王永明

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

蘇杭河煤礦旱采轉(zhuǎn)水采方案設(shè)計(jì)

王永明

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

簡述了國內(nèi)外水力采煤使用情況，對(duì)新疆蘇杭河煤礦水力采煤可行性進(jìn)行了分析，根據(jù)該礦開采條件制定了旱采轉(zhuǎn)水采方案，本著“能省則省”充分利用原有設(shè)施設(shè)備，最大化的節(jié)省投資的原則，介紹了開拓系統(tǒng)改造、水平劃分、通風(fēng)與運(yùn)輸系統(tǒng)的構(gòu)建、巷道布置以及工作面裝備和水采工藝系統(tǒng)。該礦改造完成后將是新疆地區(qū)第1個(gè)水采礦井，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益巨大。

旱采轉(zhuǎn)水采；水力采煤；技術(shù)改造；設(shè)計(jì)

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蘇杭河煤礦原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.45Mt/a，平硐-主、副暗斜井開拓，采用走向長壁偽傾斜柔性掩護(hù)支架，爆破落煤的采煤方法，可采煤層共5層，煤層厚度0.71～3.76m，傾角為55～68°，平均61°，煤質(zhì)較好可作為煉焦、煉油用煤，安全合理地采出資源具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。由于煤層較薄，且厚度變化較大，無法采用綜采水平分段開采；現(xiàn)采用柔性掩護(hù)支架采煤法，單面產(chǎn)量較低，對(duì)煤層厚度變化適應(yīng)性差，采出率降低，生產(chǎn)能力下降；從安全方面，護(hù)架下放時(shí)容易發(fā)生事故。因此選擇一種既安全經(jīng)濟(jì)，又與之開采技術(shù)條件相適宜的采煤方法是該礦技術(shù)改造中首要解決的問題。

1 采煤方法分析

水力采煤具有適宜性強(qiáng)、采出率高、設(shè)備投資少、勞動(dòng)強(qiáng)度低、煤塵少等特點(diǎn)，是復(fù)雜礦井生產(chǎn)的一種有效途徑[1]，尤其適用于煤層傾角大、賦存不穩(wěn)定、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的煤層及綜合機(jī)械化開采具有一定的難度的邊角煤、三角煤。

1.1 國內(nèi)外水力采煤使用情況

世界上第1個(gè)水力采煤礦井1938年在前蘇聯(lián)頓巴斯建成，后來波蘭、捷克、匈牙利、日本、德國、加拿大等國也進(jìn)行了水力采煤的試驗(yàn)及應(yīng)用，澳大利亞、西班牙、印度、土耳其等國家也進(jìn)行了可行性研究；1956年我國最早使用水采的礦井在萍鄉(xiāng)和開灤進(jìn)行試驗(yàn)，1958年，開灤和峰峰建成了我國第1批水采區(qū)，經(jīng)過50多年的發(fā)展和開灤、棗莊、北票、南票、通化、大屯等十幾個(gè)礦區(qū)的應(yīng)用[2]，積累了相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)和技術(shù)，因地制宜地完善和發(fā)展了我國的采煤方法和工藝。

由于礦井生產(chǎn)條件的改變、地質(zhì)條件的變化、生產(chǎn)接續(xù)的調(diào)整，采煤方式亦有所轉(zhuǎn)變，有的旱采轉(zhuǎn)水采[3]，有的旱、水共采[4]，有的水采轉(zhuǎn)旱采[5]，水采礦井改造可借鑒礦井較多。

1.2 旱采轉(zhuǎn)水采可行性分析

(1)瓦斯 水采礦井工作面通風(fēng)一般采用“工作面竄風(fēng)”方式，采區(qū)內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，因此采區(qū)通風(fēng)是水采礦井主要制約條件；《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，突出煤層中的突出危險(xiǎn)區(qū)、突出威脅區(qū)，嚴(yán)禁采用放頂煤采煤法、水力采煤法、非正規(guī)采煤法采煤。蘇杭河煤礦開采上部時(shí)為瓦斯礦井，后期開采下部時(shí)為高瓦斯礦井，煤層無突出，可采用水力采煤法。

