三道溝煤礦八盤區北翼設計優化與應用

高林君

(國家能源集團三道溝煤礦，陜西 榆林 719407)

0 引言

煤炭一直在我國經濟中占據著重要地位，近幾年隨著煤炭落后產能的退出，煤炭價格不斷上升，煤炭資源的回收及開采直接影響礦井的經濟效益。合理的盤區設計，實現集約化生產成為一個礦井最大限度提高經濟效益必不可少的基礎條件[1-3]。三道溝煤礦在原八盤區設計的基礎上進行認真研究，反復論證，對盤區工作面設計進一步優化，從而降低了巷道掘進率，減少設備投入免除不必要的礦務工程。設計方案最大程度減少壓煤，科學、合理布置提高資源利用率，設計方案要充分利用現有井下開采系統，盡量減少投資，控制成本，把八盤區建設成投資小，工期短，安全可靠、高產、高效的盤區。

1 工程背景

1.1 礦井概況

礦井位置及儲量：三道溝煤礦位于陜西省榆林市府谷縣西北部，東距縣城約45 km，西距新街約60 km，南距榆林約180 km，北距東勝約180 km，交通便利。三道溝煤礦是陜西神府礦區新民開采區總體規劃的9個大中型礦井之一，屬國家規劃的陜北能源化工基地重點建設項目，井田面積約176.134 6 km2，地質儲量15.42億t，工業儲量14億t，可采儲量9.27億t，煤炭資源豐富，礦井設計生產能力500萬t/年。礦井主采5-2上、5-2煤層，為特低灰、特低硫、特低-低磷、中高發熱量的優質工業動力用煤，礦井原煤經分級篩選，100 mm以上經人工撿矸后供民用或綜合利用，不足100 mm的均破碎至25 mm以下供給配套電廠。

礦井布置：根據井田資源、地面場地選擇、煤層賦存等綜合條件，礦井采用平硐開拓，單水平開拓全井田，布置主平硐、副平硐、大路墕回風斜井和樸牛圪塔回風斜井4個井筒，在5-2煤層沿主、副平硐布置一組大巷貫穿整個井田，3條大巷間距50 m，中間一條為膠帶輸送機大巷、長度11 214 m，另外2條分別為輔助運輸大巷和回風大巷，分別長11 164 m、6 935 m。礦井主運輸采用2部帶式輸送機搭接運輸，輔助運輸采用無軌膠輪車運輸，礦井主、輔運輸系統簡單。

1.2 煤層及盤區概況

煤層概況：5-2煤層為礦井主要可采煤層，普遍含夾矸1層，個別地段2層，夾矸厚0.03～0.52 m，巖性以炭質泥巖和泥巖為主，細砂巖少量。煤層的頂板巖性以粉砂質泥巖和泥巖為主，少量為粉砂巖、中粒砂巖和炭質泥巖；底板主要為粉砂質泥巖、泥質粉砂巖，次為泥巖和炭質泥巖，個別為中粒砂巖。煤層與其頂底板為明顯接觸，局部頂板為沖刷接觸。煤層層位穩定，全區可采，厚度大，由四周向中部逐漸增厚的變化規律明顯，結構簡單，煤類主要為不粘煤，灰分、硫分穩定，屬穩定型的中-厚煤層。

盤區概況：八盤區位于5-2煤(與5-2上煤合層線向西)，為雙翼盤區，大巷在盤區中部布置，盤區走向6.7 km，傾向3.8 km，其中北翼南北向3.2 km，東西向3.8 km，盤區地層產狀平緩，傾向南西，傾角平緩，一般小于1°，無大的斷裂及褶皺發育，無巖漿活動痕跡，地質構造簡單，盤區內煤層厚度6.03～6.95 m，平均6.51 m，距煤層底板1.6 m處普遍含夾矸一層，局部區域中上部含一層夾矸，巖性為褐黃色泥巖，厚度0.1～0.22 m，為穩定煤層。地表有大石一級公路從八盤區北翼中部東西向穿過，距開采煤層垂距約82～141 m，為府谷縣的主要經濟大動脈，大石公路沿線設有橋梁、涵洞、擋土墻等建筑物，對開采沉陷損害較為敏感，地下開采容易引起上覆巖層移動和地表沉陷，使公路路面、路基發生變形甚至破壞[4-6]。為了保證公路的安全使用，在儲量核實報告資源壓覆計算時，自公路中心線向兩側各推80 m作為保護煤柱，壓覆井田內資源儲量1 849萬t，壓覆資源進行備案，按照國家規定不得隨意開采，受大石公路影響，將八盤區北翼再次劃分為南北2部分，導致原設計的工作面走向變短，公路北煤炭資源缺少開采系統，嚴重打破了總體生產布局。

