薄厚優劣煤層的配采方案設計與效益分析

李鑫烽

（山西蘭花科創大陽煤礦分公司，山西 晉城 048003）

煤炭作為不可再生資源，近年開采量逐漸減少而開采難度卻逐步增加，其中尤為明顯的是隨著上部優質煤的枯竭和復雜的地質構造條件，劣質煤又因為需求量小、售價低等因素導致礦井生產過程中銜接緊張、原煤質量差，生產長期不達標、企業效益縮減[1]。因此，我國學者在煤層配采方面進行了大量研究，王紹留等[2]在維持礦井生產能力不變的前提下，通過降低混煤灰分來實施配采，延長礦井配采服務年限；陳軍濤等[3]提出了“分區、分層、獨立開采”的匹配原則，實現相鄰煤層的貫通，服務于優質煤層的配采。這些方法都可以幫助企業提升煤炭生產的經濟效益。

目前礦井3 號煤層剩余可采儲量為20.92 Mt，正常可采區域內服務年限不足10 a。大陽煤礦3 號煤層資源枯竭后，再對15 號煤層進行單獨開采，所產煤質無法滿足用煤企業對煤質的要求，這將會直接影響礦井經濟效益。結合大陽煤業生產現狀和煤層資源條件，設計研究煤層配采，解決3 號與15號煤層配采過程中的配采比例、開投方案等技術難題。通過3 號煤層和15 號煤層的配采，不僅可以有效降低產出煤的硫分含量，提高煤炭資源發熱量，提升煤炭產品市場競爭力和綜合利用率，促進煤炭資源的合理開發與利用，還能夠延長礦井服務年限，助力企業走上健康良性的可持續發展之路[4]。

1 概況

1.1 礦井資源條件

大陽煤礦核定生產能力1.80 Mt/a，可采煤層為3 號、15 號煤層，采用斜井開拓，生產水平標高為+750 m。目前開采3 號煤層，有2 個生產采區，2個采煤工作面，使用綜采放頂煤開采方法。大陽煤礦將已有井巷工程、設備和地面設施達到使用最大化進行配采設計，以+745 m 水平開采3 號煤層，可兼顧礦井安全生產和經濟效益。

1.2 煤層條件

礦井目前開采的3 號煤層厚度 3.8～7.2 m，平均6.22 m，全硫含量為0.15%～0.41%，平均僅0.33%，含硫較低，發熱量29.9 MJ/kg，發熱量較高。15 號煤層厚度為1.19～5.99 m，平均厚度3.04 m，原煤含硫較高，1.70%～2.92%，平均2.62%，為中高硫煤，發熱量27.3 MJ/kg。經過比對，15 號煤層含硫量明顯高于3 號煤層，如果在3 號煤層全部開采完之后再開采15 號煤層，后續煤質恐難以滿足企業用戶要求，將直接導致礦井經濟效益下滑。為此，需立即開展3 號煤層與15 號煤層的配采工作，見表1。

表1 煤層信息主要指標

1.3 開拓現狀

該礦采用斜井開拓，共布置五個井筒，分別為主、副斜井，運人斜井，北進風立井和南回風立井。井筒間距30 m 以上，使用長壁式綜采放頂煤采煤方法，綜合機械化掘進方式。

2 配采能力計算及巷道的開拓

在采的3 號煤層工作面采用后退式開采，采用全部垮落法進行頂板管理。現布置兩個回采工作面，分別在3 號煤三采區和四采區。

2.1 配采方案

為了提升煤炭品質，在實施配采作業時需合理設置配采比例，因此在選擇煤層配采比重時，必須考慮配采后煤炭資源的硫分含量和燃燒時的發熱量標準[5]。根據集團要求，為保證該礦原煤經濟效益的最大化，配采后原煤的混合硫分須控制在1%以內，發熱量不低于29 MJ/kg。

2.2 配采能力的確定

15 號煤層配采能力的合理選取是影響礦井經濟效益的核心因素，需綜合考慮煤炭市場煤質需求和煤層的開采條件。設計結合3 號煤層和15 號煤層參數指標，根據配采原則建立數學模型， 得出了合理的配采比例。

采用線性規劃理論，通過二元一次方程組的聯合求解對比，主要考慮硫分、發熱量的因素，計算最佳配采比例。

式中：Xi為煤層產量，3 號煤層產量記作X3，15 號煤層產量記作X15；Q為礦井生產能力，180 萬t/a；Smax為最大硫分要求，取1%；Jmin為最低發熱量要求，取29 MJ/kg。

