同忻双系煤层千万吨级矿井设计优化分析

杜 淼

0 引言

自1954 年世界上第一个综合机械化采煤工作面在英国诞生以来，经过60 多年的不断发展和完善，综采技术装备日益成熟[1]，工作面单产越来越高，从1990 年百万吨工作面生产矿井已发展为现在的千万吨工作面生产矿井。在国内[2]，随着机械化开采水平的快速发展，综采面生产能力大幅度提高[3]。

同忻井田上覆侏罗系煤层群主要分为多个矿井同时开采，开采时间长，开采过程中应用了房柱式采煤法、长壁采煤法等多种采煤方法和回采工艺，采空区积水、火区分布情况复杂，开采区域煤柱留设情况复杂，开采区覆岩平衡结构特征复杂等，形成了复杂的开采区域，为下伏石炭系特厚煤层的安全开采增加了难度。

同忻矿在现代化矿井发展模式的基础上，对下伏石炭系特厚煤层开采进行千万吨矿井优化设计，方案体现无轨胶轮运输和现代化机械装备优势，实现集中开发、安全高效生产。

1 石炭系科学产能分析

大同煤田为双系煤田，即侏罗系煤层和石炭二叠系煤层重叠赋存。上组侏罗系煤层建设了15 个矿井进行开采。同煤集团从20 世纪80 年代开始研究双系煤田下组石炭二叠系煤层的开采。按照当时我国煤炭开发理念，石炭二叠系资源的开采应在原侏罗系矿井基础上分别向下延深，建设5～6 个400 万t 石炭二叠系矿井。这一开发模式难以建设安全、高效的大型现代化生产矿井。同煤集团基于石炭二叠系煤炭资源赋存特点和煤炭工业发展趋势的判断，提出对石炭二叠系大型煤炭资源进行整体规划和集中开发的思路，充分吸取国内外安全高效大型矿井建设和生产的成功经验，打破了侏罗系矿井向下延深的传统模式，对石炭二叠系煤炭资源进行单独规划和布局，提出了建设特大型现代化安全高效矿井的目标。

针对同忻矿区的资源环境、机械化水平以及煤炭赋存储量，从煤层科学产能和煤层储量方面分析石炭系煤层是否具有单工作面生产千万吨的能力。

科学产能[4]是矿井综合能力的体现，指在保证持续发展储量的前提下，用科学、安全和环境友好的方法，将煤炭资源最大限度采出的矿井产能。科学产能必须满足环境容量、安全生产、机械化开采要求，其中机械化开采要求应根据开采煤层赋存条件而定，不能一概而论。

同忻矿在满足科学产能要求的前提下，按照《煤炭工业矿井设计规范》 (GB 50215-2005)中煤炭产能的方法估算，即区域煤炭产能=保有资源储量×区域煤炭采出率/(服务年限×储量备用系数)。其中同忻矿保有资源量1 743.22 Mt，3-5 煤层可采储量为869.09 Mt，占矿井可采储量的70.0%，储量备用系数取1.4，按矿井生产能力10.0 Mt/a 计算，矿井服务年限可达80 a。丰富的煤炭资源为建设同忻千万吨特大型现代化矿井奠定了良好的资源条件。并基于同忻矿区石炭二叠系煤层主采煤层平均厚度15.3 m，倾角0°～3°，属特厚煤层，赋存稳定，倾角平缓，水文地质条件简单，瓦斯含量小，构造简单，适合综合机械化开采，宜建特大型矿井。

2 千万吨矿井生产系统优化设计

2.1 千万吨矿井开拓系统优化设计

2.1.1 同忻井筒设计思路与方案

石炭二叠系煤层赋存较深，距地表约为380 m～500 m。考虑到千万吨产能的运输和提高辅助运输系统效率，设计主运采用皮带运输，辅运采用无轨胶轮车运输。所以，将同忻矿主井设计为斜井，副井设计为斜硐，两条井筒平行，斜长分别为4 564.0 m 和4 665.9 m。主斜井倾角设计为5°8′，副斜井倾角设计为1°43′6″ (3%)～4°34′ (8%)，井筒斜长每800 m(8%)设一段100 m (3%)的缓坡段。主斜井井底位于8 号煤层底板17 m 处，在首采盘区北一和北二盘区交界处，3-5 号煤和8 号煤通过煤仓进入主斜井，一水平副斜井井底高程为+789.58 m。

