淺談柳塔煤礦二水平2-2煤開采設(shè)計(jì)優(yōu)化

王 林

(神東煤炭集團(tuán)鄂爾多斯市神東工程設(shè)計(jì)有限公司，陜西 神木 719315)

0 引言

柳塔煤礦位于神東基地神東礦區(qū)，行政隸屬內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮(zhèn)，井田面積21.41 km2，生產(chǎn)能力3.0 Mt/a。該礦始建于1988年，1990年10月建成規(guī)模3 Mt/a的礦井。礦井生產(chǎn)期間，經(jīng)過多次技術(shù)改造，2008年核定生產(chǎn)能力30 Mt/a。礦井采用斜井-平硐聯(lián)合開拓布置，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸系統(tǒng)皮帶化、輔助運(yùn)輸膠輪化、生產(chǎn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動化控制和安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)自動化。

1 礦井現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)

柳塔煤礦位于東勝煤田，共有煤層23層，主要可采煤層8層，根據(jù)各煤層的層位關(guān)系，分成5個(gè)水平，第一水平為礦井現(xiàn)在生產(chǎn)水平的1-2煤及1-2上煤，標(biāo)高+1 120 m；第二水平為2-2煤，標(biāo)高為+1 085 m；第三水平為3-1上煤及3-1煤，標(biāo)高為+1 060 m；第四水平為4-2煤，標(biāo)高為+1 030 m；第五水平為5-1煤及5-2煤，標(biāo)高為+990 m。

礦井采用斜井多水平開拓方式，現(xiàn)有3個(gè)工業(yè)場地。主工業(yè)場地位于井田西南邊界，布置有主斜井，井筒傾角15°，斜長265 m，擔(dān)負(fù)全礦井的煤炭運(yùn)輸任務(wù)，井筒內(nèi)裝備帶寬1.2 m鋼絲繩芯膠帶輸送機(jī)，敷設(shè)有消防灑水管、通訊信號電纜等。副井工業(yè)場地位于井田中部，布置有3條井筒，分別為輔運(yùn)平硐、1#進(jìn)風(fēng)斜井和2#進(jìn)風(fēng)斜井，輔運(yùn)平硐表土段傾角6°，基巖段傾角5°，長度1 229 m，采用無軌膠輪車運(yùn)輸；1#進(jìn)風(fēng)斜井傾角25°，斜長218 m；2#進(jìn)風(fēng)斜井傾角21°，斜長332 m。風(fēng)井工業(yè)場地位于副井工業(yè)場地南側(cè)，布置回風(fēng)立井，擔(dān)負(fù)礦井回風(fēng)任務(wù)，井深141 m。

礦井開采一水平1-2煤時(shí)在井田中部實(shí)際揭露一斷距約為25 m的斷層，以該斷層為界將井田劃分為2個(gè)盤區(qū)，即斷層?xùn)|翼為一盤區(qū)，斷層西翼為二盤區(qū)。1-2煤運(yùn)輸、輔運(yùn)、回風(fēng)3條大巷在井田中部沿1-2煤層西北-東南方向布置，2-2煤層3條大巷與1-2煤層3條大巷重疊布置。井下主要硐室有中央變電所、主排水泵房及水倉，設(shè)于輔運(yùn)平硐井底；1-2煤層在東、西部設(shè)盤區(qū)變電所、水泵房及水倉、消防材料庫等；2-2煤層在一盤區(qū)建成2-2煤中央變電所、主排水泵房及水倉、加壓泵房、永久避難硐室等。

現(xiàn)在礦井正在回采1-2煤層，布置1個(gè)綜合機(jī)械化采煤工作面、2個(gè)連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)工作面，年生產(chǎn)能力為3.0 Mt。

