同忻雙系煤層千萬噸級礦井設計優化分析

杜 淼

0 引言

自1954 年世界上第一個綜合機械化采煤工作面在英國誕生以來，經過60 多年的不斷發展和完善，綜采技術裝備日益成熟[1]，工作面單產越來越高，從1990 年百萬噸工作面生產礦井已發展為現在的千萬噸工作面生產礦井。在國內[2]，隨著機械化開采水平的快速發展，綜采面生產能力大幅度提高[3]。

同忻井田上覆侏羅系煤層群主要分為多個礦井同時開采，開采時間長，開采過程中應用了房柱式采煤法、長壁采煤法等多種采煤方法和回采工藝，采空區積水、火區分布情況復雜，開采區域煤柱留設情況復雜，開采區覆巖平衡結構特征復雜等，形成了復雜的開采區域，為下伏石炭系特厚煤層的安全開采增加了難度。

同忻礦在現代化礦井發展模式的基礎上，對下伏石炭系特厚煤層開采進行千萬噸礦井優化設計，方案體現無軌膠輪運輸和現代化機械裝備優勢，實現集中開發、安全高效生產。

1 石炭系科學產能分析

大同煤田為雙系煤田，即侏羅系煤層和石炭二疊系煤層重疊賦存。上組侏羅系煤層建設了15 個礦井進行開采。同煤集團從20 世紀80 年代開始研究雙系煤田下組石炭二疊系煤層的開采。按照當時我國煤炭開發理念，石炭二疊系資源的開采應在原侏羅系礦井基礎上分別向下延深，建設5～6 個400 萬t 石炭二疊系礦井。這一開發模式難以建設安全、高效的大型現代化生產礦井。同煤集團基于石炭二疊系煤炭資源賦存特點和煤炭工業發展趨勢的判斷，提出對石炭二疊系大型煤炭資源進行整體規劃和集中開發的思路，充分吸取國內外安全高效大型礦井建設和生產的成功經驗，打破了侏羅系礦井向下延深的傳統模式，對石炭二疊系煤炭資源進行單獨規劃和布局，提出了建設特大型現代化安全高效礦井的目標。

針對同忻礦區的資源環境、機械化水平以及煤炭賦存儲量，從煤層科學產能和煤層儲量方面分析石炭系煤層是否具有單工作面生產千萬噸的能力。

科學產能[4]是礦井綜合能力的體現，指在保證持續發展儲量的前提下，用科學、安全和環境友好的方法，將煤炭資源最大限度采出的礦井產能?？茖W產能必須滿足環境容量、安全生產、機械化開采要求，其中機械化開采要求應根據開采煤層賦存條件而定，不能一概而論。

同忻礦在滿足科學產能要求的前提下，按照《煤炭工業礦井設計規范》 (GB 50215-2005)中煤炭產能的方法估算，即區域煤炭產能=保有資源儲量×區域煤炭采出率/(服務年限×儲量備用系數)。其中同忻礦保有資源量1 743.22 Mt，3-5 煤層可采儲量為869.09 Mt，占礦井可采儲量的70.0%，儲量備用系數取1.4，按礦井生產能力10.0 Mt/a 計算，礦井服務年限可達80 a。豐富的煤炭資源為建設同忻千萬噸特大型現代化礦井奠定了良好的資源條件。并基于同忻礦區石炭二疊系煤層主采煤層平均厚度15.3 m，傾角0°～3°，屬特厚煤層，賦存穩定，傾角平緩，水文地質條件簡單，瓦斯含量小，構造簡單，適合綜合機械化開采，宜建特大型礦井。

2 千萬噸礦井生產系統優化設計

2.1 千萬噸礦井開拓系統優化設計

2.1.1 同忻井筒設計思路與方案

石炭二疊系煤層賦存較深，距地表約為380 m～500 m。考慮到千萬噸產能的運輸和提高輔助運輸系統效率，設計主運采用皮帶運輸，輔運采用無軌膠輪車運輸。所以，將同忻礦主井設計為斜井，副井設計為斜硐，兩條井筒平行，斜長分別為4 564.0 m 和4 665.9 m。主斜井傾角設計為5°8′，副斜井傾角設計為1°43′6″ (3%)～4°34′ (8%)，井筒斜長每800 m(8%)設一段100 m (3%)的緩坡段。主斜井井底位于8 號煤層底板17 m 處，在首采盤區北一和北二盤區交界處，3-5 號煤和8 號煤通過煤倉進入主斜井，一水平副斜井井底高程為+789.58 m。

