6.0 Mt/a 礦井改造主要問題方案探討及對策

王永明 張弘毅

（1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京 100013；3.南方科技大學理學院數(shù)學系，廣東 深圳 518055）

“雙碳”高質量新發(fā)展理念是當今主旋律。由于我國以煤為主的基本國情短期內難以改變，預計在2030 年前煤炭消費量仍將持續(xù)上升[1]。尤其全國“疫情”整體向好后，復工復產(chǎn)提速，煤炭供給緊張，價格漲幅較大[2]。釋放煤炭先進產(chǎn)能，顯然是解決經(jīng)濟發(fā)展與能源供需矛盾的重要途徑之一[3]，提出“高碳行業(yè)、低碳技術、綠色礦山”[4]產(chǎn)能基礎好、安全、環(huán)保等社會責任強的國有煤礦“保供”任務“責無旁貸”。山西某國有煤礦2016 年核定生產(chǎn)能力為4.0 Mt/a，根據(jù)發(fā)展要求，需要對礦井進行“有限資源”創(chuàng)造更高效益改造、擴能至6.0 Mt/a 進行預估。

1 概況

礦井采用立井單水平分區(qū)式開拓，主井工業(yè)場地內設主、副、風三個井筒，中部風井場地內設進風立井（正建）、回風立井（投用）兩個井筒。現(xiàn)開采3 號煤層，采厚6 m，生產(chǎn)能力大，裝備大采高綜采和綜放工作面各1 個，具備實現(xiàn)6.0 Mt/a 煤層條件[5-7]。目前礦井可采儲量、提煤能力是制約產(chǎn)量提高的主要因素。

2 可采儲量制約問題及對策

解放“三下”煤炭資源，國內外均有大量研究及實踐成果[8-10]。尤其我國生產(chǎn)礦井“三下”壓煤總量高達140 億t[11]的現(xiàn)狀，既往相關研究人員對留煤柱開采法、充填開采法、離層注漿法等工藝方法做了大量工作[12]，并推動了其發(fā)展。因此，解決“三下”資源方法無論搬遷模式[13]還是進行開采均有成功經(jīng)驗案例。該礦井受42 個村莊、縣城、公路及漳河的影響，壓覆資源量占總資源量一半，且縣城與村莊的擴張致使可采資源量日益嚴峻，若不采取切實有效措施，礦井將面臨“資源雖在卻無煤可采”的困難境地。

2.1 實現(xiàn)礦井6.0 Mt/a 服務年限分析

1）不考慮井田內部分村莊搬遷的情況

根據(jù)礦井2017 年底儲量及擬改造時間2 年計，井田內剩余具備6.0 Mt/a 可采塊段煤量為73.79 Mt，扣除工作面留巷煤柱45 m（按照煤量的82%計）及工作面開采損失（按照放頂煤回采率取85%）的煤量為51.43 Mt，按6.0 Mt/a 計算可采年限為8.57 a，之后礦井進入建（構）筑物下充填開采以及各種煤柱與邊角煤回收。

2）考慮井田內部分村莊搬遷的情況

設計考慮井田內部分村莊搬遷可解放的煤量，按照原初步設計村莊搬遷計劃，未采動區(qū)域內預計可搬遷村莊有5 個，按照其村莊影響范圍統(tǒng)計村莊搬遷解放可采塊段的煤量為24.41 Mt，加上村莊以外可采塊段煤量73.79 Mt，合計可采煤量98.20 Mt，計算的可采年限為11.41 a，之后礦井進入建（構）筑物下充填開采以及各種煤柱與邊角煤回收。

