04我国矿井开拓与准备的改革发展方向lin由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“矿井开拓的基本问题”。
我国矿井开拓与准备的改革发展方向探讨
林在康1，王强1，涂建山1，宫良伟
1（1．中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221008）
摘要：结合我国煤矿实际提出基于虚拟现实技术的数字化矿井系统的总体设计，系统由矿井虚拟场景和矿井信息
关键词：虚拟现实，改革开放30年以来，我国建设了一批亿吨级矿区，改扩建和新建了一批10Mt/a及以上的特大型矿井。我国煤矿开拓与准备技术取得了长足进展，积累了丰富经验，其特点及发展方向简述于下。
1．优越的井田煤层赋存条件适于建设特大型高产高效矿井
以大柳塔煤矿为例，该井田内地质构造简单，断层稀少，地层平缓，倾角1°~3°，瓦斯含量低，井下涌水量小，煤层顶底板岩性好，煤层厚度适中，可采煤层1–2，2–2和5–2煤层平均厚度分别为4.38m、3.94m和6.08m，均十分有利于综合机械化开采。且煤层埋藏浅，位于顶部的1-2煤层距地表60~80m；2–2煤层与5–2煤层相距大致150m。采煤工作面沿走向或倾斜的推进长度有条件保证3km左右，特别是5–2煤层大巷南翼工作面条带长度可达4~6km，可充分发挥引进综采设备的优越性能，适于建设特大型高产高效矿井。
神东矿区布尔台矿井井田内可采及局部可采煤层10层，倾角一般均小于5°地质资源量3303.01Mt，设计可采储量2013.41Mt，建设规模确定为20.0Mt/a，服务年限71.9a，2008年底是世界上设计生产能力最大的矿井。
2．正确确定矿井设计生产能力是设计的首要问题
以济宁三号井为例，该矿以储量和地质条件为基础，技术和管理为前提，市场为导向，经济效益为中心的原则，进行全面分析。在原规划方案2.4~3.0Mt/a的情况下，又提出了4Mt/a、5Mt/a，共三个方案，以①储量条件②煤层赋存及开采条件③技术和管理水平④矿井采区工作面的接续⑤市场条件⑥经济效益的比较这六个要素从可能和需要，技术和经济，宏观和微观，企业和市场等全面地、客观地分析论证，确定了矿井设计生产能力（5Mt/a）。
淮南顾桥矿井2003年9月完成了矿井初步设计，2006年11月对初步设计进行了修改。2007年2月经安徽省发展与改革委员会审查批复，批准的建设规模为年设计生产能力5Mt/a，设计在主要环节留有10Mt/a的条件。2007年4月28日矿井正式投产。投产当年原煤产量682万t；2008年矿井年产原煤1055万t，创全国高瓦斯、高地温、高地压三软复杂地质条件煤层国产支架单井生产纪录。
3．条件适宜的矿井采用分区开拓方式
条件适宜的矿井采用“分区开拓、分区掘井、分区通风”和“一矿多井”开拓方式，使每一分区各自都有相对独立的安全生产系统。各井筒的利用率高，充分发挥井筒有效的服务半径，安全生产系统稳定。
以淮南张集矿井为例，由于井田面积大，煤层生产能力高，瓦斯含量较高，为在此复杂地质条件下实现高产高效；同时也为①有效解决通风问题，使风井服务半径及最大通风负压控制在合理范围内，提高矿井生产的安全性、可靠性；②缩短井下辅助运输距离，使生产与施工尽量互不干扰；③避免初期大规模展开，合理集中生产，增加开拓、生产的灵活性，采
