資源整合礦井巷道優(yōu)化設(shè)計研究

王飛飛

(山西晉煤集團 晉圣坡底煤業(yè)，山西 晉城 048000)

隨著山西省煤炭企業(yè)兼并重組整合工作的逐步完成，全省煤礦數(shù)量由2 600多個整合至1 053個，30萬t以下礦井全部關(guān)閉，煤礦產(chǎn)業(yè)集中度大大提高，與煤礦相關(guān)的安全生產(chǎn)問題得到了有效改善[1]. 但是，資源整合礦井在設(shè)計和建設(shè)過程中也暴露出很多問題。其中，比較突出的問題是小煤窯廢舊巷道大量存在于整合礦井內(nèi)，舊巷之間布置錯綜復雜。礦井在資源整合過程中，如何安全可靠、高效經(jīng)濟地實現(xiàn)廢舊巷道與新掘巷道的有序銜接，保證礦井正常生產(chǎn)顯得尤為重要。山西晉煤集團潤東煤業(yè)為資源整合礦井，針對該礦三一盤區(qū)西部巷道舊巷改造存在的問題，提出了優(yōu)化設(shè)計方案。

1 概 況

潤東煤業(yè)由6個礦井整合而成，整合后設(shè)計生產(chǎn)能力0.9 Mt/a，為高瓦斯礦井，可采煤層有3號、9號、15號，采用下行開采順序，首采3號煤層，接替9號、15號煤層[2]，各煤層特征見表1. 礦井采用斜井開拓方式，共布置4個井筒，分別為主斜井、副斜井、回風立井和北進風斜井。其中，回風立井為新掘井筒，其余3個井筒均為改造利用既有井筒。主斜井傾角18°，斜長521 m，落底于15號煤層底板，裝備1部帶寬1 000 mm的帶式輸送機和一部RJY-37型架空乘人裝置，擔負全礦井煤炭、人員提升任務兼做安全出口；副斜井傾角為16°，斜長554 m，落底于9號煤層，采用單鉤串車提升方式，擔負礦井除人員以外的其它輔助提升任務，設(shè)臺階、扶手，兼作進風井和安全出口；北進風斜井傾角24°，落底于3號煤層，斜長581 m，擔負礦井開采3號煤層時的進風任務，設(shè)有臺階、扶手，兼做安全出口；回風立井落底于9號煤層，垂深185 m，擔負全礦井回風任務，設(shè)有梯子間，兼做安全出口。根據(jù)可采煤層分布特點，設(shè)計布置兩個主水平和一個輔助水平開采井田范圍內(nèi)的3號、9號、15號煤層，第一主水平設(shè)在9號煤層，3號、9號煤層采用聯(lián)合開拓方式進行回采，在3號煤層設(shè)置輔助水平；第二主水平設(shè)在15號煤層，服務礦井后期的15號煤層。潤東煤業(yè)于2011年批準開工建設(shè)，目前井下二期工程基本完成。

2 三一盤區(qū)(西部)巷道原設(shè)計方案

潤東煤業(yè)采用斜井開拓方式，井田范圍內(nèi)3號煤資源共劃分為1個盤區(qū)(即三一盤區(qū))。礦井第一主水平落底于9號煤車場+460 m水平，在3號煤層布置一個輔助水平聯(lián)合開采，沿9號煤層向上布置兩條運輸大巷與3號煤大巷溝通，連接兩層煤的主運輸系統(tǒng)和輔助運輸系統(tǒng)，同時利用3號煤層既有的回風大巷與回風立井溝通，形成3號煤的通風系統(tǒng)。具體如下：

表1 可采煤層特征表

1) 從9號煤層中沿8°向上布置9號煤軌道進風斜巷與三一盤區(qū)西軌道進風巷溝通，擔負3號煤輔助運輸系統(tǒng)兼進風。

2) 在9號煤層中沿5°向上布置9號煤膠帶進風斜巷，通過三一盤區(qū)煤倉(d4.0 m，h=25 m，緩存3號煤層)、通風行人斜巷(25°)與三一盤區(qū)西膠帶進風巷溝通，形成3號煤主運輸系統(tǒng)兼行人和進風。

3) 另布置三一盤區(qū)西專用回風巷，用于滿足北側(cè)3號煤層后期工作面回風任務，通過3號煤回風一、二巷(改造巷道)與回風立井直接溝通。

三一盤區(qū)(西部)巷道原設(shè)計方案見圖1，大巷規(guī)格見表2.

