浅谈柳塔煤矿二水平2-2煤开采设计优化

2018-11-19王林

陕西煤炭 2018年6期

王林

(神东煤炭集团鄂尔多斯市神东工程设计有限公司，陕西神木 719315)

0 引言

柳塔煤矿位于神东基地神东矿区，行政隶属内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗乌兰木伦镇，井田面积21.41 km2，生产能力3.0 Mt/a。该矿始建于1988年，1990年10月建成规模3 Mt/a的矿井。矿井生产期间，经过多次技术改造，2008年核定生产能力30 Mt/a。矿井采用斜井-平硐联合开拓布置，已经实现了运输系统皮带化、辅助运输胶轮化、生产系统远程自动化控制和安全监测监控系统自动化。

1 矿井现有生产系统

柳塔煤矿位于东胜煤田，共有煤层23层，主要可采煤层8层，根据各煤层的层位关系，分成5个水平，第一水平为矿井现在生产水平的1-2煤及1-2上煤，标高+1 120 m；第二水平为2-2煤，标高为+1 085 m；第三水平为3-1上煤及3-1煤，标高为+1 060 m；第四水平为4-2煤，标高为+1 030 m；第五水平为5-1煤及5-2煤，标高为+990 m。

矿井采用斜井多水平开拓方式，现有3个工业场地。主工业场地位于井田西南边界，布置有主斜井，井筒倾角15°，斜长265 m，担负全矿井的煤炭运输任务，井筒内装备带宽1.2 m钢丝绳芯胶带输送机，敷设有消防洒水管、通讯信号电缆等。副井工业场地位于井田中部，布置有3条井筒，分别为辅运平硐、1#进风斜井和2#进风斜井，辅运平硐表土段倾角6°，基岩段倾角5°，长度1 229 m，采用无轨胶轮车运输；1#进风斜井倾角25°，斜长218 m；2#进风斜井倾角21°，斜长332 m。风井工业场地位于副井工业场地南侧，布置回风立井，担负矿井回风任务，井深141 m。

矿井开采一水平1-2煤时在井田中部实际揭露一断距约为25 m的断层，以该断层为界将井田划分为2个盘区，即断层东翼为一盘区，断层西翼为二盘区。1-2煤运输、辅运、回风3条大巷在井田中部沿1-2煤层西北-东南方向布置，2-2煤层3条大巷与1-2煤层3条大巷重叠布置。井下主要硐室有中央变电所、主排水泵房及水仓，设于辅运平硐井底；1-2煤层在东、西部设盘区变电所、水泵房及水仓、消防材料库等；2-2煤层在一盘区建成2-2煤中央变电所、主排水泵房及水仓、加压泵房、永久避难硐室等。

现在矿井正在回采1-2煤层，布置1个综合机械化采煤工作面、2个连续采煤机掘进工作面，年生产能力为3.0 Mt。

2 设计优化的必要性

柳塔煤矿目前正在1-2煤开采，根据1-2煤剩余资源量和矿井接续安排，预计2018年年底回采完毕，届时一水平1-2煤层的综采工作面全部回采完，将接续二水平2-2煤层。2011年12月神东煤炭集团委托鄂尔多斯市神东工程设计有限公司编制完成了《柳塔煤矿下水平2-2煤开采接续初步设计》，该设计确定了二水平2-2煤开拓开采方式，2-2煤一盘区主运巷从1-2煤集中皮带大巷机尾以6°向下掘进约60 m后见2-2煤以50°方位角向东掘进，2-2煤一盘区辅运巷和回风巷平行主运巷以50°方位角向东掘进，工作面顺槽垂直2-2煤一盘区巷道两翼布置。主斜井在现有位置以15°向下延伸至3-1上煤，2-2煤二盘区主运巷、辅运巷和回风巷以230°方位角向西掘进，在2-2煤二盘区辅运巷适当位置以6°向下掘进3-1煤辅运下山至3-1上煤并与3-1上煤二盘区辅运大巷相连，将3-1上煤二盘区辅运巷以230°方位角向西掘进与主斜井井底连通，2-2煤二盘区主运巷通过溜煤眼与主斜井连通，2-2煤二盘区集中大巷以320°方位角向北掘进，工作面顺槽平行井田西北边界向北布置。开拓方式如图1所示。

图1 原设计开拓方式

2015年9月内蒙古煤矿设计研究院有限责任公司编制的《矿业置换方案》将柳塔煤矿井田北部毗连的1.55 km2边角煤炭资源配置给柳塔煤矿，将乌兰木伦煤矿WK16钻孔西南约200 m处DF26断层和DF27断层西南侧资源划给柳塔煤矿。由于矿井井田范围发生改变，原设计不能满足矿井开拓开采，柳塔煤矿二水平2-2煤开采设计优化关系到矿井的正常接续，很有必要。

