薄厚优劣煤层的配采方案设计与效益分析

李鑫烽

（山西兰花科创大阳煤矿分公司，山西 晋城 048003）

煤炭作为不可再生资源，近年开采量逐渐减少而开采难度却逐步增加，其中尤为明显的是随着上部优质煤的枯竭和复杂的地质构造条件，劣质煤又因为需求量小、售价低等因素导致矿井生产过程中衔接紧张、原煤质量差，生产长期不达标、企业效益缩减[1]。因此，我国学者在煤层配采方面进行了大量研究，王绍留等[2]在维持矿井生产能力不变的前提下，通过降低混煤灰分来实施配采，延长矿井配采服务年限；陈军涛等[3]提出了“分区、分层、独立开采”的匹配原则，实现相邻煤层的贯通，服务于优质煤层的配采。这些方法都可以帮助企业提升煤炭生产的经济效益。

目前矿井3 号煤层剩余可采储量为20.92 Mt，正常可采区域内服务年限不足10 a。大阳煤矿3 号煤层资源枯竭后，再对15 号煤层进行单独开采，所产煤质无法满足用煤企业对煤质的要求，这将会直接影响矿井经济效益。结合大阳煤业生产现状和煤层资源条件，设计研究煤层配采，解决3 号与15号煤层配采过程中的配采比例、开投方案等技术难题。通过3 号煤层和15 号煤层的配采，不仅可以有效降低产出煤的硫分含量，提高煤炭资源发热量，提升煤炭产品市场竞争力和综合利用率，促进煤炭资源的合理开发与利用，还能够延长矿井服务年限，助力企业走上健康良性的可持续发展之路[4]。

1 概况

1.1 矿井资源条件

大阳煤矿核定生产能力1.80 Mt/a，可采煤层为3 号、15 号煤层，采用斜井开拓，生产水平标高为+750 m。目前开采3 号煤层，有2 个生产采区，2个采煤工作面，使用综采放顶煤开采方法。大阳煤矿将已有井巷工程、设备和地面设施达到使用最大化进行配采设计，以+745 m 水平开采3 号煤层，可兼顾矿井安全生产和经济效益。

1.2 煤层条件

矿井目前开采的3 号煤层厚度 3.8～7.2 m，平均6.22 m，全硫含量为0.15%～0.41%，平均仅0.33%，含硫较低，发热量29.9 MJ/kg，发热量较高。15 号煤层厚度为1.19～5.99 m，平均厚度3.04 m，原煤含硫较高，1.70%～2.92%，平均2.62%，为中高硫煤，发热量27.3 MJ/kg。经过比对，15 号煤层含硫量明显高于3 号煤层，如果在3 号煤层全部开采完之后再开采15 号煤层，后续煤质恐难以满足企业用户要求，将直接导致矿井经济效益下滑。为此，需立即开展3 号煤层与15 号煤层的配采工作，见表1。

表1 煤层信息主要指标

1.3 开拓现状

该矿采用斜井开拓，共布置五个井筒，分别为主、副斜井，运人斜井，北进风立井和南回风立井。井筒间距30 m 以上，使用长壁式综采放顶煤采煤方法，综合机械化掘进方式。

2 配采能力计算及巷道的开拓

在采的3 号煤层工作面采用后退式开采，采用全部垮落法进行顶板管理。现布置两个回采工作面，分别在3 号煤三采区和四采区。

2.1 配采方案

为了提升煤炭品质，在实施配采作业时需合理设置配采比例，因此在选择煤层配采比重时，必须考虑配采后煤炭资源的硫分含量和燃烧时的发热量标准[5]。根据集团要求，为保证该矿原煤经济效益的最大化，配采后原煤的混合硫分须控制在1%以内，发热量不低于29 MJ/kg。

2.2 配采能力的确定

15 号煤层配采能力的合理选取是影响矿井经济效益的核心因素，需综合考虑煤炭市场煤质需求和煤层的开采条件。设计结合3 号煤层和15 号煤层参数指标，根据配采原则建立数学模型， 得出了合理的配采比例。

采用线性规划理论，通过二元一次方程组的联合求解对比，主要考虑硫分、发热量的因素，计算最佳配采比例。

式中：Xi为煤层产量，3 号煤层产量记作X3，15 号煤层产量记作X15；Q为矿井生产能力，180 万t/a；Smax为最大硫分要求，取1%；Jmin为最低发热量要求，取29 MJ/kg。

