6.0 Mt/a 矿井改造主要问题方案探讨及对策

王永明 张弘毅

（1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013；3.南方科技大学理学院数学系，广东 深圳 518055）

“双碳”高质量新发展理念是当今主旋律。由于我国以煤为主的基本国情短期内难以改变，预计在2030 年前煤炭消费量仍将持续上升[1]。尤其全国“疫情”整体向好后，复工复产提速，煤炭供给紧张，价格涨幅较大[2]。释放煤炭先进产能，显然是解决经济发展与能源供需矛盾的重要途径之一[3]，提出“高碳行业、低碳技术、绿色矿山”[4]产能基础好、安全、环保等社会责任强的国有煤矿“保供”任务“责无旁贷”。山西某国有煤矿2016 年核定生产能力为4.0 Mt/a，根据发展要求，需要对矿井进行“有限资源”创造更高效益改造、扩能至6.0 Mt/a 进行预估。

1 概况

矿井采用立井单水平分区式开拓，主井工业场地内设主、副、风三个井筒，中部风井场地内设进风立井（正建）、回风立井（投用）两个井筒。现开采3 号煤层，采厚6 m，生产能力大，装备大采高综采和综放工作面各1 个，具备实现6.0 Mt/a 煤层条件[5-7]。目前矿井可采储量、提煤能力是制约产量提高的主要因素。

2 可采储量制约问题及对策

解放“三下”煤炭资源，国内外均有大量研究及实践成果[8-10]。尤其我国生产矿井“三下”压煤总量高达140 亿t[11]的现状，既往相关研究人员对留煤柱开采法、充填开采法、离层注浆法等工艺方法做了大量工作[12]，并推动了其发展。因此，解决“三下”资源方法无论搬迁模式[13]还是进行开采均有成功经验案例。该矿井受42 个村庄、县城、公路及漳河的影响，压覆资源量占总资源量一半，且县城与村庄的扩张致使可采资源量日益严峻，若不采取切实有效措施，矿井将面临“资源虽在却无煤可采”的困难境地。

2.1 实现矿井6.0 Mt/a 服务年限分析

1）不考虑井田内部分村庄搬迁的情况

根据矿井2017 年底储量及拟改造时间2 年计，井田内剩余具备6.0 Mt/a 可采块段煤量为73.79 Mt，扣除工作面留巷煤柱45 m（按照煤量的82%计）及工作面开采损失（按照放顶煤回采率取85%）的煤量为51.43 Mt，按6.0 Mt/a 计算可采年限为8.57 a，之后矿井进入建（构）筑物下充填开采以及各种煤柱与边角煤回收。

2）考虑井田内部分村庄搬迁的情况

设计考虑井田内部分村庄搬迁可解放的煤量，按照原初步设计村庄搬迁计划，未采动区域内预计可搬迁村庄有5 个，按照其村庄影响范围统计村庄搬迁解放可采块段的煤量为24.41 Mt，加上村庄以外可采块段煤量73.79 Mt，合计可采煤量98.20 Mt，计算的可采年限为11.41 a，之后矿井进入建（构）筑物下充填开采以及各种煤柱与边角煤回收。

3）矿井提高能力后期服务年限情况

矿井现有可采储量为182.10 Mt，扣除2 年改造期开采动用的可采储量1.04 Mt，剩余可采储量为181.06 Mt。一是不考虑井田内部分村庄搬迁的情况，6.0 Mt/a 生产消耗的可采储量73.79 Mt，剩余储量的可采储量为108.31 Mt，之后按照矿井3.0 Mt/a 生产能力，剩余的服务年限为27.77 a。二是考虑井田内部分村庄搬迁的情况，6.0 Mt/a 生产消耗的可采储量98.20 Mt，剩余储量的可采储量为95.06 Mt（其中原初步设计村庄煤柱按照50%留设，剩余可采储量相当于增加为12.2 Mt，（即181.06-98.2+12.2），之后按照矿井3.0 Mt/a 生产能力，剩余的服务年限为24.37 a。另外在配合其他不搬迁的村庄下充填开采，矿井的服务年限还可适当延长。

2.2 “峰谷”、均衡生产的经济分析

煤炭市场兴衰有其一定的规律，一般来讲，总是在10～15 a 左右出现一次反复。在这周期循环中，总有8～10 a 的兴盛期和3～5 a 的低谷期。自2016年起煤炭市场又进入了一个兴盛期，煤炭价格又出现高位。就本矿井来讲，若采取“峰谷”的生产方式，即行业兴盛期增产、低谷期维持的方式，按照当前矿井实际情况，设定时间13 a 的生产周期进行对比。经过测算，均衡生产模式下4.0 Mt/a 规模的利润95.7 亿元；兴盛期生产6.0 Mt/a，10 年利润148亿元与1.5 Mt/a盈亏平衡点生产3年无利润的模式，利润148 亿元；两种方式静态利差达52.3 亿元。

3 提煤能力制约问题及对策

现主井核定提升能力为4.16 Mt/a，若不考虑设备提升富裕系数并且满负荷作业（18 h/d、330 d）可达到4.78 Mt/a；只更换27 t 箕斗的情况下，最大提升量可达到5.68 Mt/a，也难以满足6.0 Mt/a 生产能力的提升要求。井筒提煤能力成为矿井提高产量的瓶颈。解决思路一是加大主提系统能力，二是“减矸提煤”建立井下选矸系统。

