成莊礦下組煤配采工程優化設計

段文超

(山西晉城煤業集團 勘察設計院有限公司， 山西 晉城 048006)

隨著成莊礦3#煤層優質資源的不斷減少，開采下組煤將成為必然趨勢。然而，在3#煤層與下組煤配采過程中，面臨諸多技術問題，如配采比例的選取、下組煤的開采順序、開拓方式、盤區劃分、大巷布置等。因此，為保證成莊礦下組煤的合理配采，對配采工程進行優化設計研究。

1 工程概況

成莊礦井田面積約74.334 km2，采用斜井開拓方式，工業場地位于井田東界，現采煤層為3#煤層，生產能力8.30 Mt/a. 礦井可采煤層主要有3#煤層和下組9#、15#煤層，其中，3#煤層平均厚度6.1 m，平均硫分0.38%(特低硫煤)，為優質資源；9#煤層平均厚度1.05 m，平均硫分3.57%(高硫煤)；15#煤層平均厚度3.72 m，平均硫分2.82%(中硫煤)。

目前，井田東區3#煤層回采基本結束，截止2013年底，3#煤層剩余服務年限約為28.1年，而下組9#、15#煤層均未開采。為實現優劣資源的充分利用，需要進行厚薄煤層、高低硫煤層的合理搭配，實現3#煤層與下組9#、15#煤層的科學配采，提高煤炭資源利用率和礦井綜合經濟效益。

2 配采工程的可行性與必要性

2.1 配采可行性

礦井3#煤層共劃分為東、西兩大區域，5個盤區。其中，一盤區、二盤區、三盤區以及四盤區(東)位于井田東區，目前回采已基本結束，接替盤區為四盤區(西)和五盤區，位于井田西區。當礦井開采下組9#、15#煤層時，可在充分利用東區既有的閑置井筒、井上下生產設施的基礎上，延深東區范圍內的下組煤，與西區開采的3#煤層進行配采，形成分層、分區、獨立的生產系統。同時，隨著成莊礦外部交通運輸、供電、水源等條件的建成，實現3#煤層與下組煤的科學配采是完全可行的。

2.2 配采必要性

1) 實行厚薄煤層、高低硫煤層的科學配采，可提高煤炭資源利用率和礦井綜合經濟效益。

2) 延長3#煤層的服務年限，實現企業可持續發展，拉動礦區周邊經濟繁榮。

3) 礦井3#、9#、15#煤層均為無煙煤，屬于稀缺資源，在市場上具有明顯競爭優勢，供不應求。

4) 已經具備了配采3#煤層和下組煤的條件，技術上可行，安全上可靠。

綜上所述，實行配采工程是十分必要的。

3 配采比例的選取

對于配采工程來說，科學合理的配采比例至關重要。該次配采設計結合了3#煤層和下組9#、15#煤層的參數指標，根據配比原則，建立不同的優化模型，得出了合適的配采比例。由于成莊礦屬于高瓦斯礦井，根據國家對于高瓦斯礦井的相關規定，生產能力上限為8.00 Mt/a，因此，該次配采設計按照8.00 Mt/a考慮。配采煤層主要參數指標分析表見表1.

表1 配采煤層主要參數指標分析表

1) 配采比需滿足產品硫分、發熱量要求。

采用線性規劃理論，通過解析三元一次方程選取最優配采比例[1]. 根據集團公司要求，配采后的原煤硫分應控制在1%左右，發熱量不小于29.36 MJ/kg.

目標函數：MinZ=X1

式中:

Xi—第i個煤層原煤產量，萬t，i=1為3#煤層，i=2為9#煤層，i=3為15#煤層；

Q—礦井設計年產量，萬t；

Smax—滿足集團公司硫分最大要求，為1%左右；

Jmin—滿足集團公司發熱量的最低要求，MJ/kg，取29.36.

根據成莊礦的配采要求，目標函數3#煤層的產量為MinZ=X1；

約束條件：

年產量約束：X1+X2+X3=Q=800

硫分約束：

發熱量約束：

通過計算，當不等式選取等號時，計算得X1=596.1，X2=37.9，X3=166. 經過優化取整后，確定3#煤層產量6.00 Mt/a，9#煤層產量0.50 Mt/a，15#煤層產量1.50 Mt/a，此配比可滿足上述約束條件。

2) 配采煤層的產量配比應接近配采煤層的儲量比。

在滿足配采產品煤質的情況下，應增加下組煤的配采產量，繼而減少3#煤出煤量，以延長3#煤層的服務年限，因此，正常情況下下組煤的配采比率應接近其儲量比率[2].

由表1中的設計可采儲量計算，下組煤的儲量比率：

通過比較，發現K1≈K2，目前的配采比例可滿足要求。后期隨著下組煤運行系統的穩定，可適當提高下組煤產量，延長3#煤層的服務年限。配采煤層產量表見表2.