年产量根据公式（1）计算：X3+X15=180 Mt/a。式（2）、（3）均取等号进行计算。根据年产量约束（式1）和硫分约束（式2）计算得X3=126.9 万t，X15=53.1 万t；根据年产量约束（式1）和发热量约束（式3）计算得X3=117.7 万t，X15=62.3 万t。两组计算结果基本吻合，经过数值优化取整和便于组织生产，确定配采产量为：3 号煤层120 万t/a，15 号煤层60 万t/a。按此比例配采后，煤炭硫分为1.09%，发热量为29.03 MJ/kg，基本满足集团公司对煤质的要求。

2.3 开拓方案的选择

基于矿井地面原有主、辅助生产系统已完善，此次设计仍沿用原有工业场地。主、副斜井、运人斜井和主运输、辅助运输生产系统布置在主井工业场所处的井田东南部，前期配采3 号、15 号煤层时暂时封闭南进风立井，然后将南回风立井改造刷大后，再开采南部区域。

2.4 大巷布置

本次采用斜立井联合开拓方式进行3 号煤层、15 号煤层的配采，已有的五个井筒和新掘西回风立井功能如下：1）主斜井净断面10.60 m2，主要负责全矿生产煤炭的提升运输，同时兼顾进风和安全出口；2）副斜井净断面9.75 m2，主要负责矸石提升和物料的运输，兼顾矿井进风；3）运人斜井净断面8.03 m2，负责矿井人员的提升，兼顾进风和安全出口；4）北进风立井净断面10.75 m2，在3 号煤层落底，主要承担进风功能；5）南回风立井净断面28 m2，垂深319.5 m，在井筒内安设铺有静压防尘管和排水管的封闭梯子间，同时作为矿井的一个安全出口使用；6）西回风立井为本次配采新掘井口，使用多绳摩擦落地式提升机，井筒内铺设电缆及排水、洒水、压风、黄泥灌浆等管道，负责运输15号煤层下放液压支架、运料、进风及后期人员。

图1 配采开拓图

3 配采方案

3.1 配采顺序

按照3 号煤层的实时开采情况，前期考虑3 号煤层与15 号煤层一采区的配采，在位于井田F1 断层西侧的3 号煤层三采区、四采区下方开展实施。150101采煤工作面为15号煤层配采的首采工作面。如图2（a），沿东北向借助3 号煤层三采区巷道掘进轨道暗斜井，沿西南向在西翼胶带运输巷布置运输暗斜井。前期轨道暗斜井倾角12°，至15 号煤层斜长202 m，在15 号煤层落底，标高+615 m。运输使用无极绳连续牵引车。沿西南方向在西翼胶带大巷布置前期运输暗斜井，前期倾角为18°，至15 号煤层斜长547 m，在15 号煤层落底，15 号煤层的煤仓布置在3 号煤层顶板上。轨道暗斜井落底后，沿平行于井田边界巷道东西向布置三条采区巷道，三条采区巷道全部掘至井田边界。一采区巷道位于大断层西部，二采区巷道位于断层东部。两个采区均为双翼回采采区。15 号煤层井底煤仓垂深43 m，布置在3 号煤层运输暗斜井内。

图2 配采煤层布置图

3 号煤层目前开采的三采区将首先对3407 工作面进行配采，并同时掘进3409 工作面顺槽。见图2（b）。

3.2 开采布置

煤层开采顺序按照3 号、15 号煤层配采，此次配采方案先行在3 号煤层、15 号煤层分别布置一个回采工作面，之后在3 号煤层、15 号煤层分别布置两个综掘工作面。井下实施“四六工作制”，在3号煤层每日部署生产两个班，15 号煤层每日部署生产、检修各一个班，实现1:4 的采掘比。采用后退式工作面接替顺序，保证矿井交替采掘的情况下，3 号煤层产量达1.20 Mt/a，15 号煤层产量达0.60 Mt/a，达到矿井生产能力1.80 Mt/a。

