协庄煤矿生产系统技术改造方案研究

王中亮，刘海泉，王振虹

(通用技术集团工程设计有限公司，山东 济南 250031)

煤炭是重要的基础能源和工业原料，当前和今后较长时期内，在我国能源体系中的主体地位和压舱石作用不会改变。我国煤炭开采历史悠久，随着部分矿井的长期高强度开采，其优质资源逐渐枯竭，生产条件逐渐恶化，生产系统老化严重，通过系统优化改造是实现矿井高产高效的常见手段[1-7]。近年来，国家对煤矿安全生产提出了更高要求，山东省也出台了埋深超千米煤炭资源限制开采的政策，对矿井开拓开采区域做出了严格限制[8-12]。矿井现有开拓开采系统不能很好地适应采场位置、煤层层位等变化，需针对矿井煤炭资源赋存及开拓开采现状，研究矿井主要生产系统技术改造优化方案[13-20]，找出制约矿井安全生产的关键环节和因素，实现矿井找煤扩量，确保矿井可持续发展。

1 矿井概况

协庄煤矿位于山东省新泰市，隶属于山东能源新矿集团。矿井于1958年开工建设，1962年建成投产，设计(核定)生产能力为120万t/a。矿井采用“主斜井+副立井”多水平混合式开拓，现布置8个井筒，分布在矿井地面工业广场、管子井、-550副立井和中央风井、西部风井、-850副立井等5处工业广场中；矿井共划分为-50 m、-300 m、-550 m和-850 m四个水平，其中-50 m、-300 m水平已开采完毕，现生产水平为-550 m和-850 m，开拓布置情况如图1所示。井田地层倾角东部15°～20°、西部22°～28°。井田内可采煤层共6层，其中，2、4和6煤层为前组煤，11、13、15煤层为后组煤，组内煤层间距约10～38 m，组间(6、11煤层)间距平均约85 m。

目前，根据山东省采深超千米煤炭资源限制开采政策，矿井千米以深资源开采受限，未来接续方向为-850 m水平以浅区域。协庄煤矿已开采60余年，存在着开采水平多、巷道布置及生产系统复杂、剩余资源分布散乱等问题，对未来采掘工作面布置及接续安排的制约因素较多。由于前组煤已经回采的年限长、保有资源量少，为保证矿井可持续发展，需同时开采后组煤进行配采。目前，矿井地面至-550 m水平的斜井系统主要布置在前组煤层位，无法满足该区域后组煤炭资源回采的要求。因此，为应对矿井开采向浅部转移的实际情况，亟需研究矿井生产系统优化方案，对开拓开采、提升、运输、通风、供配电等主要生产系统进行优化改造，保证矿井生产安全、稳定。

2 矿井剩余资源情况

截至目前，矿井埋深千米以浅保有资源量11276.1万t，可采储量2111.2万t。技术改造释放煤量分布在-850 m水平以浅区域，目前该区域保有资源量5432.8万t，可采储量1984.7万t。千米以浅可采储量中，效益好的前组煤(670.5万t)仅占30%，且前组煤中的96%(644.0万t)位于本次技术改造服务区域。矿井剩余资源分煤层分布情况见表1。

表1 矿井各煤层资源分布情况

3 开拓开采优化调整

3.1 优化矿井开拓布局

3.1.1 技术方案

根据矿井煤层赋存条件、保有资源储量、开拓开采及现有生产系统情况，针对矿井-850 m水平以浅区域资源开采提出3个优化方案，具体如下：

1)方案一：“混合立井+ -270～-700 m暗斜井(东向)+-800 m运输大巷”。在管子井工业广场的南侧、柴汶河的北侧布置1个混合立井井筒，井底车场标高-270 m。自-270 m井底车场向东北沿13煤层布置3条暗斜井至F10断层前(标高-700 m)；沿13/15煤层布置-800 m运输大巷将-850 m水平大巷(暗斜井)、4-3采区运输下山、七采区运输上山与系统改造暗斜井连接。布置6煤层运输下山、回风下山连接-300 m运输巷、-800 m运输大巷，利用6煤层下山布置双翼工作面开采前组煤(2、6煤层)，利用原生产系统开采4煤层；上延4-3采区运输、回风下山至-300 m运输巷，利用4-3采区下山上延布置双翼工作面开采后组煤西侧(暗斜井以西)；在暗斜井东翼布置工作面回采改造区域东侧(暗斜井以东)的煤炭资源。开采优化方案一布置情况如图2所示。

图2 开采优化方案一(m)

