資源整合礦井厚薄優(yōu)劣煤層配采方案設(shè)計(jì)

毋會兵，段文超

(1.山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 澤州天安宏祥煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048000；2.山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 山西 晉城 048000)

山西省是全國率先啟動煤礦企業(yè)兼并重組整合的省份，經(jīng)過十年的努力，全省煤礦數(shù)量由2 600余座減少至1 053座，目前山西省范圍內(nèi)30萬t以下的小煤礦已全部取締，煤礦產(chǎn)業(yè)集中度提高，相關(guān)的安全生產(chǎn)問題和經(jīng)濟(jì)效益得到了有效改善[1]. 但是，資源整合礦井在后續(xù)生產(chǎn)過程中也暴露出一些問題，其中比較突出的問題就是一些資源整合礦井在兼并重組后，面臨著上部優(yōu)質(zhì)資源枯竭，首采煤層資源條件差、地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，礦井生產(chǎn)過程中銜接緊張，生產(chǎn)的原煤煤質(zhì)差，礦井長期不達(dá)產(chǎn)、處于嚴(yán)重虧損狀態(tài)等[2]. 為解決上述難題，以山西晉城煤業(yè)集團(tuán)澤州天安宏祥煤業(yè)為工程背景，探討了9#、15#煤層厚薄、優(yōu)劣煤層的合理配采方案，以保證礦井達(dá)產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、正常銜接、優(yōu)化煤質(zhì)，實(shí)現(xiàn)礦井扭虧為盈，提高礦井經(jīng)濟(jì)效益。

1 礦井概況

宏祥煤業(yè)為2018年初竣工驗(yàn)收的資源整合礦井，井田面積為11.592 9 km2，批準(zhǔn)開采3#—15#煤層，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.20 Mt/a. 其中，井下3#煤層資源在礦井兼并重組前已枯竭，礦井現(xiàn)開采9#煤層，下部15#煤層未采動。

1) 煤層賦存條件。

9#煤層厚度為0.95～1.63 m，平均1.29 m，結(jié)構(gòu)簡單，屬穩(wěn)定可采煤層。頂板為泥巖，底板為泥巖和砂質(zhì)泥巖。9#煤層為高灰、中高硫、高熱值的無煙煤，平均灰分為37.52%，平均硫分為2.23%.

15#煤層位于9#煤層以下，層間距約35 m.煤層厚度為0.40～7.02 m，平均3.87 m，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，含1～2層泥巖夾矸，為穩(wěn)定可采煤層。頂板為K2石灰?guī)r，底板為泥巖。煤質(zhì)為特低灰～高灰、中高硫、低熱值～特高熱值的無煙煤，平均灰分為17.26%，平均硫分為2.68%.

宏祥煤業(yè)地質(zhì)構(gòu)造屬簡單類型，水文地質(zhì)條件為中等，為低瓦斯礦井。所采煤層均無煤塵爆炸危險(xiǎn)性，9#煤為不易自燃煤層，15#煤為自燃煤層，井田范圍內(nèi)地溫地壓正常。

2) 礦井開拓開采現(xiàn)狀。

礦井采用斜立井綜合開拓方式，布置有主斜井、副立井和回風(fēng)立井，均落底至15#煤層。其中：

a) 主斜井。采用半圓拱形斷面，傾角25°，凈寬5.0 m，凈高4.0 m，凈斷面積17.31 m2，斜長537.40 m，裝備有大傾角帶式輸送機(jī)和單鉤串車，設(shè)有臺階扶手，擔(dān)負(fù)礦井煤炭主提升、大型設(shè)備的提升和下放任務(wù)，兼作礦井的進(jìn)風(fēng)井和安全出口。

b) 副立井。采用圓形斷面，凈直徑5.0 m，凈斷面積19.63 m2，垂深232.0 m，裝備一對1.0 t單層單車標(biāo)準(zhǔn)罐籠和折返式金屬梯子間，擔(dān)負(fù)礦井人員和輔助材料的提升和下放任務(wù)，兼作礦井的進(jìn)風(fēng)井和安全出口。

c) 回風(fēng)立井。采用圓形斷面，凈直徑5.0 m，凈斷面積19.63 m2，垂深260.0 m，裝備有折返式金屬梯子間，作為礦井的專用回風(fēng)井和安全出口。

