发展创新把握煤矿设计方向_回顾矿井设计六十年.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 收稿日期 2009 - 11 - 10 作者简介何国纬1934 - ,男,湖北钟祥人,中国工程设计大师,享受国务院特殊津贴, 1955年毕业于重庆大学 采矿系,一直从事煤矿设计工作,主持的项目多次获奖。 发展创新 把握煤矿设计方向 回顾矿井设计六十年 何国纬 煤炭工业济南设计研究院有限公司,山东 济南 250031 摘 要煤矿设计一直遵循科技创新、经济合理,贯彻国家方针政策的设计路线。通过六十 年矿井设计文件的实施,彻底改变了我国煤矿生产的面貌,在矿井设计方面也积累了丰富的经 验一是矿井设计要优化开拓,实现集中化、大型化;二是要做到系统配套,实现掘进、运输、 提升、通风、地面设施等各系统相匹配;三是设计工作要为从地勘到可研、设计、施工、投产的 全过程负责。 关键词煤矿设计;发展回顾;综采机械化;设计优化 中图分类号TD822 文献标识码 B 文章编号 1671 - 0959 2010 0120001204 煤炭工业走过了辉煌的60年,取得了巨大的成就。煤 炭产量快速增长, 1949年新中国成立时煤炭产量只有3243 万t,到2009年全国煤炭产量达到2911亿t,增长了90倍 以上;煤炭生产力水平不断提升,百万吨死亡率降到了1 以下;煤炭产学研一体化的科技创新体制已见雏形,科技 创新能力明显增强,这些成绩均已说明煤炭工业已步入健 康发展的轨道。作为基本建设的先行者,中国煤炭设计也 已走过近60年的奋斗历程,为国民经济和煤炭工业的发展 作出了巨大贡献,同时也积累了丰富的经验。 煤矿设计工作的实践证明煤矿建设能不能加快速度、 保证质量且节约投资,建成以后能不能获得最大的效益, 设计工作起着决定作用。设计工作是把先进的科学技术转 化为生产力的桥梁和纽带,是基本建设的灵魂。 1 矿井设计发展回顾 新中国成立时,没有煤矿设计机构。为适应建设的需 要, 1950年东北煤矿管理局首先成立设计科, 1952年到 1954年,相继建立了沈阳、北京、上海、重庆、武汉、西 安等6个大区煤矿设计院和选煤设计院,保证了第一个五 年计划煤矿建设。例如我国自行设计的90万t/a淮南谢 家集二号井,工期仅28个月,投产后18个月即达到了设 计能力,被原煤炭工业部评为优秀设计工程。但这个时期 开采机械化程度低,一般采用打眼爆破或风镐落煤、工作 面小型链板运输机,木支柱等,少量工作面配有截煤机或 苏式康拜因,效率很低。 20世纪50年代,在 “ 左 ”的思想指导下,高指标、 浮夸风成灾,不遵守建设程序。有些矿井以大型井开工、 中型井移交、小型井出煤,有些矿井打下去找不到煤,损 失很大。煤炭工业经历了10年低谷。 1973年,在周恩来总理的支持下,从英、法、联邦德 国进口43套综采设备和部分设备的制造生产线,这标志着 我国煤矿开始进入综采时代。1978年,邓小平同志听取原 煤炭部的汇报后指出“ 综采应作为发展目标来考虑,搞综 采不单是提高产量问题,它把整个煤矿的面貌都改变了, 不然安全问题、矽肺病问题、效率低问题都不能从根本上 解决 ”,他为煤炭工业的发展指明了方向,并批准引进了 100套国外综采设备。我国自行设计的第一对年产300万t/ a的特大型现代化矿井兖州兴隆庄矿应用了其中4套,突破 了旧模式,第一次在新井设计中采用了综合机械化采煤、 井下全部带式输送机连续化运输、提煤绞车自动化。1981 年投产的兴隆庄矿井的建成投产标志着我国大型矿井的工 程设计、技术和施工等方面达到了一个新水平。 随着综采设备的普及,我国煤炭工业及矿井设计进入一 个新阶段。1984年原煤炭部拟利用世界银行贷款建设济宁三 号井,设计单位做出了我国第一个年产500万t煤矿的英文 版可研报告。世界银行会同英国和德国的专家对可研进行了 审查。审查纪要指出“ 咨询专家和银行方面人员对该可研 报告表示赞赏 ” 、 “ 济宁三号井可行性研究做得很好,工作质 量是高的 ”,明确不需请国外进行咨询,标志着我国矿井的 可研已与国际先进水平接轨。