煤矿矿井设计及采区优化探究

许楼家 张 苍

1.宁夏宝丰能源集团股份有限公司 宁夏 银川 750411

2.山东能源新矿集团内蒙古能源有限责任公司 内蒙古 鄂尔多斯 016217

引言

采区是矿井中负责生产输出的区域，因此矿井设计和采区设置是否合理直接关系到煤矿生产效果。本文对此展开研究，分析了煤矿矿井最佳设计、采矿区的优化设计模型、优化模型存在的问题与改进途径，最后分析了矿区设计优化的内容和方法以及原则，希望对煤矿矿井设计和采区优化提供思路。

1 矿井设计优化

1.1 近水平煤层矿井设计方案优化 开采近水平煤层矿井开拓系统方案，与开采煤层倾角较大的矿井相比，有如下特点：a.井田边界和形状不规则。有的可能大致成长方形，多数井田呈不规则的多边形。b.水平划分和大巷位置的不确定性。多数矿井不按煤层等高线来划分开采水平，而是按条件布置，有的由于煤层数目多，根据煤层分组布置大巷；有的由于倾斜长度大而划分不同水平开采，多数不超过两个水平；大巷的方位不一定按煤层走向方向，几条大巷不一定近乎平行，有的甚至呈放射状布置。c.采区巷道布置和采区划分比较灵活。为了编制出具有较大通用性的近水平煤层矿井开拓方案的整体优化模型和程序，使之能概括近水平煤层绝大部分矿井的开拓方案，适用于同类矿井的设计优化，需要提出一个典型的开拓方案结构模型。为此，提出如图1所示的典型开拓系统模型结构。

图1 近水平煤层矿井典型开拓系统结构

1.2 倾斜煤矿设计 根据矿井的形状和规律不同，煤矿分为大型、中型和小型，但是其中倾斜煤矿不可避免，因为所有的煤层都是有倾斜度的，因此在倾斜煤矿优化设计过程中，需要考虑到井口所需要的倾斜度设计，煤矿矿井设计符合实际采矿需求，然后提出整体设计方案。

1.3 优化模型存在的问题与改进途径 第一，优化模型的结构。整体优化模型虽然能够对矿井生产能力和各种开拓系统方案进行综合优化，充分反映开拓系统各项组成部分之间的相互影响，但所得出的结果与目前矿井设计表述形式的需要不完全一致。需要在整体优化模型中有相对独立的分项(分系统)优化模型或构造单项优化模型，使之既有各自的独到功能，又能兼顾到相互之间的影响和作用，即力求优化模型的结构达到合中有分、分中有合的功能和效果。第二，投资和费用的计算。矿井设计方案优化中的重点和难点是编制适应评价指标需要的经济数学模型。投资和费用计算中存在的最大问题是将费用单价和取值完全融入各子系统内部，难以适应物价随时间变动所需要单价和取值的相应更改变动。改进途径是将工程量、工作量计算与费用计算完全分离，优化模型以技术决策和工程量计算为主体，投资和费用计算配以概算模型和程序。第三，优化与模拟的结合。如果能够把优化和模拟两种模型结合起来，或在部分子系统模型中结合一起应用，会取得更好的效果。第四，应用软件的开发。鉴于矿井设计方案优化的意义和经济效果，目前，优化模型的编制已经起步，计算机功能大幅度提高并已普及应用，要以应用软件作为开发目标，研制矿井设计方案优化模型。

2 采区设计优化

2.1 采区设计优化的内容和方法 第一，优化内容。采煤方法和采区机械装备的选择，可纳入采区设计优化范围内，也可单独优化后，进入采区设计优化模型，使采区设计优化，解决采区巷道布置方案及其主要参数选择的问题。第二，优化步骤。a.确定优化准则，采用单指标或多指标。b.编制专用或通用的技术经济数学模型，或利用已有模型。c.编制专用模型时确定技术上可行的巷道布置方案。d.确定进行优化的主要参数和各项参数取值的上下界、间隔数值。e.上机运行，输出优化结果。第三，优化方法与评价指标。最优化准则取多项评价指标时，提出指标。

2.2 优化方法 针对优化模型和优化内容分析，本文提出了几种优化办法，希望对煤矿矿井设计和采区优化效率提升有所帮助。(1)实现联合布置。为减少岩巷，降低岩巷掘进率，对一层组并入二层组实行联合布置的可行性进行具体分析论证，在地质条件允许的情况下，可利用二层组大巷掘进石门与一层组联系。(2)实现一巷多用。采取各种巷道进行布置和设计的过程中，对于以往的巷道应当尽可能地利用，然后结合本区和其他区域现有条件进行改造，最大程度地减少浪费，实现一巷多用，降低成本的同时，提升工作效率。(3)开采单一层取消岩石集中大巷。对地质构造较简单，煤层赋存稳定，且两个煤层都属于单一层的情况，在布置煤层巷道时，可取消底板岩石集中大巷，改用沿集中石门自然层一条龙式的布置方式。(4)适当加大阶段高度和走向长度。阶段高度的增加可以提高煤矿生产率，因此事先可以进行开采条件和技术设备的勘查，如果情况允许可以适当增加阶段高度，增加采煤工作面长度和采区走向长度，相对减少分段个数，对于阶段服务的年限可以适当严惩，从而确保较低成本实现采煤工作量的增加，从而将机械化的功能发挥到最大。

2.3 应用中的启示 第一，应用采区设计优化模型，通过对大量不同方案和参数的比较，能够得出吨煤费用最低或较低的方案，包括从不同巷道布置方案中选出费用最低的方案和同一采区巷道布置方案中选取主要参数最优的方案。第二，优化模型得出的是综合最优化结果，参数的合理值更为科学。第三，优化模型应用的一些实例表明，不同巷道布置方案的优劣主要取决于费用单价，尤其是巷道掘进费和维护费单价。第四，进行采区设计优化具有明显的经济效果。第五，当井田走向长度一定，要求采区走向长度适应在其中划分为整数个采区时，这个采区优化模型可作为子模型用于采区划分方案的优选。第六，计算机程序还仅限于输出数值计算结果，应改善使之具有分析判断功能，直接输出所需要的图形和分析结果。

2.4 适当加大阶段高度和走向长度 在开采条件、机械设备能力和管理水平允许的情况下，适当加大阶段高度，增加采煤工作面长度和采区走向长度，相对减少分段个数，延长阶段服务年限、提高采煤工作面产量和效益，充分发挥机械化大生产的优势。

结语

综上可以看出，煤矿矿井设计和采区优化是为了的将矿井内部的巷道分布更加合理，从而促使煤矿生产效率的提升，更重要的是在这个过程中确保生产安全性。本文对此展开研究，从煤矿矿井设计模型构建和存在的问题分析，提出了几种解决对策，最终提出了优化内容和方法，希望对煤矿生产效率和安全性提升有所帮助。