丰城矿务局曲江井设计简介

项目名称:丰城矿务局曲江井 工程规模:0.9Mt/a 主要技术特征:井深900m,具有煤与瓦斯突出、煤层容易自然、煤尘爆炸、地温高及井筒穿厚层灰岩等重大危险源,为江南第一大井。所获奖项:获全国优秀工程设计铜奖。

设计院|工程监理


一、概况

丰城矿务局曲江井为江南第一大井,是江南第一座现代化矿井,也是江西省重点建设项目。生产优质焦煤,是我省重点钢铁企业——新余钢铁厂主要焦炭供应商。因此,曲江井的开发建设不仅是江西实现中部崛起的具体体现,也对带动革命老区和贫困地区的经济发展、促进本地区人民脱贫致富、缓解江西煤炭紧缺矛盾、稳定丰城矿务局的原煤产量、促进江西省煤炭工业健康持续发展起到积极的作用,意义十分重大。

丰城矿务局曲江井位于江西省丰城市曲江镇境内,紧临浙赣铁路及赣江,距丰城市7km。曲江井口至丰城矿务局铁路专用线接轨处2.0km,该专用线通过张塘线与浙赣铁路相接。赣粤高速从矿区西部经过,赣江水路可达南昌和长江,交通极为便利。

二、设计主要指标

1、设计生产能力:900kt/a

2矿井服务年限51.1a

3、井巷工程量:16697.4m

4、工业场地占地面积8.75ha

5、建设总投资:62215.47万元,吨煤投资:691.28

6、全员效率:5.49t/

7、原煤设计成本149.32/t

8、电力负荷:8137kW,电耗指标:39.12kW·h/t

三、主要优点

1、矿井井型

根据本井田煤层赋存状况、储量、地质构造、开采技术条件及服务年限,确定矿井生产能力为900kt/a,主要理由如下:

1)本井开采技术条件复杂,煤层埋藏深,瓦斯涌出量大,有煤与瓦斯突出危险。

2)本井田为单一煤层,B4煤层平均厚度为2.24m,储量不大,可采储量只有6438.24万吨。

3)丰城矿务局八一、尚二两矿开采将要结束,为维持矿务局一定规模,保持矿井正常接替,需建大、中型矿井。

4)江西为缺煤地区,每年需从外省调入大量煤炭,需建较大能力矿井。

设计对井型作了900kt/a1200kt/a两种生产能力的比较,井型为900kt/a时矿井及一水平服务年限符合设计规范要求。井型为1200kt/a时矿井服务年限为38.3年远小于设计规范规定的60年,上山部分服务年限只有17.2年。综合考虑以上因素,设计确定井型为900kt/a

矿井2005年正式投产,生产原煤838kt,为设计能力的93.1%2006年年生产原煤910kt2007年生产原煤930kt。经过3年的生产,各系统运转正常,2004年至2007年止,共盈利45421万元,取得原煤产量和经济效益双丰收,实践证明矿井井型确定是合理的。

2、开拓方式

井田煤层埋藏深(-650m-1250m),地温高、瓦斯大、有煤与瓦斯突出危险,长兴灰岩-200m以上岩溶发育,联通性好,井田内地势低平,多为良田和旱地,容易形成内涝。针对以上因素,设计提出了三个开拓方案,并进行技术经济比较。最后推荐立井开拓方案,主、副、风三井筒均布置在工业场地中间,且掘至-850m生产水平。该方案优点是有利于井筒施工,节省用地,管理集中,对单水平上、下山开采的下山回风十分有利。

3、井口位置

设计根据井田长兴灰岩分布,井田内多为良田、山地及工业场地压煤等因素,对井口位置选择进行了两个方案的比较,最终确定主、副、风井在1.20-2孔西北250m,距战备铁路路基300m,该位置具有井筒在-230m以下过长兴灰岩、不占良地、工业场地压煤少等优点。

4、通风系统

本井田开采技术条件复杂,特别是井深地温高、瓦斯涌出量大、有煤与瓦斯突出危险,设计对矿井初期通风系统作了中央并列式、中央边界式、对角式、两个混合式等五个方案,并进行了技术经济比较,最后采用了中央并列式通风系统,即在工业场地中间布置一立风井至-850m水平。该方案优点是利用了工业场地,管理集中,供电距离短,工程量省,有利于-850m下山开采的回风。