4 大巷运输及设备

4.1 运输方式的选择

1）煤炭主运输

为适应矿井配采后机械化程度高、产量大的需求，煤炭运输系统均采用带式输送机运输。

2）辅助运输

胶带大巷布置皮带和猴车用于主运输和人员运输，轨道大巷布置双向轨道用于辅助运输，运输顺槽设计采用无极绳连续牵引车进行物料运输。关键设备选取如下：① 胶带大巷：选用一部RJY55-26/3000（A）型架空乘人装置用于人员运输；② 轨道大巷：选用1 部SQ-130/200P 型变频调速无极绳连续牵引车；③ 轨道顺槽：选用一部SQ-130/200P型变频调速无极绳连续牵引车。SQ-130/200P 型变频调速无极绳连续牵引车对长距离、大倾角、多转角、质量较大条件下的工作面有较强的适应性，可实现井下大型设备的一次性转运，提高煤炭生产效率。

4.2 运输设备选型

1）煤炭主运输设备

主运输设备利用现有的3 号带式输送机进行配采运输，其中15 号配采煤层的运输路线：150101采掘工作面→运输顺槽→15 号煤层一采区运输巷带式输送机→初期运输暗斜井→15 号煤层煤仓→3号煤层西翼胶带大巷→3 号煤层+750 m 水平胶带运输大巷→主斜井→地面。

2）井下辅助运输方式选择

开采15 号煤层时，综合考虑采用无极绳连续牵引车与调度绞车运输。井下辅助运输采用无极绳连续牵引车与调度绞车运输方式，根据开拓布置，井下巷道倾角一般均小于12°，无极绳绞车具备连续运输、方便的优势，而调度绞车具备运输方式灵活、适应巷道起伏变化的特点。

3）井下辅助运输系统该矿的辅助运输系统：

普通材料：地面→副斜井→+750 m 水平轨道运输大巷→西翼轨道大巷→三采区轨道巷→初期轨道暗斜井→15 号煤一采区轨道巷→工作面回风顺槽→采掘工作面。

下大件：地面→西副立井→15 号煤层轨道大巷→15 号煤一采区轨道巷→工作面轨道顺槽→采掘工作面。

初期人员运输：地面→运人斜井→+750 m 水平轨道运输大巷→西翼猴车大巷→初期运输暗斜井→15 号煤一采区运输巷→工作面回风顺槽→采掘工作面。

后期人员运输：地面→西副立井→15 号煤轨道大巷→15 号煤一采区运输巷→工作面回风顺槽→采掘工作面。

5 配采经济预算

该项目要求矿井水平延深（配采）设计生产能力达到1.80 Mt/a，投资概算包含配套所需的全部井巷工程、土建工程、设备及工器具购置、安装工程和工程建设其它费用的投资，工程预备费按规定列入项目总投资。设计建设工程总造价51 985 万元，其中井巷工程投资为23 015 万元，土建工程投资为1108 万元，设备及工器具购置投资为11 976 万元，安装工程投资为5103 万元，工程建设其它费用投资为4962 万元，工程预备费为3185 万元，瓦斯抽采专项设计2636 万元。因此成本方面可算出，第一年达产时约增加成本288.8 元/t。通过一定增量的成本，虽然短期内会造成一定的资金压力，但从长远看可以为矿井提供一个长久稳定的安全生产环境，工作效率的提高促使产量增加，成本回收周期缩短，最终可以实现成本的降低。建成投产后，综采作业可稳定高效运行，配采后的煤质能得到有效提升，达成了既定的“薄厚、高低硫”配采设计目标，改善矿井综合经济效益，并且具有现实可推广性[6-7]。

按照井巷工程进度规划的矿井建设共用时52个月，具体为施工准备用时3.0 个月，井巷工程施工用时39.9 个月，机电设备安装用时3 个月，联合试运转用时6 个月。

6 结语

开展部署矿井下组煤联合开采工作刻不容缓，合理的配采方案可以实现企业的可持续发展、稳定矿井的经济效益。基于大阳煤矿3 号煤层属低硫煤的厚煤层及15 号煤层属于中厚煤层的特质，笔者设计了“薄-厚煤层、高-低硫分”（相对而言）的配采方案，将矿井原有的地上井下生产系统及设备做到科学高效的使用。大型新掘矿建工程仅包括一个回风井筒，在3 号、15 号煤层中分别布置1 个回采工作面，配采工作可以充分满足系统简易、技术安全可行。3 号煤层1.2 Mt/a，15 号煤层0.6 Mt/a，可以满足矿井达到1.8 Mt/a 生产能力的要求，也可为延续矿井服务年限和经济效益提供保障作用。