(2)水源 水力采煤水系統(tǒng)為閉路循環(huán)，因煤炭會(huì)帶走部分水分，需要進(jìn)行補(bǔ)水，蘇杭河煤礦緊臨臺(tái)勒曲克河，長年流水，完全能夠滿足水力采煤要求。

(3)煤層硬度 通過對(duì)Ⅳ7和Ⅳ13層采樣用搗碎法測(cè)定，堅(jiān)固性系數(shù)f值為0.45～0.6，屬于軟煤層，從目前水力落煤技術(shù)水平分析，該煤層屬高壓水射流易破碎型，有利于水力落煤。

(4)煤層傾角及厚度 為方便煤水運(yùn)輸、采掘作業(yè)開展，煤層傾角一般不小于7～10°、煤層厚度不小于1m；蘇杭河煤礦煤層傾角55～68°，平均61°，5層煤平均厚度分別為1.98m，0.91m，1.58m，2.64m，2.12m，適合利用水力開采。

(5)頂、底板 煤層頂、底板條件較好，均為中砂巖或細(xì)砂巖，允許頂板暴露面積為80～100m2左右，這不但有利于提高采出率，還有利于巷道的掘進(jìn)與支護(hù)。因此，該頂?shù)讞l件均可滿足水采回采落煤工藝的要求。

(6)地質(zhì)條件 水力采煤尤為適用于井下涌水量大、煤層頂板及采空區(qū)滲漏水嚴(yán)重、煤塵量大、老采區(qū)殘煤儲(chǔ)量較豐富，需組織復(fù)采且煤層條件適合的礦井。

綜上分析，蘇杭河煤礦非常適合采用水力采煤方式開采。

2 水力采煤方案設(shè)計(jì)

2.1 開拓與開采水平劃分

結(jié)合礦井現(xiàn)狀，綜合考慮采掘巷道布置及剩余資源分布情況，充分利用已有設(shè)施設(shè)備，擬定若干方案對(duì)比后確定，利用原有工業(yè)場地，利用現(xiàn)有主運(yùn)平硐(機(jī)軌合一)、3號(hào)回風(fēng)平硐(首采區(qū)輔助進(jìn)風(fēng))，新建+2175m回風(fēng)平硐(長53m)，初期為平硐開拓，后期為平硐-暗斜井開拓；將礦井劃分為3個(gè)水平，分別為+2050m水平、+1800m水平、+1500m水平。+2050m水平西部采空，東部布置1個(gè)水采區(qū)，+1800m水平、+1500m水平各劃分4個(gè)采區(qū)開采。

2.2 通風(fēng)與運(yùn)輸系統(tǒng)構(gòu)建

礦井通風(fēng)方式采用分區(qū)式，主運(yùn)平硐位于井田中部，若采用中央并列式通風(fēng)，僅回風(fēng)大巷需新掘1.2km，維護(hù)時(shí)間長成本高，根據(jù)急傾斜煤層垮落特點(diǎn)，壓煤量較大且煤柱無法回收，通風(fēng)線路長，運(yùn)營費(fèi)高；與之相比，分區(qū)式通風(fēng)不需留設(shè)回風(fēng)大巷保護(hù)煤柱(煤柱可回收)，地表多處適合風(fēng)井場地，通風(fēng)線路短，風(fēng)阻小，運(yùn)營費(fèi)低。通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式。礦井總風(fēng)量為50m3/s，主風(fēng)機(jī)利用原有FBCDZ-8-№19B型對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)2臺(tái)，功率2×90kW。

主運(yùn)系統(tǒng) 主平硐及主運(yùn)大巷利用原有輸送機(jī)(2條)，帶寬B=800mm，帶速V=1.6m/s，功率均為45kW；采區(qū)內(nèi)均采用梯形短幫溜槽自溜輸送煤水，尺寸為300mm×500mm×250mm，單節(jié)長1000mm。