2)方案二：“-300～-700 m暗斜井(东向)+-800 m运输大巷”。自-300 m水平车场向东北布置两条暗斜井至F10断层前(标高-700 m)；沿13/15煤层布置-800 m运输大巷将-850 m水平大巷(暗斜井)、4-3采区运输下山、七采区运输上山与系统改造暗斜井连接。布置6煤层运输、回风下山(标高-300 m至-750 m)开采前组煤(2煤、6煤)，利用原生产系统开采前组煤(4煤)，向南延伸两条4-3采区下山至标高-350 m处以开采暗斜井以西的后组煤，利用暗斜井回采暗斜井以东的后组煤。开采优化方案二布置情况如图3所示。

图3 开采优化方案二(m)

3)方案三：“混合立井+-270～-700 m暗斜井(西向)”。在管子井工业广场的南侧、柴汶河的北侧布置1个混合立井井筒，井底车场标高-270 m。自-270 m井底车场沿6/13煤层向西北布置3条暗斜井至F21断层前(标高-750 m)，再向西至-850 m水平大巷(暗斜井)。前、后组煤各煤层均利用暗斜井向东、西两侧布置采煤工作面进行开采。开采优化方案三布置情况如图4所示。

3.1.2 方案比选

1)方案一可解放-850 m至-50 m水平资源；采区划分均衡，工作面推进长度合理；施工1个混合立井较施工主、副井2个井筒工程量少，地面配套及井下矿建工程简单。但该方案整体工程量大，投资多；煤炭运输环节复杂，需先经混合立井提升至-50 m水平，再经1#副斜井提至地面。

2)方案二采区划分均衡，工作面推进长度合理；通过暗斜井连接-800 m运输大巷及-300 m水平，煤炭运输环节较少；不施工混合立井井筒，投资少。但暗斜井与11105西面采空区距离近，巷道支护困难；6煤层下山压覆后组煤，巷道服务与开采时间需错开，对采掘接续要求高；无法兼顾-300 m至-50 m水平资源回采。

3)方案三可解放-850 m至-50 m水平资源；方案整体工程量小，投资少；施工1个混合立井井筒较施工主、副井2个井筒的工程量少，地面配套及井下矿建工程简单。但暗斜井需穿过原光明矿15煤采空区底部，15煤与奥灰间距约65 m，巷道掘进存在安全隐患；煤炭运输环节复杂，需先经混合立井提升至-50 m水平，再经1#副斜井提至地面；暗斜井位置偏西，两翼工作面分布不均，且部分工作面巷道需穿过断层，不利于矿井生产接续。

技术改造方案经济对比见表2。

表2 技术改造方案经济对比

3.1.3 方案确定

经综合比较，方案一服务范围内可解放煤炭资源量多，易布置工作面回采暗斜井以东的后组煤资源，且开拓巷道不需穿过老窑采空区、不受奥灰水害威胁，方案的经济技术综合效益较好，推荐方案一为主导方案，即布置混合立井井筒、暗斜井、-800 m运输大巷、6煤层下山、4-3下山(上延)等改造工程，合理开采矿井煤炭资源。

3.2 合理选择井口位置及井筒布置

受矿井地面已有土地空间布局及井下已有巷道、采空区限制，并考虑混合立井落底位置与后组煤回采布置、与下部徐灰及奥灰间距等因素，设计在管子井以南、柴汶河以北区域布置1个混合立井井筒。井筒直径7.5 m，全深458.6 m。井筒内装备两套提升设备，一对单绳轻型箕斗用于提升原煤，一对双层多绳罐笼(一宽一窄)用于运输物料和人员，并敷设排水管、动力电缆及通讯信号电缆等。

3.3 合理进行采区划分调整及开采布置

对改造区域采区划分进行调整，将原来的分水平分阶段布置采区优化为暗斜井片盘布置采区。以暗斜井为界将改造区域划为4个采区(前、后组煤各2个)，改造区域内采区个数由15个减为4个。布置6煤层下山用于开采前组煤；4-3采区下山(上延)用于开采后组煤西侧，暗斜井用于开采后组煤东侧区域。采煤工作面采用综采采煤工艺，按智能化开采标准进行装备。采区划分调整后，可大大优化矿井开拓开采布局，采煤工作面走向(推进)长度增加，系统布置简单，生产集约高效。改造区域内地面村庄密集，主盈利的2、4煤层剩余资源大部分为-550 m副立井工业广场、村庄或大巷保护煤柱，采用离层注浆、连采连充等绿色开采工艺，保证地面建(构)筑物安全、稳定。

