6.0 Mt_a矿井改造主要问题方案探讨及对策.pdf

1072023 年第 9 期王永明等：6.0 Mt/a 矿井改造主要问题方案探讨及对策收稿日期 2023-06-01作者简介 王永明（1981），男，山东邹城人，2009 年毕业于贵州大学矿业学院，工学硕士研究生，高级工程师，主要从事矿井生产技术管理工作。6.0 Mt/a 矿井改造主要问题方案探讨及对策王永明1,2 张弘毅3（1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013；3.南方科技大学理学院数学系，广东 深圳 518055）摘 要 基于“提质增效”“稳产保供”，对矿井扩能改造至 6.0 Mt/a 进行研究。通过“三下”压煤实地调研，分村庄搬迁与否进行了矿井服务年限测算，得出实现 6.0 Mt/a 生产能力可行，但仅有 811 a 的产量保持期；对比计算了“峰谷”与均衡生产两种组织方式利润差达 52.3 亿元；就矿井主提能力“卡脖子”的问题进行了方案优选；研究分析了井下选矸方案的“路线”风险，形成了用于决策的若干建议。关键词 矿井；扩能改造；“三下”压煤中图分类号 F426 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.09.034Discussion and Countermeasures for the Main Problem Schemes of the 6.0 Mt/a Mine RenovationWang Yongming1,2 Zhang Hongyi3(1.China Coal Science and Industry Mining Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100013;2.Tiandi Science and Technology Co.,Ltd.Mining Design Division,Beijing 100013;3.Department of Mathematics,School of Science,Southern University of Science and Technology,Guangdong Shenzhen 518055)Abstract:Based on the principles of improving quality and efficiency and stabilizing production and supply,a study is conducted on the expansion and renovation of the mine to 6.0 Mt/a.Through on-site investigate and survey on overlying coal under buildings,railways and water-bodies,the service years of the mine is calculated based on whether the village is relocated or not.It is found that achieving a production capacity of 6.0 Mt/a is feasible,but only with a yield retention period of 8-11 years;The profit difference between the two organizational methods of peak valley and balanced production is compared and calculated to reach 5.23 billion yuan;The scheme optimal selection on the issue of stranglehold in the main lifting capacity of the mine is conducted;The study analyzed the route risks of downhole gangue selection schemes and formed several suggestions for decision-making.Key words:mine;capacity expansion;overlying coal under buildings,railways and water-bodies 王永明等：6.0 Mt/a 矿井改造主要问题方案探讨及对策“双碳”高质量新发展理念是当今主旋律。