超大层间距联合开采设计在宁武煤田的应用

岳俊杰

(霍州煤电集团有限责任公司,山西 霍州 031400)

1 矿井及采区概况

山西省静乐县某矿由六个小窑兼并重组整合而成,整合后批准开采2#至5#煤层,井田面积12.698 6 km2,生产规模1.2 Mt/a。矿井井田属宁武煤田,位于宁武向斜的东翼,呈由东向西展布的不规则多边形,基本构造形态为单斜构造,地层近南北走向,倾向以西和北西西为主,倾角30°,井田地质构造简单,水文地质类型中等。矿井采用“两进一回”机械抽出式分区通风方式,主运输采用带式输送机运输,辅助运输采用柴油齿轨车和柴油单轨吊车运输。矿井二采区位于井田的中部,采区通过在+1 100 m水平大巷东侧布置三条上山准备巷道进行开采,采区内2#煤层平均厚度为4.95 m,5#煤层平均厚度为12.94 m,煤层倾角24°～30°,平均26°,2#与5#煤层垂直层间距为85 m,采区地质储量4 319.2万t,设计可采储量2 632.42万t,采区服务年限15.7 a。

2 采区巷道布置方案

2.1 分层开采与联合开采设计的分析

井工矿井在开采煤层群时,一般视煤层间的层间距大小,采区巷道按分层布置和联合布置两种方式进行设计。分层布置即将每个煤层单独开采,在各自煤层内布置一个完整的生产系统,联合布置即在开采近距离煤层群时,为减少巷道工程量和实行集中生产,采用联合布置或分组联合布置方式,将几个煤层划为一组,在最下面的煤层或底板岩石中布置共用的上山和平巷,各煤层和底板巷道用石门、斜巷和溜煤眼相联系,建立一个统一的生产系统[1-3]。通过对二采区煤层赋存条件的分析,由于受主、辅运输设备运行参数的限制,采区主、辅运输巷道上山坡度不宜超过21°,即使准备巷道采用伪倾斜的布置方式，也不能将分层采区巷道布置在相应的煤层中或煤层底板附近,因此否决分层开采布置方案。

2.2 采区联合开采布置方案

通过对矿井整体开采规划的分析,本着为矿井“一优三减”创造条件,充分结合矿井煤层倾角较大,2#煤层局部可采,5#煤层全区可采的实际情况,确定按照三个采区划分开采全井田可采煤层和二采区全部开采2#煤可采区的要求,改造利用采区中部原整合矿井预留的一副斜井作为采区回风斜井使用的整体思路进行联合开采设计方案的构思。为此设计方案确定初期提出了以下四条设计原则:①三条上山沿煤层伪倾斜布置,伪斜角控制在53°～56°,采区上山各巷道间距为40 m。②采区皮带巷、采区轨道巷布置在2#煤与5#煤的中间层位(采区下端位于5#煤顶板往上35 m～45 m,受煤层倾角与上山巷道坡度间关系的影响,采区上端要求全部进入5#煤层位),坡度为+21°。③将回风上山布置在5#煤层中,坡度为+21°～+26°,以便降低岩巷工程量并进一步探清采区煤层及地质构造。④采区上山保护煤柱尽量与二采区回风斜井保安煤柱重叠,且为方便防灭火管理两翼工作面顺槽长度宜均等。

1)回风上山位置的选择:回风上山位置根据经验有两种布置方式,一种为回风上山位于采区三条上山的一侧,皮带上山位于三条上山的中间,另一种为采区回风上山位于采区上山的中间,两侧分别为皮带上山及轨道上山。其中第一种方式较为常见,便于工作面出渣及回风系统巷道的施工,在近水平及缓倾斜煤层中应用广泛;第二种方式适合于三条上山不在同一层位的情形,此种布置方式:①巷道立交关系较简单。②采区胶带输送机与工作面胶带输送机容易搭接,对采区皮带巷安设的架空乘人装置影响较小。③工作面不需专门施工顺槽巷的进风、行人联巷。通过分析认为采区联合开采时采区回风上山应选择第二种布置方式。

2)采区上山位置及方位的选择:根据采区地质和回风斜井可利用情况,本着合理布置采区准备系统,实现快速投产,又兼顾下部接续采区;即便于回采巷道的灵活布置,又能均衡两翼工作面长度;实现一个区段集中联巷服务四条顺槽和部分区段集中联巷实现上下煤层的重复使用等要求[4-5],优选确定了二采区准备巷道采用与水平大巷斜逆联的设计方案。即采区三条准备巷道基本位于采区中部,以55°5′26″方位角与+1 100 m水平大巷斜逆联,准备巷道按联合布置方式进行设计施工,巷道保护煤柱与二采区回风斜井保护煤柱重叠,由北向南分别布置皮带上山、回风上山、轨道上山、采区皮带上山及轨道上山分别通过采区行人斜巷和采区轨道绕巷与相应的+1 100 m水平皮带巷及轨道巷沟通形成运输、进风系统,采区回风上山与原老榆背副斜井(已有)沟通形成通风系统。采区联合开采巷道布置方案如图1所示。