2.1.2 大巷布置

從同忻礦井千萬噸安全高效建設和盡量減小同忻礦與上覆5 個侏羅系礦井之間的相互影響的需求出發，礦井盤區劃分和接續設計遵循幾個原則[5]：①盡量將大巷布置在各種保安煤柱中，以減少護巷煤柱量；②在各保安煤柱間，盡可能把盤區尺寸規劃得大一些，保證回采工作面有合理的推進長度和接續區段數量；③初期開采盤區回采工作面推進方向及長度盡可能不受上覆侏羅系未采煤層的影響。

根據以上原則，大巷沿垂直方向重疊布置，大巷煤柱盡可能利用井田內的鐵路、斷層及村莊保護煤柱，從而實現一柱多用，減少煤柱損失，提高礦井煤炭資源的回收率。重疊布置使巷道避開了支撐壓力的影響，容易維護；消除了內錯式布置造成的隅角帶和外錯式布置形成的頂板虛實交接壓力大，頂煤破碎易自燃的缺點。

根據井田內大巷布置方式，將同忻井田以大巷和斷層為界劃分為6 個盤區，其中一水平和二水平分別有3 個盤區，即一水平和二水平的北一、北二、北三盤區。北一盤區為單翼盤區，北二和北三盤區為雙翼盤區。依據同忻井田煤炭資源賦存特點和上覆侏羅系礦井生產的實際情況，將礦井一水平和二水平的北一盤區大巷基本上沿走向布置；一水平和二水平的北二、北三盤區大巷基本上沿傾斜布置。這種布置不僅考慮了位于投產的北一和北二盤區上部侏羅系生產礦井的大巷位置和報廢時間，而且又能夠確保北一、北二、北三主要盤區工作面連續推進長度達3 300 m～4 600 m。

同忻礦井北一盤區位于1070 大巷北側，南北長平均6.7 km，東西寬平均4.0 km，面積約26.8 km2。同忻礦井采用集中大巷條帶布置方式，一盤區直接利用3 條1070 大巷作為盤區巷道。3 條1070 大巷原則上沿3-5 號煤層底板分段給坡度掘進。開拓系統布置見圖1。礦井達產時，在北一盤區投產一個綜放工作面和一個連掘工作面，年產量10.0 Mt；在北二盤區投產一個掘進工作面，年產量1.0 Mt。合計達到礦井設計生產能力11.0 Mt/a。

圖1 同忻礦開拓系統布置

2.2 千萬噸礦井開采系統優化設計

2.2.1 準備系統設計

為了提高礦井生產效率，減少生產環節，采用開拓大巷布置在煤層中，大巷直接與回采巷道相連的方式，簡化掉了傳統的盤區石門、盤區煤倉等生產環節，提高了主運和輔運的效率。同忻礦北一盤區內布置一個綜采放頂煤工作面，初期主要開采3-5 號煤層，考慮到盤區內煤層傾角較小，一般3°～10°，根據盤區形狀和淺部侏羅系礦井水平大巷的位置，工作面回采巷道大致沿垂直于盤區大巷的位置布置。由于盤區大巷布置在盤區西側，盤區內工作面進行單翼開采。工作面運輸順槽直接與帶式輸送機大巷連接，輔助進風順槽和回風順槽通過聯絡巷分別與盤區輔助運輸大巷、回風大巷連通，形成完整的采區開采系統。

北二盤區南北長平均4.8 km，東西寬平均3.8 km，面積約18.2 km2。盤區地面有3 處村莊需要留設煤柱，均處于盤區邊界，對開采布置影響不大。盤區內布置一個大采高綜采工作面，初期主要開采3-5 號煤層?？紤]到盤區內煤層傾角為3°～10°，設計確定直接利用3-5 號煤北二盤區大巷進行回采。根據盤區形狀，大致沿垂直于盤區大巷的方位布置回采巷道。由于盤區大巷布置在盤區南側，盤區內工作面進行單翼開采。采區內開采系統與支護等與北一盤區相似。

2.2.2 回采系統設計

8100 工作面位于3-5 號煤層北一盤區，西以北一盤區3 條盤區大巷保護煤柱為界，北以8101 工作面順槽煤柱為界。8100 工作面平均埋深447.5 m，傾斜長度193 m，可采走向長度1 406 m。工作面開切眼位于工作面南東部，由東南向西北方向推進。工作面巷道布置見圖2。工作面煤厚3.77 m～23.5 m，平均15.3 m，傾角2°～3°。工作面采用一次采全厚放頂煤綜合機械化開采，采高3.9 m，放煤厚度11.4 m，采放比約為1∶2.9，日推進度6.4 m。