3）礦井提高能力后期服務年限情況

礦井現(xiàn)有可采儲量為182.10 Mt，扣除2 年改造期開采動用的可采儲量1.04 Mt，剩余可采儲量為181.06 Mt。一是不考慮井田內部分村莊搬遷的情況，6.0 Mt/a 生產(chǎn)消耗的可采儲量73.79 Mt，剩余儲量的可采儲量為108.31 Mt，之后按照礦井3.0 Mt/a 生產(chǎn)能力，剩余的服務年限為27.77 a。二是考慮井田內部分村莊搬遷的情況，6.0 Mt/a 生產(chǎn)消耗的可采儲量98.20 Mt，剩余儲量的可采儲量為95.06 Mt（其中原初步設計村莊煤柱按照50%留設，剩余可采儲量相當于增加為12.2 Mt，（即181.06-98.2+12.2），之后按照礦井3.0 Mt/a 生產(chǎn)能力，剩余的服務年限為24.37 a。另外在配合其他不搬遷的村莊下充填開采，礦井的服務年限還可適當延長。

2.2 “峰谷”、均衡生產(chǎn)的經(jīng)濟分析

煤炭市場興衰有其一定的規(guī)律，一般來講，總是在10～15 a 左右出現(xiàn)一次反復。在這周期循環(huán)中，總有8～10 a 的興盛期和3～5 a 的低谷期。自2016年起煤炭市場又進入了一個興盛期，煤炭價格又出現(xiàn)高位。就本礦井來講，若采取“峰谷”的生產(chǎn)方式，即行業(yè)興盛期增產(chǎn)、低谷期維持的方式，按照當前礦井實際情況，設定時間13 a 的生產(chǎn)周期進行對比。經(jīng)過測算，均衡生產(chǎn)模式下4.0 Mt/a 規(guī)模的利潤95.7 億元；興盛期生產(chǎn)6.0 Mt/a，10 年利潤148億元與1.5 Mt/a盈虧平衡點生產(chǎn)3年無利潤的模式，利潤148 億元；兩種方式靜態(tài)利差達52.3 億元。

3 提煤能力制約問題及對策

現(xiàn)主井核定提升能力為4.16 Mt/a，若不考慮設備提升富裕系數(shù)并且滿負荷作業(yè)（18 h/d、330 d）可達到4.78 Mt/a；只更換27 t 箕斗的情況下，最大提升量可達到5.68 Mt/a，也難以滿足6.0 Mt/a 生產(chǎn)能力的提升要求。井筒提煤能力成為礦井提高產(chǎn)量的瓶頸。解決思路一是加大主提系統(tǒng)能力，二是“減矸提煤”建立井下選矸系統(tǒng)。

3.1 提煤能力改造方案

1）方案一：主提升大改方案

現(xiàn)有主提升系統(tǒng)徹底改造，更換大箕斗至40 t。為了不影響礦井生產(chǎn)，改造風井作為臨時主提升井，主提升轉換至風井后，進行主井改造，主提升改造完成后，風井重新恢復。該方案可永久解決主提升能力不足的問題。主要工程：主井井筒延深及其井底裝載硐室改造，增加井底2 號煤倉及其裝卸載硐室，更換主井裝備、絞車、井下裝卸載系統(tǒng)及主井井塔等，拆除地面提升建構筑物，改為井塔提升方式。為了滿足現(xiàn)有礦井產(chǎn)量，增加部分臨時工程，包括增加風井臨時提升系統(tǒng)與裝備，增加風井上下臨時裝卸載系統(tǒng)、轉載皮帶及配套的臨時巷道與硐室。

2）方案二：新建主井方案

在主井西側工業(yè)場地外新打主井井筒（箕斗40 t）、井底主井裝載系統(tǒng)與煤倉。原主井可改造為副井作為輔助提升井。主要工程：增加煤倉、井下裝載硐室及巷道，增加主提升系統(tǒng)、主井配套設施與裝備，地面轉載系統(tǒng)增加主井井架等，需要地面新征地。兩方案比較見表1。

表1 主井提升改造方案比較表

綜上：方案一目標準確、效果契合預期高；方案二后期成本增加，系統(tǒng)復雜。因此推薦方案一。

3.2 主提升改造與井下選矸方案分析

2009 年首個井下選煤系統(tǒng)在協(xié)莊礦建成[14]，之后部分礦井陸續(xù)跟進。表2 為國內部分井下選煤廠及充填開采案例。

表2 國內部分井下選煤廠案例表

該礦“井下選矸方案”是在主提升系統(tǒng)中只更換為27 t 箕斗，其他保持不變的前提下，增加井下洗選車間，排出大量矸石（矸石不升井），達到提升“產(chǎn)品混煤”（排矸后原煤）實現(xiàn)主提升6.0 Mt/a 礦井產(chǎn)量的目的。

