塔拉壕矿井优化设计与扩能改造

2023-11-21宋国忠付小敏王正超王中亮

煤炭工程 2023年11期

宋国忠，付小敏，王正超，王中亮

(通用技术集团工程设计有限公司，山东济南 250031)

根据中国煤炭工业协会统计，截至2022年底年产千万吨级的生产煤矿79座，千万吨矿井总体经济技术指标达到国际领先水平[1-6]，但三软地层建设特大型矿井经验较少。塔拉壕矿井是典型的三软地层[1]，设计生产能力6.00 Mt/a，2013年8月开工建设，2020年2月通过竣工验收。经过改造，2023年核定生产能力达到12.00 Mt/a。本次扩能改造从工业场地选择、开拓方式、斜井井筒设计、辅助运输、软岩支护、巷道施工、工作面产量、改造环节等方面综合考虑方案，进行设计创新，为三软地层建设特大型矿井提供了宝贵经验。

1 矿井概况

塔拉壕矿井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市东胜区塔拉壕镇南部，为三软地层矿井，井田面积42.62 km2。主要可采煤层6层，前期开采2、3煤层，平均厚度2.49 m和3.22 m。顶底板自然状态抗压强度2.60～43.40 MPa，平均15.07 MPa。斜井穿过围岩力学参数见表1[7]，煤层及顶底板岩石力学参数见表2[8]。煤层顶底板以软弱岩石为主，个别为半坚硬岩石，遇水软化变形，甚至有崩解破坏现象。岩石的软化系数全部小于0.75，软化性强。井田岩石的质量指标(RQD)平均值为53%，岩体质量指标(M)平均值为0.027，岩体完整性差，稳固性也较差。地层倾角小于5°，埋深120～350 m。采用斜井开拓方式，布置主、副斜井工业场地，回风立井单独布置工业场地。在井田中北部布置一组大巷开拓全井田。分煤组设置水平，共4个水平，一水平标高+1385 m。投产时布置2个综采工作面，6个掘进工作面。

表1 斜井穿过围岩力学参数

表2 煤层及顶底板岩石力学参数

2 矿井设计优化

2.1 优选工业场地

井田属高原侵蚀性丘陵地貌，大部分地区为低矮山丘，最大地形标高差133.4 m。除井田北部地形较平坦外，其它地段沟谷将井田分割的支离破碎。这些沟谷在枯水季节无水，在丰雨季节可形成短暂的溪流或洪流。对工业场地选择影响较大。经过多次现场踏勘，提出3个工业场地位置方案，优选北部方案。井口位置方案如图1所示。

图1 井口位置方案

优选北部方案主要有以下原因：①靠近西北部的鄂尔多斯市区和塔拉壕镇，交通方便，有利于遏制市区外扩对本项目的影响；②地势相对较高，有利于雨季防洪；③距离109国道0.5 km运输距离短，适量留有汽车排队长度；④煤层埋藏较浅，井巷工程量少，投资少，建设工期短；⑤铁路专用线布置在井田北部，对整个矿井的开拓布局影响最小；⑥斜井落平后，沿东西向布置大巷，大巷位于井田东北侧2、3号拐点连线的南侧，大巷南侧全部垮落法管理顶板，大巷北侧充填法管理顶板，分区明确。

井筒建成后，有呼准鄂城际铁路自井田内穿过，结合地形，线路选择从工业场地内主、副斜井井口附近的井筒下部穿过，压煤量最小、对该矿井影响最小。西翼大巷沿呼准鄂城际铁路南侧布置，对两侧开采影响最小。体现出设计的前瞻性。塔拉壕镇向南部扩张受到抑制，地面建筑压煤量没有明显增加。

2.2 多台阶利用地形布置工业场地

主副井工业场地西部相对较平坦，东部高差较大，自然标高+1490.00～+1554.00 m之间。设计根据地形自下而上共分五个平台[9-13]，如图2所示。

图2 工业场地布置

1)副斜井位于最低平台，标高+1511 m，副斜井工程量最小。维修车间、设备库、材料库棚都布置在这个平台，将物料、设备相关库房布置在最低平台，既方便下井，又利用地势形成遮挡，使整个场区整洁美观。