3.1 提煤能力改造方案

1）方案一：主提升大改方案

现有主提升系统彻底改造，更换大箕斗至40 t。为了不影响矿井生产，改造风井作为临时主提升井，主提升转换至风井后，进行主井改造，主提升改造完成后，风井重新恢复。该方案可永久解决主提升能力不足的问题。主要工程：主井井筒延深及其井底装载硐室改造，增加井底2 号煤仓及其装卸载硐室，更换主井装备、绞车、井下装卸载系统及主井井塔等，拆除地面提升建构筑物，改为井塔提升方式。为了满足现有矿井产量，增加部分临时工程，包括增加风井临时提升系统与装备，增加风井上下临时装卸载系统、转载皮带及配套的临时巷道与硐室。

2）方案二：新建主井方案

在主井西侧工业场地外新打主井井筒（箕斗40 t）、井底主井装载系统与煤仓。原主井可改造为副井作为辅助提升井。主要工程：增加煤仓、井下装载硐室及巷道，增加主提升系统、主井配套设施与装备，地面转载系统增加主井井架等，需要地面新征地。两方案比较见表1。

表1 主井提升改造方案比较表

综上：方案一目标准确、效果契合预期高；方案二后期成本增加，系统复杂。因此推荐方案一。

3.2 主提升改造与井下选矸方案分析

2009 年首个井下选煤系统在协庄矿建成[14]，之后部分矿井陆续跟进。表2 为国内部分井下选煤厂及充填开采案例。

表2 国内部分井下选煤厂案例表

该矿“井下选矸方案”是在主提升系统中只更换为27 t 箕斗，其他保持不变的前提下，增加井下洗选车间，排出大量矸石（矸石不升井），达到提升“产品混煤”（排矸后原煤）实现主提升6.0 Mt/a 矿井产量的目的。

具体措施：在井下主运大巷西侧增加一个洗选车间，原煤由主运带式输送机转运至原煤上仓带式输送机装入原煤缓冲仓，由仓下运输机转载至排矸系统的分配刮板上再进入分级筛（筛孔25 mm）进行干法分级，300～25 mm 级进入动筛跳汰机，分选出块精煤和块矸石。透筛物与块精煤混合排出，与＜25 mm 末原煤混合，动筛循环水经高频筛后，筛上物与＜25 mm 末原煤混合，筛下物经沉淀后压滤回收，压滤煤泥与＜25 mm 末原煤混合。最终，动筛洗后原煤、＜25 mm 原煤、高频筛筛上粗煤泥、压滤煤泥混合由皮带运至主运大巷带式输送机，由井下运煤系统提升至地面进入地面洗选系统。

井下排矸系统产品见表3，井下排矸系统主要设备见表4，工艺流程如图1。

图1 井下排矸系统原则工艺流程图

表3 井下排矸系统产品平衡表

表4 井下排矸系统主要设备选型表

井下排矸系统，每年产生矸石量50.6 万t，进入井下矸石填充系统，实现矸石不升井。毛煤排矸后剩下煤量5.49 Mt/a，其中有5.0 Mt/a 进入现有地面选煤厂进行洗选，49.4 万t 销售原煤（除矸后）。按照主提升系统只更换箕斗至27 t 的简单改造，主提升最大提升量可达5.68 Mt/a，满足6.0 Mt/a 原煤排矸后折算5.49 Mt/a 提升量的要求。

通过方案比较表5 可见，对比“井下选矸方案”，在投资、技术难度、生产成本、对生产影响时间、兼顾长远等诸多方面都有明显的优势，尽管在国内外有多个井下选煤厂成功运营的先例，但目前为止还都以科研名义立项实施，所有井下选煤厂包括洗选设备目前为止没有煤安标志，也未有井下选煤系统正式审批过。因而井下选煤厂虽然可以实施，但还是要以科研立项。科研鉴定完后，是否能长期使用有一定的不确定性（风险）。

4 结语

1）矿井实现6.0 Mt/a 能力可行，但仅有8～11 a的产量保持期。

2）矿井采取“峰谷”生产比均衡生产的方式静态利差达52.3 亿元。

3）为提高矿井服务年限，需要采取一系列技术措施。如在河床下采取充填开采的方法保持地层稳定、减少地表移动，从而使河流及两岸坝陵稳固（修复费用最低）；在一些低保护等级的建筑物（村庄边缘突出部分）下采取充填开采的方法，确保建筑物损坏在一级以内；对于一些小的（小于200 户）且压煤量较大或影响工作面连续推进的村庄进行搬迁。部分村庄搬迁是最经济解放煤量的方式，设计建议尽快采取搬迁村庄（结合新农村改造），不能搬迁的村庄下采取充填回采技术方案，是最有效解放资源的方法。

4）提煤能力改造采用主提升大改方案，目标准确，措施得当，效果契合预期高，可永久解决主提升能力不足的问题。

5）“井下选矸方案”作为决策备选方案，需与企业利益最大化兼顾煤炭事业发展进步（绿色开采）统筹斟酌，决定是承担还是规避风险。