資源整合礦井井底車場動態優化設計

張俊峰

(山西晉城煤業集團勘察設計院有限公司,山西 晉城 048006)

資源整合礦井井底車場動態優化設計

張俊峰

(山西晉城煤業集團勘察設計院有限公司,山西 晉城 048006)

為解決以往煤礦設計中井底車場巷道 沿巖層水平布置,存在巖巷工程量大、施工組織困難、工期長、投資大等問題,結合資源整合礦井特點進行實例設計和實踐,通過兩階段動態優化設計方法,實現井底車場巷道及硐室基本沿煤層布置,為礦井盡快投產創造了條件,同時也為其他礦井井底車場及硐室沿煤層布置提供了值得借鑒的實踐經驗。

硐室;井底車場;資源整合;動態優化設計

1 傳統井底車場及硐室布置問題分析

因煤礦井下煤層賦存條件具有不確定性,煤層底板高低起伏不平,而煤礦井底車場巷道根據功能要求需布置成水平巷道,故一般布置在巖層中。本文以億欣煤業井底車場動態優化設計為例,進行實例設計與實踐,通過一系列思路創新、設計優化,實現了井底車場沿煤層布置,具體如下:

億欣煤業為設計生產能力1.20 Mt/a的資源整合礦井,批準開采2#、15#煤層,為低瓦斯礦井。首采盤區15#煤層厚度為1.90 m～ 4.05 m,平均厚度為2.55 m,頂板為K2石灰巖,平均厚度12.5 m,屬極堅硬巖石,穩定性好,底板為泥巖,屬較軟弱的巖石。礦井采用一次采全高長壁綜采采煤方法,投產時布置主平硐、副平硐和回風立井共3個井筒,其中主、副平硐為改造利用整合前既有井筒,回風立井為新掘井筒。根據開拓部署及井筒與大巷的位置關系,確定井底車場為平車場,采用道砟道床,井底車場附近布置中央變電所、水倉、水泵房、管子道、消防材料庫、等候硐室等硐室。

在礦井實際建設過程中,由于井底車場巷道及硐室功能均要求為水平巷道,而15#煤層有傾角、高低起伏不平,且施工前無法準確獲得15#煤層的賦存標高。如果井底車場及硐室按以往“一次設計、一次施工”的思路,按照事先推斷的水平標高施工車場,則井底車場必然會布置在巖層中,同時還存在從車場巖巷重新找煤層去掘進東翼3條煤層大巷時,破K2石灰巖頂板、頂煤留不住、留底煤掘進等問題。而且從施工車場巖巷過渡到煤層大巷(東軌道大巷),施工組織困難,施工速度慢,投資大。因此,如何準確確定井底車場標高,在起伏不平的15#煤層中水平布置井底車場巷道及硐室,成為億欣煤業面臨的技術難題。

2 井底車場及硐室動態優化設計技術

2.1第一階段設計

在億欣煤業井底車場施工前,根據礦井地質報告提供煤層等高線,設計井底車場及硐室沿15#煤層布置,標高預計為+1 070 m(地質報告提供的15#煤層底板標高),均為新掘巷道,見圖1。

圖1 第一階段井底車場及硐室布置圖Fig. 1 Layout of pit bottom and chambers in stage I

2.2施工過程中設計思路創新

在主、副平硐施工過程中,隨著現場實際揭露情況不斷變化,結合既有井筒寬度、支護條件、功能適應性、井口場地等現場條件,按照技術可行、經濟合理的原則,提出“主、副平硐位置互換”的思路[1-5]。

礦井即將進入井底車場巷道施工時,基于15#煤層為近水平煤層的有利條件,提出“井底車場巷道先沿15#煤層頂板掘進煤巷,盡快進入15#煤層東翼施工3條大巷,然后再二次起底調平井底車場”的創新思路。同時探清15#煤層賦存條件,為井底車場及硐室第二次動態優化設計提供煤層標高實測資料。

在井筒位置互換的基礎上,依據第一階段實際揭露整合前既有舊巷、15#煤層賦存條件、巷道底板實測標高等資料,如何因地制宜沿煤層布置車場巷道及硐室,成為第二階段優化設計的技術難點。

2.3第二階段優化設計

根據井底車場施工過程中實測巷道底板標高,結合實際揭露的既有舊巷等現場條件,重新確定車場標高,對井底車場及硐室進行第二次優化設計,通過局部巷道起底調平、硐室位置調整、充分利用舊巷等優化技術,形成科學合理的、完全符合現場實際的井底車場及硐室布置圖,見圖2。根據第二階段井底車場及硐室優化設計圖(圖2),進行井底車場巷道二次起底調平,形成永久車場。在不影響東翼大巷掘進面施工的前提下,安排井底車場二次起底平行作業,從而不影響礦井建設工期。

圖2 第二階段優化設計后井底車場及硐室布置圖Fig. 2 Layout of pit bottom and chambers after stage II of optimization design

第二階段井底車場及硐室優化設計內容如下:

1)根據煤層巷道底板實測標高,重新確定井底車場標高,由原設計+1 070 m調整為+1 064.3 m,則避免了井底車場及硐室布置在+1 070 m水平的巖層中,實現了多掘煤巷、少掘巖巷,提高了資源回采率,同時緩解了工期緊張、資金短缺的矛盾。