9#、15#煤層采用聯(lián)合布置，主水平位于15#煤層(即副立井井底+687.8 m水平)，輔助水平位于9#煤層。全井田9#煤層共劃分為一個采區(qū)，目前9#煤層布置有“一采兩掘”，采煤工藝為綜合機(jī)械化一次采全高，9#煤層井下各系統(tǒng)完善可靠。

由于9#煤層平均厚度僅為1.29 m，灰分高、生產(chǎn)時(shí)割矸量大、回采和掘進(jìn)效率低、銜接緊張，且礦井長期不達(dá)產(chǎn)，處于嚴(yán)重虧損狀態(tài)，為改善上述難題，對9#、15#煤層厚薄、優(yōu)劣煤層進(jìn)行合理配采。

2 配采比例的確定及生產(chǎn)組織

1) 配采比例的確定。

配采煤層主要參數(shù)指標(biāo)見表1.

表1 配采煤層主要參數(shù)指標(biāo)表

綜合分析9#、15#煤層主要參數(shù)指標(biāo)，在維持礦井生產(chǎn)能力1.20 Mt/a不變的基礎(chǔ)上，為降低混煤灰分，延長礦井配采服務(wù)年限，提高礦井綜合經(jīng)濟(jì)效益[3-4]，同時(shí)保證9#、15#煤層協(xié)調(diào)生產(chǎn)，避免蹬空開采，主要依據(jù)煤層厚度、混煤灰分和硫分、配采服務(wù)年限等因素綜合確定煤層配采比例。

由于9#煤層薄、煤質(zhì)相對較差，為提高混煤煤質(zhì)和噸煤售價(jià)，需增加15#煤層產(chǎn)量配比，故提出了3個9#、15#煤層配采比例方案，分別為1∶1、1∶2、1∶3.

不同配采比例條件下混煤灰分、硫分、配采服務(wù)年限見表2. 根據(jù)表2可知，9#煤與15#煤配采比例為1∶3時(shí)，配采后混煤灰分最低、礦井配采服務(wù)年限最長，而混煤硫分差別不大；9#煤與15#煤層平均厚度比值約為1∶3，即表明當(dāng)兩層煤產(chǎn)量比例為1∶3時(shí)，9#煤層和15#煤層的年推進(jìn)度一致，可實(shí)現(xiàn)兩層煤協(xié)調(diào)開采，避免出現(xiàn)上部9#煤層蹬空開采現(xiàn)象[5].

表2 不同配采比例混煤灰分、硫分、配采服務(wù)年限表

因此，確定9#煤與15#煤層配采比例為1∶3時(shí)經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)，即9#煤生產(chǎn)能力為0.30 Mt/a，15#煤層生產(chǎn)能力為0.90 Mt/a.

2) 生產(chǎn)組織。

配采期間，在維持礦井現(xiàn)有采煤隊(duì)組不變的基礎(chǔ)上，井下仍采用“三八制”作業(yè)方式，9#、15#煤層采用交替生產(chǎn)和檢修，取消夜班生產(chǎn)，滿足礦井1.20 Mt/a的產(chǎn)量要求，實(shí)現(xiàn)減人提效[6].