由于我国以煤为主的基本国情短期内难以改变，预计在 2030 年前煤炭消费量仍将持续上升1。尤其全国“疫情”整体向好后，复工复产提速，煤炭供给紧张，价格涨幅较大2。释放煤炭先进产能，显然是解决经济发展与能源供需矛盾的重要途径之一3，提出“高碳行业、低碳技术、绿色矿山”4产能基础好、安全、环保等社会责任强的国有煤矿“保供”任务“责无旁贷”。山西某国有煤矿 2016 年核定生产能力为4.0 Mt/a，根据发展要求，需要对矿井进行“有限资源”创造更高效益改造、扩能至 6.0 Mt/a 进行预估。1 概况矿井采用立井单水平分区式开拓，主井工业场地内设主、副、风三个井筒，中部风井场地内设进风立井（正建）、回风立井（投用）两个井筒。现开采 3 号煤层，采厚 6 m，生产能力大，装备大采高综采和综放工作面各 1 个，具备实现 6.0 Mt/a 煤层条件5-7。目前矿井可采储量、提煤能力是制约产量提高的主要因素。1082023 年第 9 期2 可采储量制约问题及对策解放“三下”煤炭资源，国内外均有大量研究及实践成果8-10。尤其我国生产矿井“三下”压煤总量高达 140 亿 t11的现状，既往相关研究人员对留煤柱开采法、充填开采法、离层注浆法等工艺方法做了大量工作12，并推动了其发展。因此，解决“三下”资源方法无论搬迁模式13还是进行开采均有成功经验案例。该矿井受 42 个村庄、县城、公路及漳河的影响，压覆资源量占总资源量一半，且县城与村庄的扩张致使可采资源量日益严峻，若不采取切实有效措施，矿井将面临“资源虽在却无煤可采”的困难境地。2.1 实现矿井 6.0 Mt/a 服务年限分析1）不考虑井田内部分村庄搬迁的情况根据矿井 2017 年底储量及拟改造时间 2 年计，井田内剩余具备 6.0 Mt/a 可采块段煤量为 73.79 Mt，扣除工作面留巷煤柱45 m（按照煤量的82%计）及工作面开采损失（按照放顶煤回采率取 85%）的煤量为51.43 Mt，按6.0 Mt/a计算可采年限为8.57 a，之后矿井进入建（构）筑物下充填开采以及各种煤柱与边角煤回收。2）考虑井田内部分村庄搬迁的情况设计考虑井田内部分村庄搬迁可解放的煤量，按照原初步设计村庄搬迁计划，未采动区域内预计可搬迁村庄有 5 个，按照其村庄影响范围统计村庄搬迁解放可采块段的煤量为 24.41 Mt，加上村庄以外可采块段煤量 73.79 Mt，合计可采煤量 98.20 Mt，计算的可采年限为11.41 a，之后矿井进入建（构）筑物下充填开采以及各种煤柱与边角煤回收。3）矿井提高能力后期服务年限情况矿井现有可采储量为 182.10 Mt，扣除 2 年改造期开采动用的可采储量 1.04 Mt，剩余可采储量为 181.06 Mt。一是不考虑井田内部分村庄搬迁的情况，6.0 Mt/a 生产消耗的可采储量 73.79 Mt，剩余储量的可采储量为 108.31 Mt，之后按照矿井 3.0 Mt/a 生产能力，剩余的服务年限为 27.77 a。二是考虑井田内部分村庄搬迁的情况，6.0 Mt/a 生产消耗的可采储量 98.20 Mt，剩余储量的可采储量为 95.06 Mt（其中原初步设计村庄煤柱按照 50%留设，剩余可采储量相当于增加为 12.2 Mt，（即 181.06-98.2+12.2），之后按照矿井 3.0 Mt/a 生产能力，剩余的服务年限为 24.37 a。另外在配合其他不搬迁的村庄下充填开采，矿井的服务年限还可适当延长。2.2 “峰谷”、均衡生产的经济分析煤炭市场兴衰有其一定的规律，一般来讲，总是在1015 a左右出现一次反复。在这周期循环中，总有 810 a 的兴盛期和 35 a 的低谷期。自 2016年起煤炭市场又进入了一个兴盛期，煤炭价格又出现高位。