21世纪初,中国出现了超过年 产1000万t的井工煤矿,即神东公司的榆家梁1215万t/ a 、大柳塔1151万t/a ,补连塔1017万 t/a 和兖州公司 的济三立井1008万t/a ,我国一大批高产高效矿井已居于 世界煤矿同类型的前列。同时,煤矿平均工效由1986年 1 2010年第1期 煤 炭 工 程 设计技术 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 的019t/工提高到2007年的41599 t/工,此阶段效率的提高 以综采为核心技术的科技进步起了关键作用。 在煤矿设计发展的60年中,截止到2008年获得国家 优秀设计奖的矿井及选煤厂项目有143项,其中37项获得 优秀设计金奖。兖州兴隆庄矿设计和西山西曲矿设计还获 得国家科技进步奖。兖州矿区工程设计获全国最佳工程设 计特等奖。60年来,煤炭行业从业人员13031人,其中设 计人员9268人,全国工程设计大师14人和勘察大师3人。 在煤矿设计快速发展的同时,为了保证设计的质量, 1996年开始进行ISO9000质量管理体系认证,在这60年中 3次修订煤矿设计规范, 2次修订煤矿设计手册,加强了设 计管理工作,促进了设计产品质量的提高。 2 煤矿设计的发展和创新 六十年煤矿的发展揭示了一条规律采煤技术是核心, 它的发展带动了矿井生产的发展。采煤从手工作业、半机 械化到机械化进而到综合机械化。综合机械化又从初级到 高级,向大功率、重型化、自动化和遥控发展。工作面能 力从日产几十吨、几百吨发展到几千吨几万吨。这就要求 两方面适应其快速发展一是采煤设备能力带动煤矿生产 能力的提升。集中生产,合理开拓成为矿井设计的关键, 工作面要加长,采区盘区要加大,矿井生产能力向大型 化发展,开拓方式、巷道布置要改革,以达到安全高效。 二是采煤能力加大,要求各系统和设备能力必须保证采煤 工作面能力的发挥,要求掘进速度加快,运输能力加大, 提升能力提高,通风安全水平提高,地面生产系统加大等。 因此,设计就应根据矿井的客观条件,首先正确选择采煤 工艺和技术设备并保证其高产高效安全可靠。 211 综合机械化开采是矿井设计的核心 我国综采发展迅速,目前除构造复杂和急倾斜薄及中 厚煤层的开采方法尚待解决外,综采已普及并有创新发展。 1 厚煤层一次采全高。煤厚6m以下采用一次采全高, 如神东上湾矿采用613m液压支架和大功率采运设备,达到 年产1000万t的世界先进水平。目前我国已生产7～715m 的支架。一次采全高的厚煤层实行综合机械化长壁开采回 采效率最高。 2 厚煤层综采放顶煤。在目前无法一次采全高的6m 以上的煤层采用综采放顶煤。兖矿采用最新的国产综采放 顶煤设备首创工作面年产600万t后, 2008年安家岭井工2 号井一个面年产达到1038万t。 3 薄煤层采煤。极薄煤层在018m以下,过去为不可 采的煤层,现在新汶矿区试用螺旋钻采煤可以采出一部分 煤炭。 4 连续采煤机采煤。对于不适于长壁工作面开采的地 段当顶底板条件适宜时,采用连续采煤机采煤也有很好的 效果。上湾矿采用连续采煤机年产原煤224万t,创造了世 界纪录。 5 机械化掘进。开采巷道布置在煤层中,单巷掘进采 用综掘机可达600～1000m /月。在双巷时采用连续采煤机, 进度达到2000m /月以上。巷道支护根据煤层和顶底板不同 的条件采用锚杆、锚喷、锚网喷、锚索联合等形式。 212 集中生产、合理开拓是矿井设计的关键 21211 矿井大型化 随着科技进步,矿井大型化是必然的趋势。当资源丰 富,开采条件优越时,只要配备先进设备和搞好管理就可 以产生世界水平的高产高效矿井,例如神东矿区就出现了 年产千万吨的矿井群,塔山矿井设计生产能力达到1500万 t/a,布尔台矿井设计生产能力达到2000万t/a。 在矿区总体规划中应根据储量和开采条件等因素和国 内外先进经验,在井田划分上向大型化发展。目前10km以 上走向和100～200km2面积的矿井已大量出现,以适应加 大矿井生产能力。在已生产的矿区,向深部发展时,根据 条件进行技术改造或改扩建或合并,合理地扩大井田范围, 提高矿井生产能力。 