1用了分区开拓、分区通风、集中出煤的开拓布置。全矿井主要根据风井服务半径，结合井筒位置和井下开拓布署划分为中央区、北区和东区三个分区，其中一水平划分为2个分区：中央区和北区。每个分区各自具有独立进、回风系统和矸石提升系统。主提升系统、生产系统、辅助生产系统及行政、福利设施集中设置在中央区工业场地。中央区设主、副、中央风井3个井筒，其中主井承担全矿井的煤炭提升，不回风，也暂不承担进风任务；副井承担全矿井材料设备、人员运送和中央区矸石的提升，并承担中央区进风；中央风井承担中央区的回风。开采北区时设进、回风井各一个，其中进风井承担北区的进风和矸石提升，回风井承担北区回风，开采深部水平时打开东区，设进、回风井各一个。
晋城寺河矿是晋城矿区的主力矿井，原设计矿井生产能力为4Mt/a。核定生产能力为10.8Mt/a。根据国家发改委2006年关于矿井二期改扩建工程的核准批复，寺河矿井新区井田由原寺河、大宁二号、潘庄一号、潘庄二号井田合并后组成，井田南北走向长平均12km，2东西倾斜宽平均14.4km，面积为173.2km，矿井设计资源储量为1920.21Mt，矿井合并后更
具规划效益和竞争优势。按10.8Mt/a核定能力计算，矿井服务年限为67a。
4．开采系统向简单化方向发展
随着先进技术的应用，开采系统向简单化的方向发展，用最简化的开采系统。开采系统必须对开拓方式、井口位置、水平设置、采区工作面布置、开采接续、煤的运输、辅助运输、提升方式、通风方式、地面布置等多方面综合分析研究，多方案比选找出最佳方案。
布尔台矿井、寺河矿井、塔山矿井采用了平硐或斜井—分煤层大巷—工作面的最简单开采系统。济宁三号井，采用了立井—倾斜大巷—工作面的最简单开采系统。
5．采煤工作面单产大幅度提高促进了开拓系统的简化和采区、矿井的大型化
从70年代中到现在，综合机械化采煤得到了迅速发展，采煤工作面单产大幅度提高并形成了不同类型采煤工艺的高产高效采煤工作面。
由于高产高效采煤工作面的发展，出现了一矿一井一面的高产高效矿井，使矿井的运输系统大为简化，矿井的连续运输得到了发展，促进了开拓系统的简化和采区、矿井的大型化。
70年代末，大中型矿井采区走向长度在1000m左右。
80年代以来，推广带区式布置，系统大为简化与集中，上山部分分带斜长一般1000～1500m，下山部分分带斜长为700～1200m。
90年代以来，新设计采区（双翼）：炮采、普采采区走向长度均应在1000～1200m以上，有的达到1500m；综采采区一般在2000m，有的达到3000m以上。
2000年以来，大型矿井在地质情况许可条件下尽量加大工作面尺寸和走向长度以充分发挥综采效能，并尽量先进的大采高综采及连续采煤机采煤工艺。
例如，布尔台矿井综采工作面长度为300m，推进方向长度为6000m左右。
顾桥矿井综采工作面长度为200~250m，推进方向长度为2000~3000m左右。
布尔台矿井、顾桥矿井、寺河矿井都采用了一次采全高的大采高综采采煤工艺，国产大采高综采支架的采高已达6.3m。采煤面产量、矿井产量大幅度提高。
6．条件适合的矿井应尽量采用单层化和煤巷化布置
胶带输送机的使用实现了煤炭运输的连续化，得到了广泛地采用和发展。受传统轨道运输体系及支护方式的制约，大巷布置多以岩巷为主，巷道掘进速度低，建井工期长。之后逐渐在薄及中厚坚硬煤体中进行煤巷布置的工程实践和尝试，20世纪90年代，采煤工作面单产大幅度提高，出现了一井一面的高产高效矿井，集约化生产使矿井运输系统大为简化。大型采煤设备的使用，加快了采煤工作面推进速度，缩短了巷道维护时间，加之巷道的支护和维护技术有了较大的提高，促进了煤层巷道的广泛采用。另外，回采工作面推进速度的加快，从采掘接续的关系上也需要快速掘进保障系统支持，因此，在条件适合的矿井，煤层大巷应尽可能采用。
