協(xié)莊煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)改造方案研究

王中亮，劉海泉，王振虹

(通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250031)

煤炭是重要的基礎(chǔ)能源和工業(yè)原料，當(dāng)前和今后較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，在我國(guó)能源體系中的主體地位和壓艙石作用不會(huì)改變。我國(guó)煤炭開(kāi)采歷史悠久，隨著部分礦井的長(zhǎng)期高強(qiáng)度開(kāi)采，其優(yōu)質(zhì)資源逐漸枯竭，生產(chǎn)條件逐漸惡化，生產(chǎn)系統(tǒng)老化嚴(yán)重，通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化改造是實(shí)現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效的常見(jiàn)手段[1-7]。近年來(lái)，國(guó)家對(duì)煤礦安全生產(chǎn)提出了更高要求，山東省也出臺(tái)了埋深超千米煤炭資源限制開(kāi)采的政策，對(duì)礦井開(kāi)拓開(kāi)采區(qū)域做出了嚴(yán)格限制[8-12]。礦井現(xiàn)有開(kāi)拓開(kāi)采系統(tǒng)不能很好地適應(yīng)采場(chǎng)位置、煤層層位等變化，需針對(duì)礦井煤炭資源賦存及開(kāi)拓開(kāi)采現(xiàn)狀，研究礦井主要生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)改造優(yōu)化方案[13-20]，找出制約礦井安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和因素，實(shí)現(xiàn)礦井找煤擴(kuò)量，確保礦井可持續(xù)發(fā)展。

1 礦井概況

協(xié)莊煤礦位于山東省新泰市，隸屬于山東能源新礦集團(tuán)。礦井于1958年開(kāi)工建設(shè)，1962年建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)(核定)生產(chǎn)能力為120萬(wàn)t/a。礦井采用“主斜井+副立井”多水平混合式開(kāi)拓，現(xiàn)布置8個(gè)井筒，分布在礦井地面工業(yè)廣場(chǎng)、管子井、-550副立井和中央風(fēng)井、西部風(fēng)井、-850副立井等5處工業(yè)廣場(chǎng)中；礦井共劃分為-50 m、-300 m、-550 m和-850 m四個(gè)水平，其中-50 m、-300 m水平已開(kāi)采完畢，現(xiàn)生產(chǎn)水平為-550 m和-850 m，開(kāi)拓布置情況如圖1所示。井田地層傾角東部15°～20°、西部22°～28°。井田內(nèi)可采煤層共6層，其中，2、4和6煤層為前組煤，11、13、15煤層為后組煤，組內(nèi)煤層間距約10～38 m，組間(6、11煤層)間距平均約85 m。

目前，根據(jù)山東省采深超千米煤炭資源限制開(kāi)采政策，礦井千米以深資源開(kāi)采受限，未來(lái)接續(xù)方向?yàn)?850 m水平以淺區(qū)域。協(xié)莊煤礦已開(kāi)采60余年，存在著開(kāi)采水平多、巷道布置及生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜、剩余資源分布散亂等問(wèn)題，對(duì)未來(lái)采掘工作面布置及接續(xù)安排的制約因素較多。由于前組煤已經(jīng)回采的年限長(zhǎng)、保有資源量少，為保證礦井可持續(xù)發(fā)展，需同時(shí)開(kāi)采后組煤進(jìn)行配采。目前，礦井地面至-550 m水平的斜井系統(tǒng)主要布置在前組煤層位，無(wú)法滿足該區(qū)域后組煤炭資源回采的要求。因此，為應(yīng)對(duì)礦井開(kāi)采向淺部轉(zhuǎn)移的實(shí)際情況，亟需研究礦井生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化方案，對(duì)開(kāi)拓開(kāi)采、提升、運(yùn)輸、通風(fēng)、供配電等主要生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，保證礦井生產(chǎn)安全、穩(wěn)定。