2.1.2 大巷布置

从同忻矿井千万吨安全高效建设和尽量减小同忻矿与上覆5 个侏罗系矿井之间的相互影响的需求出发，矿井盘区划分和接续设计遵循几个原则[5]：①尽量将大巷布置在各种保安煤柱中，以减少护巷煤柱量；②在各保安煤柱间，尽可能把盘区尺寸规划得大一些，保证回采工作面有合理的推进长度和接续区段数量；③初期开采盘区回采工作面推进方向及长度尽可能不受上覆侏罗系未采煤层的影响。

根据以上原则，大巷沿垂直方向重叠布置，大巷煤柱尽可能利用井田内的铁路、断层及村庄保护煤柱，从而实现一柱多用，减少煤柱损失，提高矿井煤炭资源的回收率。重叠布置使巷道避开了支撑压力的影响，容易维护；消除了内错式布置造成的隅角带和外错式布置形成的顶板虚实交接压力大，顶煤破碎易自燃的缺点。

根据井田内大巷布置方式，将同忻井田以大巷和断层为界划分为6 个盘区，其中一水平和二水平分别有3 个盘区，即一水平和二水平的北一、北二、北三盘区。北一盘区为单翼盘区，北二和北三盘区为双翼盘区。依据同忻井田煤炭资源赋存特点和上覆侏罗系矿井生产的实际情况，将矿井一水平和二水平的北一盘区大巷基本上沿走向布置；一水平和二水平的北二、北三盘区大巷基本上沿倾斜布置。这种布置不仅考虑了位于投产的北一和北二盘区上部侏罗系生产矿井的大巷位置和报废时间，而且又能够确保北一、北二、北三主要盘区工作面连续推进长度达3 300 m～4 600 m。

同忻矿井北一盘区位于1070 大巷北侧，南北长平均6.7 km，东西宽平均4.0 km，面积约26.8 km2。同忻矿井采用集中大巷条带布置方式，一盘区直接利用3 条1070 大巷作为盘区巷道。3 条1070 大巷原则上沿3-5 号煤层底板分段给坡度掘进。开拓系统布置见图1。矿井达产时，在北一盘区投产一个综放工作面和一个连掘工作面，年产量10.0 Mt；在北二盘区投产一个掘进工作面，年产量1.0 Mt。合计达到矿井设计生产能力11.0 Mt/a。

图1 同忻矿开拓系统布置

2.2 千万吨矿井开采系统优化设计

2.2.1 准备系统设计

为了提高矿井生产效率，减少生产环节，采用开拓大巷布置在煤层中，大巷直接与回采巷道相连的方式，简化掉了传统的盘区石门、盘区煤仓等生产环节，提高了主运和辅运的效率。同忻矿北一盘区内布置一个综采放顶煤工作面，初期主要开采3-5 号煤层，考虑到盘区内煤层倾角较小，一般3°～10°，根据盘区形状和浅部侏罗系矿井水平大巷的位置，工作面回采巷道大致沿垂直于盘区大巷的位置布置。由于盘区大巷布置在盘区西侧，盘区内工作面进行单翼开采。工作面运输顺槽直接与带式输送机大巷连接，辅助进风顺槽和回风顺槽通过联络巷分别与盘区辅助运输大巷、回风大巷连通，形成完整的采区开采系统。

北二盘区南北长平均4.8 km，东西宽平均3.8 km，面积约18.2 km2。盘区地面有3 处村庄需要留设煤柱，均处于盘区边界，对开采布置影响不大。盘区内布置一个大采高综采工作面，初期主要开采3-5 号煤层。考虑到盘区内煤层倾角为3°～10°，设计确定直接利用3-5 号煤北二盘区大巷进行回采。根据盘区形状，大致沿垂直于盘区大巷的方位布置回采巷道。由于盘区大巷布置在盘区南侧，盘区内工作面进行单翼开采。采区内开采系统与支护等与北一盘区相似。

2.2.2 回采系统设计

8100 工作面位于3-5 号煤层北一盘区，西以北一盘区3 条盘区大巷保护煤柱为界，北以8101 工作面顺槽煤柱为界。8100 工作面平均埋深447.5 m，倾斜长度193 m，可采走向长度1 406 m。工作面开切眼位于工作面南东部，由东南向西北方向推进。工作面巷道布置见图2。工作面煤厚3.77 m～23.5 m，平均15.3 m，倾角2°～3°。工作面采用一次采全厚放顶煤综合机械化开采，采高3.9 m，放煤厚度11.4 m，采放比约为1∶2.9，日推进度6.4 m。