20世纪60年代初及其以前，我国一些矿区就采用过开采水平内单层开采和全煤巷布置，如峰峰矿区等，在煤层群中分煤层布置大巷及采区上山。80年代以来出现的高层次的新的单层开采全煤巷布置系统，其基本的布置方式似与早期并没有特殊区别，但在采掘运装备、支护手段、布置参数、机械化水平及新技术应用及单产、效率指标等方面已提高到一个新的水平，发生了质的飞跃。
90年代以来，在开采水平乃至矿井范围内，采用单层开采，全煤巷布置在国内外已是成熟的经验，如英国赛尔比矿、原苏联多尔然矿、我国的神东大柳塔矿、布尔台矿、潞安漳村矿、大同塔山矿、晋城寺河矿等等。
神东布尔台矿采用斜井、平硐三水平综合开拓方式。矿井中主斜井、副平硐、进、回风立（斜）井等前期6个井筒、硐室、水平间连接巷道，为全岩巷布置，各水平、盘区内巷道均布置在煤层中。矿井达到20.0Mt/a设计生产能力时，总工程量为83514m，其中煤巷67021m，占移交工程的80.3%；岩巷16493m，占移交工程的19.7%。矿井掘进率为4.2m/kt。
晋城寺河矿采用斜井联合矿井分井区开拓方式。矿井中除主、副斜井、进、回风立井等12个井筒为全岩巷布置外，井底车场、大巷、硐室、采准巷道均布置在煤层中。
7．双突矿井和构造复杂的矿井普遍采用岩巷布置
由于我国地域广阔，煤层赋存条件各异，岩巷布置也普遍采用。
我国煤与瓦斯突出（双突）最严重的区域是东北、西南和中南地区，突出最严重的省份是湖南、四川、贵州、江西、辽宁和吉林。
对于双突矿井的开拓、准备与巷道布置，国家和地方相关部门出台了一系列规定（参阅
1.1.6.1）。要点是：运输和轨道大巷、主要风巷、采区上山和下山（盘区大巷）等主要巷道布置在岩层或非突出煤层中。
以贵州省为例，贵州安监文件“《关于加强煤矿建设项目煤与瓦斯突出防治工作的意见》（黔安监管办字[2007]345号）”规定，在突出区域，没有经过有资质单位的突出危险性鉴定（见省煤炭管理局的批复）的煤层，按突出煤层设计和管理，因此，贵州大多地方的矿井设计开拓和准备巷道均不能布置在煤层中。
贵州黔西县绿化乡四方井煤矿设计矿井投产时的巷道总长度为4628m，其中岩巷2415m，占52.2%。煤巷2213m，占47.8%。可见对于按煤与瓦斯突出的矿井设计中岩巷所占的比例相当可观。
对于构造复杂的矿井，岩巷布置也普遍采用。例如，贵州盘江矿区煤炭赋存多以近距离煤层群形式出现，开拓准备巷道布置在煤层中会受到多次的采动影响，巷道变形破坏现象极其严重，且在构造复杂的矿井中主要巷道由于定向需要，巷道设计在煤层中易出现煤层悬于巷道顶部现象，给巷道施工及安全造成严重困难。因此在企业及省政府相关文件中明确要求“不得将主要巷道布置在煤层及构造复杂的底层中”。
8．煤炭运输连续化和提升自动化
煤的运输全部采用胶带输送机运输，主立井提升采用自动控制的多绳提升机。
神东矿区布尔台矿井煤炭运输设备采用带式输送机一条龙运输。煤炭运输流程为：工作面刮板输送机→破碎机→转载机→工作面顺槽皮带→大巷皮带→主井皮带→地面。其中主斜井带式输送机的主要技术参数为：输送能力Q=7000t/h，带宽B=2200mm，带速V=4.7m/s，倾角β=13°，机长L=675m。
张集矿井主井提升系统的设计中，采用了JKMD-5.7×4（Ⅲ）落地式多绳提升机、40t立井提升箕斗和配套的定量装载设备，额定容量为2×3000kW的主提升电动机和70m高的钢结构井架。
