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(jīng)過60 多年的不斷發(fā)展和完善，綜采技術(shù)裝備日益成熟[1]，工作面單產(chǎn)越來越高，從1990 年百萬噸工作面生產(chǎn)礦井已發(fā)展為現(xiàn)在的千萬噸工作面生產(chǎn)礦井。在國內(nèi)[2]，隨著機械化開采水平的快速發(fā)展，綜采面生產(chǎn)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(yīng)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(qū)積水、火區(qū)分布情況復(fù)雜，開采區(qū)域煤柱留設(shè)情況復(fù)雜，開采區(qū)覆巖平衡結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜等，形成了復(fù)雜的開采區(qū)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(xiàn)代化礦井發(fā)展模式的基礎(chǔ)上，對下伏石炭系特厚煤層開采進(jìn)行千萬噸礦井優(yōu)化設(shè)計，方案體現(xiàn)無軌膠輪運輸和現(xiàn)代化機械裝備優(yōu)勢，實現(xiàn)集中開發(fā)、安全高效生產(chǎn)。

1 石炭系科學(xué)產(chǎn)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(shè)了15 個礦井進(jìn)行開采。同煤集團(tuán)從20 世紀(jì)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(dāng)時我國煤炭開發(fā)理念，石炭二疊系資源的開采應(yīng)在原侏羅系礦井基礎(chǔ)上分別向下延深，建設(shè)5～6 個400 萬t 石炭二疊系礦井。這一開發(fā)模式難以建設(shè)安全、高效的大型現(xiàn)代化生產(chǎn)礦井。同煤集團(tuán)基于石炭二疊系煤炭資源賦存特點和煤炭工業(yè)發(fā)展趨勢的判斷，提出對石炭二疊系大型煤炭資源進(jìn)行整體規(guī)劃和集中開發(fā)的思路，充分吸取國內(nèi)外安全高效大型礦井建設(shè)和生產(chǎn)的成功經(jīng)驗，打破了侏羅系礦井向下延深的傳統(tǒng)模式，對石炭二疊系煤炭資源進(jìn)行單獨規(guī)劃和布局，提出了建設(shè)特大型現(xiàn)代化安全高效礦井的目標(biāo)。

針對同忻礦區(qū)的資源環(huán)境、機械化水平以及煤炭賦存儲量，從煤層科學(xué)產(chǎn)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(chǎn)千萬噸的能力。

科學(xué)產(chǎn)能[4]是礦井綜合能力的體現(xiàn)，指在保證持續(xù)發(fā)展儲量的前提下，用科學(xué)、安全和環(huán)境友好的方法，將煤炭資源最大限度采出的礦井產(chǎn)能。科學(xué)產(chǎn)能必須滿足環(huán)境容量、安全生產(chǎn)、機械化開采要求，其中機械化開采要求應(yīng)根據(jù)開采煤層賦存條件而定，不能一概而論。

同忻礦在滿足科學(xué)產(chǎn)能要求的前提下，按照《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范》 (GB 50215-2005)中煤炭產(chǎn)能的方法估算，即區(qū)域煤炭產(chǎn)能=保有資源儲量×區(qū)域煤炭采出率/(服務(wù)年限×儲量備用系數(shù))。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(shù)取1.4，按礦井生產(chǎn)能力10.0 Mt/a 計算，礦井服務(wù)年限可達(dá)80 a。豐富的煤炭資源為建設(shè)同忻千萬噸特大型現(xiàn)代化礦井奠定了良好的資源條件。并基于同忻礦區(qū)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(wěn)定，傾角平緩，水文地質(zhì)條件簡單，瓦斯含量小，構(gòu)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(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

2.1 千萬噸礦井開拓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

2.1.1 同忻井筒設(shè)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?？紤]到千萬噸產(chǎn)能的運輸和提高輔助運輸系統(tǒng)效率，設(shè)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(shè)計為斜井，副井設(shè)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(shè)計為5°8′，副斜井傾角設(shè)計為1°43′6″ (3%)～4°34′ (8%)，井筒斜長每800 m(8%)設(shè)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(qū)北一和北二盤區(qū)交界處，3-5 號煤和8 號煤通過煤倉進(jìn)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(shè)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(fā)，礦井盤區(qū)劃分和接續(xù)設(shè)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(hù)巷煤柱量；②在各保安煤柱間，盡可能把盤區(qū)尺寸規(guī)劃得大一些，保證回采工作面有合理的推進(jìn)長度和接續(xù)區(qū)段數(shù)量；③初期開采盤區(qū)回采工作面推進(jìn)方向及長度盡可能不受上覆侏羅系未采煤層的影響。

根據(jù)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(nèi)的鐵路、斷層及村莊保護(hù)煤柱，從而實現(xiàn)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(hù)；消除了內(nèi)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(jù)井田內(nèi)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(qū)，其中一水平和二水平分別有3 個盤區(qū)，即一水平和二水平的北一、北二、北三盤區(qū)。北一盤區(qū)為單翼盤區(qū)，北二和北三盤區(qū)為雙翼盤區(qū)。依據(jù)同忻井田煤炭資源賦存特點和上覆侏羅系礦井生產(chǎn)的實際情況，將礦井一水平和二水平的北一盤區(qū)大巷基本上沿走向布置；一水平和二水平的北二、北三盤區(qū)大巷基本上沿傾斜布置。這種布置不僅考慮了位于投產(chǎn)的北一和北二盤區(qū)上部侏羅系生產(chǎn)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(qū)工作面連續(xù)推進(jìn)長度達(dá)3 300 m～4 600 m。