圖2 8100 工作面巷道布置

3 千萬噸礦井運輸系統優化設計

3.1 主斜井運輸系統設計

煤礦運輸系統是礦井實現高產高效的必要條件[6]。根據國內高產高效礦井生產實踐經驗，帶式輸送機運輸方式與其他運輸方式比較，系統簡單、中間環節少、運量大、操作簡單、用人少、效率高、安全可靠；易于實現自動化控制，能夠充分發揮綜采設備的生產潛力等。結合同忻礦煤層開采技術條件及巷道布置特點，井下煤炭運輸選擇帶式輸送機運輸方式。

針對同忻礦主斜井分布特點，帶式輸送機可采用兩種設計方案：兩條帶式輸送機搭接和一條帶式輸送機。兩條帶式輸送機搭接方式盡管其應用比較普遍，技術相對成熟，但是存在搭接硐室開拓及支護較為困難，帶載停機時易造成轉載點堵煤，以及輸送帶壽命降低，總投資增大等問題。為了解決上述問題，同忻礦研發了DTL180 大運量高帶速強力帶式輸送機，與機頭以及中間共同驅動組成的運輸系統技術方案。主斜井帶式輸送機每月輸送原煤100 萬t～110 萬t。通過一年多現場使用證明，該機總體性能參數和功能指標均達到設計要求，滿足現場生產使用要求。

DTL180 帶式輸送機主要技術參數：運量4 800 t/h，供電電壓10 kV，運距4 700 m，電機功率3×1 800 kW+3×1 800 kW，提升高度365 m，功率配比2:1+2:1，帶寬1 800 mm，輸送帶ST4500，帶速5 m/s，傳動滾筒直徑1 830 mm，安全系數7.7。

3.2 輔助運輸方式優化設計

根據我國高產高效礦井輔助運輸方式使用現狀，結合本礦井煤層厚、傾角緩、大巷沿煤層布置的特點，設計采用無軌膠輪車輔助運輸方式。

無軌膠輪車輔助運輸效率高，徹底消除了傳統輔助運輸方式的弊端，解決了一部分輔助運輸制約生產能力的問題，大幅提高了運輸效率和礦井生產能力，支撐了工作面長距離推進，為礦井大型化創造了條件；改善了安全環境，為安全生產提供了保障，降低了輔助運輸成本，在同忻礦的生產實踐中取得了比較好的成效。

4 結論

(1)針對石炭二疊系煤層賦存特點和煤炭技術發展趨勢，提出了石炭二疊系大型煤炭資源整體規劃和集中開發思路，突破了上部已有礦井開采的條件限制，形成了完全獨立的資源開發體系。對石炭二疊系煤層的科學產能分析表明，同忻礦千萬噸產能設計是可行的。開采實踐表明，同忻礦石炭二疊系煤層采用的優化設計方案，實現了年產千萬噸的目標，系統合理。

(2)同忻礦采用主斜井、副斜硐的開拓方式，大巷沿垂直方向重疊布置，實現“一柱多用”，減少煤柱損失。準備巷道布置在煤層中，基本不掘巖巷，實現了無巖巷布置。根據生產需要，將同忻井田劃分為6 個盤區，盤區間以大巷和斷層為界，推進了井田、盤區的大型化，使礦井設計生產能力達到11.0 Mt/a。

(3)同忻礦研發了DTL180 大運量高帶速強力帶式輸送機，運輸系統采用了一條輸送帶、機頭和中間共同驅動的技術方案，滿足了現場生產的使用要求。輔助運輸采用無軌膠輪車運輸方式，提高了礦井的生產能力和運輸效率，保障了礦井安全生產。

[1]漢春.國內外高產高效礦井現狀及展望 [J].煤，1998（06）：14-17+41.

[2]烏榮康.我國高產高效礦井建設與發展 [J].煤炭科學技術，2003（01）：1-4.

[3]王金華.煤炭科技發展現狀及前瞻［J］.煤炭企業管理，2004(1)：31-34.

[4]謝和平，王金華，申寶宏，等.煤炭開采新理念——科學開采與科學產能[J].煤炭學報，2012（07）：1 069-1 079.

[5]蔡東紅，王海龍.巷道布置方式與動壓巷道破壞探討[J].煤炭科學技術，2009，37（7）：31-34.

[6]郝成軍，陳平，李萬山.淺談綜采設備的選型與配套原則[J].煤炭工程，2005（10）：37-39.