磁窯溝煤礦13號(hào)煤層水平延深開(kāi)采技術(shù)方案設(shè)計(jì)

黃 華

(山西省晉神能源有限公司，山西 河曲 036500)

山西省晉神能源有限公司磁窯溝煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120萬(wàn)t/a，后提升產(chǎn)能為240萬(wàn)t/a。批準(zhǔn)開(kāi)采煤層為8—14號(hào)煤層，其中可采煤層有4層，分別為10-1、10-2、11、13號(hào)煤層，其余為不可采煤層。礦井目前正在回采10-2號(hào)煤層，10-2號(hào)煤層已基本回采完畢，即將開(kāi)采下部的11號(hào)煤層，但11號(hào)煤層揭露可采范圍小、可采儲(chǔ)量少，10-2號(hào)煤層剩余部分及11號(hào)煤層僅能保證礦井3～4a的接續(xù)，接續(xù)比較緊張。為了保證磁窯溝礦井可持續(xù)發(fā)展，需要提前部署礦井二水平13號(hào)煤層開(kāi)拓開(kāi)采的延深設(shè)計(jì)工作[1-8]。

1 礦井開(kāi)采技術(shù)條件

磁窯溝煤礦井田地質(zhì)構(gòu)造中等，礦井地層總體形態(tài)為一煤層整體走向接近南北向、傾向向西的單斜構(gòu)造，并伴有寬緩的褶曲，煤層賦存的自然條件為高度機(jī)械化開(kāi)采創(chuàng)造了便利條件。開(kāi)采條件比較簡(jiǎn)單。水文地質(zhì)條件為中等，煤層瓦斯含量較低，屬低瓦斯礦井，但該煤層的自然發(fā)火周期比較短，有煤塵爆炸危險(xiǎn)性。

磁窯溝煤礦13號(hào)煤層煤炭資源儲(chǔ)量比較豐富，13-1號(hào)和13號(hào)煤層的工業(yè)資源儲(chǔ)量為13966.3萬(wàn)t，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量為7913.12萬(wàn)t。13號(hào)煤層埋藏比較淺，埋藏深度為200m左右，屬于淺埋深煤層，地溫較低。煤層傾角一般不大于6°，煤層厚度較大、賦存相對(duì)比較穩(wěn)定，局部有分叉。13-1號(hào)煤層為13號(hào)煤層的分叉煤層，屬于穩(wěn)定的大部分可采煤層，13-1號(hào)煤層平均厚度為4.47m；13號(hào)煤層是礦井的主要開(kāi)采煤層，為穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層，平均厚度為11.58m。13號(hào)煤層位于太原組下部，分層區(qū)內(nèi)13號(hào)煤層的厚度2.90～19.40m，上距13-1號(hào)煤層0.85～9.05m，平均3.03m；合并區(qū)內(nèi)煤層厚度9.12～19.40m，平均12.25m，上距11號(hào)煤層2.45～51.80m，平均26.89m，上距10-2號(hào)煤層平均32.36m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單—極復(fù)雜，含夾矸0—9層。13號(hào)煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖；底板為泥巖，局部為砂質(zhì)泥巖?？刹擅簩犹卣饕?jiàn)表1。

表1 可采煤層特征

2 13號(hào)煤層延深開(kāi)拓影響因素分析

1)13-1號(hào)及13號(hào)煤層與上部的10-2號(hào)煤層距離的影響。礦井現(xiàn)有的三條斜井目前均施工至10-2號(hào)煤層，并在10-2號(hào)煤層中布置有完善的開(kāi)拓、開(kāi)采、運(yùn)輸、供水、排水、供電等系統(tǒng)，13號(hào)煤層延深開(kāi)拓應(yīng)優(yōu)先考慮利用現(xiàn)有的井巷工程及其他生產(chǎn)和安全設(shè)施。

2)對(duì)礦井現(xiàn)有生產(chǎn)的影響分析。由于該礦10-2號(hào)煤層正在開(kāi)采，13號(hào)煤層延深開(kāi)拓勢(shì)必會(huì)對(duì)現(xiàn)行生產(chǎn)產(chǎn)生一定影響。由于礦井目前的生產(chǎn)任務(wù)比較緊張，要求設(shè)計(jì)方案全面考慮整體規(guī)劃，盡量減少對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)的影響。

3)地面設(shè)施對(duì)延深開(kāi)拓的影響分析。礦井地面有村莊、季節(jié)性河流等，水平延深大巷布置時(shí)應(yīng)該充分利用原來(lái)留設(shè)的各類保護(hù)煤柱，最大限度減少大巷煤柱損失。