輔運(yùn)系統(tǒng) 利用原有2臺(tái)XK5-6/90防爆型蓄電池電機(jī)車及1臺(tái)JKYB-1.6×1.5XP型單繩纏繞式液壓防爆提升絞車，功率為160kW。

2.3 巷道布置與采煤方法

主要大巷及采區(qū)巷道的布設(shè)，根據(jù)各煤層間距，煤層賦存條件，同時(shí)考慮便于回采管理，少壓煤，采用聯(lián)合布置的形式，主運(yùn)輸大巷布置在下部Ⅳ14號(hào)煤層下底板巖石內(nèi)，利用石門貫穿各煤層，軌道上山、回風(fēng)上山沿Ⅳ14號(hào)煤層偽斜布置，傾角15.5°，溜煤上山沿Ⅳ11號(hào)煤層偽斜布置，傾角15.5°，通過階段石門與回采巷相連，形成采區(qū)溜煤系統(tǒng)。各巷道以掘煤巷為主，斷面形式見圖1。

圖1 巷道斷面

區(qū)段內(nèi)巷道布設(shè)及裝備 考慮本礦煤層傾角和通風(fēng)條件，采用適宜于急傾斜煤層開采的小階段式水力采煤法，見圖2。根據(jù)相似水采礦井的經(jīng)驗(yàn)初選采垛參數(shù)為：采垛長度(沿煤層傾向，即2回采巷道之間煤柱長度)L=15m，移槍步距X=8m，最終沖采角θ=50～60°，水采生產(chǎn)后可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況來調(diào)整采垛規(guī)格；采垛內(nèi)的落煤順序采用閉式落煤順序，見圖3。

圖2 小階段式采煤法

圖3 采垛閉式開采

回采順序 水采首采區(qū)為上山開采，Ⅳ1，Ⅳ7，Ⅳ11，Ⅳ13煤分區(qū)段由上至下進(jìn)行回采，每一區(qū)段按煤層上下順序進(jìn)行回采。每一層煤每區(qū)段劃分為3個(gè)小階段進(jìn)行交替回采，工作面沿回采巷逐垛進(jìn)行后退式回采。4層煤回采完后進(jìn)行Ⅳ14煤回采，回采順序也是按區(qū)段由上至下進(jìn)行回采。

2.4 工作面裝備與工藝系統(tǒng)

2.4.1 工作面生產(chǎn)能力

根據(jù)該礦水采開采煤層的賦存情況并結(jié)合其他水采礦井開采同一煤層的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)為了便于管理，每班退槍2次，采2個(gè)采垛,每垛開槍時(shí)間為2～3h。

工作面生產(chǎn)能力計(jì)算如下：

Q=330L·a·h·r·c

式中，Q為回采工作面年產(chǎn)量，t；330為年生產(chǎn)天數(shù)，d；L為兩回采眼間距，m，取15m；a為日退槍距離，m，取48m；h為煤層厚度，m，取5層煤平均厚度1.85m；r為煤的密度，1.4t/m3；c為采出率，85%。

Q=330×15×48×1.85×1.4×85%=523076(t)

Ⅳ1，Ⅳ7，Ⅳ11，Ⅳ13，Ⅳ14煤層交替回采，按煤層平均厚度計(jì)算，生產(chǎn)能力能夠滿足0.45Mt/a的要求。

水采工作面裝備配置，主要有水槍、閥門、管路和快速接頭等設(shè)備，見表1。

表1 水采工作面裝備配備

注：水槍壓力20MPa，流量150m3/h

2.4.2 采區(qū)硐室

在+2050m水平設(shè)置煤水硐室，位于3號(hào)回風(fēng)平硐底東部，該硐室主要有篩機(jī)硐室、煤水倉、煤水泵房和變電所等組成，部分硐室為利用原有巷道改造，大部分為新掘。采區(qū)篩機(jī)硐室內(nèi)安裝2臺(tái)SGB620-40T刮板分級(jí)篩，功率為40kW，分級(jí)粒度0.5mm；濃縮倉底流泵選用100ZD-330型渣漿泵，功率N=30kW，管道為直徑159mm，壁厚6mm；粗煤泥回收設(shè)備采用FX500型濃縮旋流器+ ZH1520振動(dòng)弧形篩組合設(shè)施，分級(jí)粒度為0.3mm；轉(zhuǎn)排煤水泵選150ZD-500煤水泵1臺(tái)，功率N=75kW。

