豐城礦務局曲江井設計簡介

項目名稱:豐城礦務局曲江井 工程規模:0.9Mt/a 主要技術特征:井深900m,具有煤與瓦斯突出、煤層容易自然、煤塵爆炸、地溫高及井筒穿厚層灰巖等重大危險源,為江南第一大井。所獲獎項:獲全國優秀工程設計銅獎。

設計院|工程監理


一、概況

豐城礦務局曲江井為江南第一大井,是江南第一座現代化礦井,也是江西省重點建設項目。生產優質焦煤,是我省重點鋼鐵企業——新余鋼鐵廠主要焦炭供應商。因此,曲江井的開發建設不僅是江西實現中部崛起的具體體現,也對帶動革命老區和貧困地區的經濟發展、促進本地區人民脫貧致富、緩解江西煤炭緊缺矛盾、穩定豐城礦務局的原煤產量、促進江西省煤炭工業健康持續發展起到積極的作用,意義十分重大。

豐城礦務局曲江井位于江西省豐城市曲江鎮境內,緊臨浙贛鐵路及贛江,距豐城市7km。曲江井口至豐城礦務局鐵路專用線接軌處2.0km,該專用線通過張塘線與浙贛鐵路相接。贛粵高速從礦區西部經過,贛江水路可達南昌和長江,交通極為便利。

二、設計主要指標

1、設計生產能力:900kt/a

2礦井服務年限51.1a

3、井巷工程量:16697.4m

4、工業場地占地面積8.75ha

5、建設總投資:62215.47萬元,噸煤投資:691.28

6、全員效率:5.49t/

7、原煤設計成本149.32/t

8、電力負荷:8137kW,電耗指標:39.12kW·h/t

三、主要優點

1、礦井井型

根據本井田煤層賦存狀況、儲量、地質構造、開采技術條件及服務年限,確定礦井生產能力為900kt/a,主要理由如下:

1)本井開采技術條件復雜,煤層埋藏深,瓦斯涌出量大,有煤與瓦斯突出危險。

2)本井田為單一煤層,B4煤層平均厚度為2.24m,儲量不大,可采儲量只有6438.24萬噸。

3)豐城礦務局八一、尚二兩礦開采將要結束,為維持礦務局一定規模,保持礦井正常接替,需建大、中型礦井。

4)江西為缺煤地區,每年需從外省調入大量煤炭,需建較大能力礦井。

設計對井型作了900kt/a1200kt/a兩種生產能力的比較,井型為900kt/a時礦井及一水平服務年限符合設計規范要求。井型為1200kt/a時礦井服務年限為38.3年遠小于設計規范規定的60年,上山部分服務年限只有17.2年。綜合考慮以上因素,設計確定井型為900kt/a

礦井2005年正式投產,生產原煤838kt,為設計能力的93.1%2006年年生產原煤910kt2007年生產原煤930kt。經過3年的生產,各系統運轉正常,2004年至2007年止,共盈利45421萬元,取得原煤產量和經濟效益雙豐收,實踐證明礦井井型確定是合理的。

2、開拓方式

井田煤層埋藏深(-650m-1250m),地溫高、瓦斯大、有煤與瓦斯突出危險,長興灰巖-200m以上巖溶發育,聯通性好,井田內地勢低平,多為良田和旱地,容易形成內澇。針對以上因素,設計提出了三個開拓方案,并進行技術經濟比較。最后推薦立井開拓方案,主、副、風三井筒均布置在工業場地中間,且掘至-850m生產水平。該方案優點是有利于井筒施工,節省用地,管理集中,對單水平上、下山開采的下山回風十分有利。

3、井口位置

設計根據井田長興灰巖分布,井田內多為良田、山地及工業場地壓煤等因素,對井口位置選擇進行了兩個方案的比較,最終確定主、副、風井在1.20-2孔西北250m,距戰備鐵路路基300m,該位置具有井筒在-230m以下過長興灰巖、不占良地、工業場地壓煤少等優點。

4、通風系統

本井田開采技術條件復雜,特別是井深地溫高、瓦斯涌出量大、有煤與瓦斯突出危險,設計對礦井初期通風系統作了中央并列式、中央邊界式、對角式、兩個混合式等五個方案,并進行了技術經濟比較,最后采用了中央并列式通風系統,即在工業場地中間布置一立風井至-850m水平。該方案優點是利用了工業場地,管理集中,供電距離短,工程量省,有利于-850m下山開采的回風。