3 设计优化条件

3.1 指导思想

严格执行国家关于煤矿安全生产的法律、法规，建立完善的安全生产系统，确保矿井安全生产。借鉴神东矿区相邻矿井和本矿井生产中的成功经验，力求各个生产系统相对简单实用可靠，减少中间环节，减少巷道工程量，多掘煤巷，少掘岩巷。结合资源赋存具体情况尽可能选用国内先进设备，提高矿井整体机械化水平，减少劳动人数，提高劳动生产率和矿井全员效率，降低生产成本，提高资源回收率。最大限度地利用矿井现有井筒和设施、设备，减少二水平巷道工程量和投资，缩短工期。尽量减少对一水平1-2煤生产的影响，并有利于二水平2-2煤的开拓延深，缩短一、二水平交替时间。

3.2 矿井资源条件

矿井地质特征：①柳塔煤矿位于鄂尔多斯高原东部，毛乌素沙漠北缘，地形总体为北东高西南低，最高点位于井田东部边界外，最低点位于井田西南部边界外乌兰木伦河岸边；井田地貌形态为侵蚀性丘陵地貌，地表多为流动性或半固定波状沙丘覆盖，地形呈波浪状起伏，平缓多变；②井田内地层由老至新发育有：三迭系上统延长组(T3y)、侏罗系中下统延安组(J1-2y)、侏罗系中统直罗组(J2z)、侏罗系中统安定组(J2a)、第四系上更新统马兰组(Q3m)、第四系全新统(Q4)；③根据1-2上、1-2煤层揭露的断层及2-2煤钻孔煤层底板标高分析，2-2煤揭露落差5 m以上断层3条，分别为1-2上F1断层，1-2煤F53断层、1-2煤F7断层，以上3条断层延伸长度较长，其中F53与1-2上F1断层走向平行，F7断层又与以上2条断层走向垂直。矿井内褶曲、断裂极不发育，无岩浆岩、陷落柱等其他构造，矿井属于简单构造类型。

矿井煤层特征及储量：矿井可采煤层为1-2上、1-2、2-2、3-1上、3-1、4-2、5-1、5-2共8层。2-2煤层位于延安组第四岩段上部，煤层厚0.5～3.26 m，平均2.07 m，可采厚度0.8～2.94 m，平均1.99 m，属中厚煤层。煤层倾角1°～3°，煤层由矿井西南部向东北部逐渐变薄。该煤层间普遍含一层厚为0.08～0.59 m的泥岩、粉砂质泥岩夹矸。煤层对比可靠，层位稳定，分布连续，属对比可靠、全井田可采的稳定煤层。二水平2-2煤地质资源量为44.32 Mt，可采储量44.02 Mt。

煤质煤种：二水平2-2煤层低灰、特低硫、特低磷、中高挥发分、中高发热量，属于不粘煤，是良好的动力用煤和气化用煤，也可用于煤液化。

矿井水文地质特征：井田沟谷较为发育，西部有公捏尓盖沟，流量随季节而变化，雨季较大，冬季锐减，上游建有宝勒高水库，水库库容754.98 m3。公捏尔盖沟水系由东北向西南流入井田南部的乌兰木伦河。矿井的主要充水水源为大气降水，充水通道主要为煤层采动后形成的冒裂带导水裂隙。矿井水文地质条件为孔隙-裂隙含水，水文地质勘探类型为一类～二类一型，水文地质类型为中等。预计二水平2-2煤开采时，矿井正常涌水量为265 m3/h，最大涌水量为334 m3/h。

3.3 矿井开采技术条件

矿井瓦斯：二水平2-2煤层埋藏较浅，煤层瓦斯含量较低，实测瓦斯含量在0.51～0.77 m3/t之间，平均0.64 m3/t，同时根据瓦斯组分析，煤层处于氮气带、氮气-甲烷带以内，即位于瓦斯风化带内。根据2014年度《矿井瓦斯等级鉴定报告》，矿井绝对瓦斯涌出量5.17 m3/min，相对瓦斯涌出量0.93 m3/t，采煤工作面最大绝对瓦斯涌出量0.51 m3/min，掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量0.19 m3/min，属低瓦斯矿井。

煤层自燃：煤层变质程度低，挥发分产率及丝炭含量较高，根据沈阳研究院2012年11月29日的柳塔煤矿自然倾向性报告显示，二水平2-2煤的吸氧量为1.06 cm3/g，属容易自燃煤层。

煤尘爆炸危险性：根据沈阳研究院2012年11月29日的柳塔煤矿煤尘爆炸性报告显示，火焰长度为20 mm，抑制爆炸的最低岩粉量为60%，有爆炸性危险。

矿井地温：地温梯度在3 ℃/100 m以内，无地温异常，变化梯度一般为1.5～2 ℃/100 m，开采过程中亦无温度升高迹象，矿井无地热危害。

煤层顶底板：煤层顶板主要为泥质粉砂岩、细砂岩及砂岩；底板岩性有砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩。煤层顶底板较稳定，构造附近顶板破碎。

