煤矿增层配采方案研究与工程应用

2021-05-26刘海田

山西冶金 2021年2期

刘海田

（山西宁武大运华盛老窑沟煤业有限公司，山西宁武036700）

山西经过多次资源整合，年产能力60万t/a以下煤矿已经基本退出，在煤炭工业化水平大幅提高、产量集中度增强的同时，煤矿企业事故灾害也得到了有效控制[1]。但在矿井兼并重组期间，由于部分优质资源枯竭，在采掘过程中地质构造复杂、陷落柱增多的情况难以避免，造成采掘接替紧张、生产原煤煤质较差，严重的影响着企业经济效益。部分企业因此优先开采煤质优、煤层厚的煤炭资源，但却不利于企业的长期发展[2]。

为解决上述难题，部分矿井采用厚薄、优劣煤层的合理配采方案，这是煤炭工业重要的技术措施之一。分析认为，搞好矿井煤层的合理配采，是对矿井长期经营稳定和保障产量的重要手段，对合理利用资源及缓和接替紧张有显著效果。

1 矿井概述

老窑沟煤业位于山西省宁武县，主要可采煤层包括2号、5号和6号煤层，兼并重组完成后年产达到120万t。经探查，老窑沟矿与相邻矿井均无发生越界开采，周边环境良好，不会对矿井生产造成影响。

1.1 煤层特征

老窑沟矿2号煤层位于太原组顶部，煤层发育较为稳定并含有4层矸石。煤岩底板为黑色砂质泥岩、泥岩，及细砂岩与薄煤互层，富含植物化石碎片，较容易破碎，需要对巷道方面加强管理。

5号煤层位于太原组地层下段，与2号煤层有大约55 m的距离，含有多层加矸。巷道顶板主要为黑色砂质泥岩、泥岩，底板主要为泥岩、砂质泥岩，5号煤层平均距标志层K1砂岩14 m左右。

1.2 配采的提出

根据老窑沟矿地质报告钻孔资料显示，在井田主要可采煤层中，2号煤灰分及5号煤层全硫变化较大；2号煤层灰份介于30%~40%之间；5号煤层硫分介于1.5%~2.5%之间。目前企业为避免煤炭资源的浪费，需对50102工作面上部2号煤层进行开采，但单层开采2号煤层存在灰份较高、发热量不高的问题，单层开采5号煤层，存在破坏2号煤层资源及高硫煤问题，无论单层开采哪一层煤，均存在市场销售困难问题。两层煤实现配采后，根据工作面推进度，配采后灰份平均为24.69%，硫份平均为1.47%，配采后煤质有所提高，市场销售情况将有较大好转，而且保护了煤炭资源。

2 配采方案及应用效果分析

2.1 开拓方案

资料显示老窑沟矿矿为缓倾斜—倾斜的中、厚煤层，在对2号、5号煤层进行增层开采设计时，可以充分利用现有现有井筒及工业场地。最大程度上按照就近布置原则，减少初期工程量和项目投资。2号煤层首采工作面选择为501201工作面；5号首采工作面利用现有的50102工作面，掘进工作面为50103工作面。

2.2 配采方案

在对老窑沟矿进行配采时，由于煤层赋存条件的不同，对各煤层开采方式的选择也不尽相同。

2.2.1 2号煤层采煤方法

老窑沟矿2号煤层结构由简单趋于复杂。根据地质资料显示，2号煤层首采工作面的平均采厚5.7 m，普氏系数小于3，主要岩性为泥岩，因此较适合采用综采放顶煤进行开采。

2号煤层首采工作面采用单一长壁综采放顶煤采煤法，全部垮落法管理顶板。采高2.5 m，最大放顶煤高度3.2 m，采放比1∶1.28。井田南部201采区2号煤层厚度小于4.0 m的区域，采用一次性采全高采煤法。局部厚度小于2.0 m的区域采用卧底开采。

2.2.2 5号煤层采煤方法

在对5号煤层首采工作面50102进行勘查发现，煤层平均厚度11.2 m，采高3.5 m。5号煤层在配采前，煤层条件及顶板冒放性没有变化，因此适合采用长壁综放顶煤采煤法，顶板管理为全部垮落法，最大放顶高度7.7 m，采放比1.0∶2.2。