5、井底煤倉裝載方式

設計對主立井箕斗井底煤倉裝載方式進行了水平上裝載、下裝載兩種型式比較。經比較,采用水平上裝載方式,工程量省,能有效解決撒煤清理問題,節省投資306萬元,以及常年清理斜巷提升和排水費用。

6、運輸大巷、總回風大巷布置

本礦井地溫高,井深地壓大,瓦斯涌出量大,風量大,為解決這些矛盾。設計中運輸大巷采用雙巷布置,一條皮帶巷運煤,一條軌道巷輔助運輸,既滿足礦井大風量通風的需要,又便于水平上裝載等開拓布置,既有利于瓦斯涌出量大、地溫高礦井的掘進通風,又有利于深井礦壓大的巷道掘進及支護。總回風大巷也為雙巷布置,-660m回風水平一條斷面較小,主要方便上山采區巷道掘進;-850m運輸水平一條斷面較大,便于上下山同時生產,緩解生產中的采掘接替矛盾。

7、采區巷道布置

本井井筒以東地質構造相對簡單,井筒以西發育一組傾斜斷層,將煤層切割成300700m不等的條帶,為節省初期投資,使礦井盡快投產產生效益,設計在東翼布置走向長1000m的單翼綜采采區。西翼布置300700m的高檔普采采區,每個采區布置兩個工作面,一個回采,一個瓦斯抽放。實踐證明這樣的采區巷道布置,既能適應礦井地質構造的變化,又使礦井提前投產,并且保證了礦井安全高效生產。

8、采煤方法選擇

礦井設計對采煤方法的選擇進行了反復多次多方案的比較,經地震補充勘探和礦井實際揭露,礦井地質構造比地質報告要復雜,井筒以西斷層發育,煤層傾角變陡(一般在14o以上),所以設計最終采用了走向長壁采煤方法,選用了豐城礦務局各礦井長期使用良好的采煤機,以及北京煤礦機械研究所為豐城礦務局專門研制適合軟煤層、軟頂板、軟底板“三軟”掩護式液壓支架。經三年多運行正常。

9、井下氣溫預測及設計

曲江地溫高,屬二級熱害區,為地熱型礦井。為保障職工身心健康,為礦井安全生產創造一個良好的生產環境。設計查閱了大量的國內外資料,在全國范圍內進行了多次調研。根據曲江井的實際自編計算機程序對井下采掘工作面的氣溫進行預測,并進行了降溫工程設計的多方案的比較,最終確定采用地面集中制冷站的方案,氣溫預測及降溫工程設計經中國國際咨詢公司聘請全國知名降溫專家審查認可。實際檢測,現曲江井井下采掘工作面氣溫與設計預測接近。200712月我院提交的《曲江井制冷降溫工程方案專題研究報告》,經煤炭工業規劃設計研究院和國內知名降溫專家評估,一致認為:針對曲江井這樣的嚴重熱害礦井,選用地面集中制冷降溫方案是合理的,不僅解決了冷卻降溫系統的技術難題,而且在礦井降溫技術上有較大創新,有利于生產較好的節能效果。20089月至現在,建成投運的制冷降溫系統運行良好,可降井下溫度57℃,改善了煤礦井下作業環境。

10、提升系統方案優化與自動化

主副井提升設備進行了低速直流電機與繞線式交流電機比較,控制方式做了全數字12脈與24脈順序控制及雙機拖動帶低頻與晶閘管直流拖動控制比較,布置方式根據施工進度與地形情況做了井塔式與落地式方案的技術與經濟比較。最終確定的主、副井提升系統分別采用井塔式和落地式布置,不僅縮短了副井建井工期,而且降低了主井提升系統工程造價。提升機選配懸掛式低速直聯直流電機,采用晶閘管供電直流傳動,主回路采用電樞反向24脈變流器并聯接線,控制系統采用順序全數字及恒減速控制方式,不僅系統簡單、占地面積小,電機響應快速,同時可以抑制諧波分量、減少電網電壓波形畸變、改善電網質量,而且自動化程度高、調速性能好、運行平衡可靠。當一組變流器故障時,可使提升機在50%的負載下保持原有速度繼續運行,符合當今傳動技術的發展方向。

11、排水系統設備選型合理

井下排水泵選用高揚程小流量油田注水泵,參數與礦井涌水量及高程匹配合理,不僅減小了排水管徑,降低了副井井筒斷面及整個排水系統初期投資費用,而且由于所選水泵工況點處于水泵最高效點及高效區右側,因此降低了排水電耗。

12、礦井水充分利用

井下排水量2592m3/d,其水質可達《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)中一級排放標準,也符合洗煤用水水質。設計采用平流式沉淀池,礦井水出地面經沉淀后用泵提升作為選煤廠生產補充水。

