资源整合矿井井底车场动态优化设计

张俊峰

(山西晋城煤业集团勘察设计院有限公司,山西 晋城 048006)

资源整合矿井井底车场动态优化设计

张俊峰

(山西晋城煤业集团勘察设计院有限公司,山西 晋城 048006)

为解决以往煤矿设计中井底车场巷道 沿岩层水平布置,存在岩巷工程量大、施工组织困难、工期长、投资大等问题,结合资源整合矿井特点进行实例设计和实践,通过两阶段动态优化设计方法,实现井底车场巷道及硐室基本沿煤层布置,为矿井尽快投产创造了条件,同时也为其他矿井井底车场及硐室沿煤层布置提供了值得借鉴的实践经验。

硐室;井底车场;资源整合;动态优化设计

1 传统井底车场及硐室布置问题分析

因煤矿井下煤层赋存条件具有不确定性,煤层底板高低起伏不平,而煤矿井底车场巷道根据功能要求需布置成水平巷道,故一般布置在岩层中。本文以亿欣煤业井底车场动态优化设计为例,进行实例设计与实践,通过一系列思路创新、设计优化,实现了井底车场沿煤层布置,具体如下:

亿欣煤业为设计生产能力1.20 Mt/a的资源整合矿井,批准开采2#、15#煤层,为低瓦斯矿井。首采盘区15#煤层厚度为1.90 m～ 4.05 m,平均厚度为2.55 m,顶板为K2石灰岩,平均厚度12.5 m,属极坚硬岩石,稳定性好,底板为泥岩,属较软弱的岩石。矿井采用一次采全高长壁综采采煤方法,投产时布置主平硐、副平硐和回风立井共3个井筒,其中主、副平硐为改造利用整合前既有井筒,回风立井为新掘井筒。根据开拓部署及井筒与大巷的位置关系,确定井底车场为平车场,采用道砟道床,井底车场附近布置中央变电所、水仓、水泵房、管子道、消防材料库、等候硐室等硐室。

在矿井实际建设过程中,由于井底车场巷道及硐室功能均要求为水平巷道,而15#煤层有倾角、高低起伏不平,且施工前无法准确获得15#煤层的赋存标高。如果井底车场及硐室按以往“一次设计、一次施工”的思路,按照事先推断的水平标高施工车场,则井底车场必然会布置在岩层中,同时还存在从车场岩巷重新找煤层去掘进东翼3条煤层大巷时,破K2石灰岩顶板、顶煤留不住、留底煤掘进等问题。而且从施工车场岩巷过渡到煤层大巷(东轨道大巷),施工组织困难,施工速度慢,投资大。因此,如何准确确定井底车场标高,在起伏不平的15#煤层中水平布置井底车场巷道及硐室,成为亿欣煤业面临的技术难题。

2 井底车场及硐室动态优化设计技术

2.1第一阶段设计

在亿欣煤业井底车场施工前,根据矿井地质报告提供煤层等高线,设计井底车场及硐室沿15#煤层布置,标高预计为+1 070 m(地质报告提供的15#煤层底板标高),均为新掘巷道,见图1。

图1 第一阶段井底车场及硐室布置图Fig. 1 Layout of pit bottom and chambers in stage I

2.2施工过程中设计思路创新

在主、副平硐施工过程中,随着现场实际揭露情况不断变化,结合既有井筒宽度、支护条件、功能适应性、井口场地等现场条件,按照技术可行、经济合理的原则,提出“主、副平硐位置互换”的思路[1-5]。

矿井即将进入井底车场巷道施工时,基于15#煤层为近水平煤层的有利条件,提出“井底车场巷道先沿15#煤层顶板掘进煤巷,尽快进入15#煤层东翼施工3条大巷,然后再二次起底调平井底车场”的创新思路。同时探清15#煤层赋存条件,为井底车场及硐室第二次动态优化设计提供煤层标高实测资料。

在井筒位置互换的基础上,依据第一阶段实际揭露整合前既有旧巷、15#煤层赋存条件、巷道底板实测标高等资料,如何因地制宜沿煤层布置车场巷道及硐室,成为第二阶段优化设计的技术难点。

2.3第二阶段优化设计

根据井底车场施工过程中实测巷道底板标高,结合实际揭露的既有旧巷等现场条件,重新确定车场标高,对井底车场及硐室进行第二次优化设计,通过局部巷道起底调平、硐室位置调整、充分利用旧巷等优化技术,形成科学合理的、完全符合现场实际的井底车场及硐室布置图,见图2。根据第二阶段井底车场及硐室优化设计图(图2),进行井底车场巷道二次起底调平,形成永久车场。在不影响东翼大巷掘进面施工的前提下,安排井底车场二次起底平行作业,从而不影响矿井建设工期。

图2 第二阶段优化设计后井底车场及硐室布置图Fig. 2 Layout of pit bottom and chambers after stage II of optimization design

第二阶段井底车场及硐室优化设计内容如下:

1)根据煤层巷道底板实测标高,重新确定井底车场标高,由原设计+1 070 m调整为+1 064.3 m,则避免了井底车场及硐室布置在+1 070 m水平的岩层中,实现了多掘煤巷、少掘岩巷,提高了资源回采率,同时缓解了工期紧张、资金短缺的矛盾。