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化的必要性

柳塔煤礦目前正在1-2煤開采，根據(jù)1-2煤剩余資源量和礦井接續(xù)安排，預(yù)計(jì)2018年年底回采完畢，屆時(shí)一水平1-2煤層的綜采工作面全部回采完，將接續(xù)二水平2-2煤層。2011年12月神東煤炭集團(tuán)委托鄂爾多斯市神東工程設(shè)計(jì)有限公司編制完成了《柳塔煤礦下水平2-2煤開采接續(xù)初步設(shè)計(jì)》，該設(shè)計(jì)確定了二水平2-2煤開拓開采方式，2-2煤一盤區(qū)主運(yùn)巷從1-2煤集中皮帶大巷機(jī)尾以6°向下掘進(jìn)約60 m后見2-2煤以50°方位角向東掘進(jìn)，2-2煤一盤區(qū)輔運(yùn)巷和回風(fēng)巷平行主運(yùn)巷以50°方位角向東掘進(jìn)，工作面順槽垂直2-2煤一盤區(qū)巷道兩翼布置。主斜井在現(xiàn)有位置以15°向下延伸至3-1上煤，2-2煤二盤區(qū)主運(yùn)巷、輔運(yùn)巷和回風(fēng)巷以230°方位角向西掘進(jìn)，在2-2煤二盤區(qū)輔運(yùn)巷適當(dāng)位置以6°向下掘進(jìn)3-1煤輔運(yùn)下山至3-1上煤并與3-1上煤二盤區(qū)輔運(yùn)大巷相連，將3-1上煤二盤區(qū)輔運(yùn)巷以230°方位角向西掘進(jìn)與主斜井井底連通，2-2煤二盤區(qū)主運(yùn)巷通過溜煤眼與主斜井連通，2-2煤二盤區(qū)集中大巷以320°方位角向北掘進(jìn)，工作面順槽平行井田西北邊界向北布置。開拓方式如圖1所示。

圖1 原設(shè)計(jì)開拓方式

2015年9月內(nèi)蒙古煤礦設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司編制的《礦業(yè)置換方案》將柳塔煤礦井田北部毗連的1.55 km2邊角煤炭資源配置給柳塔煤礦，將烏蘭木倫煤礦WK16鉆孔西南約200 m處DF26斷層和DF27斷層西南側(cè)資源劃給柳塔煤礦。由于礦井井田范圍發(fā)生改變，原設(shè)計(jì)不能滿足礦井開拓開采，柳塔煤礦二水平2-2煤開采設(shè)計(jì)優(yōu)化關(guān)系到礦井的正常接續(xù)，很有必要。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化條件

3.1 指導(dǎo)思想

嚴(yán)格執(zhí)行國家關(guān)于煤礦安全生產(chǎn)的法律、法規(guī)，建立完善的安全生產(chǎn)系統(tǒng)，確保礦井安全生產(chǎn)。借鑒神東礦區(qū)相鄰礦井和本礦井生產(chǎn)中的成功經(jīng)驗(yàn)，力求各個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)相對簡單實(shí)用可靠，減少中間環(huán)節(jié)，減少巷道工程量，多掘煤巷，少掘巖巷。結(jié)合資源賦存具體情況盡可能選用國內(nèi)先進(jìn)設(shè)備，提高礦井整體機(jī)械化水平，減少勞動人數(shù)，提高勞動生產(chǎn)率和礦井全員效率，降低生產(chǎn)成本，提高資源回收率。最大限度地利用礦井現(xiàn)有井筒和設(shè)施、設(shè)備，減少二水平巷道工程量和投資，縮短工期。盡量減少對一水平1-2煤生產(chǎn)的影響，并有利于二水平2-2煤的開拓延深，縮短一、二水平交替時(shí)間。

3.2 礦井資源條件

礦井地質(zhì)特征：①柳塔煤礦位于鄂爾多斯高原東部，毛烏素沙漠北緣，地形總體為北東高西南低，最高點(diǎn)位于井田東部邊界外，最低點(diǎn)位于井田西南部邊界外烏蘭木倫河岸邊；井田地貌形態(tài)為侵蝕性丘陵地貌，地表多為流動性或半固定波狀沙丘覆蓋，地形呈波浪狀起伏，平緩多變；②井田內(nèi)地層由老至新發(fā)育有：三迭系上統(tǒng)延長組(T3y)、侏羅系中下統(tǒng)延安組(J1-2y)、侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)、侏羅系中統(tǒng)安定組(J2a)、第四系上更新統(tǒng)馬蘭組(Q3m)、第四系全新統(tǒng)(Q4)；③根據(jù)1-2上、1-2煤層揭露的斷層及2-2煤鉆孔煤層底板標(biāo)高分析，2-2煤揭露落差5 m以上斷層3條，分別為1-2上F1斷層，1-2煤F53斷層、1-2煤F7斷層，以上3條斷層延伸長度較長，其中F53與1-2上F1斷層走向平行，F(xiàn)7斷層又與以上2條斷層走向垂直。礦井內(nèi)褶曲、斷裂極不發(fā)育，無巖漿巖、陷落柱等其他構(gòu)造，礦井屬于簡單構(gòu)造類型。