图1 采区联合开采巷道布置方案Fig.1 Layout of roadways in combined mining areas

3)水平大巷与采区巷道的沟通方式：为使采区轨道巷、皮带巷下端布置于2#、5#煤层之间的岩巷中,就需通过施工相应的采区绕巷、斜巷与+1 100 m 水平大巷沟通,具体沟通方式如下:采区皮带巷通过施工43 m高的采区煤仓与皮带大巷沟通实现出煤,同时在水平皮带大巷与采区皮带巷间施工长度168 m,坡度16°的采区行人斜巷实现进风及行人,在采区皮带巷下端与采区轨道巷之间施工采区皮带检修道方便胶带机的日常检修工作。采区轨道巷沟通方式:在+1 100 m水平轨道巷大巷车场处以220°53′23″方位角开口施工采区轨道绕巷,轨道绕巷除车场段及巷道拐弯前后20 m范围为平掘外,其它区段施工坡度为20°,巷道施工总长度240 m,通过施工绕巷实现巷道爬升43 m,采区轨道绕巷上端进入5#煤顶板往上36 m层位与采区轨道上山实现沟通。

4)工作面联络方式：采区巷道为上下煤层联合布置方式,为解决多煤层回采工作面运输、出煤及回风系统巷道布置上的缺陷,优化工作面系统巷道,实现一条系统巷道能够服务多个工作面的生产,不仅简单合理,而且延长了系统巷道服务周期。设计通过施工采区轨道巷至采区皮带巷及回风巷之间的系统巷道作为区段集中联巷,工作面各顺槽通过区段集中联巷与采区三条上山连通形成完整的生产系统,为实现区段集中联巷的重复使用,各煤层需通过相应的石门、斜巷和立眼三种方式与区段集中联巷联系起来,具体联系方式分不同工作面情况,按掘进量的大小及使用方便等原则进行选择,在实际工作中,用于运煤的联络巷多采用斜巷和立眼,而用于回风、行人、运料的联络巷,则多采用石门和斜巷[6]。

工作面联络方式:2#煤工作面在区段集中联巷中部往采区下山方向上山掘进集中胶带斜巷进入2#煤层,四条顺槽共用一套主、辅运输及回风系统;5#煤工作面利用2#煤区段集中联巷的一部分往上山方向平掘进入5#煤层后分别施工相应的回风联巷及集中胶带斜巷,四条顺槽共用一套主、辅运输系统,回风系统可分翼布置。回采工作面布置方位与开拓巷道平行,与煤层走向基本一致,切眼长度平距88 m(斜距100.5 m)。此种联络方式可大量减少巷道的开掘与维护,有利于综采机械化扒皮式开采各煤层和提高矿井经济效益。

3 采区车场及缓冲水仓的布置

3.1 车场的布置

为了方便大巷无级绳连续牵引绞车与采区齿轨车之间的材料换装,需在+1 100 m水平轨道大巷与采区轨道绕巷连接处设置一80 m的大巷车场,在采区轨道绕巷处布置一35 m的采区转换车场。同时为保障齿轨车的安全运输,方便采区内齿轨车与单轨吊车之间的材料换装,需在采区轨道巷下端布置一50 m的采区下部车场,在采区轨道巷上端布置一30 m的采区上部车场,通过以上四个车场实现采区材料的顺畅运输。

3.2 缓冲水仓的布置

由于采区为上山采区,工作面涌水通过排水管路排至采区轨道巷或采区皮带巷水沟后自流至轨道大巷水沟内,最后通过+1 100 m水平水泵房将水直接排出地面。为降低下流水流的冲击力,需在采区轨道绕巷转换车场处单独布置一缓冲水仓,缓冲水仓施工总长度为90 m,采用底板下挖布置方式,有效容积360 m3,由缓冲一仓及二仓组成并安设清仓机进行日常的水仓清淤工作。

4 结束语

鉴于2#与5#煤煤质相近,可考虑部分时段进行2#与5#煤交替回采,但需处理好压茬关系,以减少或避免相邻工作面共用巷道存在串联通风的情况,实现高低硫分煤的合理配采。

对于超大层间距煤层来说，一般采用分层布置方式,但对于宁武煤田的倾斜煤层而言,可以充分利用煤层倾角大的特点,进行超大层间距煤层间的采区巷道联合布置,采用区段集中联巷的方式将超大间距煤层联系起来,实现了一条区段集中联巷服务四条顺槽。这种联合布置的采区,不仅可以扩大采区储量,延长采区服务年限,还可以减少掘进量及维护量,缓解采掘接续,实现井下集中生产,达到降本提效的目的,为矿井“一优三减”创造了条件。