具體措施：在井下主運大巷西側增加一個洗選車間，原煤由主運帶式輸送機轉運至原煤上倉帶式輸送機裝入原煤緩沖倉，由倉下運輸機轉載至排矸系統(tǒng)的分配刮板上再進入分級篩（篩孔25 mm）進行干法分級，300～25 mm 級進入動篩跳汰機，分選出塊精煤和塊矸石。透篩物與塊精煤混合排出，與＜25 mm 末原煤混合，動篩循環(huán)水經(jīng)高頻篩后，篩上物與＜25 mm 末原煤混合，篩下物經(jīng)沉淀后壓濾回收，壓濾煤泥與＜25 mm 末原煤混合。最終，動篩洗后原煤、＜25 mm 原煤、高頻篩篩上粗煤泥、壓濾煤泥混合由皮帶運至主運大巷帶式輸送機，由井下運煤系統(tǒng)提升至地面進入地面洗選系統(tǒng)。

井下排矸系統(tǒng)產(chǎn)品見表3，井下排矸系統(tǒng)主要設備見表4，工藝流程如圖1。

圖1 井下排矸系統(tǒng)原則工藝流程圖

表3 井下排矸系統(tǒng)產(chǎn)品平衡表

表4 井下排矸系統(tǒng)主要設備選型表

井下排矸系統(tǒng)，每年產(chǎn)生矸石量50.6 萬t，進入井下矸石填充系統(tǒng)，實現(xiàn)矸石不升井。毛煤排矸后剩下煤量5.49 Mt/a，其中有5.0 Mt/a 進入現(xiàn)有地面選煤廠進行洗選，49.4 萬t 銷售原煤（除矸后）。按照主提升系統(tǒng)只更換箕斗至27 t 的簡單改造，主提升最大提升量可達5.68 Mt/a，滿足6.0 Mt/a 原煤排矸后折算5.49 Mt/a 提升量的要求。

通過方案比較表5 可見，對比“井下選矸方案”，在投資、技術難度、生產(chǎn)成本、對生產(chǎn)影響時間、兼顧長遠等諸多方面都有明顯的優(yōu)勢，盡管在國內外有多個井下選煤廠成功運營的先例，但目前為止還都以科研名義立項實施，所有井下選煤廠包括洗選設備目前為止沒有煤安標志，也未有井下選煤系統(tǒng)正式審批過。因而井下選煤廠雖然可以實施，但還是要以科研立項。科研鑒定完后，是否能長期使用有一定的不確定性（風險）。

4 結語

1）礦井實現(xiàn)6.0 Mt/a 能力可行，但僅有8～11 a的產(chǎn)量保持期。

2）礦井采取“峰谷”生產(chǎn)比均衡生產(chǎn)的方式靜態(tài)利差達52.3 億元。

3）為提高礦井服務年限，需要采取一系列技術措施。如在河床下采取充填開采的方法保持地層穩(wěn)定、減少地表移動，從而使河流及兩岸壩陵穩(wěn)固（修復費用最低）；在一些低保護等級的建筑物（村莊邊緣突出部分）下采取充填開采的方法，確保建筑物損壞在一級以內；對于一些小的（小于200 戶）且壓煤量較大或影響工作面連續(xù)推進的村莊進行搬遷。部分村莊搬遷是最經(jīng)濟解放煤量的方式，設計建議盡快采取搬遷村莊（結合新農村改造），不能搬遷的村莊下采取充填回采技術方案，是最有效解放資源的方法。

4）提煤能力改造采用主提升大改方案，目標準確，措施得當，效果契合預期高，可永久解決主提升能力不足的問題。

5）“井下選矸方案”作為決策備選方案，需與企業(yè)利益最大化兼顧煤炭事業(yè)發(fā)展進步（綠色開采）統(tǒng)籌斟酌，決定是承擔還是規(guī)避風險。