圖1 三一盤區(qū)(西部)巷道原設(shè)計方案平面布置示意圖

巷道名稱凈寬/mm凈高/mm凈斷面/m2支護方式噴后/mm備注三一盤區(qū)西軌道進風巷4 5003 00013.5錨網(wǎng)索噴100改造利用三一盤區(qū)西膠帶進風巷4 5003 00013.5錨網(wǎng)索噴100新掘巷道三一盤區(qū)西專用回風巷5 5003 50019.25錨網(wǎng)索噴100改造利用

3 存在的問題

采用三一盤區(qū)大巷設(shè)計方案(圖1)存在以下幾方面問題：

1) 三一盤區(qū)西專用回風巷做為3號煤后期回采工作面的回風巷道，在投產(chǎn)驗收時不發(fā)揮回風作用，屬于冗余工程。同時施工該巷道將增加基建期間井巷工程投資，并延長礦井建設(shè)工期，故有必要對其進行優(yōu)化。后期在回采3號煤層北側(cè)資源時，再根據(jù)礦井實際需要，補充三一盤區(qū)西專用回風巷，形成后期工作面通風系統(tǒng)。

2) 原方案中需要布置多個風橋，不僅影響施工進度，而且概算投資大、施工質(zhì)量難以保證，容易產(chǎn)生漏風現(xiàn)象。由圖1可知，在三一盤區(qū)(西部)大巷東側(cè)需要設(shè)置5個風橋。從投資角度考慮，每個風橋需要投資約10萬元(含風橋前后連接段約8 m，折算為巷道1.25萬元/m)；從建設(shè)工期角度考慮，每施工一個風橋至少需要12天，施工速度非常緩慢；從施工質(zhì)量考慮，受作業(yè)環(huán)境、施工難度、施工設(shè)備等因素影響，施工質(zhì)量難以保證，容易出現(xiàn)漏風現(xiàn)象[3].

3) 鑒于三一盤區(qū)煤倉施工工藝復雜，施工速度慢，同時三一盤區(qū)煤倉附近地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，施工條件困難，故考慮對三一盤區(qū)煤倉進行優(yōu)化；同時，三一盤區(qū)通風行人斜巷，傾角25°，施工難度大，巖巷工程量多，炮掘工藝進度緩慢，同時，人員在煤倉下口行走存在安全隱患，故綜合考慮，有必要對三一盤區(qū)通風行人斜巷進行優(yōu)化。

4 三一盤區(qū)(西部)巷道優(yōu)化方案

4.1 巷道優(yōu)化布置原則

1) 在舊巷改造前，必須及時對舊巷內(nèi)部及其周圍區(qū)域進行多方位勘探，查明積氣、積水情況，保證施工安全。如附近存在采空區(qū)或者廢棄舊巷，必須提前查明分布情況，同時對其關(guān)鍵部分進行注漿充填密實，保證安全的前提下進行舊巷刷擴改造。

2) 對于冗余工程(包括巷道、煤倉等)，在保證各系統(tǒng)正常運行的前提下，采用工程技術(shù)和經(jīng)濟類比的方法，對其進行優(yōu)化設(shè)計，盡量做到工程投資省、施工速度快。

3) 在確保施工質(zhì)量和施工安全的前提下，盡量改造利用既有舊巷，降低基建投資、縮短建井工期。同時，由于舊巷斷面一般較小，刷擴改造過程中必須保證巷道斷面滿足運輸、行人、通風、檢修等設(shè)計使用要求[4].

4.2 盤區(qū)巷道優(yōu)化布置方案

基于巷道優(yōu)化布置原則，在原設(shè)計的基礎(chǔ)上，針對原方案存在的弊端，提出了優(yōu)化設(shè)計方案。具體如下：

原設(shè)計方案中，三一盤區(qū)西專用回風巷服務于3號煤后期工作面回風，故針對該礦井投產(chǎn)驗收狀態(tài)，優(yōu)化去掉三一盤區(qū)西專用回風巷巷道工程。因此，三一盤區(qū)原設(shè)計中的3條大巷布置形式將優(yōu)化為2條大巷。其中：

1) 原設(shè)計中三一盤區(qū)西專用回風巷全部為刷擴巷道，對其進行功能調(diào)整，將其改為三一盤區(qū)西軌道進風巷使用，擔負3號煤層輔助運輸兼進風任務，并與9號煤軌道進風斜巷直接溝通。同時，為減少9號煤軌道進風斜巷巖巷工程量，將其坡度由原設(shè)計的8°調(diào)整至10°.

2) 同理，原設(shè)計中三一盤區(qū)西軌道進風巷全部為刷擴巷道，對其進行功能調(diào)整，將其改為三一盤區(qū)西膠帶進風巷使用。通過現(xiàn)場勘測，該舊巷可全部刷擴改造利用，可滿足膠帶主運輸和行人要求。

3) 改造后的三一盤區(qū)西膠帶進風巷與9號煤膠帶進風斜巷直接通過皮帶搭接，不再設(shè)置三一盤區(qū)煤倉存儲，不僅減少初期工程投資，還可減少煤炭轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)，提高運煤效率。另外，為實現(xiàn)與三一盤區(qū)西膠帶進風巷的順利搭接，將9號煤膠帶進風斜巷的坡度由原設(shè)計的5°調(diào)整至10°，以彌補三一盤區(qū)煤倉的高差需要。

4) 原設(shè)計方案中，三一盤區(qū)西膠帶進風巷為新掘巷道，優(yōu)化去掉該巷道。同時，原設(shè)計方案中，三一盤區(qū)煤倉附近的通風行人斜巷屬于冗余工程，優(yōu)化去掉，降低初期礦井投資。

5) 三一盤區(qū)西軌道進風巷和三一盤區(qū)西膠帶進風巷舊巷斷面均為梯形斷面，凈斷面8.85 m2，采用木棚支護，鑒于三一盤區(qū)西軌道(膠帶)進風巷原巷道支護斷面小，圍巖穩(wěn)定，為實現(xiàn)舊巷刷擴改造復用[5]，將三一盤區(qū)西軌道(膠帶)進風巷刷擴為矩形斷面4.50 m×3.0 m，采用錨索網(wǎng)噴支護方式，噴厚為100 mm，錨桿采用d20-M24-2400型左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，采用SKP17.8-1/1860-7300型錨索，間排距為1 600 mm×1 600 mm.