顾桥矿主井井筒净直径7.5m，用于提煤并进部分风。主井装备2套32t双箕斗，配2台JKMD-5×4（Ⅲ）型落地式多绳摩擦式提升机，电机功率5300KW，采用交-交变频同步电机拖动。主井提升循环时间124秒，每天运行21小时，一年提升350天，年提升能力1186万t。
9．井下辅助运输，有条件的尽量采用无轨胶轮车运输
无轨胶轮车运输实现了由地面（或井底）至各工作地点的直达运输。
一般地，运量最大，经常运往各工作地点的材料、设备、备品、备件等，大多在3t以下，因而采用3t无轨胶轮车，在地面料场、仓库（或井底）装到无轨车上，直接开往各工作地点。
大柳塔煤矿无轨胶轮车队，包括使用和维修并兼管地面运输车辆13台，只有34人。随着技术的熟练，辅助运输队的人员逐渐减少，2000年大柳塔煤矿生产原煤920.58万t，仅9人就满足了全矿的辅助运输和人员运送任务。矿井辅助运输成本仅2~2.5元/t，是其它辅助运输方式的1/50。
大柳塔煤矿使用无轨胶轮车运输的优越性，在投产后的201综采面设备安装中就充分显示。该面引进设备总重4000多t，从仓库到综采面的距离约7.5km，2台支架搬运车只用了18天就完成了这些设备的运输安装任务。现在综采面搬家倒面时间已缩短到10天左右；2000年8月，20606综采面的搬家倒面，又创出3天搬运安装就绪，3天调试，仅用6天一次试运成功的纪录。由于无轨胶轮车辅助运输系统用人特少，就保证了矿井全员工效的提高，也节约了矿井投资。而无轨胶轮车车速快，远非传统辅助运输设备所能及，且中途不需转载，可由地面直达工作面，故大柳塔井田扩大才能实现。
当矿井开拓方式中副井为平硐（或小于6o的斜硐）时，无轨胶轮车可直接下井。当矿井开拓方式中副井为斜井或立井时，无轨胶轮车需要搭乘绞车或罐笼下井。以兖州济三矿副井为例，该立井井筒净直径8.0m，装备两套提升容器。一套为一对1.5t矿车双层4车罐笼（长×宽为4910mm×1270mm）；另一套为加宽大型罐笼（长×宽×高为4910×2300×3250mm）带平衡锤，井筒深584m。济三矿辅助运输采用无轨胶轮车运输。尺寸较小的无轨胶轮车可以直接进入加宽大型罐笼下井，尺寸较大的无轨胶轮车（例如支架搬运车及大吨位多功能车）车型采用中间铰接车型，升降时自铰接处解体，翻转90°装车入加宽大型罐笼下井。井上下无轨胶轮车进出罐笼的方向均设在罐笼出车侧，以避开操车设备与存车线路。
据西安、武汉、北京华宇公司、南京、合肥五个设计院不完全统计，自2000年以来，共设计了43对矿井在辅助运输中采用无轨胶轮车运输。
10．准备方式多样化
止于2005年底，我国国有重点煤矿中，主要采用采区式、盘区式和带区式准备，其产量比重分别约占65%、20%和15%。分段式准备仅在少数矿井中采用。
20世纪70年代及其以前，除近水平煤层外，均采用采区式准备。12°以下煤层采用采区式准备仍有相当的比重。我国开滦、平顶山、淮南、淮北、新汶、鹤岗、鸡西、徐州等矿区普遍采用采区式准备。其主要方向：
①扩大采区尺寸及生产能力，推广跨上山连续开采、增大采煤工作面连续推进长度。②普采采区发展多种形式的联合布置，减少矿井同采采区数，生产集中化。
③综采及单产高的普采采区，在区段、采区范围内发展单层化布置、减少岩石巷道及大量联络巷，简化生产系统：
20世纪80年代以来．在倾角12°以下煤层推广应用倾斜长壁带区式准备后，盘区式准备产量比重呈下降趋势。同时，带区式准备迅速获得较大推广，产量比重逐年上升。我国12°以下煤层可采储量占55%，今后发展潜力仍很大，主要为：