1.3 采掘工作面情況

八盤區采掘工作面基本情況，工作面采用三巷式布置，分別為工作面膠運順槽凈斷面6.0 m×4.0 m、輔助運輸順槽和回風順槽凈斷面6.0 m×4.0 m，巷道均為矩形斷面，采用錨桿加錨索加鋼筋網聯合支護。工作面主要配備有JOY7LS8型采煤機，ZY18000/32/70D型掩護式液壓架，SGZ1350/3×1500型刮板送輸機及配套的SZZ1350/700型轉載機、HB-SK11-18型破碎機各一套，DSJ160/400/4×500型可伸縮帶式輸送機1部。工作面膠運順槽超前支護距離為20 m，采用ZC8000/31/50型超前支架配合單體液壓支柱加強支護；回風順槽超前支護距離為20.3 m，采用ZC16000/31/50型超前支架2組。全區采用走向長壁一次采全高綜合機械化采煤法，全部垮落法管理頂板。掘進工作面采用連續采煤機掘進，工作面主要配備JOY12CM27-11D型連續采煤機，JOY10SC32BC梭車，GPL460/150破碎機，DSJ1000/100/1×160型可伸縮帶式輸送機，CMM4-25型四臂錨桿機，FBD№6.3/2×30局部通風機等設備，巷道采用錨網索聯合支護。

2 盤區優化

為減小大石公路壓覆對礦井生產影響，需要調整工作面開采方案，經研究分析對比提出了2套布置方案，分別為設計方案(設計院)和優化方案。

2.1 盤區優化原則

大石公路嚴重打破了三道溝煤礦的整體規劃，工作面縮短，搬家倒面次數增加，主輔運輸、通風距離加長、掘進巷道工程量增加，煤柱留設增多、煤炭資源浪費。因此需對三道溝煤礦八盤區北翼工作面布置方案進行優化，主要是優化盤區工作面布置，簡化通風、運輸、排水系統，提高各系統的安全和可靠性，降低生產成本，提高礦井效益。減少巷道掘進工程量，降低噸煤掘進率、節約生產成本，緩解礦井采掘接續緊張。通過精準留設保護煤柱，減少大石公路壓覆造成的資源損失，提高煤炭資源回收率，增加企業經濟效益，實現可持續發展。

2.2 原八盤區北翼設計

盤區集中巷掘進：在八盤區邊界以0°方位，掘進3條盤區集中巷(分別為集中輔運巷、集中膠運巷、集中回風巷)至井田北邊界位置，集中巷分別與5-2煤輔運大巷、膠運大巷、回風大巷相連，交叉處通過風橋連接，需要掘進巷道11 480 m。

膠帶機敷設：在集中膠運巷敷設一條長3 200 m的膠帶機與5-2煤膠運大巷垂直搭接，作為主運輸系統。

工作面布置：八盤區北翼，公路南側資源采用條帶式開采、工作面垂直大巷布置南北走向布置，共計布置6個工作面，工作面傾向300.5 m，走向1 742～2 155 m。大石公路北側資源采用盤區集中式布置，工作面垂直與盤區集中巷，東西走向布置，共計布置工作面3個，其中1個為刀把工作面，工作面傾向300.5 m、走向1 998 m。受大石公路不規則彎曲布置影響，形成邊角煤資源約156.6萬t，無法布置長壁綜采回采，如需要回采只能布置短壁工作面進行殘采，以降低資源損失。如圖1所示。

圖1 盤區式布置示意

2.3 優化后的方案

工作面采用條帶式布置，順槽巷道垂直大巷南北布置，八盤區北翼共計可布置6個工作面，工作面走向長度為3 180 m，傾向長度300 m，工作面推進方向由北向南，在經過大石公路保護煤柱時開掘回撤通道和切眼，利用跳采工藝通過盤區累計增加搬家倒面2次，需多掘回撤通道及切眼2 400 m。工作面巷道直接與5-2煤輔運大巷、5-2煤膠運大巷、5-2煤回風大巷相連，順槽膠帶輸送機與大巷皮帶直接搭接，運輸、輔助運輸、通風、供排水系統簡單、距離短，工作面屬于俯采主運輸、排水阻力小，節能降耗突出。條帶布置如圖2所示。

