塔拉壕礦井優(yōu)化設(shè)計與擴能改造

宋國忠，付小敏，王正超，王中亮

(通用技術(shù)集團工程設(shè)計有限公司，山東 濟南 250031)

根據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，截至2022年底年產(chǎn)千萬噸級的生產(chǎn)煤礦79座，千萬噸礦井總體經(jīng)濟技術(shù)指標達到國際領(lǐng)先水平[1-6]，但三軟地層建設(shè)特大型礦井經(jīng)驗較少。塔拉壕礦井是典型的三軟地層[1]，設(shè)計生產(chǎn)能力6.00 Mt/a，2013年8月開工建設(shè)，2020年2月通過竣工驗收。經(jīng)過改造，2023年核定生產(chǎn)能力達到12.00 Mt/a。本次擴能改造從工業(yè)場地選擇、開拓方式、斜井井筒設(shè)計、輔助運輸、軟巖支護、巷道施工、工作面產(chǎn)量、改造環(huán)節(jié)等方面綜合考慮方案，進行設(shè)計創(chuàng)新，為三軟地層建設(shè)特大型礦井提供了寶貴經(jīng)驗。

1 礦井概況

塔拉壕礦井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝區(qū)塔拉壕鎮(zhèn)南部，為三軟地層礦井，井田面積42.62 km2。主要可采煤層6層，前期開采2、3煤層，平均厚度2.49 m和3.22 m。頂?shù)装遄匀粻顟B(tài)抗壓強度2.60～43.40 MPa，平均15.07 MPa。斜井穿過圍巖力學(xué)參數(shù)見表1[7]，煤層及頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)見表2[8]。煤層頂?shù)装逡攒浫鯉r石為主，個別為半堅硬巖石，遇水軟化變形，甚至有崩解破壞現(xiàn)象。巖石的軟化系數(shù)全部小于0.75，軟化性強。井田巖石的質(zhì)量指標(RQD)平均值為53%，巖體質(zhì)量指標(M)平均值為0.027，巖體完整性差，穩(wěn)固性也較差。地層傾角小于5°，埋深120～350 m。采用斜井開拓方式，布置主、副斜井工業(yè)場地，回風立井單獨布置工業(yè)場地。在井田中北部布置一組大巷開拓全井田。分煤組設(shè)置水平，共4個水平，一水平標高+1385 m。投產(chǎn)時布置2個綜采工作面，6個掘進工作面。

表1 斜井穿過圍巖力學(xué)參數(shù)

表2 煤層及頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)

2 礦井設(shè)計優(yōu)化

2.1 優(yōu)選工業(yè)場地

井田屬高原侵蝕性丘陵地貌，大部分地區(qū)為低矮山丘，最大地形標高差133.4 m。除井田北部地形較平坦外，其它地段溝谷將井田分割的支離破碎。這些溝谷在枯水季節(jié)無水，在豐雨季節(jié)可形成短暫的溪流或洪流。對工業(yè)場地選擇影響較大。經(jīng)過多次現(xiàn)場踏勘，提出3個工業(yè)場地位置方案，優(yōu)選北部方案。井口位置方案如圖1所示。

圖1 井口位置方案

優(yōu)選北部方案主要有以下原因：①靠近西北部的鄂爾多斯市區(qū)和塔拉壕鎮(zhèn)，交通方便，有利于遏制市區(qū)外擴對本項目的影響；②地勢相對較高，有利于雨季防洪；③距離109國道0.5 km運輸距離短，適量留有汽車排隊長度；④煤層埋藏較淺，井巷工程量少，投資少，建設(shè)工期短；⑤鐵路專用線布置在井田北部，對整個礦井的開拓布局影響最??；⑥斜井落平后，沿東西向布置大巷，大巷位于井田東北側(cè)2、3號拐點連線的南側(cè)，大巷南側(cè)全部垮落法管理頂板，大巷北側(cè)充填法管理頂板，分區(qū)明確。

井筒建成后，有呼準鄂城際鐵路自井田內(nèi)穿過，結(jié)合地形，線路選擇從工業(yè)場地內(nèi)主、副斜井井口附近的井筒下部穿過，壓煤量最小、對該礦井影響最小。西翼大巷沿呼準鄂城際鐵路南側(cè)布置，對兩側(cè)開采影響最小。體現(xiàn)出設(shè)計的前瞻性。塔拉壕鎮(zhèn)向南部擴張受到抑制，地面建筑壓煤量沒有明顯增加。