5、井底煤仓装载方式

设计对主立井箕斗井底煤仓装载方式进行了水平上装载、下装载两种型式比较。经比较,采用水平上装载方式,工程量省,能有效解决撒煤清理问题,节省投资306万元,以及常年清理斜巷提升和排水费用。

6、运输大巷、总回风大巷布置

本矿井地温高,井深地压大,瓦斯涌出量大,风量大,为解决这些矛盾。设计中运输大巷采用双巷布置,一条皮带巷运煤,一条轨道巷辅助运输,既满足矿井大风量通风的需要,又便于水平上装载等开拓布置,既有利于瓦斯涌出量大、地温高矿井的掘进通风,又有利于深井矿压大的巷道掘进及支护。总回风大巷也为双巷布置,-660m回风水平一条断面较小,主要方便上山采区巷道掘进;-850m运输水平一条断面较大,便于上下山同时生产,缓解生产中的采掘接替矛盾。

7、采区巷道布置

本井井筒以东地质构造相对简单,井筒以西发育一组倾斜断层,将煤层切割成300700m不等的条带,为节省初期投资,使矿井尽快投产产生效益,设计在东翼布置走向长1000m的单翼综采采区。西翼布置300700m的高档普采采区,每个采区布置两个工作面,一个回采,一个瓦斯抽放。实践证明这样的采区巷道布置,既能适应矿井地质构造的变化,又使矿井提前投产,并且保证了矿井安全高效生产。

8、采煤方法选择

矿井设计对采煤方法的选择进行了反复多次多方案的比较,经地震补充勘探和矿井实际揭露,矿井地质构造比地质报告要复杂,井筒以西断层发育,煤层倾角变陡(一般在14º以上),所以设计最终采用了走向长壁采煤方法,选用了丰城矿务局各矿井长期使用良好的采煤机,以及北京煤矿机械研究所为丰城矿务局专门研制适合软煤层、软顶板、软底板“三软”掩护式液压支架。经三年多运行正常。

9、井下气温预测及设计

曲江地温高,属二级热害区,为地热型矿井。为保障职工身心健康,为矿井安全生产创造一个良好的生产环境。设计查阅了大量的国内外资料,在全国范围内进行了多次调研。根据曲江井的实际自编计算机程序对井下采掘工作面的气温进行预测,并进行了降温工程设计的多方案的比较,最终确定采用地面集中制冷站的方案,气温预测及降温工程设计经中国国际咨询公司聘请全国知名降温专家审查认可。实际检测,现曲江井井下采掘工作面气温与设计预测接近。200712月我院提交的《曲江井制冷降温工程方案专题研究报告》,经煤炭工业规划设计研究院和国内知名降温专家评估,一致认为:针对曲江井这样的严重热害矿井,选用地面集中制冷降温方案是合理的,不仅解决了冷却降温系统的技术难题,而且在矿井降温技术上有较大创新,有利于生产较好的节能效果。20089月至现在,建成投运的制冷降温系统运行良好,可降井下温度57℃,改善了煤矿井下作业环境。

10、提升系统方案优化与自动化

主副井提升设备进行了低速直流电机与绕线式交流电机比较,控制方式做了全数字12脉与24脉顺序控制及双机拖动带低频与晶闸管直流拖动控制比较,布置方式根据施工进度与地形情况做了井塔式与落地式方案的技术与经济比较。最终确定的主、副井提升系统分别采用井塔式和落地式布置,不仅缩短了副井建井工期,而且降低了主井提升系统工程造价。提升机选配悬挂式低速直联直流电机,采用晶闸管供电直流传动,主回路采用电枢反向24脉变流器并联接线,控制系统采用顺序全数字及恒减速控制方式,不仅系统简单、占地面积小,电机响应快速,同时可以抑制谐波分量、减少电网电压波形畸变、改善电网质量,而且自动化程度高、调速性能好、运行平衡可靠。当一组变流器故障时,可使提升机在50%的负载下保持原有速度继续运行,符合当今传动技术的发展方向。

11、排水系统设备选型合理

井下排水泵选用高扬程小流量油田注水泵,参数与矿井涌水量及高程匹配合理,不仅减小了排水管径,降低了副井井筒断面及整个排水系统初期投资费用,而且由于所选水泵工况点处于水泵最高效点及高效区右侧,因此降低了排水电耗。

12、矿井水充分利用

井下排水量2592m3/d,其水质可达《污水综合排放标准》(GB8978-1996)中一级排放标准,也符合洗煤用水水质。设计采用平流式沉淀池,矿井水出地面经沉淀后用泵提升作为选煤厂生产补充水。