2 礦井剩余資源情況

截至目前，礦井埋深千米以淺保有資源量11276.1萬(wàn)t，可采儲(chǔ)量2111.2萬(wàn)t。技術(shù)改造釋放煤量分布在-850 m水平以淺區(qū)域，目前該區(qū)域保有資源量5432.8萬(wàn)t，可采儲(chǔ)量1984.7萬(wàn)t。千米以淺可采儲(chǔ)量中，效益好的前組煤(670.5萬(wàn)t)僅占30%，且前組煤中的96%(644.0萬(wàn)t)位于本次技術(shù)改造服務(wù)區(qū)域。礦井剩余資源分煤層分布情況見(jiàn)表1。

表1 礦井各煤層資源分布情況

3 開(kāi)拓開(kāi)采優(yōu)化調(diào)整

3.1 優(yōu)化礦井開(kāi)拓布局

3.1.1 技術(shù)方案

根據(jù)礦井煤層賦存條件、保有資源儲(chǔ)量、開(kāi)拓開(kāi)采及現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)情況，針對(duì)礦井-850 m水平以淺區(qū)域資源開(kāi)采提出3個(gè)優(yōu)化方案，具體如下：

1)方案一：“混合立井+ -270～-700 m暗斜井(東向)+-800 m運(yùn)輸大巷”。在管子井工業(yè)廣場(chǎng)的南側(cè)、柴汶河的北側(cè)布置1個(gè)混合立井井筒，井底車場(chǎng)標(biāo)高-270 m。自-270 m井底車場(chǎng)向東北沿13煤層布置3條暗斜井至F10斷層前(標(biāo)高-700 m)；沿13/15煤層布置-800 m運(yùn)輸大巷將-850 m水平大巷(暗斜井)、4-3采區(qū)運(yùn)輸下山、七采區(qū)運(yùn)輸上山與系統(tǒng)改造暗斜井連接。布置6煤層運(yùn)輸下山、回風(fēng)下山連接-300 m運(yùn)輸巷、-800 m運(yùn)輸大巷，利用6煤層下山布置雙翼工作面開(kāi)采前組煤(2、6煤層)，利用原生產(chǎn)系統(tǒng)開(kāi)采4煤層；上延4-3采區(qū)運(yùn)輸、回風(fēng)下山至-300 m運(yùn)輸巷，利用4-3采區(qū)下山上延布置雙翼工作面開(kāi)采后組煤西側(cè)(暗斜井以西)；在暗斜井東翼布置工作面回采改造區(qū)域東側(cè)(暗斜井以東)的煤炭資源。開(kāi)采優(yōu)化方案一布置情況如圖2所示。

圖2 開(kāi)采優(yōu)化方案一(m)

2)方案二：“-300～-700 m暗斜井(東向)+-800 m運(yùn)輸大巷”。自-300 m水平車場(chǎng)向東北布置兩條暗斜井至F10斷層前(標(biāo)高-700 m)；沿13/15煤層布置-800 m運(yùn)輸大巷將-850 m水平大巷(暗斜井)、4-3采區(qū)運(yùn)輸下山、七采區(qū)運(yùn)輸上山與系統(tǒng)改造暗斜井連接。布置6煤層運(yùn)輸、回風(fēng)下山(標(biāo)高-300 m至-750 m)開(kāi)采前組煤(2煤、6煤)，利用原生產(chǎn)系統(tǒng)開(kāi)采前組煤(4煤)，向南延伸兩條4-3采區(qū)下山至標(biāo)高-350 m處以開(kāi)采暗斜井以西的后組煤，利用暗斜井回采暗斜井以東的后組煤。開(kāi)采優(yōu)化方案二布置情況如圖3所示。

圖3 開(kāi)采優(yōu)化方案二(m)