2005年神东矿区年产量突破1亿t10241万t ,形成 了年生产能力千万吨级的矿井群,生产效率达到100万t/ 工以上,位于世界先进水平前列。其实现要素为①优越 的资源赋存和开采条件;② 采用世界最先进的装备;③最 简化的开拓、高效的采掘运工艺系统和通风安全措施;④ 高素质队伍和先进管理机制;⑤ 市场和外部条件的保证。 21212 矿井生产集中化 根据地质开采条件采用先进技术,力争一井1～2个 面,条件较复杂的矿井3～4个面。同时,工作面与采区 走向或倾斜尺寸要加大,以适应集中化生产。神东矿区 已建成300～360m工作面近20个2007年 , 榆家梁一个 面达到400m长。 工作面推进长度依据构造条件确定,一般在2000～ 3000m,条件好配备最先进设备的工作面推进长度可为 4000～6000m 低瓦斯、双巷道 , 保证高产高效并提高了 采出率。 21213 开拓系统简单化 随着生产的高度集中化,开拓系统也向最简化发展。 20世纪80年代设计的济宁三号矿井,采用立井厚表土、 深井 倾斜大巷由浅而深贯穿全井田 工作面的最简 化系统。该系统提出后,得到了国内外专家的赞赏。20世 纪90年代设计的神东大柳塔采用平硐 大巷贯穿全井 田 工作面,已成为西部地区的典型开拓方式。这种简化 开拓系统不仅效率高、可靠性大、成本低,而且工程量少、 建设期短,投资少。 由于带式输送机发展很快,斜井开拓方式扩大了其使 用范围,可实现斜井开拓和地面系统最简化。 213 先进的技术与装备是现代化矿井设计的保证 21311 煤的连续化运输 1981年兴隆庄矿井实现井下全部带式输送机运行,显 2 设计技术 煤 炭 工 程 2010年第1期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 示出巨大的技术经济优越性。带式输送机的倾角一般控制 在16 ～17 以下,目前在国内外大倾角大于17的带式 输送机已开始使用,个别还用在垂直立井中。随着带式输 送机向大能力、长距离发展,根据矿井能力要求最大可达 6000～7000t/h,单机长度最大达4000～6000m,实现了煤 矿的连续化运输。 21312 矿井的辅助运输 长期以来煤矿辅助运输以矿车为主,用电机车、绞车、 无极绳等牵引,环节多、效率低。世界各种辅助运输装备 在我国都实践过,较成功的是在极缓倾斜煤层使用无轨胶 轮车进行辅助运输,可以从井底直达工作面,提高了整个 矿井效率。对倾角较大的各种辅助运输方式也在不断改进 但尚无实质性突破,有待进一步创新解决。 21313 矿井提升 随着矿井的大型化和开采深度的加大,煤矿立井提升 设备也向大型化、自动化发展。设计由采用单绳缠绕的滚 筒式绞车发展到多绳摩擦提升机。提升容器也不断加大, 提煤箕斗由3t发展到40～50t。罐笼由1m左右宽的罐笼发 展到215～318m宽的大罐笼。国产的多绳摩擦提升机最大 的在淮南张集矿井应用,设计能力400万t/a,主井装备一 对40t箕斗,采用国产的JK MD - 517 4 Ⅲ落地式多绳摩 擦提升机,滚筒直径517m,提升高度597m,电机容量 3000kW。提升电控系统由高低压供电系统,整流变压器、 励磁变压器、交 交变频全数字调速系统、提升自动控制 系统,提升信号及装卸载控制系统、通讯系统等组成,达 到了国际先进水平。 21314 信息化建设 信息化是我国加快实现工业化和现代化的必然选择, 我国煤矿信息化建设已出具成效。最突出的是神东矿区, 在我国首次完成了基于网络控制与信息技术的矿区生产与 管理综合自动化系统,该系统覆盖了矿区所有的主力矿井、 选煤厂及快速装车站,管理信息流上至神华集团领导、下 至各生产班组,形成了一个集成高效、覆盖矿区全过程的 综合管理系统,包括了矿井群煤炭生产全过程的自动化监 测、矿井生产全程自动化监控、矿区管理网络信息系统, 实现了管控一体化。大柳塔应用该系统以后,共减少一线 人员486人,全员工效提高了22 ,同时有效地杜绝了恶 性事故的发生,产生了显著的经济效益。 21315 矿井地面系统及特殊建构筑物 1 地面系统过去地面生产系统以筛分和人工拣矸系 统为主,现在根据洁净煤的原则,产业政策要求新建大中 型煤矿应配套建设相应规模的选煤厂,鼓励中小型煤矿集 中的矿区建设群矿选煤厂。