2.2 多臺階利用地形布置工業(yè)場地

主副井工業(yè)場地西部相對較平坦，東部高差較大，自然標高+1490.00～+1554.00 m之間。設(shè)計根據(jù)地形自下而上共分五個平臺[9-13]，如圖2所示。

圖2 工業(yè)場地布置

1)副斜井位于最低平臺，標高+1511 m，副斜井工程量最小。維修車間、設(shè)備庫、材料庫棚都布置在這個平臺，將物料、設(shè)備相關(guān)庫房布置在最低平臺，既方便下井，又利用地勢形成遮擋，使整個場區(qū)整潔美觀。

2)主斜井布置在次低平臺，標高+1531 m，主斜井工程量相對較小，充分利用地形減少運煤棧橋工程量。

3)辦公樓、職工食堂、單身宿舍等生活福利設(shè)施布置在最高平臺，標高+1548 m，比臨近109國道略高。

自109國道向北望去，建筑平面與空間錯落有致、格外顯眼，充分展現(xiàn)了現(xiàn)代化特大型礦井的新形象。采用多平臺布置可充分利用地形，巧妙滿足工藝要求，減少基礎(chǔ)和棧橋工程量，挖填方量基本平衡。

2.3 優(yōu)化開拓布局

1)主斜井斜穿3個水平，各水平通過運輸大巷、溜煤眼與主斜井搭接，如圖3所示。有利于后期延伸和主斜井帶式輸送機運行。各水平運輸大巷相互獨立，影響小。

圖3 主斜井與各分層大巷通過煤倉搭接關(guān)系

2)副斜井螺旋連接各煤層。副斜井6°下坡平推進入最上部2煤層，向下螺旋斜坡連接各煤層。滿足無軌膠輪車運輸要求。主、副斜井布置在一個工業(yè)場地方便管理、減少副斜井壓煤。

3)單獨布置風井工業(yè)場地。回風立井較斜井通風能力大，井巷工程量小，提前進入采區(qū)施工工期短，投資少。風井工業(yè)場地布置在主副井工業(yè)場地南側(cè)約950 m，有利于防治噪音、粉塵污染。回風立井靠近西翼回風大巷，通風線路短，阻力小?；仫L立井到達設(shè)計深度后改絞施工西翼大巷，與主、副斜井貫通，縮短建設(shè)工期。

4)沿城鎮(zhèn)建筑保護煤柱，大巷煤柱與建筑煤柱結(jié)合壓煤量少。大巷南側(cè)采用垮落法管理頂板，工作面巷道最大長度5000 m；大巷北側(cè)采用充填開采，分區(qū)劃分更合理。

5)分煤層組布置大巷。根據(jù)煤層厚度和間距，將6層煤分為3組，每組劃分為1個水平。布置分組水平大巷，上下水平大巷平面位置相同，減少大巷煤柱。

2.4 優(yōu)化井筒支護

主副斜井穿過的地層有第四系、新近系、白堊系、侏羅系、三疊系等多個地層，根據(jù)井筒檢查鉆資料分析，存在一層軟弱層。設(shè)計在正常段采用錨網(wǎng)索噴支護，軟弱層增加29U型鋼棚支護。29U型鋼棚排距800 mm，保護層厚50 mm。不穩(wěn)定基巖段增加鋼筋混凝土砌碹支護，砌碹厚度500 mm，強度C30[7]。

施工期間根據(jù)明槽開挖處觀測，砌碹與上部巖層有離層現(xiàn)象，設(shè)計采取增大鋪底厚度和墻腳基礎(chǔ)的措施保證了井筒支護安全。鋪底厚度由300 mm增大至600 mm，29U型鋼棚底腳增加混凝土墊塊，防止底腳下沉。副斜井加強支護如圖4所示。

圖4 副斜井加強支護(mm)

2.5 軟巖巷道使用無軌膠輪車

無軌膠輪車運輸具有換裝次數(shù)少、運輸方便等優(yōu)點，但對底板要求較高。井底車場和大巷一般采用混凝土鋪底的方式，鋪底厚300～500 mm，但工作面巷道使用時間短，鋪底停工，影響巷道施工速度，而且鋪底成本較高。設(shè)計采用工作面巷道鋪鋼板的方式，隨著巷道施工增加鋪設(shè)，工作面回采回收，可循環(huán)使用。既提高了掘進速度，又降低了巷道施工成本。