3)方案三：“混合立井+-270～-700 m暗斜井(西向)”。在管子井工業(yè)廣場(chǎng)的南側(cè)、柴汶河的北側(cè)布置1個(gè)混合立井井筒，井底車場(chǎng)標(biāo)高-270 m。自-270 m井底車場(chǎng)沿6/13煤層向西北布置3條暗斜井至F21斷層前(標(biāo)高-750 m)，再向西至-850 m水平大巷(暗斜井)。前、后組煤各煤層均利用暗斜井向東、西兩側(cè)布置采煤工作面進(jìn)行開(kāi)采。開(kāi)采優(yōu)化方案三布置情況如圖4所示。

3.1.2 方案比選

1)方案一可解放-850 m至-50 m水平資源；采區(qū)劃分均衡，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度合理；施工1個(gè)混合立井較施工主、副井2個(gè)井筒工程量少，地面配套及井下礦建工程簡(jiǎn)單。但該方案整體工程量大，投資多；煤炭運(yùn)輸環(huán)節(jié)復(fù)雜，需先經(jīng)混合立井提升至-50 m水平，再經(jīng)1#副斜井提至地面。

2)方案二采區(qū)劃分均衡，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度合理；通過(guò)暗斜井連接-800 m運(yùn)輸大巷及-300 m水平，煤炭運(yùn)輸環(huán)節(jié)較少；不施工混合立井井筒，投資少。但暗斜井與11105西面采空區(qū)距離近，巷道支護(hù)困難；6煤層下山壓覆后組煤，巷道服務(wù)與開(kāi)采時(shí)間需錯(cuò)開(kāi)，對(duì)采掘接續(xù)要求高；無(wú)法兼顧-300 m至-50 m水平資源回采。

3)方案三可解放-850 m至-50 m水平資源；方案整體工程量小，投資少；施工1個(gè)混合立井井筒較施工主、副井2個(gè)井筒的工程量少，地面配套及井下礦建工程簡(jiǎn)單。但暗斜井需穿過(guò)原光明礦15煤采空區(qū)底部，15煤與奧灰間距約65 m，巷道掘進(jìn)存在安全隱患；煤炭運(yùn)輸環(huán)節(jié)復(fù)雜，需先經(jīng)混合立井提升至-50 m水平，再經(jīng)1#副斜井提至地面；暗斜井位置偏西，兩翼工作面分布不均，且部分工作面巷道需穿過(guò)斷層，不利于礦井生產(chǎn)接續(xù)。

技術(shù)改造方案經(jīng)濟(jì)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 技術(shù)改造方案經(jīng)濟(jì)對(duì)比

3.1.3 方案確定

經(jīng)綜合比較，方案一服務(wù)范圍內(nèi)可解放煤炭資源量多，易布置工作面回采暗斜井以東的后組煤資源，且開(kāi)拓巷道不需穿過(guò)老窯采空區(qū)、不受奧灰水害威脅，方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合效益較好，推薦方案一為主導(dǎo)方案，即布置混合立井井筒、暗斜井、-800 m運(yùn)輸大巷、6煤層下山、4-3下山(上延)等改造工程，合理開(kāi)采礦井煤炭資源。

3.2 合理選擇井口位置及井筒布置

受礦井地面已有土地空間布局及井下已有巷道、采空區(qū)限制，并考慮混合立井落底位置與后組煤回采布置、與下部徐灰及奧灰間距等因素，設(shè)計(jì)在管子井以南、柴汶河以北區(qū)域布置1個(gè)混合立井井筒。井筒直徑7.5 m，全深458.6 m。井筒內(nèi)裝備兩套提升設(shè)備，一對(duì)單繩輕型箕斗用于提升原煤，一對(duì)雙層多繩罐籠(一寬一窄)用于運(yùn)輸物料和人員，并敷設(shè)排水管、動(dòng)力電纜及通訊信號(hào)電纜等。