3 15#煤層開拓設(shè)計(jì)方案

目前，礦井3個井筒均已落底至15#煤層，9#、15#煤層配采期間，利用既有的3個井筒，功能維持不變，利用已經(jīng)形成的15#煤層巷道和主要硐室。其中，主要硐室包括副立井井底的環(huán)形車場、中央水泵房、中央變電所、主副水倉等；主要巷道包括副立井井底的15#煤層軌道大巷和15#煤層集中軌道巷、回風(fēng)立井井底的15#煤層集中回風(fēng)巷，目前15#煤層已基本形成輔助運(yùn)輸系統(tǒng)和回風(fēng)系統(tǒng)[7-8]. 主要針對15#煤開拓大巷布置及15#煤主運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)優(yōu)化15#煤層輔助運(yùn)輸系統(tǒng)。

1) 開拓方案布置。

a) 大巷布置。

井田內(nèi)15#煤層共劃分為一個采區(qū)，為雙翼采區(qū)。開拓巷道采用“1”字型布置，在井田中部重疊于上部9#煤層大巷布置一組15#煤層南北向巷道，北至井田北部邊界，南至井田南部村莊煤柱，雙翼開采全井田15#煤層。15#煤大巷采用“兩進(jìn)一回”的三巷布置方式，均沿煤層頂板K2石灰?guī)r布置，為全煤巷道，分別為軌道巷、膠帶巷和專用回風(fēng)巷。由于15#煤層埋深淺，經(jīng)計(jì)算大巷間距為30 m.

b) 優(yōu)化輔助運(yùn)輸系統(tǒng)。

為減少后期15#煤層輔助運(yùn)輸和通風(fēng)折返距離，通過優(yōu)化，在副立井井底利用現(xiàn)有的15#煤層環(huán)形井底車場，沿15#煤層向東布置一條15#煤井底聯(lián)絡(luò)巷與井田中部的大巷溝通，形成輔助運(yùn)輸和進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)。經(jīng)過優(yōu)化，單程可縮短輔助運(yùn)輸距離約1.0 km.

c) 主運(yùn)輸系統(tǒng)。

為減少15#煤層初期投資和對現(xiàn)有9#煤層生產(chǎn)系統(tǒng)的影響，投產(chǎn)時(shí)，將現(xiàn)有9#煤的煤倉做為配采期間的緩存煤倉。在15#煤層膠帶巷與9#煤層集中膠帶巷之間，布置一條15#煤膠帶聯(lián)絡(luò)巷(13°，斜長113 m，平段30 m)，將15#煤運(yùn)至9#煤主系統(tǒng)，利用現(xiàn)9#煤層集中膠帶巷和井底煤倉，形成15#煤主運(yùn)輸系統(tǒng)。

2) 水平、采區(qū)劃分及大巷布置。

a) 水平、采區(qū)劃分。

配采期間仍維持現(xiàn)有的水平劃分不變，即主水平位于副立井15#煤層，標(biāo)高為+687.792 m；輔助水平位于9#煤層。

全井田15#煤層共劃分為1個采區(qū)，即十五一采區(qū)，首采區(qū)為十五一采區(qū)。

9#煤層與15#煤層平均間距為35 m，經(jīng)計(jì)算9#煤層位于15#煤層上部裂隙帶內(nèi)部，當(dāng)下部15#煤層開采時(shí)，會對上部9#煤層造成一定程度的破壞，故采用下行開采順序，即先采9#煤層，后開采15#煤層，避免9#煤層蹬空開采。

b) 大巷布置。

15#煤層平均厚度3.87 m，屬厚煤層，礦井為低瓦斯礦井，15#煤層屬于Ⅱ類自燃煤層。基于上述條件，15#煤層開拓大巷均沿K2石灰?guī)r頂板布置，采用“兩進(jìn)一回”的三巷布置方式。其中：

15#煤層軌道巷和膠帶巷采用矩形斷面，凈寬5.0 m，凈高3.5 m，凈斷面積17.5 m2. 軌道巷布置一部無極繩連續(xù)牽引車，擔(dān)負(fù)15#煤輔助運(yùn)輸兼主進(jìn)風(fēng)任務(wù)；膠帶巷布置1部帶式輸送機(jī)，預(yù)留1部架空乘人裝置位置，后期增設(shè)，擔(dān)負(fù)15#煤層主運(yùn)輸、行人兼進(jìn)風(fēng)任務(wù)。