同忻礦井北一盤區(qū)位于1070 大巷北側(cè)，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(qū)直接利用3 條1070 大巷作為盤區(qū)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(jìn)。開拓系統(tǒng)布置見圖1。礦井達(dá)產(chǎn)時，在北一盤區(qū)投產(chǎn)一個綜放工作面和一個連掘工作面，年產(chǎn)量10.0 Mt；在北二盤區(qū)投產(chǎn)一個掘進(jìn)工作面，年產(chǎn)量1.0 Mt。合計達(dá)到礦井設(shè)計生產(chǎn)能力11.0 Mt/a。

圖1 同忻礦開拓系統(tǒng)布置

2.2 千萬噸礦井開采系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

2.2.1 準(zhǔn)備系統(tǒng)設(shè)計

為了提高礦井生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)，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(tǒng)的盤區(qū)石門、盤區(qū)煤倉等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，提高了主運和輔運的效率。同忻礦北一盤區(qū)內(nèi)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(qū)內(nèi)煤層傾角較小，一般3°～10°，根據(jù)盤區(qū)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(qū)大巷的位置布置。由于盤區(qū)大巷布置在盤區(qū)西側(cè)，盤區(qū)內(nèi)工作面進(jìn)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(jìn)風(fēng)順槽和回風(fēng)順槽通過聯(lián)絡(luò)巷分別與盤區(qū)輔助運輸大巷、回風(fēng)大巷連通，形成完整的采區(qū)開采系統(tǒng)。

北二盤區(qū)南北長平均4.8 km，東西寬平均3.8 km，面積約18.2 km2。盤區(qū)地面有3 處村莊需要留設(shè)煤柱，均處于盤區(qū)邊界，對開采布置影響不大。盤區(qū)內(nèi)布置一個大采高綜采工作面，初期主要開采3-5 號煤層。考慮到盤區(qū)內(nèi)煤層傾角為3°～10°，設(shè)計確定直接利用3-5 號煤北二盤區(qū)大巷進(jìn)行回采。根據(jù)盤區(qū)形狀，大致沿垂直于盤區(qū)大巷的方位布置回采巷道。由于盤區(qū)大巷布置在盤區(qū)南側(cè)，盤區(qū)內(nèi)工作面進(jìn)行單翼開采。采區(qū)內(nèi)開采系統(tǒng)與支護(hù)等與北一盤區(qū)相似。

2.2.2 回采系統(tǒng)設(shè)計

8100 工作面位于3-5 號煤層北一盤區(qū)，西以北一盤區(qū)3 條盤區(qū)大巷保護(hù)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(jìn)。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(jìn)度6.4 m。

圖2 8100 工作面巷道布置

3 千萬噸礦井運輸系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

3.1 主斜井運輸系統(tǒng)設(shè)計

煤礦運輸系統(tǒng)是礦井實現(xiàn)高產(chǎn)高效的必要條件[6]。根據(jù)國內(nèi)高產(chǎn)高效礦井生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，帶式輸送機運輸方式與其他運輸方式比較，系統(tǒng)簡單、中間環(huán)節(jié)少、運量大、操作簡單、用人少、效率高、安全可靠；易于實現(xiàn)自動化控制，能夠充分發(fā)揮綜采設(shè)備的生產(chǎn)潛力等。結(jié)合同忻礦煤層開采技術(shù)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(shè)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(yīng)用比較普遍，技術(shù)相對成熟，但是存在搭接硐室開拓及支護(hù)較為困難，帶載停機時易造成轉(zhuǎn)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(fā)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(qū)動組成的運輸系統(tǒng)技術(shù)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(xiàn)場使用證明，該機總體性能參數(shù)和功能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，滿足現(xiàn)場生產(chǎn)使用要求。

DTL180 帶式輸送機主要技術(shù)參數(shù)：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(shù)7.7。

3.2 輔助運輸方式優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)我國高產(chǎn)高效礦井輔助運輸方式使用現(xiàn)狀，結(jié)合本礦井煤層厚、傾角緩、大巷沿煤層布置的特點，設(shè)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(tǒng)輔助運輸方式的弊端，解決了一部分輔助運輸制約生產(chǎn)能力的問題，大幅提高了運輸效率和礦井生產(chǎn)能力，支撐了工作面長距離推進(jìn)，為礦井大型化創(chuàng)造了條件；改善了安全環(huán)境，為安全生產(chǎn)提供了保障，降低了輔助運輸成本，在同忻礦的生產(chǎn)實踐中取得了比較好的成效。

4 結(jié)論

(1)針對石炭二疊系煤層賦存特點和煤炭技術(shù)發(fā)展趨勢，提出了石炭二疊系大型煤炭資源整體規(guī)劃和集中開發(fā)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(fā)體系。對石炭二疊系煤層的科學(xué)產(chǎn)能分析表明，同忻礦千萬噸產(chǎn)能設(shè)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(yōu)化設(shè)計方案，實現(xiàn)了年產(chǎn)千萬噸的目標(biāo)，系統(tǒng)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(xiàn)“一柱多用”，減少煤柱損失。準(zhǔn)備巷道布置在煤層中，基本不掘巖巷，實現(xiàn)了無巖巷布置。根據(jù)生產(chǎn)需要，將同忻井田劃分為6 個盤區(qū)，盤區(qū)間以大巷和斷層為界，推進(jìn)了井田、盤區(qū)的大型化，使礦井設(shè)計生產(chǎn)能力達(dá)到11.0 Mt/a。

(3)同忻礦研發(fā)了DTL180 大運量高帶速強力帶式輸送機，運輸系統(tǒng)采用了一條輸送帶、機頭和中間共同驅(qū)動的技術(shù)方案，滿足了現(xiàn)場生產(chǎn)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(chǎn)能力和運輸效率，保障了礦井安全生產(chǎn)。

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

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