资源整合矿井巷道优化设计研究

2019-08-17王飞飞

山西焦煤科技 2019年5期

王飞飞

(山西晋煤集团晋圣坡底煤业，山西晋城 048000)

随着山西省煤炭企业兼并重组整合工作的逐步完成，全省煤矿数量由2 600多个整合至1 053个，30万t以下矿井全部关闭，煤矿产业集中度大大提高，与煤矿相关的安全生产问题得到了有效改善[1]. 但是，资源整合矿井在设计和建设过程中也暴露出很多问题。其中，比较突出的问题是小煤窑废旧巷道大量存在于整合矿井内，旧巷之间布置错综复杂。矿井在资源整合过程中，如何安全可靠、高效经济地实现废旧巷道与新掘巷道的有序衔接，保证矿井正常生产显得尤为重要。山西晋煤集团润东煤业为资源整合矿井，针对该矿三一盘区西部巷道旧巷改造存在的问题，提出了优化设计方案。

1 概况

润东煤业由6个矿井整合而成，整合后设计生产能力0.9 Mt/a，为高瓦斯矿井，可采煤层有3号、9号、15号，采用下行开采顺序，首采3号煤层，接替9号、15号煤层[2]，各煤层特征见表1. 矿井采用斜井开拓方式，共布置4个井筒，分别为主斜井、副斜井、回风立井和北进风斜井。其中，回风立井为新掘井筒，其余3个井筒均为改造利用既有井筒。主斜井倾角18°，斜长521 m，落底于15号煤层底板，装备1部带宽1 000 mm的带式输送机和一部RJY-37型架空乘人装置，担负全矿井煤炭、人员提升任务兼做安全出口；副斜井倾角为16°，斜长554 m，落底于9号煤层，采用单钩串车提升方式，担负矿井除人员以外的其它辅助提升任务，设台阶、扶手，兼作进风井和安全出口；北进风斜井倾角24°，落底于3号煤层，斜长581 m，担负矿井开采3号煤层时的进风任务，设有台阶、扶手，兼做安全出口；回风立井落底于9号煤层，垂深185 m，担负全矿井回风任务，设有梯子间，兼做安全出口。根据可采煤层分布特点，设计布置两个主水平和一个辅助水平开采井田范围内的3号、9号、15号煤层，第一主水平设在9号煤层，3号、9号煤层采用联合开拓方式进行回采，在3号煤层设置辅助水平；第二主水平设在15号煤层，服务矿井后期的15号煤层。润东煤业于2011年批准开工建设，目前井下二期工程基本完成。

2 三一盘区(西部)巷道原设计方案

润东煤业采用斜井开拓方式，井田范围内3号煤资源共划分为1个盘区(即三一盘区)。矿井第一主水平落底于9号煤车场+460 m水平，在3号煤层布置一个辅助水平联合开采，沿9号煤层向上布置两条运输大巷与3号煤大巷沟通，连接两层煤的主运输系统和辅助运输系统，同时利用3号煤层既有的回风大巷与回风立井沟通，形成3号煤的通风系统。具体如下：

表1 可采煤层特征表

1) 从9号煤层中沿8°向上布置9号煤轨道进风斜巷与三一盘区西轨道进风巷沟通，担负3号煤辅助运输系统兼进风。

2) 在9号煤层中沿5°向上布置9号煤胶带进风斜巷，通过三一盘区煤仓(d4.0 m，h=25 m，缓存3号煤层)、通风行人斜巷(25°)与三一盘区西胶带进风巷沟通，形成3号煤主运输系统兼行人和进风。

3) 另布置三一盘区西专用回风巷，用于满足北侧3号煤层后期工作面回风任务，通过3号煤回风一、二巷(改造巷道)与回风立井直接沟通。

三一盘区(西部)巷道原设计方案见图1，大巷规格见表2.

