三道沟煤矿八盘区北翼设计优化与应用

高林君

(国家能源集团三道沟煤矿，陕西 榆林 719407)

0 引言

煤炭一直在我国经济中占据着重要地位，近几年随着煤炭落后产能的退出，煤炭价格不断上升，煤炭资源的回收及开采直接影响矿井的经济效益。合理的盘区设计，实现集约化生产成为一个矿井最大限度提高经济效益必不可少的基础条件[1-3]。三道沟煤矿在原八盘区设计的基础上进行认真研究，反复论证，对盘区工作面设计进一步优化，从而降低了巷道掘进率，减少设备投入免除不必要的矿务工程。设计方案最大程度减少压煤，科学、合理布置提高资源利用率，设计方案要充分利用现有井下开采系统，尽量减少投资，控制成本，把八盘区建设成投资小，工期短，安全可靠、高产、高效的盘区。

1 工程背景

1.1 矿井概况

矿井位置及储量：三道沟煤矿位于陕西省榆林市府谷县西北部，东距县城约45 km，西距新街约60 km，南距榆林约180 km，北距东胜约180 km，交通便利。三道沟煤矿是陕西神府矿区新民开采区总体规划的9个大中型矿井之一，属国家规划的陕北能源化工基地重点建设项目，井田面积约176.134 6 km2，地质储量15.42亿t，工业储量14亿t，可采储量9.27亿t，煤炭资源丰富，矿井设计生产能力500万t/年。矿井主采5-2上、5-2煤层，为特低灰、特低硫、特低-低磷、中高发热量的优质工业动力用煤，矿井原煤经分级筛选，100 mm以上经人工捡矸后供民用或综合利用，不足100 mm的均破碎至25 mm以下供给配套电厂。

矿井布置：根据井田资源、地面场地选择、煤层赋存等综合条件，矿井采用平硐开拓，单水平开拓全井田，布置主平硐、副平硐、大路墕回风斜井和朴牛圪塔回风斜井4个井筒，在5-2煤层沿主、副平硐布置一组大巷贯穿整个井田，3条大巷间距50 m，中间一条为胶带输送机大巷、长度11 214 m，另外2条分别为辅助运输大巷和回风大巷，分别长11 164 m、6 935 m。矿井主运输采用2部带式输送机搭接运输，辅助运输采用无轨胶轮车运输，矿井主、辅运输系统简单。

1.2 煤层及盘区概况

煤层概况：5-2煤层为矿井主要可采煤层，普遍含夹矸1层，个别地段2层，夹矸厚0.03～0.52 m，岩性以炭质泥岩和泥岩为主，细砂岩少量。煤层的顶板岩性以粉砂质泥岩和泥岩为主，少量为粉砂岩、中粒砂岩和炭质泥岩；底板主要为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，次为泥岩和炭质泥岩，个别为中粒砂岩。煤层与其顶底板为明显接触，局部顶板为冲刷接触。煤层层位稳定，全区可采，厚度大，由四周向中部逐渐增厚的变化规律明显，结构简单，煤类主要为不粘煤，灰分、硫分稳定，属稳定型的中-厚煤层。

盘区概况：八盘区位于5-2煤(与5-2上煤合层线向西)，为双翼盘区，大巷在盘区中部布置，盘区走向6.7 km，倾向3.8 km，其中北翼南北向3.2 km，东西向3.8 km，盘区地层产状平缓，倾向南西，倾角平缓，一般小于1°，无大的断裂及褶皱发育，无岩浆活动痕迹，地质构造简单，盘区内煤层厚度6.03～6.95 m，平均6.51 m，距煤层底板1.6 m处普遍含夹矸一层，局部区域中上部含一层夹矸，岩性为褐黄色泥岩，厚度0.1～0.22 m，为稳定煤层。地表有大石一级公路从八盘区北翼中部东西向穿过，距开采煤层垂距约82～141 m，为府谷县的主要经济大动脉，大石公路沿线设有桥梁、涵洞、挡土墙等建筑物，对开采沉陷损害较为敏感，地下开采容易引起上覆岩层移动和地表沉陷，使公路路面、路基发生变形甚至破坏[4-6]。为了保证公路的安全使用，在储量核实报告资源压覆计算时，自公路中心线向两侧各推80 m作为保护煤柱，压覆井田内资源储量1 849万t，压覆资源进行备案，按照国家规定不得随意开采，受大石公路影响，将八盘区北翼再次划分为南北2部分，导致原设计的工作面走向变短，公路北煤炭资源缺少开采系统，严重打破了总体生产布局。