13、煤矸石综合利用

矿井排矸量150kt/a,用于矿务局煤矸石电厂部分燃料和矿务局砖厂及水泥厂混合料,剩余的煤矸石采用绿化和种植草皮遮盖,堆放的矸石山淋溶水经KSJ-1型中和处理机处理后沉淀,达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)中一级标准。在非雨季用于矸石山石灰乳喷淋用。

14、地面生产系统

地面生产系统布置紧凑,系统灵活实用,既可原煤装火车、装汽车外运,又可进入选煤厂进行洗选加工,选后产品可装火车或汽车外运。

15、副井操车装置自动化

副井井上下操车设备经过机械、气动、液动、削凿四种操车装置方案比较,选择了获国家发明专利的削凿操车装置。该装置不仅系统简单,且自动化程度高,运行平衡可靠。

16、主、副井提升防护设施齐全、可靠

主、副井选用了中国矿大研发的钢丝绳张力自动平衡装置,有利于提升钢丝绳受力平衡,从面延长提升钢丝绳使用寿命。

主、副井除选用了钢丝绳张力自动平衡装置、稳罐装置、楔型罐道、防撞梁等防护设施外,还选用了托罐装置,有利于防止过卷扬坠罐等恶性事故的发生。

17、建筑结构以创新优化为目标,推广应用新结构、新技术

为减少主副井结构施工占用井口的工期,建筑与设备配合确定主井提升采用薄壁箱型钢筋砼井塔,副井提升采用钢井架结构,钢井架采用工厂化制作现场整体吊装就位,缩短了其施工占用井口工期3个月。

副井单斜撑式钢井架(绞接变截面)为省内首次采用的新结构,造型新颖、美观,为江南煤矿第一高钢井架。井架通过采用通用计算机软件进行整体空间计算与优化设计,在确保其使用安全可靠下其用钢量降至全国同类钢井架先进水平。主井钢筋砼井塔经技术经济优化计算分析比较,基础采用大直径桩基,上部采用大跨度井字梁,有效降低了井塔高度,减少井塔的投资。

冷、热水箱(箱)分别采用倒锥型与造型新颖的球型结构,点缀了工业广场的立体空间景观。

18、工业场地布置合理

工业场地布置充分贯彻了煤炭系统矿井地面生产管理、生产服务、生活服务三条主线的改革的精神,通过采用联合建筑(如生活室联合建筑、机修材料库联合建筑等),按三条线功能紧凑布置各类建筑及场地,大大减少工业场地的占地面积,节约用地达3.5公顷,场地压煤量减少45kt。同时场内窄轨运输集中布置在场后区,形成宽敞、美观的场前区。通过绿化亮化设计,形成现代化矿井的美丽景观。整个工业场地功能分区明显,人货分流,互不干扰,流程合理通畅。

矿井采用大联合建筑,机修间、材料库棚均采用联合建筑。改变了企业办社会的模式,采用社会办企业的方式,不建家属区、医院、学校、幼儿园等设施,均利用矿区既有设施。

1935kV变电所采用全室内布置

矿井35/6kV变电所位于工业场地负荷中心,进出线方便,采用全室内布置方式,既减少了变电所的占地面积和环境污染,又有利于运行管理和维护。变电所内开关设备布置合理、选型先进可靠,继电保护和自动装置满足可靠性、选择性、灵敏性、速动性要求,确保了矿井供电的可靠性和安全性。

20、矿井配备了先进的综合信息系统

包括KJ型矿井安全监测监控系统、工业电视视频监控系统、提升机控制系统、选煤厂集控系统、矿井电力监控系统、排水泵自动控制系统、主通风机监控系统、压风机监控系统、井下运输监控系统、井上下操车设备监控系统,10个子系统的集成提高了矿井自动化及管理水平,实现了数据采集离散化、设备控制智能化、生产管理信息化、办公自动化、生产安全监控化。

四、解决的重大技术难点及新技术经济成果

1、井口位置选择

曲江井为立井开拓方式,主、副、风井均要过长兴灰岩。本井长兴灰岩平均厚度211.51m,含极丰富的裂隙溶洞承压水,为本井田主要含水层。井田内见长兴灰岩钻孔74个,其中见溶洞26个,能见率为35%,溶洞高的达35.83m。丰城矿务局云庄井因长兴灰岩穿水淹井两次,最终导致矿井关闭。