2)主斜井布置在次低平台，标高+1531 m，主斜井工程量相对较小，充分利用地形减少运煤栈桥工程量。

3)办公楼、职工食堂、单身宿舍等生活福利设施布置在最高平台，标高+1548 m，比临近109国道略高。

自109国道向北望去，建筑平面与空间错落有致、格外显眼，充分展现了现代化特大型矿井的新形象。采用多平台布置可充分利用地形，巧妙满足工艺要求，减少基础和栈桥工程量，挖填方量基本平衡。

2.3 优化开拓布局

1)主斜井斜穿3个水平，各水平通过运输大巷、溜煤眼与主斜井搭接，如图3所示。有利于后期延伸和主斜井带式输送机运行。各水平运输大巷相互独立，影响小。

图3 主斜井与各分层大巷通过煤仓搭接关系

2)副斜井螺旋连接各煤层。副斜井6°下坡平推进入最上部2煤层，向下螺旋斜坡连接各煤层。满足无轨胶轮车运输要求。主、副斜井布置在一个工业场地方便管理、减少副斜井压煤。

3)单独布置风井工业场地。回风立井较斜井通风能力大，井巷工程量小，提前进入采区施工工期短，投资少。风井工业场地布置在主副井工业场地南侧约950 m，有利于防治噪音、粉尘污染。回风立井靠近西翼回风大巷，通风线路短，阻力小。回风立井到达设计深度后改绞施工西翼大巷，与主、副斜井贯通，缩短建设工期。

4)沿城镇建筑保护煤柱，大巷煤柱与建筑煤柱结合压煤量少。大巷南侧采用垮落法管理顶板，工作面巷道最大长度5000 m；大巷北侧采用充填开采，分区划分更合理。

5)分煤层组布置大巷。根据煤层厚度和间距，将6层煤分为3组，每组划分为1个水平。布置分组水平大巷，上下水平大巷平面位置相同，减少大巷煤柱。

2.4 优化井筒支护

主副斜井穿过的地层有第四系、新近系、白垩系、侏罗系、三叠系等多个地层，根据井筒检查钻资料分析，存在一层软弱层。设计在正常段采用锚网索喷支护，软弱层增加29U型钢棚支护。29U型钢棚排距800 mm，保护层厚50 mm。不稳定基岩段增加钢筋混凝土砌碹支护，砌碹厚度500 mm，强度C30[7]。

施工期间根据明槽开挖处观测，砌碹与上部岩层有离层现象，设计采取增大铺底厚度和墙脚基础的措施保证了井筒支护安全。铺底厚度由300 mm增大至600 mm，29U型钢棚底脚增加混凝土垫块，防止底脚下沉。副斜井加强支护如图4所示。

图4 副斜井加强支护(mm)

2.5 软岩巷道使用无轨胶轮车

无轨胶轮车运输具有换装次数少、运输方便等优点，但对底板要求较高。井底车场和大巷一般采用混凝土铺底的方式，铺底厚300～500 mm，但工作面巷道使用时间短，铺底停工，影响巷道施工速度，而且铺底成本较高。设计采用工作面巷道铺钢板的方式，随着巷道施工增加铺设，工作面回采回收，可循环使用。既提高了掘进速度，又降低了巷道施工成本。

2.6 无轨运输优化巷道布置

针对无轨车运输转弯不宜控制的特点，经过多次专题研究，舍弃了轨道运输车速大转弯半径大的设计原则，改为垂直转弯。即统一要求转弯前降低车速至10 m/h及以下，巷道垂直施工，转弯内侧抹角3 m×3 m。既方便车辆行驶，又方便施工过程中的带式输送机搭接，还降低了施工难度和支护难度。硐室垂直连接。水仓转弯处、中部车场取消45°、60°等弯角，统一为90°实践证明联络巷道少，无轨车运行方便。

2.7 全部带式输送机永磁电机直驱方式。

原设计井下带式输送机采用变频驱动，随着驱动技术的进步，改为永磁电机直驱的方式。永磁电机直驱具有结构简单、可靠性高、传动效率高、体积小、重量轻、比功率大等优点。在立井绞车提升等环节，但井下带式输送机工作环境较差，随着技术进步，本矿井首次全部使用。生产证明效果很好。