①12°以下煤层，大力发展各种形式的带区式布置；
②扩大分带、带区尺寸，增加采煤工作面连续推进长度，发展跨越大巷、中间岩石巷开采；
③适应不同地质、开采技术条件，分别采用仰斜开采、俯斜开采、伪斜开采。我国山西省大同、晋城、潞安、西山、阳泉、汾西等矿区，山东兖州矿、辽宁铁法矿区，陕西神化神东矿区等，煤层倾角较小，均大力发展不同类型的带区式。
④我国煤层倾角在10°～15°的矿区也很多，如徐州、大屯、峰峰、邢台、平顶山等矿区，在井田内因地制宜，采用采区式、带区式混合布置方式，以适应不同地质、开采技术条件。特别是井田构造较复杂时，为适应沿断层布置回采巷道，工作面小角度旋转调斜，在开采块段内出现了不同回采方向、不同倾角的开采单元（区段或分带）；
⑤有的煤层倾角较大，如鸡西矿务局在煤层倾角15°～25°条件下，采取了相应措施，扩大了倾斜长壁综采的适用范围。但由于我国目前尚缺乏为倾斜长壁而设计制造的设备，在较大倾角中使用走向长壁采煤的设备，对设备维护不利。因此在正常条件下，倾角一般不大于12°，少数复杂条件不大于17°为宜。
分段式准备是井田划分为阶段或片盘（片盘斜井）时的一种特殊形式，阶段内沿倾斜划分为若干分段，设分段平巷（或增设分段集中平巷）、采煤工作面沿井田一翼连续推进。
11．缓斜煤层上、下山开拓的发展
上、下山开拓，增加了水平储量，减少了矿井开采水平数，延长了水平服务年限，推迟了水平延深时间。根据鸡西矿区8个矿井的调查，开采水平的水平高度由150~200m加大到260~400m，水平可采储量平均由2047万t增加到3723万t，平均水平可采储量增加了81.8%，水平服务年限平均值由17a增加到31.4a。再以平顶山矿区一、四、六、十矿为例，上山开采的水平垂高为121m，采用上、下山开拓的水平垂高平均为292.5m，开采水平垂高增加了140.17%，利用一个开采水平开采两个阶段的储量，节省了大量水平开拓的投资，而且增加了开采水平稳定生产时间，使水平接替过于频繁的矛盾得到缓和。在总结上、下山开拓的基础上，随着大倾角上运胶带输送机的研制成功，进一步促进了缓斜煤层上、下山开拓的发展。
因此，在矿井瓦斯含量较低、涌水量较小的缓斜煤层，采用上、下山开拓方式呈明显的发展趋势。
张集矿井煤层倾角缓（一般小于10°）。根据煤层赋存条件，设计采用了上、下山相结合的开拓方式，减少了水平数目，增加了水平服务年限，延缓了水平接替。利用上、下山可同时布置工作面的有利条件，1997年优化设计时，将原设计以中央区和北区同时生产来达到4.0Mt/a生产能力，改为以中央区一个分区生产来达到4.0Mt/a生产能力，减少了北区2个井筒及大量巷道，且初期工作面均位于工业场地煤柱附近，生产更为集中，投资大幅度减少。
结论
在条件适合的矿区，煤矿开拓与准备技术正在朝大型、特大型方向发展。一批生产能力大、开采系统简单、分区开拓、单产高、单层化、煤巷化、运输连续化和提升自动化、辅助运输采用无轨胶轮车的矿井将在设计中广泛采用。
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第一作者简介
林在康，1945年出生，1981年毕业于中国矿业大学北京研究生部。江苏徐州中国矿业大学矿业学院采矿工程系教授、博士生导师，江苏省高等学校教学名师。主要从事采矿工程专业的教学和科研工作。获国家奖一项、省部级奖四项，主编教材或专著15部。任《煤矿总工程师手册》“开拓与准备”章主编。