15#煤層專用回風(fēng)巷采用矩形斷面，凈寬5.5 m，凈高4.0 m，凈斷面積22.0 m2，為專用回風(fēng)巷，擔(dān)負(fù)15#煤回風(fēng)任務(wù)。

15#煤井底聯(lián)絡(luò)巷采用矩形斷面，凈寬5.0 m，凈高3.5 m，凈斷面積17.50 m2，巷內(nèi)布置一部無極繩連續(xù)牽引車和一部架空乘人裝置，擔(dān)負(fù)15#煤輔助運(yùn)輸、運(yùn)人兼進(jìn)風(fēng)任務(wù)，按照“行人不行車、行車不行人”管理。

上述巷道均采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)，錨索補(bǔ)強(qiáng)，噴厚100 mm. 考慮15#煤層頂板為石灰?guī)r，頂板完整支護(hù)條件較好，故錨桿采用MSGLW-400/20×2000左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，排距1.4 m，錨索為SKP18-1/1860，長度6.3 m，采用“1-2-1”布置,排距2.8 m.

15#煤層膠帶聯(lián)絡(luò)巷采用半圓拱形斷面，為巖巷，凈寬3.5 m，凈高3.0 m，凈斷面積9.18 m2，傾角13°，巷道內(nèi)布置一部皮帶，擔(dān)負(fù)礦井15#煤的主運(yùn)輸兼進(jìn)風(fēng)任務(wù)。

15#煤層開拓方式平面圖見圖1.

圖1 15#煤層開拓方式平面圖

4 采煤方法選擇

配采期間，15#煤層生產(chǎn)能力為0.90 Mt/a.根據(jù)15#煤層開采技術(shù)條件和產(chǎn)能要求，設(shè)計(jì)采用走向長壁綜采采煤法、垮落法管理頂板。

15#煤層厚度等值線圖見圖2. 該煤層厚度為0.4～7.02 m，平均厚度為3.87 m，最薄區(qū)域位于井田中南部，最厚區(qū)域位于井田中北部，煤層厚度總體趨勢為南部薄、北部厚，從南向北逐漸變厚。根據(jù)全井田15#煤層厚度分布規(guī)律，將整個井田劃分為3個區(qū)域，分別為2 m以下的區(qū)域，2～5.5 m的區(qū)域以及5.5 m以上區(qū)域。在圖2中，井田南部深色區(qū)域?yàn)槊簩雍穸仍? m以下的區(qū)域，中部淺色區(qū)域?yàn)槊簩雍穸仍?～5.5 m的區(qū)域，井田北部深色區(qū)域?yàn)槊簩雍穸仍?.5 m以上的區(qū)域。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，3個區(qū)域所占比例分布圖見圖3.

根據(jù)圖2和圖3可知，煤層厚度在2 m以下的區(qū)域占全井田可采區(qū)域的12%，主要集中在井田東南部，大部分厚度在1.5～2.0 m；煤層厚度為2.0～5.5 m的區(qū)域占全井田可采區(qū)域的82%，主要集中在2.5～5.0 m，分布于井田中部；煤層厚度在5.5 m以上的區(qū)域，占比約為6%，主要集中在井田東北部，大部分厚度在5.5～6.5 m.

圖2 15#煤層厚度等值線圖

圖3 15#煤層不同厚度所占比例圖

考慮井田15#煤層厚度變化大(0.4～7.02 m)，且煤層覆存極不均勻，采用一次采全高回采裝備難以覆蓋整個井田15#煤層，在厚煤層區(qū)域存在丟底煤、資源損失率較大，同時(shí)在薄煤層區(qū)域割矸量較大，影響煤質(zhì)，因此單純采用綜采一次采全高的采煤方法不可取。 同時(shí)，由于15#煤層硬度較大，且夾矸較多，頂板為難冒放的堅(jiān)硬石灰?guī)r，因此15#煤層采用放頂煤的采煤工藝難以實(shí)施。