图1 三一盘区(西部)巷道原设计方案平面布置示意图

巷道名称净宽/mm净高/mm净断面/m2支护方式喷后/mm备注三一盘区西轨道进风巷4 5003 00013.5锚网索喷100改造利用三一盘区西胶带进风巷4 5003 00013.5锚网索喷100新掘巷道三一盘区西专用回风巷5 5003 50019.25锚网索喷100改造利用

3 存在的问题

采用三一盘区大巷设计方案(图1)存在以下几方面问题：

1) 三一盘区西专用回风巷做为3号煤后期回采工作面的回风巷道，在投产验收时不发挥回风作用，属于冗余工程。同时施工该巷道将增加基建期间井巷工程投资，并延长矿井建设工期，故有必要对其进行优化。后期在回采3号煤层北侧资源时，再根据矿井实际需要，补充三一盘区西专用回风巷，形成后期工作面通风系统。

2) 原方案中需要布置多个风桥，不仅影响施工进度，而且概算投资大、施工质量难以保证，容易产生漏风现象。由图1可知，在三一盘区(西部)大巷东侧需要设置5个风桥。从投资角度考虑，每个风桥需要投资约10万元(含风桥前后连接段约8 m，折算为巷道1.25万元/m)；从建设工期角度考虑，每施工一个风桥至少需要12天，施工速度非常缓慢；从施工质量考虑，受作业环境、施工难度、施工设备等因素影响，施工质量难以保证，容易出现漏风现象[3].

3) 鉴于三一盘区煤仓施工工艺复杂，施工速度慢，同时三一盘区煤仓附近地质构造发育，施工条件困难，故考虑对三一盘区煤仓进行优化；同时，三一盘区通风行人斜巷，倾角25°，施工难度大，岩巷工程量多，炮掘工艺进度缓慢，同时，人员在煤仓下口行走存在安全隐患，故综合考虑，有必要对三一盘区通风行人斜巷进行优化。

4 三一盘区(西部)巷道优化方案

4.1 巷道优化布置原则

1) 在旧巷改造前，必须及时对旧巷内部及其周围区域进行多方位勘探，查明积气、积水情况，保证施工安全。如附近存在采空区或者废弃旧巷，必须提前查明分布情况，同时对其关键部分进行注浆充填密实，保证安全的前提下进行旧巷刷扩改造。

2) 对于冗余工程(包括巷道、煤仓等)，在保证各系统正常运行的前提下，采用工程技术和经济类比的方法，对其进行优化设计，尽量做到工程投资省、施工速度快。

3) 在确保施工质量和施工安全的前提下，尽量改造利用既有旧巷，降低基建投资、缩短建井工期。同时，由于旧巷断面一般较小，刷扩改造过程中必须保证巷道断面满足运输、行人、通风、检修等设计使用要求[4].

4.2 盘区巷道优化布置方案

基于巷道优化布置原则，在原设计的基础上，针对原方案存在的弊端，提出了优化设计方案。具体如下：

原设计方案中，三一盘区西专用回风巷服务于3号煤后期工作面回风，故针对该矿井投产验收状态，优化去掉三一盘区西专用回风巷巷道工程。因此，三一盘区原设计中的3条大巷布置形式将优化为2条大巷。其中：

1) 原设计中三一盘区西专用回风巷全部为刷扩巷道，对其进行功能调整，将其改为三一盘区西轨道进风巷使用，担负3号煤层辅助运输兼进风任务，并与9号煤轨道进风斜巷直接沟通。同时，为减少9号煤轨道进风斜巷岩巷工程量，将其坡度由原设计的8°调整至10°.