就本矿井来讲，若采取“峰谷”的生产方式，即行业兴盛期增产、低谷期维持的方式，按照当前矿井实际情况，设定时间 13 a 的生产周期进行对比。经过测算，均衡生产模式下 4.0 Mt/a 规模的利润 95.7 亿元；兴盛期生产 6.0 Mt/a，10 年利润 148亿元与1.5 Mt/a盈亏平衡点生产3年无利润的模式，利润 148 亿元；两种方式静态利差达 52.3 亿元。3 提煤能力制约问题及对策现主井核定提升能力为 4.16 Mt/a，若不考虑设备提升富裕系数并且满负荷作业（18 h/d、330 d）可达到 4.78 Mt/a；只更换 27 t 箕斗的情况下，最大提升量可达到 5.68 Mt/a，也难以满足 6.0 Mt/a 生产能力的提升要求。井筒提煤能力成为矿井提高产量的瓶颈。解决思路一是加大主提系统能力，二是“减矸提煤”建立井下选矸系统。3.1 提煤能力改造方案1）方案一：主提升大改方案现有主提升系统彻底改造，更换大箕斗至40 t。为了不影响矿井生产，改造风井作为临时主提升井，主提升转换至风井后，进行主井改造，主提升改造完成后，风井重新恢复。该方案可永久解决主提升能力不足的问题。主要工程：主井井筒延深及其井底装载硐室改造，增加井底 2 号煤仓及其装卸载硐室，更换主井装备、绞车、井下装卸载系统及主井井塔等，拆除地面提升建构筑物，改为井塔提升方式。为了满足现有矿井产量，增加部分临时工程，包括增加风井临时提升系统与装备，增加风井上下临时装卸载系统、转载皮带及配套的临时巷道与硐室。2）方案二：新建主井方案在主井西侧工业场地外新打主井井筒（箕斗 40 t）、井底主井装载系统与煤仓。原主井可改造为副井作为辅助提升井。主要工程：增加煤仓、井下装载硐室及巷道，增加主提升系统、主井配套设施与装备，地面转载系统增加主井井架等，需要地面新征地。两方案比较见表 1。1092023 年第 9 期王永明等：6.0 Mt/a 矿井改造主要问题方案探讨及对策表 1 主井提升改造方案比较表方案主要优点主要缺点绝对工期/月相对工期/月投资/亿元方案一主提升大改 主井提升能力达到 6.0 Mt/a 以上，消除提升制约其他系统发挥的短板；对生产影响很小 改造工程量较大；投资较大21185.0方案二新建主井 主井提升能力达到 6.0 Mt/a 以上；消除提升制约其他系统发挥的短板；对生产影响很小 改造工程量较大；投资大；井上下煤流多两道转折，成本增高26265.7综上：方案一目标准确、效果契合预期高；方案二后期成本增加，系统复杂。因此推荐方案一。3.2 主提升改造与井下选矸方案分析2009 年首个井下选煤系统在协庄矿建成14，之后部分矿井陆续跟进。表 2 为国内部分井下选煤厂及充填开采案例。表 2 国内部分井下选煤厂案例表矿井名称洗选工艺矿井能力/（Mt/a）洗选能力/（t/h）投产时间唐山矿业公司动筛跳汰5.01802502011临沂新驿煤矿动筛跳汰5.01802502012新汶协庄煤矿动筛跳汰2.0801002009新汶翟镇煤矿重介浅槽2.01001302011新汶龙固煤矿重介浅槽10.02202016新汶济阳煤矿重介浅槽1.21502002011该矿“井下选矸方案”是在主提升系统中只更换为 27 t 箕斗，其他保持不变的前提下，增加井下洗选车间，排出大量矸石（矸石不升井），达到提升“产品混煤”（排矸后原煤）实现主提升 6.0 Mt/a 矿井产量的目的。具体措施：在井下主运大巷西侧增加一个洗选车间，原煤由主运带式输送机转运至原煤上仓带式输送机装入原煤缓冲仓，由仓下运输机转载至排矸系统的分配刮板上再进入分级筛（筛孔 25 mm）进行干法分级，30025 mm 级进入动筛跳汰机，分选出块精煤和块矸石。透筛物与块精煤混合排出，与25 mm 末原煤混合，动筛循环水经高频筛后，筛上物与 25 mm 末原煤混合，筛下物经沉淀后压滤回收，压滤煤泥与 25 mm 末原煤混合。最终，动筛洗后原煤、25 mm 原煤、高频筛筛上粗煤泥、压滤煤泥混合由皮带运至主运大巷带式输送机，由井下运煤系统提升至地面进入地面洗选系统。井下排矸系统产品见表 3，井下排矸系统主要设备见表 4，工艺流程如图 1。