4)工作面推進(jìn)長(zhǎng)度對(duì)大巷布置的影響分析。為了井下綜合機(jī)械化設(shè)備的充分發(fā)揮，要求工作面的的推采長(zhǎng)度不宜太短，井下大巷布置時(shí)應(yīng)盡量加大每個(gè)盤(pán)區(qū)走向長(zhǎng)度，減少工作面搬家倒面次數(shù)。

3 13號(hào)煤層水平延深開(kāi)拓方案

礦井目前集中開(kāi)采上部的10-2號(hào)煤層，三條斜井在10-2號(hào)煤層中落底后布置開(kāi)拓、開(kāi)采系統(tǒng)，接續(xù)開(kāi)采下部的13-1號(hào)及13號(hào)煤層時(shí)，可以延深三條斜井至13號(hào)煤層中再布置開(kāi)拓、開(kāi)采系統(tǒng)；但考慮到其距離上部的10-2號(hào)煤層間距一般在30～40m，也可以利用現(xiàn)有的主斜井、回風(fēng)斜井及開(kāi)拓大巷，通過(guò)布置暗斜井的方式將13號(hào)煤層的煤流運(yùn)輸、回風(fēng)系統(tǒng)連接到現(xiàn)有的系統(tǒng)中，副斜井由于需要滿足無(wú)軌膠輪車的運(yùn)行要求，所以采用延深井筒的方式。根據(jù)以上實(shí)際條件形成的基本原則，針對(duì)13-1號(hào)及13號(hào)煤層的賦存特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)分析研究礦井的生產(chǎn)現(xiàn)狀后，集中提出以下三個(gè)水平延深布置方案。

3.1 方案一：副斜井延深和暗斜井相結(jié)合

方案一采用副斜井井筒直接延深和暗斜井相結(jié)合的方式，即直接延深副斜井、新掘主暗斜井和回風(fēng)暗斜井。由于13-1號(hào)及13號(hào)煤層距離上部開(kāi)采的10-2號(hào)煤層平均為35m左右，本著充分利用現(xiàn)有井巷工程、減少投資、盡量不影響礦井正常生產(chǎn)的原則。方案一完全利用現(xiàn)有的主斜井作為13號(hào)煤層開(kāi)采的主斜井。在現(xiàn)有10-2號(hào)煤層北集中輔運(yùn)大巷約542m處(磁窯溝村保護(hù)煤柱內(nèi))向井田東方向布置一條主暗斜井，采用矩形斷面，凈寬5.4m，凈高3.85m，凈斷面20.8m2，主暗斜井傾角16°，斜長(zhǎng)約180m，落底于13號(hào)煤層，裝備一條帶式輸送機(jī)，暗斜井內(nèi)設(shè)有臺(tái)階、扶手，兼做進(jìn)風(fēng)井和安全出口。

在現(xiàn)10-2號(hào)煤層北輔運(yùn)大巷512m處(磁窯溝村保護(hù)煤柱內(nèi))開(kāi)口向井田東、西北方向各布置一條回風(fēng)暗斜井，向井田東方向的為1號(hào)回風(fēng)暗斜井，向井田西北方向的為2號(hào)暗斜井，回風(fēng)暗斜井傾角16°、凈寬5.4m，凈高4.0m，凈斷面21.6m2、斜長(zhǎng)分別為141m、133m，落底于13號(hào)煤層，設(shè)有臺(tái)階、扶手，兼作安全出口。

副斜井直接以5.5°傾角向下延深至13號(hào)煤層，井筒凈寬5.4m，凈高4.2m，凈斷面19.55m2，延深后副斜井斜長(zhǎng)1281.0m(其中已有1038m，延伸243m)，運(yùn)輸方式采用無(wú)軌膠輪車運(yùn)輸，擔(dān)負(fù)全礦井的輔助運(yùn)輸任務(wù)，同時(shí)兼做礦井的進(jìn)風(fēng)井和安全出口。

利用現(xiàn)有的10-2煤層北主運(yùn)大巷作為北集中主運(yùn)大巷，利用10-2煤層北輔運(yùn)大巷作為北輔運(yùn)大巷。利用10-2煤層北回風(fēng)大巷作為北回風(fēng)大巷。