綜上所述，在兼顧15#煤層回采裝備的適應(yīng)性、安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性等因素時(shí)[9]，主要針對井田15#煤層厚度在6.5 m以下的區(qū)域(占比約為97%)進(jìn)行回采。經(jīng)過論證，確定15#煤層采用分層開采和一次采全高相結(jié)合的采煤方式。其中，井田南部3.5 m以下的區(qū)域采用一次采全高，井田中北部的厚煤層區(qū)域采用分層開采。

結(jié)合15#煤層回采面布置以及15#煤層厚度等值線圖，將全井田劃分為兩個區(qū)域，以井田中部的粗線為界，分界線以北厚煤層區(qū)域采用分層開采的采煤工藝，分界線以南煤層采用一次采全高的采煤工藝。

全井田15#煤層不同采煤工藝范圍示意圖見圖4.

圖4 15#煤層不同采煤工藝范圍示意圖

因此，15#煤工作面采高設(shè)定為2.0～3.3 m，平均采高為3.0 m. 采煤工作面回采方向?yàn)楹笸耸交夭桑擅簷C(jī)在工作面長壁雙向自開缺口、截煤裝煤，刮板輸送機(jī)運(yùn)煤，液壓支架支護(hù)頂板，綜采工作面的采、裝、運(yùn)、支工序全部機(jī)械化[10]. 回采工作面主要設(shè)備選型技術(shù)特征見表3.

表3 15#煤回采工作面主要設(shè)備選型技術(shù)特征表

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

目前，9#煤層原煤售價(jià)約為260元/t，成本為287.86元/t，按照1.20 Mt/a計(jì)算，該礦生產(chǎn)9#煤層期間，每年虧損約3 343.2萬元。

9#煤和15#煤層進(jìn)行配采后，預(yù)計(jì)混煤售價(jià)約350元/t，按照年產(chǎn)量120萬t計(jì)算，每年銷售收入為350元/t×120萬t=42 000萬元，除去總成本34 543萬元和上交稅金240萬元，每年的總利潤額為7 457.00萬元，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)了扭虧為盈。

經(jīng)過盈利能力分析，財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為25.08%，大于本行業(yè)相應(yīng)的基準(zhǔn)收益率15%，動態(tài)稅后投資回收期為5.17年(含建設(shè)期)，小于項(xiàng)目服務(wù)年限。故該項(xiàng)目利潤空間較大，配采是非常必要的。

6 結(jié) 論

通過9#煤層與15#煤層合理配采，得到如下結(jié)論：

1) 綜合分析兩層煤賦存條件，經(jīng)過方案比選，在礦井總生產(chǎn)能力維持1.20 Mt/a不變的情況下，確定9#煤與15#煤配采比例為1∶3時(shí)，礦井綜合經(jīng)濟(jì)效益和配采服務(wù)年限較為合理。

2) 在充分利用礦井既有生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，確定9#、15#煤層采用聯(lián)合開拓布置方式，主水平位于15#煤層、輔助水平位于9#煤層，新增15#煤層主運(yùn)輸系統(tǒng)和開拓大巷，同時(shí)優(yōu)化15#煤層輔助運(yùn)輸系統(tǒng)，兩層煤形成“分層、分區(qū)、獨(dú)立系統(tǒng)”的配采模式。

3) 綜合分析全井田15#煤層厚度分布特點(diǎn)，15#煤層采用分層開采和一次采全高相結(jié)合的采煤方法。其中，井田南部的3.5 m以下的區(qū)域采用一次采全高的采煤方法，井田中北部的厚煤層區(qū)域采用分層開采的采煤方法。

4) 由經(jīng)濟(jì)效益分析可知，通過9#、15#煤層厚薄優(yōu)劣煤層的合理配采，可幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)扭虧為盈，提高礦井綜合經(jīng)濟(jì)效益。