工作繁瑣，增加了人工勞動(dòng)量。

2 衰老礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的改造原則

礦井的生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括提升、運(yùn)輸、通風(fēng)、安全監(jiān)控及供電五大系統(tǒng)。各生產(chǎn)系統(tǒng)之間結(jié)合緊密，相互依存，共同完成礦井的生產(chǎn)任務(wù)。為提升衰老礦井的生產(chǎn)能力，需對(duì)原生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化改造，系統(tǒng)改造要遵循以下原則:

(1)提升系統(tǒng)要保證提煤、進(jìn)料、載人的協(xié)調(diào)暢通，箕斗、罐籠選型合理，為其他系統(tǒng)的正常運(yùn)行打好基礎(chǔ)。

(2)運(yùn)輸系統(tǒng)要保證設(shè)備的運(yùn)輸安全，減少運(yùn)輸環(huán)節(jié)，運(yùn)煤、運(yùn)料正常有序，采用無(wú)極繩絞車(chē)連續(xù)牽引運(yùn)輸，以提高運(yùn)輸效率。

(3)通風(fēng)系統(tǒng)是礦井安全生產(chǎn)的門(mén)戶，良好的通風(fēng)能夠保證人員、設(shè)備高效工作，是其他系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保證和支撐。

(4)安全監(jiān)控系統(tǒng)主要對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)做進(jìn)一步監(jiān)測(cè)和追蹤，最大限度地查出安全隱患并有針對(duì)性的進(jìn)行清除，保證通風(fēng)順暢，對(duì)其他系統(tǒng)的工作進(jìn)行有力的促進(jìn)。

(5)供電系統(tǒng)是全部生產(chǎn)系統(tǒng)正常有序、合理運(yùn)行的保障，對(duì)其他系統(tǒng)的工作直接起主導(dǎo)和遙控作用。只有供電的安全暢通才能保證機(jī)械設(shè)備的正常化運(yùn)行，使綜采工藝的破、裝、運(yùn)、支、處形成一個(gè)有效的運(yùn)作工程，科學(xué)高效的完成生產(chǎn)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量提升［8］。

3 衰老礦井生產(chǎn)系統(tǒng)的改造方案

礦井實(shí)行炮采變綜采的工藝改革以后，為實(shí)現(xiàn)礦井的高產(chǎn)高效，需對(duì)原生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的改造和優(yōu)化，以消除抑制礦井安全生產(chǎn)的瓶頸。結(jié)合袁莊礦綜采改革的實(shí)際，在原有生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上需要對(duì)礦井的提升系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)及供電系統(tǒng)進(jìn)行必要的改造，為產(chǎn)量提速鋪平道路。在眾多的系統(tǒng)改造中，以提升系統(tǒng)中的罐籠改造最具特色，能夠發(fā)揮借鑒和示范作用，在安全和經(jīng)濟(jì)方面均值得推廣。

3.1 提升系統(tǒng)改造

袁莊煤礦采用立井、副暗斜井聯(lián)合多水平開(kāi)拓方式。分為4 個(gè)水平:－150m 水平、－290m 水平、－450m 水平和－620m 水平。井田內(nèi)設(shè)有4 個(gè)立井，分別為主井、副井、二莊風(fēng)井、中央風(fēng)井。袁莊礦的煤層埋藏不深，考慮支護(hù)、掘進(jìn)等方面的情況，決定采用圓形斷面。主井采用箕斗提煤，副井采用罐籠提升。

3.1.1 主井改造

袁莊礦主井采用立井開(kāi)拓，井筒直徑4.5m，內(nèi)裝主提升系統(tǒng)1 套，提升機(jī)型號(hào)為2JK－3.2/11.5，鋼絲繩為6×37 (s)－φ31mm，箕斗提升量為3.5t，年提升能力872kt，用于進(jìn)風(fēng)、提煤。井筒表土層的支護(hù)采用鋼筋混凝土及砌碹支護(hù)，基巖段采用鋼筋混凝土支護(hù)，基巖段鋼筋混凝土井壁厚0.5m，凍結(jié)段混凝土井壁厚0.85～0.95m。

工作面采用綜采以后，提升煤量增加，主井井筒需做部分改進(jìn)，更換提升能力更大的箕斗，可采用一對(duì)9t 箕斗加強(qiáng)提升效果，鋼絲繩也要做相應(yīng)的配套調(diào)整，以保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