3.3 合理進(jìn)行采區(qū)劃分調(diào)整及開(kāi)采布置

對(duì)改造區(qū)域采區(qū)劃分進(jìn)行調(diào)整，將原來(lái)的分水平分階段布置采區(qū)優(yōu)化為暗斜井片盤布置采區(qū)。以暗斜井為界將改造區(qū)域劃為4個(gè)采區(qū)(前、后組煤各2個(gè))，改造區(qū)域內(nèi)采區(qū)個(gè)數(shù)由15個(gè)減為4個(gè)。布置6煤層下山用于開(kāi)采前組煤；4-3采區(qū)下山(上延)用于開(kāi)采后組煤西側(cè)，暗斜井用于開(kāi)采后組煤東側(cè)區(qū)域。采煤工作面采用綜采采煤工藝，按智能化開(kāi)采標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行裝備。采區(qū)劃分調(diào)整后，可大大優(yōu)化礦井開(kāi)拓開(kāi)采布局，采煤工作面走向(推進(jìn))長(zhǎng)度增加，系統(tǒng)布置簡(jiǎn)單，生產(chǎn)集約高效。改造區(qū)域內(nèi)地面村莊密集，主盈利的2、4煤層剩余資源大部分為-550 m副立井工業(yè)廣場(chǎng)、村莊或大巷保護(hù)煤柱，采用離層注漿、連采連充等綠色開(kāi)采工藝，保證地面建(構(gòu))筑物安全、穩(wěn)定。

4 礦井生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化

對(duì)礦井供電、運(yùn)輸、通風(fēng)等主要生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，提升各生產(chǎn)系統(tǒng)的保障能力。

4.1 提升系統(tǒng)

新建1個(gè)混合立井，井筒直徑7.5 m，井筒深度458.6 m。混合立井內(nèi)分區(qū)運(yùn)輸，輔助直接提升至地面，煤炭提升至-50 m后再在井下經(jīng)主斜井轉(zhuǎn)運(yùn)至原工業(yè)廣場(chǎng)。井筒內(nèi)同時(shí)布置箕斗和罐籠兩套提升系統(tǒng)，北側(cè)布置一對(duì)12 t單繩輕型箕斗，罐道間距2.4 m，罐寬1.6 m，用于提升原煤；南側(cè)布置一對(duì)雙層多繩罐籠(一寬一窄)，寬罐為雙層四車，罐道間距6.1 m，罐寬1.86 m，用于提升材料及輔運(yùn)車輛；窄罐為雙層乘人，罐道間距2.9 m，罐寬1.34 m，用于人員運(yùn)輸。

4.2 運(yùn)輸系統(tǒng)

采用帶式輸送機(jī)作為煤流運(yùn)輸方式，擔(dān)負(fù)全礦原煤提升任務(wù)。為減少主運(yùn)輸中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)和輸送機(jī)數(shù)量，改造工程撤除原-550 m西翼系統(tǒng)(第一、二、三部)帶式輸送機(jī)、-550 m強(qiáng)力帶式輸送機(jī)、-300 m鋼纜帶式輸送機(jī)及上下轉(zhuǎn)載機(jī)等運(yùn)輸環(huán)節(jié)，保留原-850 m采區(qū)運(yùn)輸下山帶式輸送機(jī)。改造工程前期(混合立井投用前)原煤經(jīng)6煤運(yùn)輸下山與4-3采區(qū)回風(fēng)下山(上延)運(yùn)輸至-550 m水平或-300 m運(yùn)輸巷，經(jīng)原主斜井提升系統(tǒng)提升至地面。后期(混合立井投用后)原煤經(jīng)-800 m運(yùn)輸大巷、運(yùn)輸暗斜井運(yùn)至-250 m井底煤倉(cāng)，通過(guò)12 t雙箕斗提升至-50 m水平，再經(jīng)由-50 m水平轉(zhuǎn)載巷至主斜井，再轉(zhuǎn)運(yùn)至地面。

物料運(yùn)輸采用單軌吊，人員運(yùn)輸采用架空乘人裝置，利用-850 m副立井及-800 m運(yùn)輸大巷，混合立井井筒及暗斜井、采區(qū)上下山等巷道將物料和人員運(yùn)送至工作面。改造工程充分利用礦井現(xiàn)有輔助運(yùn)輸系統(tǒng)，逐步報(bào)廢-300 m、-550 m水平，并將其設(shè)備用于改造區(qū)域巷道中。