2)按照盡量少起底的原則,對副平硐與井底車場連接處約98 m巷道進行局部起底,把軌道5 m過渡段和平曲線布置在平面上,在平曲線和摘掛鉤車場連接處,布置信號硐室和調度室。

3)按照盡可能簡化系統的原則,充分利用15#煤層111 m較平緩巷道,聯合布置副平硐井底車場和15#煤東軌道大巷無極繩連續牽引車調車場,大幅縮短了井底調車時間。

4)主、副平硐位置互換后,在主平硐(布置下井管纜)東側布置中央變電所、水倉、泵房、管子道,主排水管和下井電纜就近沿主平硐敷設,簡化了管纜布置路徑。

5)充分利用施工期間實際揭露的整合前既有巷道情況,中央變電所及其通道由原設計新掘硐室,優化為改造利用既有巷道,節約投資62.7萬元。

6)根據15#煤層實際賦存條件,中央變電所與中央水泵房由原設計的“I”型布置,優化為“L”型布置,管子道充分利用整合前既有巷道,管子道新掘段巷道由原設計130 m優化為27 m,節約投資62.4萬元。

7)主平硐(布置架空成人裝置)與東膠帶大巷連接處,布置等候室、急救站、工具室,并通過聯絡巷與井底車場溝通;在等候硐室東側布置消防材料庫。

8)將井底車場原設計的道砟道床調整為固定道床,鋪底厚度270 mm,為礦井以后改造為無軌膠輪車輔助運輸系統創造條件。

3 效果分析

億欣煤業井底車場及硐室分兩個階段進行動態優化設計,在第一階段設計后,提出“井底車場巷道先沿15#煤層頂板掘進煤巷,盡快進入15#煤東翼施工3條大巷,然后再二次起底調平井底車場”創新思路,從而避免了井底車場及硐室布置在+1 070 m水平巖層中的情況,實現了多掘煤巷、少掘巖巷的目標,在井底車場巷道及硐室施工期間多出煤3 234 t,創造直接經濟效益97萬元,實現提前2個月掘進東翼大巷(沿15#煤層布置),有效緩解了工期緊張、資金短缺的矛盾。同時,井底車場巷道先期沿煤層頂板掘進,簡化了施工組織,避免了破煤頂、留煤底掘進情況,從根源上改善了井底車場及硐室的支護效果。

針對井下煤層賦存標高具有不確定性的特點,根據實測煤層巷道底板標高,進行第二階段動態優化設計,重新精準確定井底車場標高,通過井底車場優化布局、局部巷道起底調平、硐室位置調整、充分利用既有舊巷等優化設計,因勢利導,實現了井底車場及硐室沿煤層布置,同時節約投資125.1萬元。副平硐井底調車場與東軌道大巷調車場聯合布置,系統簡單,大幅縮短調車時間。

4 結束語

目前,億欣煤業井底車場及硐室已建成投運,各系統運行正常、穩定,為礦井安全高效生產提供了可靠保障。億欣煤業井底車場及硐室設計、施工中,采用了兩階段動態優化設計技術,克服以往井底車場“一次設計、一次施工”沿巖層水平布置存在的缺點,科學合理的解決了在煤層賦存標高不確定、煤層高低起伏不平的條件下,沿煤層布置井底車場的問題。兩階段動態優化設計理念和技術,為其他礦井井底車場及硐室沿煤層布置提供了值得借鑒的實踐經驗。

[1] 張榮立,何國偉,李鐸.采礦工程設計手冊[M].北京:煤炭工業出版社,2003.

[2] GB 50535-2009.煤礦井底車場設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2009.

[3] 李興才.山西金恒煤礦井底車場硐室布置設計優化[J].河北煤炭,2012(12):3-4.

LI Xingcai.Design Optimization on Arrangement of Shaft Bottomchamber in Jinheng Mine of Shanxi Province[J].Hebei Coal,2012(12):3-4.

[4] 張立民,劉鐵鳴,申金堂,等.五舉礦井井底車場優化方案設計[J].陜西煤炭,2014(3):85-87.

[5] 張宇.煤礦井底車場設計因素及實例分析[J].煤礦現代化,2016(4):82-84.

ZHANG Yu.Design Factors and Example Analysis of Shaft Bottom in Coal Mine[J].Modernization of Coal Mine,2016(4):82-84.

DynamicOptimizationDesignofPitBottomofResource-integratedCoalMine

ZHANG Junfeng

(SurveyandDesignInstitute,JinchengCoalGroup,Jincheng048006,China)

In old coal mine designs, pit bottom tunnels go along the horizontal strata but have many shortcomings, including huge workload, difficult construction organization, long duration, and huge investment, etc. With resource-integrated coal mines, two-stage dynamic optimization design was used to realize the layout of pit bottom roadways and chambers along coal seam, which could create the condition for the mine to put into production as soon as possible. Meanwhile, it could offer references for similar pit bottom and chamber layout in other mines.

chambers;pit bottom;resource integration;dynamic optimization design

1672-5050(2017)02-0025-03

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.04.007

2017-02-28

張俊峰(1984-)，男，山西鄉寧人，碩士，工程師，從事煤礦設計工作。

TD214

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(編輯:薄小玲)