2) 同理，原设计中三一盘区西轨道进风巷全部为刷扩巷道，对其进行功能调整，将其改为三一盘区西胶带进风巷使用。通过现场勘测，该旧巷可全部刷扩改造利用，可满足胶带主运输和行人要求。

3) 改造后的三一盘区西胶带进风巷与9号煤胶带进风斜巷直接通过皮带搭接，不再设置三一盘区煤仓存储，不仅减少初期工程投资，还可减少煤炭转运环节，提高运煤效率。另外，为实现与三一盘区西胶带进风巷的顺利搭接，将9号煤胶带进风斜巷的坡度由原设计的5°调整至10°，以弥补三一盘区煤仓的高差需要。

4) 原设计方案中，三一盘区西胶带进风巷为新掘巷道，优化去掉该巷道。同时，原设计方案中，三一盘区煤仓附近的通风行人斜巷属于冗余工程，优化去掉，降低初期矿井投资。

5) 三一盘区西轨道进风巷和三一盘区西胶带进风巷旧巷断面均为梯形断面，净断面8.85 m2，采用木棚支护，鉴于三一盘区西轨道(胶带)进风巷原巷道支护断面小，围岩稳定，为实现旧巷刷扩改造复用[5]，将三一盘区西轨道(胶带)进风巷刷扩为矩形断面4.50 m×3.0 m，采用锚索网喷支护方式，喷厚为100 mm，锚杆采用d20-M24-2400型左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm，采用SKP17.8-1/1860-7300型锚索，间排距为1 600 mm×1 600 mm.

优化设计后三一盘区(西部)巷道布置见图2.三一盘区西轨道(胶带)进风巷刷扩改造前后支护方式断面图见图3，图4.

5 两方案技术、经济效果分析

通过对比优化前后设计方案，对其技术、经济效果分析如下：

1) 降低初期投资、缩短建设工期。

为了便于对两个设计方案经济比较，按照差异比较法对其工程量进行统计，两个方案工程量统计对比表见表3.

图2 优化设计后三一盘区(西部)巷道平面布置示意图

图3 三一盘区旧巷支护断面图

由表3可知，优化后的设计方案可节省：三一盘区西专用回风巷(煤巷)长度266 m，三一盘区煤仓(d4 m,长度25 m)掘进体积363 m3，三一盘区行人斜巷(岩巷)长度71 m，另外9号煤轨道进风斜巷和胶带进风斜巷角度调大后，虽然总的工程量和原设计基本一致，但是岩巷工程量减少一半，施工速度将显著提高。

根据润东煤业井下巷道实际施工成本以及井巷工程消耗量定额[6]，新掘煤巷(三一盘区西专用回风巷，锚网索喷支护)单价约为10 227元/m，新掘岩巷(通风行人斜巷断面、锚网索喷支护)单价约为11 011元/m，煤仓施工单价约为1 686元/m3，风桥单价约为10万元/个。经计算，优化后的设计方案可节省初期井巷工程投资约为441.42万元。

结合润东煤业井巷实际施工进度指标和煤炭工业矿井设计规范巷道施工进度指标[7]，岩巷150 m/月、煤巷200 m/月、硐室500 m3/月。经计算，优化设计方案可缩短井巷建设工期约4.3个月(按照一个施工队伍计算)。由此可知，方案优化后，三一盘区(西部)巷道建设工期将大大缩短，约为原设计工期的40%.

2) 施工方便经济、安全可靠性高。

优化后的三一盘区(西部)大巷均为旧巷改造利用，沿3号煤层底板布置，施工工艺方便快捷，同时旧巷内的部分设施可回收复用，降低材料成本。另一方面，改造的三一盘区(西部)大巷周围地质条件较简单，勘探程度较高，安全可靠性有保障，为旧巷改造创造了良好的外部条件。

3) 减少煤柱资源损失。

按照《矿井防治水规定》、《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的相关规定，该矿新掘巷道单侧大巷设计保护煤柱为30 m. 优化设计后，三一盘区(西部)大巷均为旧巷改造复用，原有旧巷的保护煤柱最小安全距离为31 m>30 m，即可满足煤柱留设要求，故设计不再新留设大巷煤柱，可减少3号煤煤柱损失，提高优质资源回收率，延长矿井服务年限[8].