表2 配采煤層產量表

4 配采優化設計方案

成莊礦下組煤配采工程，在充分利用礦井東區既有生產系統的基礎上，采用“暗斜(立)井”方式延深下組煤，形成分層、分區、獨立的生產系統[3]. 該次配采優化設計主要針對以下幾個問題展開探討，經過研究，形成了如下結論：

1) 下組煤開采范圍的重新劃分。

下組煤層在開采過程中主要受底板奧灰巖溶含水層突水的危險，通過分析西安研究院編制的成莊礦東區下組煤開采峰峰組隔水性研究報告，峰峰組頂部相對隔水層段厚度取最小值35 m，開采下組煤時奧灰水突水系數均小于0.06，理論上是可行的。但從安全角度出發，考慮到奧灰突水的發生受多種因素的影響，若不采取任何安全措施盲目對帶壓區域進行回采，極易引起突水事故。因此，配采設計中，依據《成莊礦東區下組煤開采峰峰組隔水性研究報告》，把奧灰承壓水帶壓線做為界線，將下組9#、15#煤層劃分為東、西兩區，其中下組9#煤東區和下組15#煤東區為配采設計范圍，9#煤層東區配采面積34.15 km2，15#煤層東區配采面積28.25 km2，該范圍均為奧灰水不帶壓區域，有安全保障。9#、15#煤層東、西區井田分界示意圖見圖1，圖2.

圖1 9#煤層東、西區井田分界示意圖

圖2 15#煤層東、西區井田分界示意圖

2) 下組煤開采順序以及盤區劃分、接替優化設計。

a) 開拓方式及大巷布置。

配采設計中，在充分利用東區既有井筒以及3#煤層部分生產設施的基礎上，采用暗斜(立)井開拓延深方式，聯合開采下組9#、15#煤層，主水平及主要大巷設置在15#煤層中，在9#煤層中設置輔助水平。

15#煤盤區大巷采用5巷布置(3進2回)，大巷間距30 m，沿15#煤層頂板布置，為全煤巷道，分別為15#輔運一巷、15#膠帶巷、15#回風一巷、15#回風二巷和15#輔運二巷。為實現9#煤層聯合開采，沿9#煤層布置“1進、1回”兩條大巷，分別為9#煤層輔運巷和9#煤層回風巷，在適當位置補充溜煤眼、進風立眼、回風立眼，與15#煤膠帶大巷、輔運大巷、回風大巷貫通，形成9#煤生產系統。

b) 下組煤開采順序。

根據成莊礦地質資料，3#煤層平均厚度6.10 m，9#煤層平均厚度1.05 m，15#煤層平均厚度3.72 m，3#煤層與9#煤層間距平均為48.02 m，9#煤層與15#煤層間距平均為34.25 m.針對上述條件，提出兩種開采方案：上行開采順序、下行開采順序。

配采設計采用最小層間距判別法對開采方案進行驗證，主要原理為采用上行開采順序，當先開采下部煤層時，為使得上部煤層不致破壞，至少需要留有Hmin的安全間距：

Hmin=KMcosα

式中：

Hmin—允許開采的最小層間距，m；

K—頂板管理系數，冒落法取10，充填法取6；

α—煤層傾角，(°).

當先開采下組15#煤層時，H15-9=KMcosα=10×3.72×cos0=37.2 m. 為使9#煤層不被破壞至少需要留有37.2 m凈間距，而9#煤層與15#煤層平均間距為34.25 m，不能滿足要求，同時通過計算9#煤層處于15#煤層上部裂隙帶內部，當下組15#煤層開采時，會對上部9#煤層造成一定程度的破壞，因此采取上行開采順序是不行的。鑒于此，配采設計采用下行開采順序，即先采9#煤層，后開采15#煤層。

c) 盤區劃分和盤區接替方案。

井田東區下組9#煤、15#煤共劃分為兩層煤四大盤區，以主運石門和3#煤二盤區大巷煤柱為界，以北為北翼九一盤區和十五一盤區，以南為九二盤區和十五二盤區。

下組9#、15#煤層形成“分層、分區、聯合布置”的獨立系統，根據礦井盤區劃分和建設安排，先采9#煤層，后開采下部的15#煤層。9#煤層先投產北翼九一盤區，接替盤區為南翼九二盤區；15#煤層先期投產北翼十五一盤區，接替盤區為南翼十五二盤區，保證南、北翼開采不同煤層。同時，除初期投產九一盤區外，其余均能實現9#、15#煤層同時開采，保證下組9#、15#煤層2.0 Mt/a的設計生產能力，實現工作面正常的抽掘采銜接。

3) 工作面順槽布置方式優化設計。

隨著下組煤開采深度的加大，煤層中的瓦斯含量也隨之增加，在提高瓦斯抽采力度的同時，工作面采用“2進2回、大U套小U”的4巷通風方式(分別為膠帶進風順槽、輔助進風順槽、輔運回風順槽、輔助回風順槽)，可解決工作面上隅角的瓦斯積聚現象[4]，提高工作面的抗災能力，改善工作面作業環境，且該種布置方式已經在晉城礦區成功使用。雙U型通風示意圖見圖3.

圖3 回采工作面雙U型通風方式示意圖

5 結 語

通過對3#煤層與下組煤層配采優化設計，形成了如下結論：

1) 通過建立模型，采用線性回歸原理，得出3#煤層與下組9#、15#煤層的配采比例為12∶1∶3，即3#煤層產量為6.00 Mt/a，下組9#煤層產量定為0.50 Mt/a，下組15#煤層產量為1.50 Mt/a，可滿足配采煤層產品要求，同時可最大限度延長優質3#煤層服務年限。

2) 該次配采設計，采用暗斜(立)井開拓延深方式，聯合開采下組9#、15#煤層，采用下行開采順序，主水平及主要大巷設置在15#煤層中，在9#煤層中設置輔助水平，形成了“分層、分區、獨立系統”的配采模式。