13、煤矸石綜合利用

礦井排矸量150kt/a,用于礦務局煤矸石電廠部分燃料和礦務局磚廠及水泥廠混合料,剩余的煤矸石采用綠化和種植草皮遮蓋,堆放的矸石山淋溶水經KSJ-1型中和處理機處理后沉淀,達到《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)中一級標準。在非雨季用于矸石山石灰乳噴淋用。

14、地面生產系統

地面生產系統布置緊湊,系統靈活實用,既可原煤裝火車、裝汽車外運,又可進入選煤廠進行洗選加工,選后產品可裝火車或汽車外運。

15、副井操車裝置自動化

副井井上下操車設備經過機械、氣動、液動、削鑿四種操車裝置方案比較,選擇了獲國家發明專利的削鑿操車裝置。該裝置不僅系統簡單,且自動化程度高,運行平衡可靠。

16、主、副井提升防護設施齊全、可靠

主、副井選用了中國礦大研發的鋼絲繩張力自動平衡裝置,有利于提升鋼絲繩受力平衡,從面延長提升鋼絲繩使用壽命。

主、副井除選用了鋼絲繩張力自動平衡裝置、穩罐裝置、楔型罐道、防撞梁等防護設施外,還選用了托罐裝置,有利于防止過卷揚墜罐等惡性事故的發生。

17、建筑結構以創新優化為目標,推廣應用新結構、新技術

為減少主副井結構施工占用井口的工期,建筑與設備配合確定主井提升采用薄壁箱型鋼筋砼井塔,副井提升采用鋼井架結構,鋼井架采用工廠化制作現場整體吊裝就位,縮短了其施工占用井口工期3個月。

副井單斜撐式鋼井架(絞接變截面)為省內首次采用的新結構,造型新穎、美觀,為江南煤礦第一高鋼井架。井架通過采用通用計算機軟件進行整體空間計算與優化設計,在確保其使用安全可靠下其用鋼量降至全國同類鋼井架先進水平。主井鋼筋砼井塔經技術經濟優化計算分析比較,基礎采用大直徑樁基,上部采用大跨度井字梁,有效降低了井塔高度,減少井塔的投資。

冷、熱水箱(箱)分別采用倒錐型與造型新穎的球型結構,點綴了工業廣場的立體空間景觀。

18、工業場地布置合理

工業場地布置充分貫徹了煤炭系統礦井地面生產管理、生產服務、生活服務三條主線的改革的精神,通過采用聯合建筑(如生活室聯合建筑、機修材料庫聯合建筑等),按三條線功能緊湊布置各類建筑及場地,大大減少工業場地的占地面積,節約用地達3.5公頃,場地壓煤量減少45kt。同時場內窄軌運輸集中布置在場后區,形成寬敞、美觀的場前區。通過綠化亮化設計,形成現代化礦井的美麗景觀。整個工業場地功能分區明顯,人貨分流,互不干擾,流程合理通暢。

礦井采用大聯合建筑,機修間、材料庫棚均采用聯合建筑。改變了企業辦社會的模式,采用社會辦企業的方式,不建家屬區、醫院、學校、幼兒園等設施,均利用礦區既有設施。

1935kV變電所采用全室內布置

礦井35/6kV變電所位于工業場地負荷中心,進出線方便,采用全室內布置方式,既減少了變電所的占地面積和環境污染,又有利于運行管理和維護。變電所內開關設備布置合理、選型先進可靠,繼電保護和自動裝置滿足可靠性、選擇性、靈敏性、速動性要求,確保了礦井供電的可靠性和安全性。

20、礦井配備了先進的綜合信息系統

包括KJ型礦井安全監測監控系統、工業電視視頻監控系統、提升機控制系統、選煤廠集控系統、礦井電力監控系統、排水泵自動控制系統、主通風機監控系統、壓風機監控系統、井下運輸監控系統、井上下操車設備監控系統,10個子系統的集成提高了礦井自動化及管理水平,實現了數據采集離散化、設備控制智能化、生產管理信息化、辦公自動化、生產安全監控化。

四、解決的重大技術難點及新技術經濟成果

1、井口位置選擇

曲江井為立井開拓方式,主、副、風井均要過長興灰巖。本井長興灰巖平均厚度211.51m,含極豐富的裂隙溶洞承壓水,為本井田主要含水層。井田內見長興灰巖鉆孔74個,其中見溶洞26個,能見率為35%,溶洞高的達35.83m。豐城礦務局云莊井因長興灰巖穿水淹井兩次,最終導致礦井關閉。