年產量根據公式（1）計算：X3+X15=180 Mt/a。式（2）、（3）均取等號進行計算。根據年產量約束（式1）和硫分約束（式2）計算得X3=126.9 萬t，X15=53.1 萬t；根據年產量約束（式1）和發熱量約束（式3）計算得X3=117.7 萬t，X15=62.3 萬t。兩組計算結果基本吻合，經過數值優化取整和便于組織生產，確定配采產量為：3 號煤層120 萬t/a，15 號煤層60 萬t/a。按此比例配采后，煤炭硫分為1.09%，發熱量為29.03 MJ/kg，基本滿足集團公司對煤質的要求。

2.3 開拓方案的選擇

基于礦井地面原有主、輔助生產系統已完善，此次設計仍沿用原有工業場地。主、副斜井、運人斜井和主運輸、輔助運輸生產系統布置在主井工業場所處的井田東南部，前期配采3 號、15 號煤層時暫時封閉南進風立井，然后將南回風立井改造刷大后，再開采南部區域。

2.4 大巷布置

本次采用斜立井聯合開拓方式進行3 號煤層、15 號煤層的配采，已有的五個井筒和新掘西回風立井功能如下：1）主斜井凈斷面10.60 m2，主要負責全礦生產煤炭的提升運輸，同時兼顧進風和安全出口；2）副斜井凈斷面9.75 m2，主要負責矸石提升和物料的運輸，兼顧礦井進風；3）運人斜井凈斷面8.03 m2，負責礦井人員的提升，兼顧進風和安全出口；4）北進風立井凈斷面10.75 m2，在3 號煤層落底，主要承擔進風功能；5）南回風立井凈斷面28 m2，垂深319.5 m，在井筒內安設鋪有靜壓防塵管和排水管的封閉梯子間，同時作為礦井的一個安全出口使用；6）西回風立井為本次配采新掘井口，使用多繩摩擦落地式提升機，井筒內鋪設電纜及排水、灑水、壓風、黃泥灌漿等管道，負責運輸15號煤層下放液壓支架、運料、進風及后期人員。

圖1 配采開拓圖

3 配采方案

3.1 配采順序

按照3 號煤層的實時開采情況，前期考慮3 號煤層與15 號煤層一采區的配采，在位于井田F1 斷層西側的3 號煤層三采區、四采區下方開展實施。150101采煤工作面為15號煤層配采的首采工作面。如圖2（a），沿東北向借助3 號煤層三采區巷道掘進軌道暗斜井，沿西南向在西翼膠帶運輸巷布置運輸暗斜井。前期軌道暗斜井傾角12°，至15 號煤層斜長202 m，在15 號煤層落底，標高+615 m。運輸使用無極繩連續牽引車。沿西南方向在西翼膠帶大巷布置前期運輸暗斜井，前期傾角為18°，至15 號煤層斜長547 m，在15 號煤層落底，15 號煤層的煤倉布置在3 號煤層頂板上。軌道暗斜井落底后，沿平行于井田邊界巷道東西向布置三條采區巷道，三條采區巷道全部掘至井田邊界。一采區巷道位于大斷層西部，二采區巷道位于斷層東部。兩個采區均為雙翼回采采區。15 號煤層井底煤倉垂深43 m，布置在3 號煤層運輸暗斜井內。

圖2 配采煤層布置圖

3 號煤層目前開采的三采區將首先對3407 工作面進行配采，并同時掘進3409 工作面順槽。見圖2（b）。

3.2 開采布置

煤層開采順序按照3 號、15 號煤層配采，此次配采方案先行在3 號煤層、15 號煤層分別布置一個回采工作面，之后在3 號煤層、15 號煤層分別布置兩個綜掘工作面。井下實施“四六工作制”，在3號煤層每日部署生產兩個班，15 號煤層每日部署生產、檢修各一個班，實現1:4 的采掘比。采用后退式工作面接替順序，保證礦井交替采掘的情況下，3 號煤層產量達1.20 Mt/a，15 號煤層產量達0.60 Mt/a，達到礦井生產能力1.80 Mt/a。

