復雜條件下千萬噸礦井科技減人提效研究與實踐

胡成軍

(中煤天津地下工程智能研究院，天津 300121)

國家安全生產監管總局“安監總廳科技〔2017〕8號”文件《關于印發<單班入井超千人礦井科技減人工作方案＞的通知》，指出一些單班入井人數超過千人的礦井（以下簡稱千人礦井）應通過深入開展“機械化換人、自動化減人”工作，制定科技減人實施方案，確保單班下井人員減少到千人以內，提升安全生產基礎保障能力。我國48座千人礦井大多從降產、改造生產系統、升級技術裝備、提升管理能力及優化崗位配置等方面采取措施來減少單班下井人員數量，但未系統地梳理礦井各系統存在的問題，實施方案針對性不強，減人效果一般，仍有部分礦井未解決單班入井超千人難題，安全風險依然較大。

1 工程概況

劉莊煤礦位于安微省潁上縣，核定生產能力為11.40Mt/a，屬華東兩淮地區特大型礦井。井田東西走向長度約16km，南北寬度3.5～8.0km，共發現斷層315條，有13層可采煤層，埋藏最深達1200m，間距小，傾角大，圍巖條件差，水文地質條件復雜，為煤與瓦斯突出礦井。采煤工作面機械化程度雖達到100%，但自動化水平偏低。巷道地壓較大，巷道支護要求高，綜掘機械化程度僅為68%，支護工序占用時間多，月單進水平低，掘進工作面最多時平均每月32個。巷道失修工程量大，巷修機械化程度低。井下輔助運輸采用防爆蓄電池電機車、滾筒絞車、連續牽引車等多種方式，轉載環節多，效率低。井下主運輸系統、供配電系統及信息化系統點多面廣。防治瓦斯與水害工程量大，鉆機臺效偏低。

2 減人提效關鍵技術研究與應用

2.1 開拓開采設計優化

本井田內斷層較多，對井田開拓、采區劃分、采區巷道及回采工作面布置影響較大。礦井開拓工程量大，工作面推進長度短，不規則塊段巷道布置困難。采用了相鄰近距離煤層聯合布置大巷開拓、利用大巷老巷復用、加大工作面長度及L型轉采等多種優化方式，從設計源頭減少巷道工程量。

2.2 生產系統優化

2.2.1 建立煤矸共運系統

基于運矸系統不完善、煤矸混運主井提升負擔重、煤質差、煤炭洗選量大等問題，采取了以下幾項主要優化措施：

（1）各采區在與大巷連接處施工矸石倉，巖巷掘進工作面在膠帶機頭部設置矸石窖，臨時儲存矸石。

（2）施工大巷和井底運煤運矸系統聯絡通道鋪設轉載機，在煤倉上口設置分流裝置，掘進矸石由運煤膠帶運至煤倉上口，通過分流裝置轉載至矸石膠帶機，最終通過矸石井提升至地面。

（3）順槽掘進及回采工作面過斷層期間產生的矸石，分割分運，在出矸時間將矸石集中運輸。

（4）統一調度，制定專門出矸時間段集中運矸。

2.2.2 推廣應用采區單軌吊連續運輸系統

通過在采區推廣應用單軌吊機車，改造單軌吊機車及吊梁，整體運輸31.5t、35.8t、47.5t重型液壓支架及其他設備，從而實現井下運輸過程連續化，減少轉載環節，提高輔助運輸效率，減少崗位人員。

2.3 采掘布局優化

通過加大工作面長度，充分發揮大功率綜采設備優勢，提高單個工作面生產能力；同時，減少同時生產采區個數，以兩個采區保一條回采作業線，實現集約化生產。

2.4 生產工藝優化

2.4.1 綜采設備快速回撤工藝及配套裝備

（1）創新性研究應用了“單軌吊+無坑木+機械手+柔性掩護式預留回風通道”新型成套回撤工藝，即采用鋼絲繩配合高強聚酯纖維柔性網鋪網，利用采煤機進行回撤通道刷擴收作，原有綜采支架支撐頂板，掩護相鄰支架回撤，使用機械手牽引出架，單軌吊運輸整體支架至吊裝間解體。新型成套回撤工藝流程如圖1所示。

圖1 綜采設備新型成套回撤工藝流程圖

（2）采用了TYA300型液壓支架調移裝置快速安裝支架工藝，即采取單軌吊將支架直接運輸至調移平臺上方，利用裝置中的牽引油缸將液壓支架調向90°，待調向完成后使用推移油缸將支架推移至安裝位置。

（3）采用TYH300型液壓支架調移裝置(俗稱“機械手”)配合掩護支架快速回撤工藝。機械手由左右兩個旋轉油缸、一個內臂油缸和一個提升油缸組成，通過基座和底梁固定在掩護支架推移梁上。使用時用乳化泵對各油缸加壓，形成推移、旋轉和提升動作，從而將待撤支架拉出。最后經過絞車配合支架自拉調向，單軌吊起吊運出支架，極大地提高了支架的撤除進度。

2.4.2 快速巷修工藝及配套裝備

（1）為解決巷道失修嚴重及反復修護難題，提出了“以注代修”的巷道修護理念，積極探索應用深淺孔聯合注漿工藝，即“淺孔充填注漿+深孔加固注漿”，對軟巖與構造破碎層進行加固。