礦井煤層特征及儲量：礦井可采煤層為1-2上、1-2、2-2、3-1上、3-1、4-2、5-1、5-2共8層。2-2煤層位于延安組第四巖段上部，煤層厚0.5～3.26 m，平均2.07 m，可采厚度0.8～2.94 m，平均1.99 m，屬中厚煤層。煤層傾角1°～3°，煤層由礦井西南部向東北部逐漸變薄。該煤層間普遍含一層厚為0.08～0.59 m的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾矸。煤層對比可靠，層位穩(wěn)定，分布連續(xù)，屬對比可靠、全井田可采的穩(wěn)定煤層。二水平2-2煤地質(zhì)資源量為44.32 Mt，可采儲量44.02 Mt。

煤質(zhì)煤種：二水平2-2煤層低灰、特低硫、特低磷、中高揮發(fā)分、中高發(fā)熱量，屬于不粘煤，是良好的動力用煤和氣化用煤，也可用于煤液化。

礦井水文地質(zhì)特征：井田溝谷較為發(fā)育，西部有公捏尓蓋溝，流量隨季節(jié)而變化，雨季較大，冬季銳減，上游建有寶勒高水庫，水庫庫容754.98 m3。公捏爾蓋溝水系由東北向西南流入井田南部的烏蘭木倫河。礦井的主要充水水源為大氣降水，充水通道主要為煤層采動后形成的冒裂帶導(dǎo)水裂隙。礦井水文地質(zhì)條件為孔隙-裂隙含水，水文地質(zhì)勘探類型為一類～二類一型，水文地質(zhì)類型為中等。預(yù)計(jì)二水平2-2煤開采時(shí)，礦井正常涌水量為265 m3/h，最大涌水量為334 m3/h。

3.3 礦井開采技術(shù)條件

礦井瓦斯：二水平2-2煤層埋藏較淺，煤層瓦斯含量較低，實(shí)測瓦斯含量在0.51～0.77 m3/t之間，平均0.64 m3/t，同時(shí)根據(jù)瓦斯組分析，煤層處于氮?dú)鈳А⒌獨(dú)?甲烷帶以內(nèi)，即位于瓦斯風(fēng)化帶內(nèi)。根據(jù)2014年度《礦井瓦斯等級鑒定報(bào)告》，礦井絕對瓦斯涌出量5.17 m3/min，相對瓦斯涌出量0.93 m3/t，采煤工作面最大絕對瓦斯涌出量0.51 m3/min，掘進(jìn)工作面最大絕對瓦斯涌出量0.19 m3/min，屬低瓦斯礦井。

煤層自燃：煤層變質(zhì)程度低，揮發(fā)分產(chǎn)率及絲炭含量較高，根據(jù)沈陽研究院2012年11月29日的柳塔煤礦自然傾向性報(bào)告顯示，二水平2-2煤的吸氧量為1.06 cm3/g，屬容易自燃煤層。

煤塵爆炸危險(xiǎn)性：根據(jù)沈陽研究院2012年11月29日的柳塔煤礦煤塵爆炸性報(bào)告顯示，火焰長度為20 mm，抑制爆炸的最低巖粉量為60%，有爆炸性危險(xiǎn)。

礦井地溫：地溫梯度在3 ℃/100 m以內(nèi)，無地溫異常，變化梯度一般為1.5～2 ℃/100 m，開采過程中亦無溫度升高跡象，礦井無地?zé)嵛：Α?/p>

煤層頂?shù)装澹好簩禹敯逯饕獮槟噘|(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖及砂巖；底板巖性有砂巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖。煤層頂?shù)装遢^穩(wěn)定，構(gòu)造附近頂板破碎。