4 大巷運輸及設備

4.1 運輸方式的選擇

1）煤炭主運輸

為適應礦井配采后機械化程度高、產量大的需求，煤炭運輸系統均采用帶式輸送機運輸。

2）輔助運輸

膠帶大巷布置皮帶和猴車用于主運輸和人員運輸，軌道大巷布置雙向軌道用于輔助運輸，運輸順槽設計采用無極繩連續牽引車進行物料運輸。關鍵設備選取如下：① 膠帶大巷：選用一部RJY55-26/3000（A）型架空乘人裝置用于人員運輸；② 軌道大巷：選用1 部SQ-130/200P 型變頻調速無極繩連續牽引車；③ 軌道順槽：選用一部SQ-130/200P型變頻調速無極繩連續牽引車。SQ-130/200P 型變頻調速無極繩連續牽引車對長距離、大傾角、多轉角、質量較大條件下的工作面有較強的適應性，可實現井下大型設備的一次性轉運，提高煤炭生產效率。

4.2 運輸設備選型

1）煤炭主運輸設備

主運輸設備利用現有的3 號帶式輸送機進行配采運輸，其中15 號配采煤層的運輸路線：150101采掘工作面→運輸順槽→15 號煤層一采區運輸巷帶式輸送機→初期運輸暗斜井→15 號煤層煤倉→3號煤層西翼膠帶大巷→3 號煤層+750 m 水平膠帶運輸大巷→主斜井→地面。

2）井下輔助運輸方式選擇

開采15 號煤層時，綜合考慮采用無極繩連續牽引車與調度絞車運輸。井下輔助運輸采用無極繩連續牽引車與調度絞車運輸方式，根據開拓布置，井下巷道傾角一般均小于12°，無極繩絞車具備連續運輸、方便的優勢，而調度絞車具備運輸方式靈活、適應巷道起伏變化的特點。

3）井下輔助運輸系統該礦的輔助運輸系統：

普通材料：地面→副斜井→+750 m 水平軌道運輸大巷→西翼軌道大巷→三采區軌道巷→初期軌道暗斜井→15 號煤一采區軌道巷→工作面回風順槽→采掘工作面。

下大件：地面→西副立井→15 號煤層軌道大巷→15 號煤一采區軌道巷→工作面軌道順槽→采掘工作面。

初期人員運輸：地面→運人斜井→+750 m 水平軌道運輸大巷→西翼猴車大巷→初期運輸暗斜井→15 號煤一采區運輸巷→工作面回風順槽→采掘工作面。

后期人員運輸：地面→西副立井→15 號煤軌道大巷→15 號煤一采區運輸巷→工作面回風順槽→采掘工作面。

5 配采經濟預算

該項目要求礦井水平延深（配采）設計生產能力達到1.80 Mt/a，投資概算包含配套所需的全部井巷工程、土建工程、設備及工器具購置、安裝工程和工程建設其它費用的投資，工程預備費按規定列入項目總投資。設計建設工程總造價51 985 萬元，其中井巷工程投資為23 015 萬元，土建工程投資為1108 萬元，設備及工器具購置投資為11 976 萬元，安裝工程投資為5103 萬元，工程建設其它費用投資為4962 萬元，工程預備費為3185 萬元，瓦斯抽采專項設計2636 萬元。因此成本方面可算出，第一年達產時約增加成本288.8 元/t。通過一定增量的成本，雖然短期內會造成一定的資金壓力，但從長遠看可以為礦井提供一個長久穩定的安全生產環境，工作效率的提高促使產量增加，成本回收周期縮短，最終可以實現成本的降低。建成投產后，綜采作業可穩定高效運行，配采后的煤質能得到有效提升，達成了既定的“薄厚、高低硫”配采設計目標，改善礦井綜合經濟效益，并且具有現實可推廣性[6-7]。

按照井巷工程進度規劃的礦井建設共用時52個月，具體為施工準備用時3.0 個月，井巷工程施工用時39.9 個月，機電設備安裝用時3 個月，聯合試運轉用時6 個月。

6 結語

開展部署礦井下組煤聯合開采工作刻不容緩，合理的配采方案可以實現企業的可持續發展、穩定礦井的經濟效益。基于大陽煤礦3 號煤層屬低硫煤的厚煤層及15 號煤層屬于中厚煤層的特質，筆者設計了“薄-厚煤層、高-低硫分”（相對而言）的配采方案，將礦井原有的地上井下生產系統及設備做到科學高效的使用。大型新掘礦建工程僅包括一個回風井筒，在3 號、15 號煤層中分別布置1 個回采工作面，配采工作可以充分滿足系統簡易、技術安全可行。3 號煤層1.2 Mt/a，15 號煤層0.6 Mt/a，可以滿足礦井達到1.8 Mt/a 生產能力的要求，也可為延續礦井服務年限和經濟效益提供保障作用。