井筒要順利通過長興灰巖,井口位置的選擇十分重要,為此,設計對鉆孔見灰巖溶洞情況按深度進行數理統計,分析得出巖溶發育規律為淺部強,深部弱,最后確定井筒在-230m以下過長興灰巖。施工實際證明選擇是合理的,主、副、風井筒順利穿過長興灰巖,未見溶洞,涌水量在10m3/h以下。而豐城礦務局尚一井風井井筒施工過長興灰巖注漿費用達6000/m,按此比例計算,曲江井井筒施工節省費用520萬元,縮短工期8個月。

2、瓦斯梯度計算及預測

曲江井為單一煤層,有煤與瓦斯突出礦井,淺部生產井(-400mm以上)瓦斯絕對、相對涌出量高達35m3/min28m3/d·t。而地質報告提供-850m深度瓦斯含量為14m3/t,不能作為設計依據。為了保證礦井今后安全生產,合理確定礦井風量和井巷斷面,必須預測礦井瓦斯涌出量。設計成立了瓦斯梯度計算及預測QC小組,小組成員下現場20多次,下井10余次,收集了曲江井淺部生產井坪湖、建新兩礦20多年幾千個數據,并根據瓦斯地質構造、采深和采空區面積進行數理統計分析,采用線性回歸方法,計算出曲江井-850m水平瓦斯涌出量為59.81m3/t·d,瓦斯梯度為13.05m/m3/t。該預測方法及數據經1989年中國國際咨詢公司聘請全國瓦斯治理、通風知名專家審查通過,得到好評,QC小組被評為江西省優秀QC小組。從而為礦井通風系統、風量斷面確定奠定了良好基礎。經調查,曲江井2006年達產,平均采深-700m,瓦斯絕對、相對涌出量為49.5m3/min45.0m3/t·d,按瓦斯梯度13.05m/m3/t計算到-850m水平瓦斯涌出量為56.49m3/d·t,與預測瓦斯涌出量基本吻合,隨著采空區加大,瓦斯涌出量還會加大,因此采用淺部井瓦斯涌出量數通過線性回歸方法預測曲江井瓦斯涌出量是可行的。解決了曲江井在礦井設計階段瓦斯涌出量預測這一難題。

3、瓦斯抽采

曲江井屬煤與瓦斯突出礦井,瓦斯絕對涌出量為3045m3/min,瓦斯相對涌出量為59.81m3/d·t。淺部坪湖、建新兩井多次發生瓦斯爆炸特大事故,死亡人數50100多人,給國家財產和人們生命安全造成巨大損失。兩井從1978年就開始進行瓦斯抽采,抽采方法為本煤層預抽,由于采掘接替緊張,方法單一,不能保證抽采時間,抽采率在20%30%。為了加大抽采率,減小礦井瓦斯涌出量,保證礦井生產安全,提高瓦斯綜合利用效率,本井設計經過深入調查研究,發現采空區瓦斯殘留量要占全礦井瓦斯涌出量35%左右。另外,瓦斯抽放時間必須保證在812個月。

針對這些問題,設計對采區巷道布置作了多方案比較,為保證抽放時間,每個采區均布置了兩個工作面,一個回采,一個抽采,保證抽采時間在8個月以上。而采空區瓦斯抽采將會遇到采空區密閉,煤層自燃等問題。經與礦方工程技術人員多次探討,設計采用高冒巷對工作面高冒帶和采空區瓦斯進行抽采,即距工作面回風順槽20m平行掘進一條斷面4m2左右巷道密閉后進行抽采,經實踐,抽采率由原20%30%增加到40%。豐城礦務局曲江礦規劃通過技術創新,保證抽采時間,2010年前抽采率要達到5060%。曲江井抽采的瓦斯已用于民用和發電,年利潤達1000萬元,既保證了礦井安全生產,又能變害為寶,造福于民。

4、地表變形預測

曲江井田地表有贛江、贛江大堤、鐵路、公路、村、鎮及部分工業建筑。井下開采對地表產生多大程度的破壞、是否留設煤柱,開拓如何布置、如何防治,必須要對地表變形進行預測。故此,設計對井田地面建、構筑物、設施進行了詳細踏勘,收集了豐城礦務局及其他礦井地表變形觀測資料,運用概率積分法對井下煤層開采后的地表變形進行預測,最后得到曲江井井下開采后的地表變形均在各種建、構筑物、公路、鐵路、大堤允許變形范圍內,可以開采。從而為礦井開拓布置、三下采煤、煤柱留設提供了依據,提高了礦井資源回收率。現曲江井開采三年,地表未產生變形。