地面布置根据生产、辅助生产 和行政生活三个分区和三条线管理,布置更加合理紧凑, 高度重视节约用地。 2 矿井井壁结构设计从我国几十年厚表土层井筒的 施工情况看,冻结法施工的近600个井筒,通过最厚冲积 层为737m。 3 井塔和井架设计随着大型矿井使用摩擦轮提升 机,大型井塔和井架发展很快。井塔设计最高已达8215m 济宁三号矿井 , 钢井架设计最高已达731 3m 顾桥主井 , 确保了大型提升设备的应用。为缩短工期,利用永久井架 打井,还广泛应用了落地绞车。 4 煤仓设计过去煤仓均用方格煤仓, 20世纪60年 代发展了圆筒仓,既加快了施工速度,又节约投资钢材。 随着矿井大型化,煤仓容量加大。大柳塔矿井两个煤仓, 每个圆筒仓贮量20000t,筒仓直径30m,建筑总高57185m, 保证了特大型矿井贮煤、装车的需求。 5 抗震设计 1976年唐山大地震,开滦煤矿受到严重 破坏,原煤炭部组织了8个设计院进行7处矿井、5个选煤 厂的恢复重建设计。在总结开滦抗震经验教训的基础上制 定和发布了我国第一个 煤矿工业抗震设计规定 受到全 国科技大会的奖励。 21316 煤矿设计坚持安全第一的方针 安全的设备配置、安全措施的制定已成为煤矿设计的 主要内容,严格按 煤矿安全规程 设计,近年来又增加 了安全专篇的设计。 改革开放以来,我国煤矿安全技术保障体系已基本形 成,形成了瓦斯灾害危险区域预测、瓦斯量涌出预测、瓦 斯检测与监测、瓦斯抽放四位一体的煤与瓦斯突出防治技 术相配套的综合防治措施。矿井火灾防治技术已形成了 “ 火灾监测 ” “ 堵漏 ” “ 灌浆 ” “ 均压 ”“ 阻化 ”“ 惰化 ”相 配合的防治体系。在防治水方面主排水系统设计配合探放 水工程、注浆堵水等设计。在通风设计中以选择现代化高 效通风机为主体的通风系统设计,同时进行井下防尘、防 爆、隔爆等设计。 214 重视环境保护,发展循环经济 1973年,国务院发布了关于新建工业企业的环境保护 工程与主体工程必须同时设计、同时施工、同时投产的规 定三同时 , 在进行总体设计的同时,必须提交环境影响 报告和专门环保设计章节。1992年,制定了 “ 煤炭工业环 境保护设计规范 ”煤矿、选煤厂。矿井从选址就要考虑 对周围环境的影响。设计要重点考虑地下开采后地表沉陷 及其治理的措施;固体废物主要是矸石的处治和利用; 矿井废水的处理和利用,防治水污染;各种烟尘的治理, 防治大气污染;采取各种防噪减振和绿化措施等。 近年来,各设计单位根据国际经验,从可持续发展的 观念出发,提出发展循环经济的战略方针,并把综合利用、 节能减排结合起来,设计出许多绿色煤矿。 215 加强煤矿设计技术经济工作 技术经济工作是设计工作的主要组成部分之一,实行 市场经济后,设计已由估工估料到建立定额指标体系。由 只编概算到参与建设全过程投资管理。由投资分析到项目 经济评价。 3 2010年第1期 煤 炭 工 程 设计技术 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 改革开放后,学习国外编制可研报告的经验。国家颁布 了 建设项目经济评价方法与参数 ,提高了项目决策的科 学性、可靠性。煤炭设计技术经济工作方法已与国际接轨。 216 大型煤炭基地建设规划和矿区总体规划设计 近年来,国家发改委组织设计院完成了十三个大型基 地的规划,对维护国家能源安全、满足经济社会发展需要, 调整和优化煤炭产业结构,促进资源地区经济社会发展具 有十分重要的战略意义。大型煤炭基地的建设按照循环经 济的理念,综合利用煤炭及与煤炭伴生资源,实现上下游 产业的联营。把大型煤炭基地建成煤炭调出基地,电力供 应基地、煤化工基地和资源综合利用基地,促进资源优势 转化为经济优势,带动区域经济和社会发展。同时通过总 体规划合理确定井田境界,建设规模和相关配套工程,保 障大型煤炭基地的建设。 3 矿井设计的几点建议 311 设计与地质工作结合 “ 一五 ”和 “ 大跃进 ”的经验教训告诉我们必须实事 求是,首先要抓好基础资料。例如, 1964年兖州煤田详查, 稍后又同时进行了南屯矿井的精查。