4 开采设计优化

4.1 开拓开采布置

二水平2-2煤开采利用主、副、风井工业场地生产、生活辅助及配套设施，同时结合矿井现有开拓系统、生产系统，提出以下2个布置方案。

方案Ⅰ：二盘区北翼巷道在断层群西侧沿断层走向布置。①一盘区布置—2-2煤一盘区巷道布置不变，南翼工作面顺槽垂直2-2煤一盘区巷道布置不变，北翼工作面顺槽以356.6°方位角向北布置；②二盘区布置—2-2煤二盘区巷道布置不变，2-2煤二盘区北翼主运、辅运及回风3条巷道在F1、F52、F19、F14断层群西侧以7.6°方位角向北布置，过F14断层后以50°方位角向东北方向布置2-2煤二盘区北翼主运、辅运及回风延伸段至井田边界；工作面顺槽平行井田东北边界向西北布置；③二水平2-2煤开拓方式方案Ⅰ如图2所示。

图2 开拓方式方案Ⅰ

方案Ⅱ：二盘区北翼巷道垂直2-2煤二盘区巷道向北布置。①一盘区布置方式与方案Ⅰ相同；②二盘区布置—2-2煤二盘区巷道布置不变，2-2煤二盘区北翼主运、辅运及回风3条巷道在F1断层西侧垂直2-2煤二盘区巷道向西北布置至井田边界；工作面顺槽平行井田西北边界向东北布置；③二水平2-2煤开拓方式方案Ⅱ如图3所示。

图3 开拓方式方案Ⅱ

方案Ⅰ优点：①工作面平行煤层等厚线布置，同一工作面煤层厚度变化小，对设备适应性好，出煤量较均衡；②采出煤量多；③工作面数量虽然多，但跳采数量很少，搬家倒面费用低；④薄煤层、中厚煤层分开回采，前期开采中厚煤层，后期开采薄煤层。如现在暂时不开采薄煤层，可预留系统，等设备、技术成熟后回采。

方案Ⅰ缺点：① 2-2煤二盘区巷道沿F1断层走向布置，后期的不可预见性较多；②2-2煤二盘区开拓巷道掘进工程量多，且巷道所在位置煤层厚度变化较大，掘进岩石量多；③工作面顺槽掘进工程量较多；③投资多。

方案Ⅱ优点：①避免因F1断层等不确定因素的影响；② 2-2煤二盘区开拓巷道掘进工程量少，同时所在位置煤层较厚，掘进无岩石量；③工作面顺槽掘进工程量较少；④投资省。

方案Ⅱ缺点：①工作面垂直煤层等厚线布置，同一工作面煤层厚度变化大，对设备适应性不好(工作面开采过程中需要更换支架及煤机等设备)，且出煤量不均衡，接续安排困难；②工作面数量虽然少，但跳采数量多，搬家倒面费用高；③采出煤量少；④同一工作面有薄煤层、中厚煤层。如现在暂时不开采薄煤层，后期设备、技术成熟后没用系统，不可回采。

方案比选：方案I虽然建设投资多，但是采出煤量多、搬家倒面少，同时对设备的适应性强。因此，推荐方案I，即2-2煤一、二盘区巷道布置不变，2-2煤二盘区北翼巷道在断层群西侧沿断层走向布置。

4.2 巷道布置及接续安排

借鉴邻近矿井同煤层开采的成熟经验及本矿井多年开采积累下的成功经验，设计二水平2-2煤巷道沿2-2煤层底板布置，巷道掘进采用连续采煤机掘进，断面均采用矩形，锚网喷支护，底板铺混凝土。

柳塔煤矿生产能力为3.0 Mt/a，二水平2-2煤生产能力仍定为3.0 Mt/a，初期布置一个综合机械化采煤工作面，后期需布置2个综合机械化采煤工作面才能达到矿井生产能力。接续安排先期开采2-2煤一盘区西南区域，接续2-2煤二盘区西南区域，后期2个盘区剩余区域同时开采。

4.3 采掘装备

柳塔煤矿生产能力为3.0 Mt/a，根据各煤层厚度情况，开采初期布置1个综合机械化采煤工作面2个连续采煤机掘进工作面，其中1套连续采煤机用于工作面正常接续，另1套连续采煤机用于盘区、大巷的延伸以及硐室掘进；开采后期布置2个综合机械化采煤工作面2个连续采煤机掘进工作面，2套连续采煤机用于工作面正常接续。

综合机械化采煤工作面选用长壁式综合机械化采煤方法，三巷布置，各工作面均依次逐段后退式回采。每个工作面均采用双向回采，采煤机截煤装煤，刮板输送机运煤，通过工作面破碎机和转载机将煤炭输送到顺槽胶带机上，顺槽胶带机再将煤炭运到大巷胶带机上。综合机械化采煤工作面设备配备见表1。