4.3 通風(fēng)系統(tǒng)

礦井現(xiàn)有進(jìn)風(fēng)井6個(gè)，即-550副立井、主斜井、1#副斜井、2#副斜井、-850西立井、管子井；回風(fēng)井2個(gè)，即西部風(fēng)井和中部風(fēng)井。改造工程廢棄中部風(fēng)井，改用原2#副斜井上部(-50 m水平以上)回風(fēng)。擴(kuò)修2#副斜井巷道斷面至14.6 m2，長(zhǎng)度780 m，采用混凝土砌碹支護(hù)方式。

根據(jù)技術(shù)改造實(shí)施進(jìn)程，礦井通風(fēng)系統(tǒng)改造可分為三個(gè)階段：第一階段，改造區(qū)域仍采用中央風(fēng)井回風(fēng)，現(xiàn)有通風(fēng)設(shè)備不變；第二階段，采用擴(kuò)刷后的2#副斜井回風(fēng)，新選用2臺(tái)FBCDZNo26/2×250防爆軸流通風(fēng)機(jī)，1用1備；第三階段，采用2#副斜井回風(fēng)、混合立井井筒進(jìn)風(fēng)。

4.4 排水系統(tǒng)

礦井前期先整體報(bào)廢-550 m水平，屆時(shí)礦井剩余4個(gè)水平中央泵房，分別設(shè)在-50 m、-300 m、-850 m中央泵房及-850 m一采區(qū)泵房，-550 m水平涌水自流至-850 m水平水倉(cāng)再統(tǒng)一排出。后期開(kāi)采-300 m以淺資源時(shí)，在暗斜井-300 m標(biāo)高處新建水倉(cāng)、泵房。選用3臺(tái)MD450-60×9型離心泵，1用1備1檢修。選用?325 mm×14/9 mm無(wú)縫鋼管2趟，沿混合立井井筒敷設(shè)。-300 m水平以淺的涌水通過(guò)新建-300水倉(cāng)、泵房排出，-300 m以深的涌水通過(guò)-850 m水平水倉(cāng)、泵房排出。

4.5 供電系統(tǒng)

工業(yè)廣場(chǎng)設(shè)6/0.4 kV配電所，管子井場(chǎng)地設(shè)1座6 kV河北配電所，-550 m副立井場(chǎng)地、-850 m西立井場(chǎng)地、西風(fēng)井場(chǎng)地各設(shè)置1座35 kV降壓站。改造工程將原管子井場(chǎng)地6 kV配電所升級(jí)改造為35 kV降壓站，新建兩回輸電線路至35 kV新降壓站，電廠通過(guò)2路35 kV架空線在河北新降壓站并網(wǎng)，混合立井場(chǎng)地技改后有功功率13033.14 kW?；旌狭⒕总噲?chǎng)建井底配電所，在新立井井筒內(nèi)敷設(shè)4根185 mm2電纜。原-550 m副立井地面設(shè)施全部撤出，原副立井35 kV降壓站退出，原井下-550配電所保留，改由混合立井35 kV變電站供電。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)協(xié)莊煤礦資源賦存及開(kāi)拓開(kāi)采現(xiàn)狀，確定對(duì)礦井開(kāi)展生產(chǎn)系統(tǒng)改造工程。設(shè)計(jì)提出了“新建混合立井、暗斜井、-800 m運(yùn)輸大巷”開(kāi)拓開(kāi)采方案，并確定了井筒位置及布置方案、采區(qū)劃分調(diào)整及開(kāi)采布置，對(duì)礦井主要生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。技術(shù)改造工程可簡(jiǎn)化礦井生產(chǎn)系統(tǒng)環(huán)節(jié)，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，對(duì)類似礦井生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化改造具有良好的借鑒價(jià)值。