5、防滅火系統

曲江井B4煤層屬有可能自燃到極易自燃煤層,豐城礦務局各礦井下均發生過煤的自燃,自燃發火期為36個月,故本井必須建立防滅火系統。

設計進行了現場踏勘,收集了豐城礦務局各礦防火灌漿資料,并到全國各地調研,結合曲江井地面有豐富的黃泥灌漿材料實際,最后確定采用綜合防滅火系統,即在風井地面建立黃泥灌漿系統,地面制漿通過管道輸送至回采工作面進行預注漿,并配合使用凝膠阻化劑,投產三年多,未發生過煤層自燃。

6低流量高揚程水泵選型

曲江井由于正常涌水量不大(Qn=108m3/h),揚程高(H=887.5m),而國內大多數高揚程多級離心泵其設計額定流量均較大,不能與礦井涌水量相匹配。為了解決此問題,設計小組對全國主要水泵廠進行了調研、分析及多方案技術經濟比較,最后采用了沈陽水泵廠D160-120×8型油田注水泵,工況點處于最高效率點及高效區右側范圍,解決了深井低涌水量的排水問題,既節省了投資費用又降低了電耗。

7、提升絞車控制系統選擇

1)制動系統采用國際先進的恒減速液壓站控制,具有恒減速和恒力矩制動功能,使平均制動力矩隨負荷變化而變化,可使減速度達到預定設計值。同時,還保留了原有二級制動功能,在恒減速控制失效時,能自動轉換實現二級制動,提高了制動系統的可靠性,解決了多繩摩擦式提升機的防滑問題。

2)采用S型速度曲線控制,降低了運行過程中沖擊動載荷,使提升機運行更加平穩安全。

3)采用24脈變流器并聯接線電樞反向、全數字順序并聯控制、速度外環和電流內環雙反饋閉環控制,不僅接線簡單、電機響應快速,而且可改善電網質量、提高控制精度,同時當一組變流器故障,可實現全速半載繼續運行。

835kV電源采用同期合閘

35kV兩路電源分別來自電力系統和礦務局矸石發電廠系統,由于系統阻抗的不同,造成線路電壓及電壓損失相差較大,不利于在電源線路倒換過程中保證負荷供電的連續性,為解決這一技術難題,設計中采用了自動、手動準同期合閘裝置,控制有載調壓變壓器的二次側電壓來實現同期合閘,從而解決了曲江礦供電的可靠性和安全性問題。

9、采取綜合技術措施處理副井鋼井架不均勻沉降

因副井鋼井架立架與斜撐分別支承在不沉降的井筒上及沉降較大的可壓縮粘性土層上,二者沉降差大,為解決不均勻沉降的技術難點,采用超堆載預壓及在鉸接斜撐鋼井架基礎柱底預留千斤頂位置的二大構造措施,以調整井架不均勻沉降,確保井架的安全和提升系統正常運行。

10、信息系統集成

全礦井綜合自動化系統共集成了10個子系統,子系統分別是:礦井安全監測監控系統、工業電視視頻系統、提升機控制系統、選煤廠集控系統、礦井電力監控系統、排水泵自動控制系統、主通風機監控系統、壓風機監控系統、井下運輸監控系統、井上下操車設備監控系統。

曲江井依靠信息系統集成,實現了傳統產業的技術提升。通過綜合自動化建設,在全礦建立起工業控制系統和管理信息系統,將高科技信息技術引入了煤炭生產系統。實現了數據采集離散化、設備控制分布式智能化、生產管理信息化、辦公管理自動化、生產安全監控化水平。

11、制冷降溫工程設計

曲江井降溫工程設計在傳統技術的基礎上,充分了解和收集了國內礦井的成熟技術和先進技術,合理確定了針對曲江井熱害特點的降溫工藝;科學分析了礦內熱源因素,采用了先進的統計計算方法,合理計算礦井所需冷氣量,為正確選擇降溫系統設備提供了可靠、準確的數據;設計中采用了礦井冰冷低溫輻射降溫技術、井下融冰池技術,井下裸管和噴淋結合降溫技術、礦井空調采用低溫涌水降溫和刮冰刀技術等;解決了井筒立管底部容易堵塞的技術難題,提高了融冰速度和效率;提出了多元化的工作面散冷技術,既充分利用了消防灑水管路,節約了工程投資,又提高了散冷效率,有效的改善了工作面的降溫效果;采用了先進的分布式集散控制系統,不僅提高了自動化控制水平,而且操作界面人性化。


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