1.3 采掘工作面情况

八盘区采掘工作面基本情况，工作面采用三巷式布置，分别为工作面胶运顺槽净断面6.0 m×4.0 m、辅助运输顺槽和回风顺槽净断面6.0 m×4.0 m，巷道均为矩形断面，采用锚杆加锚索加钢筋网联合支护。工作面主要配备有JOY7LS8型采煤机，ZY18000/32/70D型掩护式液压架，SGZ1350/3×1500型刮板送输机及配套的SZZ1350/700型转载机、HB-SK11-18型破碎机各一套，DSJ160/400/4×500型可伸缩带式输送机1部。工作面胶运顺槽超前支护距离为20 m，采用ZC8000/31/50型超前支架配合单体液压支柱加强支护；回风顺槽超前支护距离为20.3 m，采用ZC16000/31/50型超前支架2组。全区采用走向长壁一次采全高综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板。掘进工作面采用连续采煤机掘进，工作面主要配备JOY12CM27-11D型连续采煤机，JOY10SC32BC梭车，GPL460/150破碎机，DSJ1000/100/1×160型可伸缩带式输送机，CMM4-25型四臂锚杆机，FBD№6.3/2×30局部通风机等设备，巷道采用锚网索联合支护。

2 盘区优化

为减小大石公路压覆对矿井生产影响，需要调整工作面开采方案，经研究分析对比提出了2套布置方案，分别为设计方案(设计院)和优化方案。

2.1 盘区优化原则

大石公路严重打破了三道沟煤矿的整体规划，工作面缩短，搬家倒面次数增加，主辅运输、通风距离加长、掘进巷道工程量增加，煤柱留设增多、煤炭资源浪费。因此需对三道沟煤矿八盘区北翼工作面布置方案进行优化，主要是优化盘区工作面布置，简化通风、运输、排水系统，提高各系统的安全和可靠性，降低生产成本，提高矿井效益。减少巷道掘进工程量，降低吨煤掘进率、节约生产成本，缓解矿井采掘接续紧张。通过精准留设保护煤柱，减少大石公路压覆造成的资源损失，提高煤炭资源回收率，增加企业经济效益，实现可持续发展。

2.2 原八盘区北翼设计

盘区集中巷掘进：在八盘区边界以0°方位，掘进3条盘区集中巷(分别为集中辅运巷、集中胶运巷、集中回风巷)至井田北边界位置，集中巷分别与5-2煤辅运大巷、胶运大巷、回风大巷相连，交叉处通过风桥连接，需要掘进巷道11 480 m。

胶带机敷设：在集中胶运巷敷设一条长3 200 m的胶带机与5-2煤胶运大巷垂直搭接，作为主运输系统。

工作面布置：八盘区北翼，公路南侧资源采用条带式开采、工作面垂直大巷布置南北走向布置，共计布置6个工作面，工作面倾向300.5 m，走向1 742～2 155 m。大石公路北侧资源采用盘区集中式布置，工作面垂直与盘区集中巷，东西走向布置，共计布置工作面3个，其中1个为刀把工作面，工作面倾向300.5 m、走向1 998 m。受大石公路不规则弯曲布置影响，形成边角煤资源约156.6万t，无法布置长壁综采回采，如需要回采只能布置短壁工作面进行残采，以降低资源损失。如图1所示。

图1 盘区式布置示意

2.3 优化后的方案

工作面采用条带式布置，顺槽巷道垂直大巷南北布置，八盘区北翼共计可布置6个工作面，工作面走向长度为3 180 m，倾向长度300 m，工作面推进方向由北向南，在经过大石公路保护煤柱时开掘回撤通道和切眼，利用跳采工艺通过盘区累计增加搬家倒面2次，需多掘回撤通道及切眼2 400 m。工作面巷道直接与5-2煤辅运大巷、5-2煤胶运大巷、5-2煤回风大巷相连，顺槽胶带输送机与大巷皮带直接搭接，运输、辅助运输、通风、供排水系统简单、距离短，工作面属于俯采主运输、排水阻力小，节能降耗突出。条带布置如图2所示。