2.8 优化布置两个综采工作面达产。

最上部的2煤层局部可采，平均厚度2.49 m，受三软地层条件限制两个综采工作面达产有一定难度。设计合理利用2煤东部不可采范围，布置一个3煤层工作面，形成2、3煤层同时开采，保证投产即可达产，达产可以稳产。

3 关键技术设计

3.1 钻孔下料

副斜井无轨胶轮车运输无需换装，可从地面直接运输至采掘工作面。但无轨胶轮车运输成本高，总体运输能力偏小。该矿井主要辅助运输任务是水泥、沙子、石子的运输。采用钻孔下料，运输距离短，成本低，避免了沿途撒漏，实践证明优势非常明显。

无轨胶轮车运输的成本较高，运输线路较长时，一次循环时间较长，可能限制矿井辅助运输能力。经过调研其他行业经验，反复论证，该矿井采用钻孔下料，解决了辅助运输问题，即：在风井工业场地内施工一个D450 mm的钻孔，内下直径377 mm的套管，至2煤层，通过转接设备至3煤层，下部煤层布置大巷后，可继续延伸钻孔，向深部巷道供料。实现一个钻孔向多层煤分别设下料硐室，下料硐室两侧设防火栅栏两用门，下料时关闭防火栅栏两用门。井下用的水泥、沙子、石子在地面搅拌均匀后，通过钻孔下至下料硐室。仅此一项，减少混凝土运输距离1836 m，据矿井试运行测算，每年节省运行成本2875万元。矿井辅助运输能力大幅提高至1652万t/a。

3.2 掘锚一体机应用

掘锚一体机施工巷道，具有全断面一次成型速度快、安全性高等优点。在神东大柳塔矿稳定围岩巷道掘进中单巷最高月进尺3088 m，在神木凉水井矿中等稳定围岩巷道掘进中单巷月进尺1506 m，在稳定性较差围岩巷道掘进中最高月进尺680 m、平均月进尺500 m以上的好成绩[14]。但对顶板要求较高，软岩巷道使用难度较大。该矿井施工阶段试验掘锚一体机施工工作面巷道，施工速度较低，前三个月平均395 m/月[15]。采取优化支护参数、增加风动潜水泵、留底煤等多种改进措施，施工速度有所提高，但掘进机陷入底板问题无法解决，主要原因是掘进机总重量过大和底板岩石遇水泥化。实践证明底板抗压强度18 MPa及以下、岩石的软化系数小于0.75的煤层中使用掘锚一体机不合理。

3.3 三软煤层长距离工作面巷道支护技术

一盘区面积较大，工作面巷道较长，最长可达5000 m。工作面巷道长度大有利于减少工作面搬家次数，但也有支护难度大、维护困难等问题。以前的三软煤层开拓布置中，一般考虑工作面巷道长度不超过3000 m。该矿工作面巷道长度实现了突破，主要采取两项措施[16，17]。

1)封闭顶板减少风化。向工作面巷道顶板喷射一层混凝土或高分子材料，厚30～50 mm，用来封闭顶煤，减少风化。封闭后顶板完整，避免了风化引起局部冒落的问题，也避免了后部巷道维护影响前部掘进施工的问题。

2)调整支护参数。顶板锚索由15.3 mm直径钢绞线更换为17.8 mm直径钢绞线，长度6300 mm，间排距2000 mm×3600 mm，采用2-3-2布置方式。锚杆为20 mm直径左旋螺纹钢锚杆，间排距900 mm×900 mm[8]。通过增大锚索直径、锚杆间排距，巷道支护成本没有明显增加，支护效果明显改善。

4 生产能力提升改造设计

4.1 生产能力提升依据

在项目申请报告阶段设计有6.00 Mt/a与10.00 Mt/a两个方案。由于构造未完全查明、三软煤层工作面单产等因素影响，核准生产能力6.00 Mt/a，2个回采工作面达产，工作面长度260 m，日进9刀，截深0.8 m。但在联合试运转阶段，测试最大日进18刀。说明工作面生产能力有一定的富余系数。为了提高生产能力，在地质条件变好的情况下，进行了4方面扩能改造。