4 開采設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 開拓開采布置

二水平2-2煤開采利用主、副、風(fēng)井工業(yè)場地生產(chǎn)、生活輔助及配套設(shè)施，同時(shí)結(jié)合礦井現(xiàn)有開拓系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)，提出以下2個(gè)布置方案。

方案Ⅰ：二盤區(qū)北翼巷道在斷層群西側(cè)沿?cái)鄬幼呦虿贾?。①一盤區(qū)布置—2-2煤一盤區(qū)巷道布置不變，南翼工作面順槽垂直2-2煤一盤區(qū)巷道布置不變，北翼工作面順槽以356.6°方位角向北布置；②二盤區(qū)布置—2-2煤二盤區(qū)巷道布置不變，2-2煤二盤區(qū)北翼主運(yùn)、輔運(yùn)及回風(fēng)3條巷道在F1、F52、F19、F14斷層群西側(cè)以7.6°方位角向北布置，過F14斷層后以50°方位角向東北方向布置2-2煤二盤區(qū)北翼主運(yùn)、輔運(yùn)及回風(fēng)延伸段至井田邊界；工作面順槽平行井田東北邊界向西北布置；③二水平2-2煤開拓方式方案Ⅰ如圖2所示。

圖2 開拓方式方案Ⅰ

方案Ⅱ：二盤區(qū)北翼巷道垂直2-2煤二盤區(qū)巷道向北布置。①一盤區(qū)布置方式與方案Ⅰ相同；②二盤區(qū)布置—2-2煤二盤區(qū)巷道布置不變，2-2煤二盤區(qū)北翼主運(yùn)、輔運(yùn)及回風(fēng)3條巷道在F1斷層西側(cè)垂直2-2煤二盤區(qū)巷道向西北布置至井田邊界；工作面順槽平行井田西北邊界向東北布置；③二水平2-2煤開拓方式方案Ⅱ如圖3所示。

圖3 開拓方式方案Ⅱ

方案Ⅰ優(yōu)點(diǎn)：①工作面平行煤層等厚線布置，同一工作面煤層厚度變化小，對設(shè)備適應(yīng)性好，出煤量較均衡；②采出煤量多；③工作面數(shù)量雖然多，但跳采數(shù)量很少，搬家倒面費(fèi)用低；④薄煤層、中厚煤層分開回采，前期開采中厚煤層，后期開采薄煤層。如現(xiàn)在暫時(shí)不開采薄煤層，可預(yù)留系統(tǒng)，等設(shè)備、技術(shù)成熟后回采。

方案Ⅰ缺點(diǎn)：① 2-2煤二盤區(qū)巷道沿F1斷層走向布置，后期的不可預(yù)見性較多；②2-2煤二盤區(qū)開拓巷道掘進(jìn)工程量多，且巷道所在位置煤層厚度變化較大，掘進(jìn)巖石量多；③工作面順槽掘進(jìn)工程量較多；③投資多。

方案Ⅱ優(yōu)點(diǎn)：①避免因F1斷層等不確定因素的影響；② 2-2煤二盤區(qū)開拓巷道掘進(jìn)工程量少，同時(shí)所在位置煤層較厚，掘進(jìn)無巖石量；③工作面順槽掘進(jìn)工程量較少；④投資省。

方案Ⅱ缺點(diǎn)：①工作面垂直煤層等厚線布置，同一工作面煤層厚度變化大，對設(shè)備適應(yīng)性不好(工作面開采過程中需要更換支架及煤機(jī)等設(shè)備)，且出煤量不均衡，接續(xù)安排困難；②工作面數(shù)量雖然少，但跳采數(shù)量多，搬家倒面費(fèi)用高；③采出煤量少；④同一工作面有薄煤層、中厚煤層。如現(xiàn)在暫時(shí)不開采薄煤層，后期設(shè)備、技術(shù)成熟后沒用系統(tǒng)，不可回采。

方案比選：方案I雖然建設(shè)投資多，但是采出煤量多、搬家倒面少，同時(shí)對設(shè)備的適應(yīng)性強(qiáng)。因此，推薦方案I，即2-2煤一、二盤區(qū)巷道布置不變，2-2煤二盤區(qū)北翼巷道在斷層群西側(cè)沿?cái)鄬幼呦虿贾谩?/p>