向井田東方向的主暗斜井及1號(hào)回風(fēng)暗斜井進(jìn)入13號(hào)煤層后，沿煤層向東布置一組盤(pán)區(qū)大巷至井田東部的JC3鉆孔附近，考慮到井田東北部塊段的開(kāi)采，后期在東部盤(pán)區(qū)大巷的末端向北、東方向分別布置一組開(kāi)拓大巷，三組大巷開(kāi)拓井田東部的煤層；西側(cè)的2號(hào)回風(fēng)暗斜井進(jìn)入13號(hào)煤層后，在煤層中向西北方向布置一組盤(pán)區(qū)大巷至西部井田邊界保護(hù)煤柱線，開(kāi)拓開(kāi)采井田西部的煤層。在盤(pán)區(qū)大巷的南北翼直接布置回采工作面，完成對(duì)13-1及13號(hào)煤層回采，工作面均沿煤層走向布置。方案一開(kāi)拓延深巷道布置方案如圖1所示。

圖1 方案一開(kāi)拓延深巷道布置平面圖

工業(yè)場(chǎng)地南部塊段由于受上部10-2號(hào)煤層積水的影響，初期暫不考慮開(kāi)采，待后期回收工業(yè)廣場(chǎng)及井筒保護(hù)煤柱時(shí)統(tǒng)一進(jìn)行回采。

3.2 方案二：斜井延深(a)

方案二采用斜井延深的方式。將主斜井、副斜井、回風(fēng)斜井延深至13號(hào)煤層中，保持井筒斷面不變，主斜井延深傾角為15°，延深長(zhǎng)度為130m；副斜井以5.5°傾角向下延深243m；回風(fēng)斜井以22°傾角向下延深128m。在13號(hào)煤層中分別向南、北各布置一組大巷(一條帶式輸送機(jī)大巷、一條輔助運(yùn)輸大巷、一條回風(fēng)大巷)。南部大巷掘至ZK9鉆孔附近即可，滿足工業(yè)場(chǎng)地南部塊段的工作面回采；北部大巷掘至磁窯溝保護(hù)煤柱內(nèi)，再分別沿13號(hào)煤層向東、西布置盤(pán)區(qū)大巷，考慮到井田東北部塊段的開(kāi)采，后期在東部盤(pán)區(qū)大巷的末端向東北方向布置一組開(kāi)拓大巷。在盤(pán)區(qū)大巷的一翼直接布置回采工作面，完成對(duì)13-1號(hào)及13號(hào)煤層回采，工作面基本煤層沿走向布置。方案二開(kāi)拓延深巷道布置如圖2所示。

3.3 方案三：斜井延深(b)

方案三同樣采用斜井延深的方式。將主斜井、副斜井、回風(fēng)斜井延深至13號(hào)煤層中，井筒延深斷面及長(zhǎng)度同方案二，在13號(hào)煤層中分別向南、北各布置一組大巷(一條帶式輸送機(jī)大巷、一條輔助運(yùn)輸大巷、一條回風(fēng)大巷)。南部大巷掘至井田南部邊界，滿足南部塊段的工作面回采，工作面沿煤層傾斜方向布置在南部大巷一側(cè)；北部大巷掘至東山梁村保護(hù)煤柱內(nèi)，再分別沿13號(hào)煤層向井田東、西布置盤(pán)區(qū)大巷，回采工作面沿煤層走向布置在盤(pán)區(qū)大巷一側(cè)。方案三開(kāi)拓延深巷道布置如圖3所示。

圖2 方案二開(kāi)拓延深巷道布置平面圖

圖3 方案三開(kāi)拓延深巷道布置平面圖

4 三個(gè)方案技術(shù)與經(jīng)濟(jì)比選

4.1 技術(shù)比選

4.1.1 方案一優(yōu)缺點(diǎn)

1)方案一優(yōu)點(diǎn)：工作面推進(jìn)長(zhǎng)度長(zhǎng)，一般在1400～2000m之間，能夠充分發(fā)揮綜采設(shè)備的優(yōu)勢(shì)；工程量較省、工期短，且不需要對(duì)主斜井及回風(fēng)斜井延深改造，對(duì)礦井的正常生產(chǎn)影響較??；井下大巷布置多在村莊及磁窯溝的煤柱內(nèi)，減少了煤量損失，提高了煤炭資源回收率；工作面數(shù)量較少，既減少了搬家倒面次數(shù)，又降低了工作面兩巷之間的煤柱損失；工作面涌水基本都可以自流進(jìn)入大巷，除132盤(pán)區(qū)需要布置盤(pán)區(qū)排水系統(tǒng)外，其余兩個(gè)盤(pán)區(qū)的涌水均可自流進(jìn)入井底水倉(cāng)，有利于礦井開(kāi)采安全；井下輔助運(yùn)輸系統(tǒng)順暢，減少了無(wú)軌膠輪車折返次數(shù)。