2.3 采煤机开采方案

在对2号、5号煤层配采过程中，为保证生产速度和开采的安全性，可操作采煤机对赋存稳定的区域采用端部割三角煤的方法，由斜切进刀、往返一次割两刀的割煤方式进行作业。

图1 采煤机作业方案示意图

如图1，采煤机割煤作业设置如下：

1）在采煤机正向割煤至工作面端头过程中，输送机槽向煤壁移近，此时于采煤机位置留有一段下部煤。

2）滚筒方向完成第一次调换后，前滚筒降下的同时后滚筒升起，将沿输送机弯曲段返向割入煤壁，直至将输送机移直。

3）再次调整上、下滚筒位置，重新返回割煤至输送机机头处。

4）三角煤完成割煤工作后，煤壁割直，第三次调换两个滚筒，返程正常割煤。

3 经济效益

老窑沟矿针对本次配采项目，固定资产投资为5 100万元，其中井巷工程3 500万元、机电设备工程664万元、安装工程543万元、其他基建费用和工程预备费分贝为316万元和100万元，吨煤投资约42.50元/t。

据测算，单独开采2号、5号煤层，服务年限分别为2.2 a和19.3 a，煤矿难以形成对煤炭资源的生产优势。增加开采2号煤层与5号煤层配采，配采后原煤灰分平均为24.69%，原煤全硫平均为1.47%，可充分发挥2号、5号号煤层各自优势。若2号煤层按年生产能力55万t/a，服务年限4.87a；5号煤层按年生产能力65万t/a与2号煤层配采，服务年限4.87 a，剩余5号煤层按年生产能力120万t/a单采，服务年限17.25 a，合理调整2号煤和5号煤产量，做好配采工作，实行高低硫高低灰煤配煤销售，提高经济效益，从而实现煤矿的可持续发展。

4 安全措施及建议

由于配采项目具有特殊性，2号、5号两层煤的采掘工作需要同步进行，因此针对安全工作、生产要求、监测监控等方面有严格的技术措施。

防火防尘方面：由于所配采的2号、5号煤层为二类自燃煤层，都具有爆炸危险性。在配采期间要对废弃巷道做到及时密闭，预防煤层自燃，并对巷道浮尘、采空区浮沉制定防尘措施，防治煤尘事故。

瓦斯防治方面：在配采过程中，需要对两个煤层瓦斯定期进行瓦斯测试工作，加强井下通风，防止瓦斯局部积聚发生瓦斯事故；

巷道维护方面：注意构造带的潜在危害，对煤岩的导水性要实时记录，并留设合理的保安煤柱；对于井田内钻孔，注意钻孔封闭的完好性，并预留保安煤柱。矿井开开采过程中，受采动的影响，同时需要加强地表塌陷及地表裂缝的管理工作。

防治水方面：2号、5号煤层有采空区，采空区积水、地下水会对本矿井开拓开采具有一定的影响，当开拓掘进至采空区探水线边界附近时，应对采空区积水情况全面掌握、系统分析，确保安全后方可进行开采。

5 配采特点

老窑沟矿在配采项目的建设实施中，将充分利用现有工业场地和地面生产系统，所必须新建扩建的设施按照项目核定能力进行建设，有以下特点值得相似矿井借鉴：

1）生产系统方面。在增层配采的开拓中，充分利用主、副井及地面工业广场进行斜井开拓，对增层配采的2号煤层利用原有+1 200 m水平，工作面采用错距布置，可以最大程度缩短施工工期。

2）通风系统方面。老窑沟矿2号煤层增层与5号煤层配采设计中，通风系统方面均利用现有系统并加以完善，对各个环节进行了优化，矿井的本质安全性及抗灾能力得到了显著的增强。

3）供电系统方面。老窑沟矿建有35 kV变电站1座，和两回路电源（一用一备）。两回电源型号相同，均为35 kV电源线路，导线型号为LGJ-240，其中主要回路引自供电距离为6.8 km的宁武110 kV变电站，备用线路引自供电距离为8.2 km的薛家洼110 kV变电站。当一回线路故障时，另一回仍能保证全矿井负荷用电。

4）紧急避险方面。集中轨道大巷布置有一个井下永久避难硐室，在501集中运输下山与501集中材料下山之间布置有一个采区避难硐室。