4 矿井生产系统优化

对矿井供电、运输、通风等主要生产系统进行升级改造，提升各生产系统的保障能力。

4.1 提升系统

新建1个混合立井，井筒直径7.5 m，井筒深度458.6 m。混合立井内分区运输，辅助直接提升至地面，煤炭提升至-50 m后再在井下经主斜井转运至原工业广场。井筒内同时布置箕斗和罐笼两套提升系统，北侧布置一对12 t单绳轻型箕斗，罐道间距2.4 m，罐宽1.6 m，用于提升原煤；南侧布置一对双层多绳罐笼(一宽一窄)，宽罐为双层四车，罐道间距6.1 m，罐宽1.86 m，用于提升材料及辅运车辆；窄罐为双层乘人，罐道间距2.9 m，罐宽1.34 m，用于人员运输。

4.2 运输系统

采用带式输送机作为煤流运输方式，担负全矿原煤提升任务。为减少主运输中转环节和输送机数量，改造工程撤除原-550 m西翼系统(第一、二、三部)带式输送机、-550 m强力带式输送机、-300 m钢缆带式输送机及上下转载机等运输环节，保留原-850 m采区运输下山带式输送机。改造工程前期(混合立井投用前)原煤经6煤运输下山与4-3采区回风下山(上延)运输至-550 m水平或-300 m运输巷，经原主斜井提升系统提升至地面。后期(混合立井投用后)原煤经-800 m运输大巷、运输暗斜井运至-250 m井底煤仓，通过12 t双箕斗提升至-50 m水平，再经由-50 m水平转载巷至主斜井，再转运至地面。

物料运输采用单轨吊，人员运输采用架空乘人装置，利用-850 m副立井及-800 m运输大巷，混合立井井筒及暗斜井、采区上下山等巷道将物料和人员运送至工作面。改造工程充分利用矿井现有辅助运输系统，逐步报废-300 m、-550 m水平，并将其设备用于改造区域巷道中。

4.3 通风系统

矿井现有进风井6个，即-550副立井、主斜井、1#副斜井、2#副斜井、-850西立井、管子井；回风井2个，即西部风井和中部风井。改造工程废弃中部风井，改用原2#副斜井上部(-50 m水平以上)回风。扩修2#副斜井巷道断面至14.6 m2，长度780 m，采用混凝土砌碹支护方式。

根据技术改造实施进程，矿井通风系统改造可分为三个阶段：第一阶段，改造区域仍采用中央风井回风，现有通风设备不变；第二阶段，采用扩刷后的2#副斜井回风，新选用2台FBCDZNo26/2×250防爆轴流通风机，1用1备；第三阶段，采用2#副斜井回风、混合立井井筒进风。

4.4 排水系统

矿井前期先整体报废-550 m水平，届时矿井剩余4个水平中央泵房，分别设在-50 m、-300 m、-850 m中央泵房及-850 m一采区泵房，-550 m水平涌水自流至-850 m水平水仓再统一排出。后期开采-300 m以浅资源时，在暗斜井-300 m标高处新建水仓、泵房。选用3台MD450-60×9型离心泵，1用1备1检修。选用∅325 mm×14/9 mm无缝钢管2趟，沿混合立井井筒敷设。-300 m水平以浅的涌水通过新建-300水仓、泵房排出，-300 m以深的涌水通过-850 m水平水仓、泵房排出。

4.5 供电系统

工业广场设6/0.4 kV配电所，管子井场地设1座6 kV河北配电所，-550 m副立井场地、-850 m西立井场地、西风井场地各设置1座35 kV降压站。改造工程将原管子井场地6 kV配电所升级改造为35 kV降压站，新建两回输电线路至35 kV新降压站，电厂通过2路35 kV架空线在河北新降压站并网，混合立井场地技改后有功功率13033.14 kW。混合立井井底车场建井底配电所，在新立井井筒内敷设4根185 mm2电缆。原-550 m副立井地面设施全部撤出，原副立井35 kV降压站退出，原井下-550配电所保留，改由混合立井35 kV变电站供电。

5 结 语

针对协庄煤矿资源赋存及开拓开采现状，确定对矿井开展生产系统改造工程。设计提出了“新建混合立井、暗斜井、-800 m运输大巷”开拓开采方案，并确定了井筒位置及布置方案、采区划分调整及开采布置，对矿井主要生产系统进行优化调整。技术改造工程可简化矿井生产系统环节，延长矿井服务年限，对类似矿井生产系统优化改造具有良好的借鉴价值。