2.6 無軌運輸優(yōu)化巷道布置

針對無軌車運輸轉(zhuǎn)彎不宜控制的特點，經(jīng)過多次專題研究，舍棄了軌道運輸車速大轉(zhuǎn)彎半徑大的設(shè)計原則，改為垂直轉(zhuǎn)彎。即統(tǒng)一要求轉(zhuǎn)彎前降低車速至10 m/h及以下，巷道垂直施工，轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)抹角3 m×3 m。既方便車輛行駛，又方便施工過程中的帶式輸送機搭接，還降低了施工難度和支護難度。硐室垂直連接。水倉轉(zhuǎn)彎處、中部車場取消45°、60°等彎角，統(tǒng)一為90°實踐證明聯(lián)絡(luò)巷道少，無軌車運行方便。

2.7 全部帶式輸送機永磁電機直驅(qū)方式。

原設(shè)計井下帶式輸送機采用變頻驅(qū)動，隨著驅(qū)動技術(shù)的進步，改為永磁電機直驅(qū)的方式。永磁電機直驅(qū)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、傳動效率高、體積小、重量輕、比功率大等優(yōu)點。在立井絞車提升等環(huán)節(jié)，但井下帶式輸送機工作環(huán)境較差，隨著技術(shù)進步，本礦井首次全部使用。生產(chǎn)證明效果很好。

2.8 優(yōu)化布置兩個綜采工作面達產(chǎn)。

最上部的2煤層局部可采，平均厚度2.49 m，受三軟地層條件限制兩個綜采工作面達產(chǎn)有一定難度。設(shè)計合理利用2煤東部不可采范圍，布置一個3煤層工作面，形成2、3煤層同時開采，保證投產(chǎn)即可達產(chǎn)，達產(chǎn)可以穩(wěn)產(chǎn)。

3 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

3.1 鉆孔下料

副斜井無軌膠輪車運輸無需換裝，可從地面直接運輸至采掘工作面。但無軌膠輪車運輸成本高，總體運輸能力偏小。該礦井主要輔助運輸任務(wù)是水泥、沙子、石子的運輸。采用鉆孔下料，運輸距離短，成本低，避免了沿途撒漏，實踐證明優(yōu)勢非常明顯。

無軌膠輪車運輸?shù)某杀据^高，運輸線路較長時，一次循環(huán)時間較長，可能限制礦井輔助運輸能力。經(jīng)過調(diào)研其他行業(yè)經(jīng)驗，反復(fù)論證，該礦井采用鉆孔下料，解決了輔助運輸問題，即：在風井工業(yè)場地內(nèi)施工一個D450 mm的鉆孔，內(nèi)下直徑377 mm的套管，至2煤層，通過轉(zhuǎn)接設(shè)備至3煤層，下部煤層布置大巷后，可繼續(xù)延伸鉆孔，向深部巷道供料。實現(xiàn)一個鉆孔向多層煤分別設(shè)下料硐室，下料硐室兩側(cè)設(shè)防火柵欄兩用門，下料時關(guān)閉防火柵欄兩用門。井下用的水泥、沙子、石子在地面攪拌均勻后，通過鉆孔下至下料硐室。僅此一項，減少混凝土運輸距離1836 m，據(jù)礦井試運行測算，每年節(jié)省運行成本2875萬元。礦井輔助運輸能力大幅提高至1652萬t/a。

3.2 掘錨一體機應(yīng)用

掘錨一體機施工巷道，具有全斷面一次成型速度快、安全性高等優(yōu)點。在神東大柳塔礦穩(wěn)定圍巖巷道掘進中單巷最高月進尺3088 m，在神木涼水井礦中等穩(wěn)定圍巖巷道掘進中單巷月進尺1506 m，在穩(wěn)定性較差圍巖巷道掘進中最高月進尺680 m、平均月進尺500 m以上的好成績[14]。但對頂板要求較高，軟巖巷道使用難度較大。該礦井施工階段試驗掘錨一體機施工工作面巷道，施工速度較低，前三個月平均395 m/月[15]。采取優(yōu)化支護參數(shù)、增加風動潛水泵、留底煤等多種改進措施，施工速度有所提高，但掘進機陷入底板問題無法解決，主要原因是掘進機總重量過大和底板巖石遇水泥化。實踐證明底板抗壓強度18 MPa及以下、巖石的軟化系數(shù)小于0.75的煤層中使用掘錨一體機不合理。