2.4.3 工藝系統(tǒng)

工作面原煤漿經(jīng)回采巷道和溜煤上山自溜至采區(qū)篩機(jī)硐室，經(jīng)2臺(tái)刮板分級(jí)篩分級(jí)，+0.5mm篩上品進(jìn)入煤倉通過+2050m大巷運(yùn)輸膠帶機(jī)轉(zhuǎn)排至地面原煤倉，-0.5mm的篩下品進(jìn)入采區(qū)濃縮倉，濃縮倉底流濃縮后排至安裝在刮板分級(jí)篩硐室內(nèi)的濃縮旋流器+振動(dòng)弧形篩，篩上+0.3～0.5mm粗煤泥通過刮板機(jī)運(yùn)至采區(qū)煤倉，濃縮倉溢流水進(jìn)入煤水倉通過采區(qū)煤水泵轉(zhuǎn)排至地面煤水緩沖倉。工藝系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 工藝系統(tǒng)

礦井總建設(shè)工期為8個(gè)月，礦井移交生產(chǎn)時(shí)井巷工程掘進(jìn)總長度為4656m，其中巖巷1637m，煤巷3019m，礦井各項(xiàng)總投資11421.82萬元(含地面洗選廠)，噸煤投資253.82萬元，該礦煤質(zhì)較好，達(dá)產(chǎn)后2a內(nèi)即可收回成本，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

3 結(jié)論與建議

通過對(duì)蘇杭河煤礦水力采煤分析論證，結(jié)合礦井現(xiàn)狀，充分利用已有設(shè)施設(shè)備設(shè)計(jì)了適合該礦的水采方案，選取了水采系統(tǒng)工藝參數(shù)及設(shè)備。

(1)該礦水采改造完成后將是新疆第1個(gè)水采礦井，對(duì)新疆地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下優(yōu)質(zhì)煤開采具有重要意義。

(2)該礦井采用水采系統(tǒng)，工作面人員數(shù)量減少、勞動(dòng)強(qiáng)度降低，相對(duì)日益增長的用工成本效益可觀，另外礦井改造時(shí)間短，煤質(zhì)好，成本回收快。

(3)礦井移交生產(chǎn)后，全礦井配備1個(gè)水采工作面，4個(gè)掘進(jìn)工作面，即能保證礦井0.45Mt/a的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。

[1]付德華，李永海.地質(zhì)構(gòu)造極復(fù)雜礦井采用水力采煤是一種有效的途徑[J]．水力采煤與管道運(yùn)輸，2009(9).

[2]徐永圻．采礦學(xué)[M]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[3]李永海，徐春明，鄭奎全．水力采煤技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)[J]．水力采煤與管道運(yùn)輸，2011(12).

[4]付文安．水采礦井?dāng)U大生產(chǎn)能力的技術(shù)途徑[J]．煤炭工程，2004(2).

[5]劉德勇．水采向綜采轉(zhuǎn)型期間應(yīng)把握的幾個(gè)關(guān)鍵問題[J]．煤炭技術(shù)，2012(6).

[責(zé)任編輯：鄒正立]

2013-12-17

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.008

王永明(1981-)，男，山東鄒城人，工學(xué)碩士，工程師，從事礦井設(shè)計(jì)研究工作。

王永明.蘇杭河煤礦旱采轉(zhuǎn)水采方案設(shè)計(jì)[J].煤礦開采，2014，19(4)：28-30.

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1006-6225(2014)04-0028-03