表 3 井下排矸系统产品平衡表 产品名称数量质量r%t/ht/d10 kt/aAd/%Mt/%原煤3000 mm 91.57 1 040.51 16 648.20 549.39 18.79 5.40矸石30025 mm 8.43 95.85 1 533.62 50.61 77.59 12.00毛煤3000 mm 100.00 1 136.36 18 181.82 600.00 23.75 5.96表 4 井下排矸系统主要设备选型表序号设备名称技术特征入料量/（t/h）单位处理量/（t/h）计算台数选用台数备 注1动筛跳汰机WD2300 井下动筛跳汰机，筛面面积 5.0 m2342.863800.90 1动筛跳汰机2高频筛QZK244514.56 350.71 1高频筛3压滤机快开隔膜压滤机 F=250 m212.40 350.35 1压滤机井下排矸系统，每年产生矸石量 50.6 万 t，进入井下矸石填充系统，实现矸石不升井。毛煤排矸后剩下煤量 5.49 Mt/a，其中有 5.0 Mt/a 进入现有地面选煤厂进行洗选，49.4 万 t 销售原煤（除矸后）。按照主提升系统只更换箕斗至 27 t 的简单改造，主提升最大提升量可达 5.68 Mt/a，满足 6.0 Mt/a 原煤1102023 年第 9 期排矸后折算 5.49 Mt/a 提升量的要求。通过方案比较表5可见，对比“井下选矸方案”，在投资、技术难度、生产成本、对生产影响时间、兼顾长远等诸多方面都有明显的优势，尽管在国内外有多个井下选煤厂成功运营的先例，但目前为止还都以科研名义立项实施，所有井下选煤厂包括洗选设备目前为止没有煤安标志，也未有井下选煤系统正式审批过。因而井下选煤厂虽然可以实施，但还是要以科研立项。科研鉴定完后，是否能长期使用有一定的不确定性（风险）。图 1 井下排矸系统原则工艺流程图表 5 对比方案技术经济比较表主要相同工程主要不同工程主要优点主要缺点工期/月投资/亿改造主井方案 井下生产能力达到 6.0 Mt/a；井下主运能力由 2000 t/h 提高到 2400 t/h；中部进风井安装完善辅 助提升设备和系统；副井乘人罐改为双层；建设投用中部风井场地 变电站；中部风井增加压风站；中部井下设置换装站 增加井底 2 号煤仓；更换加大主井提升 设备，永久提升落 地式改为井塔式；利用风井做临时提 升井 矿井原煤生产能力全面达到 6.0 Mt/a；系统能力配套比较富裕，生 产管理简单可靠；以后适当时机增加充填开采 设备（能力 1.0 Mt/a），工作 面设备更替有一个缓冲期；井下可一直保持 2 个回采面 生产，安全、接续都有保障 稳产服务年限较短，只有 8.5 a；工程衔接紧密，时差较小；为减少对生产的影响 时间，“措施费用”较高；新增地面选煤部分工程使 用年限只有 8.5 a；替换下的设备积压；影响生产时间约 15 d215.6井下排矸方案 建设井下洗选车间；矸石不升井，用于 井下充填；增加充填开采设备 （能力 1.0 Mt/a）原煤矸石洗选后井下排放，节省矸石提升和下放费用；早一步进入“三下”开采，少排放废弃物，和当前“绿 色开采”政策紧密配合（规 避政策不确定性）；井下选煤车间寿命与矿井同 步，资产利用率高；提高了 2 a 的稳产年限（13 a）；工程开工时间可控，总时差 较大 投入运行后需要 3 个面生 产才能满足 6.0 Mt/a；系统繁杂，管理拖累较重122.54 结语1）矿井实现 6.0 Mt/a 能力可行，但仅有 811 a的产量保持期。2）矿井采取“峰谷”生产比均衡生产的方式静态利差达 52.3 亿元。3）为提高矿井服务年限，需要采取一系列技术措施。如在河床下采取充填开采的方法保持地层稳定、减少地表移动，从而使河流及两岸坝陵稳固（修复费用最低）；在一些低保护等级的建筑物（村庄边缘突出部分）下采取充填开采的方法，确保建筑物损坏在一级以内；对于一些小的（小于 200 户）且压煤量较大或影响工作面连续推进的村庄进行搬迁。部分村庄搬迁是最经济解放煤量的方式，设计建议尽快采取搬迁村庄（结合新农村改造），不能搬迁的村庄下采取充填回采技术方案，是最有效解放资源的方法。4）提煤能力改造采用主提升大改方案，目标准确，措施得当，效果契合预期高，可永久解决主提升能力不足的问题。5）“井下选矸方案”作为决策备选方案，需与企业利益最大化兼顾煤炭事业发展进步（绿色开采）统筹斟酌，决定是承担还是规避风险。【参考文献】1 王国法，庞义辉.