圖2 條帶布置示意

3 方案對比與實際收益

3.1 方案比較

技術比較：①首先原設計方案增加了巷道工程量7 840 m，北側工作面留設了2道保安煤柱，損失煤量59萬t；北翼共計可布置9個工作面需要10次搬家倒面(含1個縮面)；大石公路北側工作面各系統距離加長、不易于安全管理；大石公路曲線段留設保護煤柱無法用長壁采煤法回收，短壁采煤法資源回收率低，通風條件差、安全風險高、投入大[7-11]。②優化后設計由盤區式開采改為條帶式，工作面數量減少至6個，機頭硐室、風橋減少，去除了盤區集中巷的掘進，避免了不規則區域煤柱損失，提高了資源回收率，簡化了掘進、運輸、通風、供排水等系統，增加了搬家倒面2次。

回采煤量比較：①原設計方案。綜采工作面回采面積474.3萬m2，回采煤量4 038萬t，短壁工作面面積達26萬m2，儲量239萬t，在厚煤層中按資源回收率40%計算，采出煤量95.7萬t，累計采出煤量4 134.6萬t；掘進完成全部資源需要掘進巷道66 975m，萬噸掘進率為16.58 m。②優化后方案。通過地表沉陷觀測和工作面調斜技術相結合，將切眼、回撤通道走向盡可能與大石公路走向平行布置，減少保護煤柱留設，使得回采面積達502.4萬m2，回采煤量4 278.3萬t，去除了邊角煤區域，較原設計多回收資源143.6萬t，圈出全部資源需要完成巷道掘進58 374 m，萬t掘進率為13.64 m。

經濟比較：優化后方案較原設計多回收資源143.6萬t，采出率提高3.4%，按噸煤利潤120元計算，增加凈利潤17 240萬元；優化后減少巷道掘進8 601 m，萬t掘進率降低2.94 m，按每米巷道平均掘進成本6 200元計算，可節約5 332.6萬元；減少機頭硐室掘進及膠帶安裝4次，每次費用約580萬元，可節約2 320萬元；減少新購置膠帶機1部，節約費用1 500萬元，減少工作面回風順槽和盤區集中回風巷風橋4組，每組費用120萬元，可節約480萬元；搬家倒面增加2次，每次1 420萬元，需增加投資2 840萬元。綜合以上直接經濟對比，優化后方案增加效益24 032.6萬元，同時減少長距離運輸、通風、供排水、巷道維護、供電、輔助運輸等成本。

3.2 實際收益

八盤區北翼按照優化方案組織施工，目前已完成85203、85204綜采工作面掘進、回采，實際效益明顯，具體如下。

回采煤量：2017—2019年，三道溝煤礦依次完成85203-1、85203-2、85204-1、85204-2綜采工作面的回采，完成了4次搬家倒面，回采周期平均6個月，綜采工作面實際累計回采煤炭1 385.2萬t，較優化方案增加了40.4萬t，凈利潤較方案值增加4 848萬元。

掘進進尺方面：統計每個工作面掘進的全部巷道進尺，平均為9 820 m，圈出可采煤量724萬t，掘進率完成13.56 m，較原設計方案降低了3.02 m，與優化后設計方案基本持平。

搬家倒面：減少了機頭硐室掘進、基礎施工、膠帶機安裝，節約費用580萬元，搬家倒面費用平均每次增加473萬元。

綜上所述，三道溝煤礦應用優化方案對煤炭回采、巷道掘進等方面進行驗證，每個工作面綜合成本降低，實際收益大于預期。

4 結語

通過盤區工作面優化設計，生產系統簡單合理、安全可靠，礦井正常生產接續得到了保證，降低了采掘比。壓覆資源得到了最大回收，采出率提高、工作面生產能力得到了最大釋放，礦井收益增加。經技術經濟比較，最終確定八盤區北翼受大石公路壓覆影響的開采方案，為三道溝煤礦安全高效生產提供重要的技術保障。