煤礦礦井設計及采區優化探究

許樓家 張 蒼

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引言

采區是礦井中負責生產輸出的區域，因此礦井設計和采區設置是否合理直接關系到煤礦生產效果。本文對此展開研究，分析了煤礦礦井最佳設計、采礦區的優化設計模型、優化模型存在的問題與改進途徑，最后分析了礦區設計優化的內容和方法以及原則，希望對煤礦礦井設計和采區優化提供思路。

1 礦井設計優化

1.1 近水平煤層礦井設計方案優化 開采近水平煤層礦井開拓系統方案，與開采煤層傾角較大的礦井相比，有如下特點：a.井田邊界和形狀不規則。有的可能大致成長方形，多數井田呈不規則的多邊形。b.水平劃分和大巷位置的不確定性。多數礦井不按煤層等高線來劃分開采水平，而是按條件布置，有的由于煤層數目多，根據煤層分組布置大巷；有的由于傾斜長度大而劃分不同水平開采，多數不超過兩個水平；大巷的方位不一定按煤層走向方向，幾條大巷不一定近乎平行，有的甚至呈放射狀布置。c.采區巷道布置和采區劃分比較靈活。為了編制出具有較大通用性的近水平煤層礦井開拓方案的整體優化模型和程序，使之能概括近水平煤層絕大部分礦井的開拓方案，適用于同類礦井的設計優化，需要提出一個典型的開拓方案結構模型。為此，提出如圖1所示的典型開拓系統模型結構。

圖1 近水平煤層礦井典型開拓系統結構

1.2 傾斜煤礦設計 根據礦井的形狀和規律不同，煤礦分為大型、中型和小型，但是其中傾斜煤礦不可避免，因為所有的煤層都是有傾斜度的，因此在傾斜煤礦優化設計過程中，需要考慮到井口所需要的傾斜度設計，煤礦礦井設計符合實際采礦需求，然后提出整體設計方案。

1.3 優化模型存在的問題與改進途徑 第一，優化模型的結構。整體優化模型雖然能夠對礦井生產能力和各種開拓系統方案進行綜合優化，充分反映開拓系統各項組成部分之間的相互影響，但所得出的結果與目前礦井設計表述形式的需要不完全一致。需要在整體優化模型中有相對獨立的分項(分系統)優化模型或構造單項優化模型，使之既有各自的獨到功能，又能兼顧到相互之間的影響和作用，即力求優化模型的結構達到合中有分、分中有合的功能和效果。第二，投資和費用的計算。礦井設計方案優化中的重點和難點是編制適應評價指標需要的經濟數學模型。投資和費用計算中存在的最大問題是將費用單價和取值完全融入各子系統內部，難以適應物價隨時間變動所需要單價和取值的相應更改變動。改進途徑是將工程量、工作量計算與費用計算完全分離，優化模型以技術決策和工程量計算為主體，投資和費用計算配以概算模型和程序。第三，優化與模擬的結合。如果能夠把優化和模擬兩種模型結合起來，或在部分子系統模型中結合一起應用，會取得更好的效果。第四，應用軟件的開發。鑒于礦井設計方案優化的意義和經濟效果，目前，優化模型的編制已經起步，計算機功能大幅度提高并已普及應用，要以應用軟件作為開發目標，研制礦井設計方案優化模型。

2 采區設計優化

2.1 采區設計優化的內容和方法 第一，優化內容。采煤方法和采區機械裝備的選擇，可納入采區設計優化范圍內，也可單獨優化后，進入采區設計優化模型，使采區設計優化，解決采區巷道布置方案及其主要參數選擇的問題。第二，優化步驟。a.確定優化準則，采用單指標或多指標。b.編制專用或通用的技術經濟數學模型，或利用已有模型。c.編制專用模型時確定技術上可行的巷道布置方案。d.確定進行優化的主要參數和各項參數取值的上下界、間隔數值。e.上機運行，輸出優化結果。第三，優化方法與評價指標。最優化準則取多項評價指標時，提出指標。

2.2 優化方法 針對優化模型和優化內容分析，本文提出了幾種優化辦法，希望對煤礦礦井設計和采區優化效率提升有所幫助。(1)實現聯合布置。為減少巖巷，降低巖巷掘進率，對一層組并入二層組實行聯合布置的可行性進行具體分析論證，在地質條件允許的情況下，可利用二層組大巷掘進石門與一層組聯系。(2)實現一巷多用。采取各種巷道進行布置和設計的過程中，對于以往的巷道應當盡可能地利用，然后結合本區和其他區域現有條件進行改造，最大程度地減少浪費，實現一巷多用，降低成本的同時，提升工作效率。(3)開采單一層取消巖石集中大巷。對地質構造較簡單，煤層賦存穩定，且兩個煤層都屬于單一層的情況，在布置煤層巷道時，可取消底板巖石集中大巷，改用沿集中石門自然層一條龍式的布置方式。(4)適當加大階段高度和走向長度。階段高度的增加可以提高煤礦生產率，因此事先可以進行開采條件和技術設備的勘查，如果情況允許可以適當增加階段高度，增加采煤工作面長度和采區走向長度，相對減少分段個數，對于階段服務的年限可以適當嚴懲，從而確保較低成本實現采煤工作量的增加，從而將機械化的功能發揮到最大。

2.3 應用中的啟示 第一，應用采區設計優化模型，通過對大量不同方案和參數的比較，能夠得出噸煤費用最低或較低的方案，包括從不同巷道布置方案中選出費用最低的方案和同一采區巷道布置方案中選取主要參數最優的方案。第二，優化模型得出的是綜合最優化結果，參數的合理值更為科學。第三，優化模型應用的一些實例表明，不同巷道布置方案的優劣主要取決于費用單價，尤其是巷道掘進費和維護費單價。第四，進行采區設計優化具有明顯的經濟效果。第五，當井田走向長度一定，要求采區走向長度適應在其中劃分為整數個采區時，這個采區優化模型可作為子模型用于采區劃分方案的優選。第六，計算機程序還僅限于輸出數值計算結果，應改善使之具有分析判斷功能，直接輸出所需要的圖形和分析結果。

2.4 適當加大階段高度和走向長度 在開采條件、機械設備能力和管理水平允許的情況下，適當加大階段高度，增加采煤工作面長度和采區走向長度，相對減少分段個數，延長階段服務年限、提高采煤工作面產量和效益，充分發揮機械化大生產的優勢。

結語

綜上可以看出，煤礦礦井設計和采區優化是為了的將礦井內部的巷道分布更加合理，從而促使煤礦生產效率的提升，更重要的是在這個過程中確保生產安全性。本文對此展開研究，從煤礦礦井設計模型構建和存在的問題分析，提出了幾種解決對策，最終提出了優化內容和方法，希望對煤礦生產效率和安全性提升有所幫助。