3.1.2 副井改造

副井連接－290m 水平，并在－290m 水平布置有井底車(chē)場(chǎng)。井筒直徑4.5m，井架高17.5m，副井上口裝有防過(guò)卷裝置，下口裝有防蹲罐裝置。副井罐道為組合罐道，同勾兩罐道凈間距為2.55m，罐籠兩側(cè)裝有制動(dòng)繩，制動(dòng)繩凈間距為1.14m。副井罐籠為輕型雙層罐籠，型號(hào)為GLG (s)1×1/2Q，重3.54t，允許工作載荷4.5t。副井絞車(chē)型號(hào)為2JK－3.2/20G，滾筒直徑3.2m，寬度1.5m，單繩繚繞式提升，提升鋼絲繩為6 × 37 (s)－φ34.5mm，提升機(jī)額定靜拉力為100kN，提升機(jī)允許提升的最大重量為7t。防過(guò)卷裝置的防撞梁安裝在井架上，距副井上口垂直距離14m。供現(xiàn)生產(chǎn)水平進(jìn)風(fēng)、下料、排矸、提升人員使用。

如上綜采，所有超過(guò)規(guī)定尺寸、重量的設(shè)備都必須解體后才能下井，而且大型設(shè)備必須從罐底下放，稍做適當(dāng)改造，否則會(huì)造成設(shè)備無(wú)法入井。具體設(shè)備改進(jìn)如下:

(1) 罐籠的改造 因袁莊礦副井井筒偏小，大型設(shè)備無(wú)法正常裝罐入井，綜采液壓支架尺寸大，且需入井的數(shù)量多，按照以前的方法，每次均需要打離合器，不僅效率低，而且不利于提升機(jī)的安全，為此經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)研，決定對(duì)東勾罐籠的二層罐平臺(tái)進(jìn)行改造，即以副井東勾北門(mén)及東勾罐籠的中心為基準(zhǔn)，在二層平臺(tái)上做一個(gè)尺寸為2.12m×0.6m×0.16m 的可活動(dòng)的平臺(tái)。在下放液壓支架頂梁時(shí)，將活動(dòng)的平臺(tái)打開(kāi)，正常提升時(shí)，將平臺(tái)落下。經(jīng)過(guò)對(duì)罐籠改造，能大幅度提高副井下液壓支架的效率，同時(shí)也是對(duì)提升絞車(chē)安全的一種保護(hù)。

(2) 專用平板車(chē)改造 由于袁莊礦現(xiàn)用的平板車(chē)高度約為0.4m，加上液壓支架的3.65m，高度為4.05m，超過(guò)4m，決定對(duì)平板車(chē)進(jìn)行特殊加工。加工后的平板車(chē)高度約為0.25m，總高度降為3.9m。目前罐籠下層凈高2.1m，上層罐凈高1.9m，加上改造后二層罐籠平臺(tái)的厚度0.16m，罐籠的凈高度可達(dá)4.16m，完全滿足實(shí)際需要。

(3) 副井上下口改造 副井井口北門(mén)井架的有效高度為5.2m，寬度為9m;副井下口北門(mén)馬頭門(mén)處有效高度為4.2m，寬度為4m，通過(guò)試驗(yàn)，副井上下口均可滿足液壓支架的下放及運(yùn)輸要求。

3.1.3 設(shè)備入井方案

為保證液壓支架能夠順利地下放到下口，按照液壓支架的實(shí)際尺寸1 ∶1 做出角鋼模型配合下放。在副井上口安裝好5t 單軌吊，并在副井的南門(mén)安裝1 部絞車(chē)，液壓支架由鏟車(chē)運(yùn)至副井北門(mén)，經(jīng)單軌吊將液壓支架放置在井口提前準(zhǔn)備好的專用平板車(chē)上，在南門(mén)絞車(chē)的牽引下，平臺(tái)、液壓支架及單軌吊一起運(yùn)動(dòng)至罐籠中部設(shè)計(jì)位置，此時(shí)摘掉勾頭，安裝好專用擋板 (起到限位液壓支架的作用)，絞車(chē)進(jìn)行下放。在副井北門(mén)下口安裝2 部絞車(chē)，并分別在井筒井壁上及馬頭門(mén)處提前打好起吊點(diǎn)，便于設(shè)備起吊。結(jié)合袁莊礦罐籠實(shí)際及液壓支架的尺寸情況，決定采用站罐的方式進(jìn)行下放，當(dāng)罐籠以0.5m/s 的速度落至下口時(shí)，2 臺(tái)絞車(chē)?yán)K分別固定在液壓支架的中部和底部，通過(guò)2 臺(tái)絞車(chē)的相互牽引配合，將液壓支架牽引出井口，并在井口調(diào)整好支架，裝專用平板車(chē)運(yùn)輸。

通過(guò)技術(shù)改造，下液壓支架不需要打離合器，避免了因誤操作而帶來(lái)的安全隱患，對(duì)提升絞車(chē)來(lái)說(shuō)也是一種安全保護(hù)，同時(shí)極大地提高了工效，保證了綜采設(shè)備的如期安裝。該項(xiàng)技術(shù)改造在袁莊礦尚屬首次，但對(duì)集團(tuán)公司生產(chǎn)礦井的副井罐籠改造具有很好的借鑒作用，經(jīng)濟(jì)適用，安全可靠。