優(yōu)化設(shè)計后三一盤區(qū)(西部)巷道布置見圖2.三一盤區(qū)西軌道(膠帶)進風巷刷擴改造前后支護方式斷面圖見圖3，圖4.

5 兩方案技術(shù)、經(jīng)濟效果分析

通過對比優(yōu)化前后設(shè)計方案，對其技術(shù)、經(jīng)濟效果分析如下：

1) 降低初期投資、縮短建設(shè)工期。

為了便于對兩個設(shè)計方案經(jīng)濟比較，按照差異比較法對其工程量進行統(tǒng)計，兩個方案工程量統(tǒng)計對比表見表3.

圖2 優(yōu)化設(shè)計后三一盤區(qū)(西部)巷道平面布置示意圖

圖3 三一盤區(qū)舊巷支護斷面圖

由表3可知，優(yōu)化后的設(shè)計方案可節(jié)省：三一盤區(qū)西專用回風巷(煤巷)長度266 m，三一盤區(qū)煤倉(d4 m,長度25 m)掘進體積363 m3，三一盤區(qū)行人斜巷(巖巷)長度71 m，另外9號煤軌道進風斜巷和膠帶進風斜巷角度調(diào)大后，雖然總的工程量和原設(shè)計基本一致，但是巖巷工程量減少一半，施工速度將顯著提高。

根據(jù)潤東煤業(yè)井下巷道實際施工成本以及井巷工程消耗量定額[6]，新掘煤巷(三一盤區(qū)西專用回風巷，錨網(wǎng)索噴支護)單價約為10 227元/m，新掘巖巷(通風行人斜巷斷面、錨網(wǎng)索噴支護)單價約為11 011元/m，煤倉施工單價約為1 686元/m3，風橋單價約為10萬元/個。經(jīng)計算，優(yōu)化后的設(shè)計方案可節(jié)省初期井巷工程投資約為441.42萬元。

結(jié)合潤東煤業(yè)井巷實際施工進度指標和煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范巷道施工進度指標[7]，巖巷150 m/月、煤巷200 m/月、硐室500 m3/月。經(jīng)計算，優(yōu)化設(shè)計方案可縮短井巷建設(shè)工期約4.3個月(按照一個施工隊伍計算)。由此可知，方案優(yōu)化后，三一盤區(qū)(西部)巷道建設(shè)工期將大大縮短，約為原設(shè)計工期的40%.

2) 施工方便經(jīng)濟、安全可靠性高。

優(yōu)化后的三一盤區(qū)(西部)大巷均為舊巷改造利用，沿3號煤層底板布置，施工工藝方便快捷，同時舊巷內(nèi)的部分設(shè)施可回收復用，降低材料成本。另一方面，改造的三一盤區(qū)(西部)大巷周圍地質(zhì)條件較簡單，勘探程度較高，安全可靠性有保障，為舊巷改造創(chuàng)造了良好的外部條件。

3) 減少煤柱資源損失。

按照《礦井防治水規(guī)定》、《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，該礦新掘巷道單側(cè)大巷設(shè)計保護煤柱為30 m. 優(yōu)化設(shè)計后，三一盤區(qū)(西部)大巷均為舊巷改造復用，原有舊巷的保護煤柱最小安全距離為31 m>30 m，即可滿足煤柱留設(shè)要求，故設(shè)計不再新留設(shè)大巷煤柱，可減少3號煤煤柱損失，提高優(yōu)質(zhì)資源回收率，延長礦井服務年限[8].

圖4 三一盤區(qū)刷擴后巷道支護斷面圖

三一盤區(qū)西專用回風巷/m三一盤區(qū)通風行人斜巷/m9號煤軌道(膠帶)進風斜巷/m巷道合計/m三一盤區(qū)煤倉/m3風橋/個原設(shè)計方案266(煤巷)71(巖巷)990(巖)1 3273635優(yōu)化方案00497(巖)+497(煤)99402差 值26671-4(巖巷工程少)3333633

6 結(jié) 論

通過對三一盤區(qū)(西部)舊巷的充分利用，實現(xiàn)了舊巷與新巷的科學、有序銜接，優(yōu)化取消原設(shè)計中的333 m新掘巷道、一個盤區(qū)煤倉和3個風橋，節(jié)省井巷工程投資約441.42萬元，同時，優(yōu)化后的設(shè)計方案可縮短井巷建設(shè)工期約4.3個月，經(jīng)濟效果顯著。