井筒要顺利通过长兴灰岩,井口位置的选择十分重要,为此,设计对钻孔见灰岩溶洞情况按深度进行数理统计,分析得出岩溶发育规律为浅部强,深部弱,最后确定井筒在-230m以下过长兴灰岩。施工实际证明选择是合理的,主、副、风井筒顺利穿过长兴灰岩,未见溶洞,涌水量在10m3/h以下。而丰城矿务局尚一井风井井筒施工过长兴灰岩注浆费用达6000/m,按此比例计算,曲江井井筒施工节省费用520万元,缩短工期8个月。

2、瓦斯梯度计算及预测

曲江井为单一煤层,有煤与瓦斯突出矿井,浅部生产井(-400mm以上)瓦斯绝对、相对涌出量高达35m3/min28m3/d·t。而地质报告提供-850m深度瓦斯含量为14m3/t,不能作为设计依据。为了保证矿井今后安全生产,合理确定矿井风量和井巷断面,必须预测矿井瓦斯涌出量。设计成立了瓦斯梯度计算及预测QC小组,小组成员下现场20多次,下井10余次,收集了曲江井浅部生产井坪湖、建新两矿20多年几千个数据,并根据瓦斯地质构造、采深和采空区面积进行数理统计分析,采用线性回归方法,计算出曲江井-850m水平瓦斯涌出量为59.81m3/t·d,瓦斯梯度为13.05m/m3/t。该预测方法及数据经1989年中国国际咨询公司聘请全国瓦斯治理、通风知名专家审查通过,得到好评,QC小组被评为江西省优秀QC小组。从而为矿井通风系统、风量断面确定奠定了良好基础。经调查,曲江井2006年达产,平均采深-700m,瓦斯绝对、相对涌出量为49.5m3/min45.0m3/t·d,按瓦斯梯度13.05m/m3/t计算到-850m水平瓦斯涌出量为56.49m3/d·t,与预测瓦斯涌出量基本吻合,随着采空区加大,瓦斯涌出量还会加大,因此采用浅部井瓦斯涌出量数通过线性回归方法预测曲江井瓦斯涌出量是可行的。解决了曲江井在矿井设计阶段瓦斯涌出量预测这一难题。

3、瓦斯抽采

曲江井属煤与瓦斯突出矿井,瓦斯绝对涌出量为3045m3/min,瓦斯相对涌出量为59.81m3/d·t。浅部坪湖、建新两井多次发生瓦斯爆炸特大事故,死亡人数50100多人,给国家财产和人们生命安全造成巨大损失。两井从1978年就开始进行瓦斯抽采,抽采方法为本煤层预抽,由于采掘接替紧张,方法单一,不能保证抽采时间,抽采率在20%30%。为了加大抽采率,减小矿井瓦斯涌出量,保证矿井生产安全,提高瓦斯综合利用效率,本井设计经过深入调查研究,发现采空区瓦斯残留量要占全矿井瓦斯涌出量35%左右。另外,瓦斯抽放时间必须保证在812个月。

针对这些问题,设计对采区巷道布置作了多方案比较,为保证抽放时间,每个采区均布置了两个工作面,一个回采,一个抽采,保证抽采时间在8个月以上。而采空区瓦斯抽采将会遇到采空区密闭,煤层自燃等问题。经与矿方工程技术人员多次探讨,设计采用高冒巷对工作面高冒带和采空区瓦斯进行抽采,即距工作面回风顺槽20m平行掘进一条断面4m2左右巷道密闭后进行抽采,经实践,抽采率由原20%30%增加到40%。丰城矿务局曲江矿规划通过技术创新,保证抽采时间,2010年前抽采率要达到5060%。曲江井抽采的瓦斯已用于民用和发电,年利润达1000万元,既保证了矿井安全生产,又能变害为宝,造福于民。

4、地表变形预测

曲江井田地表有赣江、赣江大堤、铁路、公路、村、镇及部分工业建筑。井下开采对地表产生多大程度的破坏、是否留设煤柱,开拓如何布置、如何防治,必须要对地表变形进行预测。故此,设计对井田地面建、构筑物、设施进行了详细踏勘,收集了丰城矿务局及其他矿井地表变形观测资料,运用概率积分法对井下煤层开采后的地表变形进行预测,最后得到曲江井井下开采后的地表变形均在各种建、构筑物、公路、铁路、大堤允许变形范围内,可以开采。从而为矿井开拓布置、三下采煤、煤柱留设提供了依据,提高了矿井资源回收率。现曲江井开采三年,地表未产生变形。