2)按照尽量少起底的原则,对副平硐与井底车场连接处约98 m巷道进行局部起底,把轨道5 m过渡段和平曲线布置在平面上,在平曲线和摘挂钩车场连接处,布置信号硐室和调度室。

3)按照尽可能简化系统的原则,充分利用15#煤层111 m较平缓巷道,联合布置副平硐井底车场和15#煤东轨道大巷无极绳连续牵引车调车场,大幅缩短了井底调车时间。

4)主、副平硐位置互换后,在主平硐(布置下井管缆)东侧布置中央变电所、水仓、泵房、管子道,主排水管和下井电缆就近沿主平硐敷设,简化了管缆布置路径。

5)充分利用施工期间实际揭露的整合前既有巷道情况,中央变电所及其通道由原设计新掘硐室,优化为改造利用既有巷道,节约投资62.7万元。

6)根据15#煤层实际赋存条件,中央变电所与中央水泵房由原设计的“I”型布置,优化为“L”型布置,管子道充分利用整合前既有巷道,管子道新掘段巷道由原设计130 m优化为27 m,节约投资62.4万元。

7)主平硐(布置架空成人装置)与东胶带大巷连接处,布置等候室、急救站、工具室,并通过联络巷与井底车场沟通;在等候硐室东侧布置消防材料库。

8)将井底车场原设计的道砟道床调整为固定道床,铺底厚度270 mm,为矿井以后改造为无轨胶轮车辅助运输系统创造条件。

3 效果分析

亿欣煤业井底车场及硐室分两个阶段进行动态优化设计,在第一阶段设计后,提出“井底车场巷道先沿15#煤层顶板掘进煤巷,尽快进入15#煤东翼施工3条大巷,然后再二次起底调平井底车场”创新思路,从而避免了井底车场及硐室布置在+1 070 m水平岩层中的情况,实现了多掘煤巷、少掘岩巷的目标,在井底车场巷道及硐室施工期间多出煤3 234 t,创造直接经济效益97万元,实现提前2个月掘进东翼大巷(沿15#煤层布置),有效缓解了工期紧张、资金短缺的矛盾。同时,井底车场巷道先期沿煤层顶板掘进,简化了施工组织,避免了破煤顶、留煤底掘进情况,从根源上改善了井底车场及硐室的支护效果。

针对井下煤层赋存标高具有不确定性的特点,根据实测煤层巷道底板标高,进行第二阶段动态优化设计,重新精准确定井底车场标高,通过井底车场优化布局、局部巷道起底调平、硐室位置调整、充分利用既有旧巷等优化设计,因势利导,实现了井底车场及硐室沿煤层布置,同时节约投资125.1万元。副平硐井底调车场与东轨道大巷调车场联合布置,系统简单,大幅缩短调车时间。

4 结束语

目前,亿欣煤业井底车场及硐室已建成投运,各系统运行正常、稳定,为矿井安全高效生产提供了可靠保障。亿欣煤业井底车场及硐室设计、施工中,采用了两阶段动态优化设计技术,克服以往井底车场“一次设计、一次施工”沿岩层水平布置存在的缺点,科学合理的解决了在煤层赋存标高不确定、煤层高低起伏不平的条件下,沿煤层布置井底车场的问题。两阶段动态优化设计理念和技术,为其他矿井井底车场及硐室沿煤层布置提供了值得借鉴的实践经验。

[1] 张荣立,何国伟,李铎.采矿工程设计手册[M].北京:煤炭工业出版社,2003.

[2] GB 50535-2009.煤矿井底车场设计规范[S].北京:中国计划出版社,2009.

[3] 李兴才.山西金恒煤矿井底车场硐室布置设计优化[J].河北煤炭,2012(12):3-4.

LI Xingcai.Design Optimization on Arrangement of Shaft Bottomchamber in Jinheng Mine of Shanxi Province[J].Hebei Coal,2012(12):3-4.

[4] 张立民,刘铁鸣,申金堂,等.五举矿井井底车场优化方案设计[J].陕西煤炭,2014(3):85-87.

[5] 张宇.煤矿井底车场设计因素及实例分析[J].煤矿现代化,2016(4):82-84.

ZHANG Yu.Design Factors and Example Analysis of Shaft Bottom in Coal Mine[J].Modernization of Coal Mine,2016(4):82-84.

DynamicOptimizationDesignofPitBottomofResource-integratedCoalMine

ZHANG Junfeng

(SurveyandDesignInstitute,JinchengCoalGroup,Jincheng048006,China)

In old coal mine designs, pit bottom tunnels go along the horizontal strata but have many shortcomings, including huge workload, difficult construction organization, long duration, and huge investment, etc. With resource-integrated coal mines, two-stage dynamic optimization design was used to realize the layout of pit bottom roadways and chambers along coal seam, which could create the condition for the mine to put into production as soon as possible. Meanwhile, it could offer references for similar pit bottom and chamber layout in other mines.

chambers;pit bottom;resource integration;dynamic optimization design

1672-5050(2017)02-0025-03

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.04.007

2017-02-28

张俊峰(1984-)，男，山西乡宁人，硕士，工程师，从事煤矿设计工作。

TD214

A

(编辑:薄小玲)