2)方案一缺點(diǎn)：井下煤流運(yùn)輸環(huán)節(jié)多、初期煤流有少量折返運(yùn)輸；大巷巖石工程量多。

4.1.2 方案二優(yōu)缺點(diǎn)

1)方案二優(yōu)點(diǎn)：工作面推進(jìn)長(zhǎng)度長(zhǎng)，一般在1400～2000m之間，能夠充分發(fā)揮綜采設(shè)備的優(yōu)勢(shì)；盤(pán)區(qū)大巷直接與集中大巷連接，大巷巖石工程量少；工作面數(shù)量少，既減少了搬家倒面次數(shù)，又降低了工作面雙巷道之間的煤柱損失；工作面涌水基本都可以自流進(jìn)入大巷，除132盤(pán)區(qū)需要布置盤(pán)區(qū)排水系統(tǒng)，其余兩個(gè)盤(pán)區(qū)的涌水均可自流進(jìn)入井底水倉(cāng)，有利于礦井開(kāi)采安全；井下輔助運(yùn)輸系統(tǒng)順暢，減少了無(wú)軌膠輪車折返次數(shù)。

2)方案二缺點(diǎn)：初期需要延深主斜井、回風(fēng)斜井，需要在13號(hào)煤層中重新布置一組南北大巷，初期投產(chǎn)時(shí)井巷工程量大、投資高、工期長(zhǎng)，對(duì)礦井的正常生產(chǎn)影響大；主要井筒改造延深期間會(huì)造成礦井停產(chǎn)，影響較大；大巷壓煤量大；初期煤流有少量折返運(yùn)輸；運(yùn)輸環(huán)節(jié)多，井下煤流運(yùn)輸需要經(jīng)過(guò)三次轉(zhuǎn)載。

4.1.3 方案三優(yōu)缺點(diǎn)

1)方案三優(yōu)點(diǎn)：具有運(yùn)輸轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)少、無(wú)煤流折返運(yùn)輸、受采空區(qū)威脅相對(duì)較小等優(yōu)點(diǎn)。

2)方案三缺點(diǎn)：工作面推進(jìn)長(zhǎng)度一般在600～1500m左右，工作面搬家倒面的次數(shù)多、雙工作面巷道煤柱損失煤量相對(duì)較大；初期需要延深主斜井、回風(fēng)斜井，會(huì)造成礦井停產(chǎn)，同時(shí)需要在13號(hào)煤層中重新布置一組南北大巷，初期投產(chǎn)時(shí)井巷工程量大、投資高、工期長(zhǎng)，對(duì)礦井的正常生產(chǎn)影響大；副斜井延深工程量大，且后期輔助運(yùn)輸系統(tǒng)不順暢，無(wú)軌膠輪車折返次數(shù)多。

4.2 經(jīng)濟(jì)比選

以上提出的三種方案通過(guò)對(duì)工作面數(shù)量、回采儲(chǔ)量、施工工期、井筒工程量、新增大巷工程量、工作面巷道工程量及井巷投資等各方面進(jìn)行了綜合比較，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 三種方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

通過(guò)方案對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，方案一井筒施工工程量少，可利用現(xiàn)有10-2號(hào)煤層巷道，新增大巷工程量少，井巷投資相比方案二、方案三相對(duì)較少，且按方案一布置工作面可采出更多的煤炭資源，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 方案確定

通過(guò)上述的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)與數(shù)據(jù)分析比較，方案一整體建設(shè)工期較短[9-15]，能夠充分利用原10號(hào)煤層系統(tǒng)，不需要對(duì)井筒進(jìn)行改造，新掘巷道工程量及投資金額相對(duì)較少，損失的煤量少，采出的煤量相對(duì)較多，而且在建設(shè)期間不影響10號(hào)煤層正常生產(chǎn)接續(xù)，最終確定設(shè)計(jì)采用方案一。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)深入研究礦井二水平13號(hào)煤層的開(kāi)采技術(shù)條件，對(duì)提出的三種方案進(jìn)行了細(xì)致的分析和對(duì)比，最終確定采用方案一，即：該方案保留了10-2號(hào)煤層部分大巷作為二水平水平延深13號(hào)煤層開(kāi)采的運(yùn)輸、輔助運(yùn)輸、回風(fēng)大巷，充分利用已有的井巷工程，實(shí)現(xiàn)了建設(shè)期間對(duì)上水平的生產(chǎn)接續(xù)不造成影響，提高了施工效率，又縮短了施工工期，同時(shí)也節(jié)約了投資資金，達(dá)到了在保障安全的前提下，提高礦井經(jīng)濟(jì)效益的目的。