图2 条带布置示意

3 方案对比与实际收益

3.1 方案比较

技术比较：①首先原设计方案增加了巷道工程量7 840 m，北侧工作面留设了2道保安煤柱，损失煤量59万t；北翼共计可布置9个工作面需要10次搬家倒面(含1个缩面)；大石公路北侧工作面各系统距离加长、不易于安全管理；大石公路曲线段留设保护煤柱无法用长壁采煤法回收，短壁采煤法资源回收率低，通风条件差、安全风险高、投入大[7-11]。②优化后设计由盘区式开采改为条带式，工作面数量减少至6个，机头硐室、风桥减少，去除了盘区集中巷的掘进，避免了不规则区域煤柱损失，提高了资源回收率，简化了掘进、运输、通风、供排水等系统，增加了搬家倒面2次。

回采煤量比较：①原设计方案。综采工作面回采面积474.3万m2，回采煤量4 038万t，短壁工作面面积达26万m2，储量239万t，在厚煤层中按资源回收率40%计算，采出煤量95.7万t，累计采出煤量4 134.6万t；掘进完成全部资源需要掘进巷道66 975m，万吨掘进率为16.58 m。②优化后方案。通过地表沉陷观测和工作面调斜技术相结合，将切眼、回撤通道走向尽可能与大石公路走向平行布置，减少保护煤柱留设，使得回采面积达502.4万m2，回采煤量4 278.3万t，去除了边角煤区域，较原设计多回收资源143.6万t，圈出全部资源需要完成巷道掘进58 374 m，万t掘进率为13.64 m。

经济比较：优化后方案较原设计多回收资源143.6万t，采出率提高3.4%，按吨煤利润120元计算，增加净利润17 240万元；优化后减少巷道掘进8 601 m，万t掘进率降低2.94 m，按每米巷道平均掘进成本6 200元计算，可节约5 332.6万元；减少机头硐室掘进及胶带安装4次，每次费用约580万元，可节约2 320万元；减少新购置胶带机1部，节约费用1 500万元，减少工作面回风顺槽和盘区集中回风巷风桥4组，每组费用120万元，可节约480万元；搬家倒面增加2次，每次1 420万元，需增加投资2 840万元。综合以上直接经济对比，优化后方案增加效益24 032.6万元，同时减少长距离运输、通风、供排水、巷道维护、供电、辅助运输等成本。

3.2 实际收益

八盘区北翼按照优化方案组织施工，目前已完成85203、85204综采工作面掘进、回采，实际效益明显，具体如下。

回采煤量：2017—2019年，三道沟煤矿依次完成85203-1、85203-2、85204-1、85204-2综采工作面的回采，完成了4次搬家倒面，回采周期平均6个月，综采工作面实际累计回采煤炭1 385.2万t，较优化方案增加了40.4万t，净利润较方案值增加4 848万元。

掘进进尺方面：统计每个工作面掘进的全部巷道进尺，平均为9 820 m，圈出可采煤量724万t，掘进率完成13.56 m，较原设计方案降低了3.02 m，与优化后设计方案基本持平。

搬家倒面：减少了机头硐室掘进、基础施工、胶带机安装，节约费用580万元，搬家倒面费用平均每次增加473万元。

综上所述，三道沟煤矿应用优化方案对煤炭回采、巷道掘进等方面进行验证，每个工作面综合成本降低，实际收益大于预期。

4 结语

通过盘区工作面优化设计，生产系统简单合理、安全可靠，矿井正常生产接续得到了保证，降低了采掘比。压覆资源得到了最大回收，采出率提高、工作面生产能力得到了最大释放，矿井收益增加。经技术经济比较，最终确定八盘区北翼受大石公路压覆影响的开采方案，为三道沟煤矿安全高效生产提供重要的技术保障。