从开始设计人员就参 与研究勘察设计,根据前批钻孔捣露的构造和煤层赋存情 况,提出下批钻孔调整的意见。既保证了设计所需资料的 可靠,提高了勘探和设计质量,又加快了勘察设计工作, 仅一个矿井就提前半年多还节省钻孔一万多米。受到原煤 炭部和华东公司表扬,后推广了地质和设计结合的经验。 312 调查研究和方案比选 1 设计是把先进科技成果转化为先进生产力的桥梁。 设计工作的创新,主要还是要吸收生产的先进经验,采用 制造厂家的新设备和科研部门的成果。所以 “ 没有调查就 没有发言权 ”也是设计的准则。一是通过国内外各种信息 的收集,另一是通过对国内外有关矿井的实地调查。 2 多方案比选和论证。在可靠地质资料的基础上,设 计要做多方案比选。原煤炭部曾规定主要设计原则确定至 少要有3个方案进行技术经济比较,综合论证,并使宏观 效益和微观效益,当前效益和长远效益结合,最后通过院 内外专家论证做出正确的决策。 313 应用发展理念和系统工程思想 1 矿井设计要不断发展。20世纪50年代,单个矿井 最大设计生产能力为90万 t/a 谢家集二号立井 , 60年代 为180万 t/a 范各庄立井 , 70年代为300万 t/a 兴隆庄立 井 , 80年代为500万 t/a 济宁三号井 , 90年代为1000 万 t/a 大柳塔平硐 , 21世纪前10年又先后出现了1500万 t/a 塔山平硐和2000万 t/a 布尔台斜井。设计者要注意 最新科技和生产发展,应用于设计,不断地创新,对国外 技术要引进、消化吸收、再创新。 2 矿井建设是一个庞大的系统。要全面规划,抓住关 键、综合配套、集成创新。根据矿井设计的特点,要在10 个主要方面统筹考虑,即采掘综合机械化、生产高度集中 化、开采系统最简化、煤流运输连续化、辅助运输单一化、 主要设备自动化、辅助生产机械化、地面布置合理化、监 控管理网络化和安全环保文明化等 “ 十化 ” 。使矿井各系统 协调配合,系统的各设备和设施相互匹配,达到效益包括 经济效益、环保效益、社会效益最优化。 314 加强设计管理,确保设计质量 在设计质量方面,只要认真执行ISO9000质量管理体 系就能确保设计质量。在完成设计后,必须由有经验的检 查人认真地检查全部设计。涉及多工种时应通过各工种的 会签检查来防止错误。 在设计计划上,计划不能兑现的主要问题在于没有落 实。计划必须要五落实① 基础资料落实;②设计原则落 实;③ 工种委托关系落实;④各工种人员落实;⑤时间进 度落实。 设计成果最终表现在经济上,设计院的领导应重视技 术经济工作。设计人员也应逐步懂得必要的经济知识,才 能更好提高设计水平。 315 设计与施工结合 在矿井施工过程中,设计单位派出现场代表,一方面 向施工单位交代设计意图,以保证工程质量;另一方面, 设计存在问题或条件变化时,及时修改设计。设计人员参 加关键设备的招标和订货。院领导定期到现场听取意见, 及时改进工作。投产前参加试运转、试生产。设计和施工 结合对项目控制投资,保证质量,加快建设有着十分重要 的意义。 316 坚持实践的观点 长期以来形成了一种回访的制度,在矿井投入生产后, 设计单位到矿井去回访,院组织项目负责人和专业人员对 该项目生产情况进行调查,与矿领导和职工座谈,进行总 结。一方面对存在的问题提出改进的建议;另一方面总结 经验为以后的设计提供借鉴。 因此,对每个矿井建设,设计工作应从地质勘探阶段 的结合到调研,进行多方案比较和专家论证,完成可研、 设计,在现场配合施工、参加投产前试生产运转和投入生 产后的回访总结等建设全过程。这既体现了对建设负责到 底的精神,也是通过实践 认识 再实践 再认识,不断 深化认识和提高设计水平的过程。 4 结 语 六十年来,我国矿井的设计、建设和生产取得了巨大 的进步,采用了先进的设计理念,优化煤矿开拓布局,简 化生产系统,实现了集约化生产。在这种情况下,一大批 矿井接近和达到了世界先进水平。设计人员要把现在已达 到的高水平作为新的起点,继续向前发展,不断创新,把 煤炭工业矿井设计提高到适应时代的更高水平。 责任编辑 严民杰 4 设计技术 煤 炭 工 程 2010年第1期