4.2 巷道布置及接續(xù)安排

借鑒鄰近礦井同煤層開采的成熟經(jīng)驗(yàn)及本礦井多年開采積累下的成功經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)二水平2-2煤巷道沿2-2煤層底板布置，巷道掘進(jìn)采用連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)，斷面均采用矩形，錨網(wǎng)噴支護(hù)，底板鋪混凝土。

柳塔煤礦生產(chǎn)能力為3.0 Mt/a，二水平2-2煤生產(chǎn)能力仍定為3.0 Mt/a，初期布置一個(gè)綜合機(jī)械化采煤工作面，后期需布置2個(gè)綜合機(jī)械化采煤工作面才能達(dá)到礦井生產(chǎn)能力。接續(xù)安排先期開采2-2煤一盤區(qū)西南區(qū)域，接續(xù)2-2煤二盤區(qū)西南區(qū)域，后期2個(gè)盤區(qū)剩余區(qū)域同時(shí)開采。

4.3 采掘裝備

柳塔煤礦生產(chǎn)能力為3.0 Mt/a，根據(jù)各煤層厚度情況，開采初期布置1個(gè)綜合機(jī)械化采煤工作面2個(gè)連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)工作面，其中1套連續(xù)采煤機(jī)用于工作面正常接續(xù)，另1套連續(xù)采煤機(jī)用于盤區(qū)、大巷的延伸以及硐室掘進(jìn)；開采后期布置2個(gè)綜合機(jī)械化采煤工作面2個(gè)連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)工作面，2套連續(xù)采煤機(jī)用于工作面正常接續(xù)。

綜合機(jī)械化采煤工作面選用長壁式綜合機(jī)械化采煤方法，三巷布置，各工作面均依次逐段后退式回采。每個(gè)工作面均采用雙向回采，采煤機(jī)截煤裝煤，刮板輸送機(jī)運(yùn)煤，通過工作面破碎機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)將煤炭輸送到順槽膠帶機(jī)上，順槽膠帶機(jī)再將煤炭運(yùn)到大巷膠帶機(jī)上。綜合機(jī)械化采煤工作面設(shè)備配備見表1。

表1 綜合機(jī)械化采煤工作面設(shè)備配備表

連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)工作面雙巷掘進(jìn)，配備連續(xù)采煤機(jī)及連續(xù)運(yùn)煤系統(tǒng)，掘進(jìn)煤直接轉(zhuǎn)載至運(yùn)輸膠帶進(jìn)入主煤流。連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)工作面設(shè)備配備見表2。

表2 連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)工作面設(shè)備配備表

4.4 建設(shè)工期

井巷工程：二水平2-2煤井巷掘進(jìn)工程由2個(gè)連續(xù)采煤機(jī)隊(duì)伍掘進(jìn)，峒室工程由1個(gè)炮采隊(duì)伍掘進(jìn)，井巷工程工期為18個(gè)月。

機(jī)電安裝工程：二水平2-2煤機(jī)電安裝工程包括主斜井帶式輸送機(jī)延伸，大巷帶式輸送機(jī)安裝，2-2煤中央變電所及水泵房安裝，工作面設(shè)備安裝，供排水管網(wǎng)、壓風(fēng)、注漿管網(wǎng)安裝，供電電纜敷設(shè)、通信系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)安裝。機(jī)電安裝工程工期為6個(gè)月。二水平2-2煤設(shè)計(jì)優(yōu)化總工期為22個(gè)月。

4.5 概算投資

柳塔煤礦二水平2-2煤設(shè)計(jì)優(yōu)化概算投資35 300.82萬元，其中：礦建工程16 515.04萬元，安裝工程10 647.63萬元，設(shè)備及工器具購置費(fèi)4 042.07萬元，工程建設(shè)其他費(fèi)2 738.36萬元，工程預(yù)備費(fèi)1 357.72萬元。

5 結(jié)語

開采設(shè)計(jì)優(yōu)化，減少了二水平巷道工程量和投資，縮短工期；盡量減少對一水平1-2煤生產(chǎn)的影響，并有利于二水平2-2煤的開拓延深，縮短一、二水平交替時(shí)間；確保了礦井產(chǎn)量穩(wěn)定，化解了接續(xù)緊張的矛盾。優(yōu)化的設(shè)計(jì)思路可供其它類似礦井借鑒。