3.3 三軟煤層長距離工作面巷道支護技術(shù)

一盤區(qū)面積較大，工作面巷道較長，最長可達5000 m。工作面巷道長度大有利于減少工作面搬家次數(shù)，但也有支護難度大、維護困難等問題。以前的三軟煤層開拓布置中，一般考慮工作面巷道長度不超過3000 m。該礦工作面巷道長度實現(xiàn)了突破，主要采取兩項措施[16，17]。

1)封閉頂板減少風化。向工作面巷道頂板噴射一層混凝土或高分子材料，厚30～50 mm，用來封閉頂煤，減少風化。封閉后頂板完整，避免了風化引起局部冒落的問題，也避免了后部巷道維護影響前部掘進施工的問題。

2)調(diào)整支護參數(shù)。頂板錨索由15.3 mm直徑鋼絞線更換為17.8 mm直徑鋼絞線，長度6300 mm，間排距2000 mm×3600 mm，采用2-3-2布置方式。錨桿為20 mm直徑左旋螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×900 mm[8]。通過增大錨索直徑、錨桿間排距，巷道支護成本沒有明顯增加，支護效果明顯改善。

4 生產(chǎn)能力提升改造設(shè)計

4.1 生產(chǎn)能力提升依據(jù)

在項目申請報告階段設(shè)計有6.00 Mt/a與10.00 Mt/a兩個方案。由于構(gòu)造未完全查明、三軟煤層工作面單產(chǎn)等因素影響，核準生產(chǎn)能力6.00 Mt/a，2個回采工作面達產(chǎn)，工作面長度260 m，日進9刀，截深0.8 m。但在聯(lián)合試運轉(zhuǎn)階段，測試最大日進18刀。說明工作面生產(chǎn)能力有一定的富余系數(shù)。為了提高生產(chǎn)能力，在地質(zhì)條件變好的情況下，進行了4方面擴能改造。

4.2 地質(zhì)條件分析

1)煤層變厚。投產(chǎn)開采的2煤層平均厚度小，局部可采。經(jīng)過3年的剝采后，下部厚度較厚的3煤層可以同時布置2個回采工作面。其他條件不變條件下，僅采厚增加回采工作面產(chǎn)量可增加29.3%。

2)查明斷層?？碧诫A段井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層。在巷道施工和工作回采過程中，發(fā)現(xiàn)多條小斷層，落差均小于10 m，由于頂板抗壓強度大、易破碎，對回采工作面產(chǎn)量影響較大。下部3煤層頂板相對較好，通過上部2煤層開采查明斷層后可提前采取措施，降低斷層對回采工作面影響，提高回采速度和產(chǎn)量。

4.3 擴能改造設(shè)計

1)主斜井帶式輸送機改造。運量由2500 t/h提高至3500 t/h，原有輸送機帶寬1600 mm不變，帶速由3.15 m/s提高至4.5 m/s，驅(qū)動電機由3臺900 kW更換為3臺1120 kW。只更換電機、電控，不更換膠帶和支架，更換容易，對生產(chǎn)影響小。

2)回采工作面智能化改造。通過改造回采工作面輔助作業(yè)時間大幅降低，平均日進21刀，截深0.8 m。單個回采工作面生產(chǎn)能力可達到6.16 Mt/a，兩個回采工作面可以達到12.00 Mt/a。全礦井智能化改造，使各生產(chǎn)系統(tǒng)更加高效，可以配套12.00 Mt/a的生產(chǎn)規(guī)模。

3)增加掘進工作面數(shù)量。由于掘錨一體機使用效果不理想，需要增加綜掘工作面數(shù)量和延伸下水平需要，掘進工作面由2個掘錨工作面、4個綜掘工作，增加至9個綜掘工作面。

4)優(yōu)化通風系統(tǒng)，新增回風井。隨著掘進工作面增加，通風量增大。為滿足分區(qū)通風需要，增加回風井，形成兩進兩回的通風系統(tǒng)。

通過以上改造，礦井核定生產(chǎn)能力達到12.00 Mt/a。

5 結(jié) 語

塔拉壕礦井上部的較薄2煤層開采完畢、查明斷層后，通過主斜井帶式輸送機改造、回采工作面智能化改造、增加掘進工作面數(shù)量、優(yōu)化通風系統(tǒng)、增加回風井，礦井生產(chǎn)能力可以達到12.00 Mt/a，為三軟煤層礦井建設(shè)和擴能改造提供新思路。