图2 8100 工作面巷道布置

3 千万吨矿井运输系统优化设计

3.1 主斜井运输系统设计

煤矿运输系统是矿井实现高产高效的必要条件[6]。根据国内高产高效矿井生产实践经验，带式输送机运输方式与其他运输方式比较，系统简单、中间环节少、运量大、操作简单、用人少、效率高、安全可靠；易于实现自动化控制，能够充分发挥综采设备的生产潜力等。结合同忻矿煤层开采技术条件及巷道布置特点，井下煤炭运输选择带式输送机运输方式。

针对同忻矿主斜井分布特点，带式输送机可采用两种设计方案：两条带式输送机搭接和一条带式输送机。两条带式输送机搭接方式尽管其应用比较普遍，技术相对成熟，但是存在搭接硐室开拓及支护较为困难，带载停机时易造成转载点堵煤，以及输送带寿命降低，总投资增大等问题。为了解决上述问题，同忻矿研发了DTL180 大运量高带速强力带式输送机，与机头以及中间共同驱动组成的运输系统技术方案。主斜井带式输送机每月输送原煤100 万t～110 万t。通过一年多现场使用证明，该机总体性能参数和功能指标均达到设计要求，满足现场生产使用要求。

DTL180 带式输送机主要技术参数：运量4 800 t/h，供电电压10 kV，运距4 700 m，电机功率3×1 800 kW+3×1 800 kW，提升高度365 m，功率配比2:1+2:1，带宽1 800 mm，输送带ST4500，带速5 m/s，传动滚筒直径1 830 mm，安全系数7.7。

3.2 辅助运输方式优化设计

根据我国高产高效矿井辅助运输方式使用现状，结合本矿井煤层厚、倾角缓、大巷沿煤层布置的特点，设计采用无轨胶轮车辅助运输方式。

无轨胶轮车辅助运输效率高，彻底消除了传统辅助运输方式的弊端，解决了一部分辅助运输制约生产能力的问题，大幅提高了运输效率和矿井生产能力，支撑了工作面长距离推进，为矿井大型化创造了条件；改善了安全环境，为安全生产提供了保障，降低了辅助运输成本，在同忻矿的生产实践中取得了比较好的成效。

4 结论

(1)针对石炭二叠系煤层赋存特点和煤炭技术发展趋势，提出了石炭二叠系大型煤炭资源整体规划和集中开发思路，突破了上部已有矿井开采的条件限制，形成了完全独立的资源开发体系。对石炭二叠系煤层的科学产能分析表明，同忻矿千万吨产能设计是可行的。开采实践表明，同忻矿石炭二叠系煤层采用的优化设计方案，实现了年产千万吨的目标，系统合理。

(2)同忻矿采用主斜井、副斜硐的开拓方式，大巷沿垂直方向重叠布置，实现“一柱多用”，减少煤柱损失。准备巷道布置在煤层中，基本不掘岩巷，实现了无岩巷布置。根据生产需要，将同忻井田划分为6 个盘区，盘区间以大巷和断层为界，推进了井田、盘区的大型化，使矿井设计生产能力达到11.0 Mt/a。

(3)同忻矿研发了DTL180 大运量高带速强力带式输送机，运输系统采用了一条输送带、机头和中间共同驱动的技术方案，满足了现场生产的使用要求。辅助运输采用无轨胶轮车运输方式，提高了矿井的生产能力和运输效率，保障了矿井安全生产。

[1]汉春.国内外高产高效矿井现状及展望 [J].煤，1998（06）：14-17+41.

[2]乌荣康.我国高产高效矿井建设与发展 [J].煤炭科学技术，2003（01）：1-4.

[3]王金华.煤炭科技发展现状及前瞻［J］.煤炭企业管理，2004(1)：31-34.

[4]谢和平，王金华，申宝宏，等.煤炭开采新理念——科学开采与科学产能[J].煤炭学报，2012（07）：1 069-1 079.

[5]蔡东红，王海龙.巷道布置方式与动压巷道破坏探讨[J].煤炭科学技术，2009，37（7）：31-34.

[6]郝成军，陈平，李万山.浅谈综采设备的选型与配套原则[J].煤炭工程，2005（10）：37-39.