煤炭安全高效开采技术与装备发展 J.煤炭工程，2014，46（10）：38-42 2 熊丽.上半年物价运行总体平稳 N经济日报，2022，7，10（01）3 赵紫原.迎峰度夏，电力保供任务重 N.中国能源报，2022，7，4（08）4 王国法，吴兴利，庞义辉.千万吨矿井群安全高效可持续开发关键技术 J.煤炭工程，2015，47（10）：1-4+85 王国法，庞义辉，张传昌，等超大采高智能化（下转第 124 页）1242023 年第 9 期度 0.48%,；回风流最高瓦斯浓度仅在 1 月 19 日老顶来压期间达到 0.6%，其余时间最高瓦斯浓度不超过0.5%，平均瓦斯浓度 0.36%。工作面上隅角及回风流最高瓦斯浓度均未因超限影响工作面安全生产。5 结论采取孔内下筛管可有效防止塌孔；将 PVC 管更换为高压胶管，并优化连接方式，可保证抽采管路连接的气密性；适量加深封孔深度，可有效解决孔壁漏气问题；通过缩小钻场间距、调整终孔距煤层距离以及两个钻场同时抽采等措施，可实现顶板裂隙带瓦斯连续抽采，保证较高的瓦斯抽采纯量，解2 杜翠凤，徐喆，唐占信，等.掘进巷道通风降温的数值模拟及影响因素分析 J.金属矿山，2016（02）：151-155.3 梁占杰.生产用水强化掘进巷道通风降温的模拟研究 D.兰州：兰州大学，2018.4 边梦龙，杜翠凤，苗雨加.掘进巷道风流温度场分布规律的研究 J.有色金属(矿山部分)，2018，70（03）：107-112.5 张瑞明，魏丁一，杜翠凤，等.掘进巷道通风降温试验研究 J.金属矿山，2018（09）：171-175.6 张瑞明，魏丁一，杜翠凤，等.掘进巷道通风降温试验及数值模拟研究 J.工业安全与环保，2019，45（09）：51-54.7 张永亮，翟雪峰，卢守青，等.金属矿长距离掘进巷道分段降温数值模拟研究 J.中国安全科学学报，2020，30（09）：73-79.8 程力，陈科旭，邱树永，等.基于 Fluent 的掘进巷道热环境数值模拟及分布规律研究 J.工业安全与环保，2022，48（10）：1-5.9 刘桂平.掘进巷道回头热及其影响因素分析研究J.矿业安全与环保，2018，45（06）：10-14.10 田龙，周智勇，陈建宏.配备辅助通风的高温矿井采掘区温度分布数值模拟 J.黄金科学技术，2020，28（01）：61-69.（上接第 110 页）综采成套技术与装备研发及适应性研究 J煤炭工程，2016，48（09）：6-106 吕情绪，肖剑儒，满洋.浅埋煤层大采高加长工作面“三机”配套研究及应用 J.煤炭工程，2021，53（11）：81-85.7 袁鲲鹏.赵庄煤矿大采高加长工作面矿压显现规律研究 D.太原：太原理工大学，2017.8 许家林，轩大洋，朱卫兵，等.基于关键层控制的部分充填采煤技术 J.采矿与岩层控制工程学报，2019，1（02）：69-76.9 毕岚.建（构）筑物下条带开采在林西矿的应用J.煤炭与化工，2021，44（07）：10-12+16.10 龚轩，刘怀连，李松，等.充填开采技术在平煤股份十二矿的实践应用 J.煤矿安全，2013，44（03）：153-155.11 张保泉.尚庄煤矿工作面建筑群下开采方案可行性研究 D.徐州：中国矿业大学，2020.12 张金光.关于潞安化工集团压煤村庄搬迁模式的探讨J.能源与环保，2021，265（09）：102-10513 周峰.新汶矿业集团将选煤系统搬到了井下 J.煤矿机械，2010，31（07）：53.14 缪协兴，张吉雄.井下煤矸分离与综合机械化固体充填采煤技术 J.煤炭学报，2014，39（08）：1424-1432.（上接第 120 页）决工作面及回风流瓦斯浓度较高问题。通过对顺层钻孔抽采措施优化及顶板裂隙钻孔布置优化后，工作面瓦斯治理效果显著，未出现瓦斯超限情况，实现工作面安全高效生产。【参考文献】1 徐伟.矿井瓦斯治理工艺措施研究 J.山西冶金，2020，43（03）：190-192.2 秦金辉.高瓦斯矿井 U 型通风工作面瓦斯治理技术 J.能源与环保，2020，42（12）：55-59.3 施式亮，伍爱友，李润求，等.回采工作面高位钻孔抽采瓦斯效果数值模拟及方案优化 J.中国安全生产科学技术，2016，12（07）：71-76.