5、防灭火系统

曲江井B4煤层属有可能自燃到极易自燃煤层,丰城矿务局各矿井下均发生过煤的自燃,自燃发火期为36个月,故本井必须建立防灭火系统。

设计进行了现场踏勘,收集了丰城矿务局各矿防火灌浆资料,并到全国各地调研,结合曲江井地面有丰富的黄泥灌浆材料实际,最后确定采用综合防灭火系统,即在风井地面建立黄泥灌浆系统,地面制浆通过管道输送至回采工作面进行预注浆,并配合使用凝胶阻化剂,投产三年多,未发生过煤层自燃。

6低流量高扬程水泵选型

曲江井由于正常涌水量不大(Qn=108m3/h),扬程高(H=887.5m),而国内大多数高扬程多级离心泵其设计额定流量均较大,不能与矿井涌水量相匹配。为了解决此问题,设计小组对全国主要水泵厂进行了调研、分析及多方案技术经济比较,最后采用了沈阳水泵厂D160-120×8型油田注水泵,工况点处于最高效率点及高效区右侧范围,解决了深井低涌水量的排水问题,既节省了投资费用又降低了电耗。

7、提升绞车控制系统选择

1)制动系统采用国际先进的恒减速液压站控制,具有恒减速和恒力矩制动功能,使平均制动力矩随负荷变化而变化,可使减速度达到预定设计值。同时,还保留了原有二级制动功能,在恒减速控制失效时,能自动转换实现二级制动,提高了制动系统的可靠性,解决了多绳摩擦式提升机的防滑问题。

2)采用S型速度曲线控制,降低了运行过程中冲击动载荷,使提升机运行更加平稳安全。

3)采用24脉变流器并联接线电枢反向、全数字顺序并联控制、速度外环和电流内环双反馈闭环控制,不仅接线简单、电机响应快速,而且可改善电网质量、提高控制精度,同时当一组变流器故障,可实现全速半载继续运行。

835kV电源采用同期合闸

35kV两路电源分别来自电力系统和矿务局矸石发电厂系统,由于系统阻抗的不同,造成线路电压及电压损失相差较大,不利于在电源线路倒换过程中保证负荷供电的连续性,为解决这一技术难题,设计中采用了自动、手动准同期合闸装置,控制有载调压变压器的二次侧电压来实现同期合闸,从而解决了曲江矿供电的可靠性和安全性问题。

9、采取综合技术措施处理副井钢井架不均匀沉降

因副井钢井架立架与斜撑分别支承在不沉降的井筒上及沉降较大的可压缩粘性土层上,二者沉降差大,为解决不均匀沉降的技术难点,采用超堆载预压及在铰接斜撑钢井架基础柱底预留千斤顶位置的二大构造措施,以调整井架不均匀沉降,确保井架的安全和提升系统正常运行。

10、信息系统集成

全矿井综合自动化系统共集成了10个子系统,子系统分别是:矿井安全监测监控系统、工业电视视频系统、提升机控制系统、选煤厂集控系统、矿井电力监控系统、排水泵自动控制系统、主通风机监控系统、压风机监控系统、井下运输监控系统、井上下操车设备监控系统。

曲江井依靠信息系统集成,实现了传统产业的技术提升。通过综合自动化建设,在全矿建立起工业控制系统和管理信息系统,将高科技信息技术引入了煤炭生产系统。实现了数据采集离散化、设备控制分布式智能化、生产管理信息化、办公管理自动化、生产安全监控化水平。

11、制冷降温工程设计

曲江井降温工程设计在传统技术的基础上,充分了解和收集了国内矿井的成熟技术和先进技术,合理确定了针对曲江井热害特点的降温工艺;科学分析了矿内热源因素,采用了先进的统计计算方法,合理计算矿井所需冷气量,为正确选择降温系统设备提供了可靠、准确的数据;设计中采用了矿井冰冷低温辐射降温技术、井下融冰池技术,井下裸管和喷淋结合降温技术、矿井空调采用低温涌水降温和刮冰刀技术等;解决了井筒立管底部容易堵塞的技术难题,提高了融冰速度和效率;提出了多元化的工作面散冷技术,既充分利用了消防洒水管路,节约了工程投资,又提高了散冷效率,有效的改善了工作面的降温效果;采用了先进的分布式集散控制系统,不仅提高了自动化控制水平,而且操作界面人性化。