3.2 運(yùn)輸系統(tǒng)改造

袁莊煤礦是傳統(tǒng)的炮采工藝礦井，采用綜采以后，井下巷道特別是采區(qū)上山及階段車(chē)場(chǎng)的巷道斷面、軌道坡度、軌道半徑均無(wú)法滿足設(shè)備運(yùn)輸?shù)男枰仨氈匦逻M(jìn)行改造以滿足生產(chǎn)要求。

根據(jù)工作面巷道設(shè)計(jì)情況，工作面前期設(shè)備安裝運(yùn)輸從地面→副井→Ⅱ水平井底車(chē)場(chǎng)→Ⅲ水平南大巷→Ⅳ1 軌道上山→Ⅳ1 二階段車(chē)場(chǎng)→組裝硐室→Ⅳ4111 風(fēng)巷。

為方便工作面安裝期間的設(shè)備運(yùn)輸，Ⅳ4111風(fēng)、機(jī)巷將采用無(wú)極繩絞車(chē)連續(xù)牽引運(yùn)輸設(shè)備，以減少運(yùn)輸環(huán)節(jié)，且需按綜采要求鋪設(shè)22kg/m 的軌道，軌距600mm，道岔采用DK622/3/9 型道岔。同時(shí)為保證風(fēng)巷大件、設(shè)備的安全運(yùn)輸，要求每節(jié)軌道加設(shè)不少于2 幅軌距拉桿。

3.3 供電系統(tǒng)改造

3.3.1 供電變電所調(diào)整

地面35kV 變電所最大用電量達(dá)到5824kW，因綜采工作面整體負(fù)荷較大，為保證全礦正常安全供電，現(xiàn)需要將供電電纜及負(fù)荷作如下調(diào)整:

(1)更換主變?yōu)?0MVA 的變壓器。

(2)將二水平泵房至IV1泵房高壓電纜更換為3×95mm2的電纜，共2100m。

(3)將二水平中間變電所由I 段213 號(hào)開(kāi)關(guān)調(diào)整到II 段210 號(hào)開(kāi)關(guān)，以減少I(mǎi) 段電源負(fù)荷。

(4)地面需要進(jìn)行倒閘操作時(shí)，綜采工作面需要停止作業(yè)，以免主變超負(fù)荷運(yùn)行，造成重大安全供電事故。

3.3.2 供電系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)供電設(shè)備選型的原則及所選設(shè)備的電動(dòng)機(jī)型號(hào)規(guī)格，設(shè)計(jì)出綜采工作面的供電系統(tǒng)。移動(dòng)變電站和泵站系統(tǒng)安裝在機(jī)巷外口機(jī)電峒室內(nèi)，配電點(diǎn)開(kāi)關(guān)安裝在機(jī)巷內(nèi)的可移動(dòng)平板車(chē)上，隨工作面的推進(jìn)而移動(dòng)。高壓6kV 由IV1泵房變電所向移動(dòng)變電站供電，機(jī)巷設(shè)備使用1140V 電壓等級(jí);泵站、機(jī)巷膠帶機(jī)電源來(lái)自IV1二階段變電所;采煤機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、工作面輸送機(jī)電源來(lái)自2 臺(tái)移動(dòng)變電站。

4 實(shí)踐效果分析

袁莊煤礦2011年度炮采工作面平均月產(chǎn)量為19kt。自2012年1 月開(kāi)始實(shí)行綜采以來(lái)，礦井的生產(chǎn)系統(tǒng)相應(yīng)進(jìn)行了優(yōu)化改造和配套調(diào)整，工作面產(chǎn)量得以大幅提高，對(duì)2012年1 月至2012年5 月5 個(gè)月的工作面煤炭產(chǎn)量作統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。

表1 綜采工作面1－5 月份月度產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)

據(jù)此推測(cè)，工作面實(shí)行工藝改革、進(jìn)行系統(tǒng)改造以后，綜采面的月產(chǎn)量可達(dá)55kt，是單個(gè)炮采工作面月產(chǎn)量的3 倍，可為企業(yè)帶來(lái)上億元的經(jīng)濟(jì)效益，成效顯著。

5 結(jié)論

衰老礦井的正常有序化生產(chǎn)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要各方面的支撐和配合。通過(guò)袁莊煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化改造的成功實(shí)踐，完成了衰老礦井工作面由炮采向綜采的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了礦井高產(chǎn)高效的目標(biāo)，也為具有類(lèi)似情況的衰老礦井實(shí)施系統(tǒng)改造提供了很好的借鑒和參考。

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