（2）應用了具有挖掘水溝、臥底、破巖、清理浮煤等多種功能的WPZ-45/400型煤礦用巷道修復機。

2.4.3 瓦斯抽采工藝及配套裝備

（1）在瓦斯涌出量較小區域，每隔80m布置一個高位鉆場，代替高抽巷，減少瓦斯治理巷道工程量。高位鉆場布置如圖2所示。

（2）在瓦斯涌出量較大區域，采用千米定向鉆機施工長距離大孔徑鉆孔代替高抽巷。

（3）采用鉆進能力更強的履帶式鉆機設備，提高打鉆、移鉆效率，以提高鉆機臺效。

圖2 高位鉆場布置圖

2.5 推進礦井“四化”建設

2.5.1 綜采工作面智能化開采

本著“少人”的原則，通過采用綜采工作面智能控制技術和可視化遠程干預控制技術，應用電液控制系統并完善配套系統，實現割煤、推溜、運輸等工藝過程自動化、智能化，具體如下：

（1）對采煤工作面增加電液控配套在線視頻監控系統、智能泵站系統和自動配比裝置監控系統。

（2）在采煤機和液壓支架上安裝紅外發射、接收裝置，定位采煤機的位置，實現采煤機與液壓支架之間的連鎖，從而實現自動移架。

（3）在液壓支架上安裝礦用本安型高清網絡攝像機，實時了解工作面現場情況。

（4）在順槽設備列車處設置礦用網絡交換機，采集工作面視頻信號、控制信號等信息。

2.5.2 巷道快速掘進及配套裝備

（1）針對綜掘工作面支護工序占用時間多的問題，通過采用全液壓錨桿錨索鉆車，降低工人勞動強度，提高綜掘支護工序效率。

（2）引進以掘錨機為核心的煤巷快速掘進成套系統裝備，實現“掘支運”一體化平行連續作業。

2.5.3 主運輸系統智能集控

通過采用智能感知、故障診斷、自動控制等技術，應用輸送機智能保護系統、智能調速系統，代替固定人員值守，實現主運輸系統的智能集控。

2.5.4 大型固定設備無人值守

通過采用智能監測、自動控制技術和遠程監控信息平臺，對主排水泵增設綜合自動化監控系統，變電所、配電室設置電力監控分站，代替人工井下現場值守，實現主排水泵房無人值守。

2.5.5 信息化系統智能監測

通過采用多信息融合、嵌入式實時分析、故障診斷等技術，應用激光型瓦斯傳感器、智能防塵系統、礦壓在線監測系統及改造控制網絡，實現設備、環境等智能監測與管理。

3 實施效果

3.1 礦井萬噸掘進率

通過采取開拓布局、采區設計優化及加大工作面等技術手段，大大減少了大巷、石門、采區巷道、工作面巷道工作量，在保持煤炭產量基本穩定的前提下，礦井萬噸掘進率由34.91m/萬t降至16.91m/萬t，減少了18m/萬t。

3.2 煤炭洗選量

建立煤矸共運系統后，從井下源頭對混入煤流系統中的矸石進行分流，提高了源頭煤質，煤炭洗選量由560.06萬t降至30.89萬t。

3.3 采掘作業線

（1）綜采工作面個數。原安排三條生產線作業保證礦井11.4Mt/a產量，隨著單面生產能力的提高，生產線降至兩條，實現了復雜條件下千萬噸礦井“一井兩面”生產布局。

（2）掘進工作面個數及工程量。隨著年掘進進尺工程量的下降，掘進工作面個數也逐年減少，共減少了18個。

3.4 綜采設備安撤效率

（1）在111101、171305等工作面成功推廣應用了“單軌吊+無坑木+機械手+柔性掩護式預留回風通道”新型成套回撤工藝，較傳統“慢絞+裝車平臺+點柱、木垛支護回風通道”回撤工藝，回撤一架支架節省了55min，回撤效率是原來的2.2倍。

（2）151103工作面在液壓支架安裝中采用了液壓支架調移裝置安裝工藝。經測算，安裝一臺液壓支架僅需要2.5h，安裝效率是原來的2倍。

3.5 快速巷修工藝及配套裝備

通過全面應用“淺孔充填+深孔加固”聯合注漿修護工藝，有效降低巷道失修率，解決了巷道反復修護難題，巷道修復工程量逐年下降，2017年與2013年相比降低了5928m。

3.6 減人總體效果

（1）全礦總人員。全礦減員4495人，減幅46.96%。其中井下減員4289人，減幅達52.32%；地面減員206人，減幅16.95%。

（2）單班入井人員。全天入井總人數2742人，單班最大入井人數979人，全天入井總人數減少2522人，單班最大入井人員減少1221人。

4 經濟效益分析

全員工效提高了3.2t/工·d，原煤直接生產成本降低了106.45元/t，已累計降低成本16.78億元，增加凈利潤13.93億元，今后每年利潤總額增加4.83億元，年凈利潤增加3.62億元，經濟效益十分顯著。

5 結 論

劉莊煤礦采區向遠部、深部延伸，需人更多，在維持產量穩定的情況下，依靠科技創新，多措并舉，實現全礦總人數、單班入井人數不增反減，解決了復雜條件下千萬噸礦井單班入井超千人的難題，化解了井下人員多伴生的安全風險，提升了企業安全生產基礎保障能力，實現了減人、增效、強安多重功效。