固賢煤礦工業(yè)場地位置選擇及開拓方案設(shè)計(jì)

高 峰

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001)

近年來，山西省為了進(jìn)一步推進(jìn)晉北、晉中、晉東三大煤炭基地提質(zhì)，大力發(fā)展大型、特大型煤礦，在離柳礦區(qū)規(guī)劃新建了固賢礦井，礦井建設(shè)規(guī)模為8.0Mt/a。在礦井的設(shè)計(jì)過程中，礦井工業(yè)場地位置選擇及井田開拓設(shè)計(jì)是礦井設(shè)計(jì)和建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-4]，直接影響到礦井建設(shè)工程量、初期投資和建設(shè)速度，以及礦井投產(chǎn)后能否盡快達(dá)產(chǎn)、高產(chǎn)高效及安全生產(chǎn)等[5-10]。為此，本文以固賢礦井為設(shè)計(jì)背景，根據(jù)固賢煤礦地面實(shí)際情況、煤層賦存條件和開采技術(shù)條件、采煤方法等因素，本著合理開發(fā)、簡化開拓系統(tǒng)、減少井巷工程量、保證礦井生產(chǎn)采區(qū)正常接替等原則，經(jīng)過多種方案比選后，最終確定固賢礦井工業(yè)場地位置選擇及井田開拓方式，實(shí)現(xiàn)資源利用最大化，為煤礦可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，也為類似條件及周邊同類礦井的設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒[11-15]。

1 礦井概況

固賢礦井為離柳礦區(qū)規(guī)劃新建礦井之一，位于山西省興縣境內(nèi)，行政區(qū)劃隸屬于興縣固賢鄉(xiāng)、蔚汾鎮(zhèn)、奧家灣鄉(xiāng)管轄。井田面積124.39km2，礦井建設(shè)規(guī)模為8.0Mt/a，服務(wù)年限77.6a。井田北距興縣縣城約20km，井田西側(cè)約10km有呼北高速G59南北向通過，井田西側(cè)約15km有晉中南鐵路和S218省道南北向通過，井田北側(cè)有S85和S313公路；井田北西側(cè)為肖家洼井田，西北方向約10km處有肖家洼裝車站。井田與外部交通條件如圖1所示。

圖1 井田與外部交通條件

本井田位于呂梁山脈西北部，區(qū)內(nèi)除南部固賢～蘇家溝出露少量基巖外其余全部為黃土和紅土覆蓋，井田內(nèi)溝谷走向大致為東西向，地形復(fù)雜，溝梁交錯(cuò)，切割強(qiáng)烈，溝谷多呈“V”字型，地勢總體為東高西低，最高點(diǎn)位于井田中東部田家會(huì)東北的山梁上，海拔標(biāo)高為1458.6m，最低點(diǎn)位于西北部官莊村南溝中，標(biāo)高為1176.6m，相對高差282m，以地貌形態(tài)和成因類型可劃分為剝蝕構(gòu)造變質(zhì)巖中山地形，剝蝕溶蝕灰?guī)r中低山地形，構(gòu)造剝蝕低山丘陵地形和侵蝕堆積河流谷地四個(gè)地貌形態(tài)。

本井田地層走向近南北，井田北部傾向西南，南部傾向西北，總體為一向西傾斜的單斜構(gòu)造，傾角一般8°～19°。井田內(nèi)沒有巖漿巖侵入，地表和鉆探過程中也未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造和陷落柱，地表常見滑坡現(xiàn)象。本井田內(nèi)構(gòu)造簡單，屬構(gòu)造簡單的第一類。井田內(nèi)的可采煤層主要為山西組的4、8號煤層和太原組的13號煤層，可采煤層特征見表1。

1)4號煤層位于山西組上部第一旋回，上距K4砂巖1.98～36.56m，平均16.07m。區(qū)內(nèi)全部可采，煤層厚度為0.60～3.28m，平均2.25m，屬中厚煤層。煤層橫向連續(xù)性較好，厚度變異系數(shù)為35%，屬穩(wěn)定大部可采煤層。4號煤層結(jié)構(gòu)簡單，含1～2層夾矸，煤層頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖砂巖為主，局部有炭質(zhì)泥巖偽頂；底板巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，常含植物根化石，局部為細(xì)粒砂巖、粉砂巖。

表1 可采煤層特征一覽表

2)8號煤層位于山西組底部，8號煤層上距4號煤層34.48～53.00m，平均43.74m，下距K3砂巖4.16～24.44m，平均10.55m。煤層厚度為0～2.38m，平均0.93m，井田北部不可采，南部可采，為較穩(wěn)定大部可采煤層。該煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層較厚時(shí)含1～2層夾矸，頂板以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，局部有炭質(zhì)泥巖偽頂、底板以泥巖砂質(zhì)泥巖為主，局部為砂巖和粉砂巖。

3)13號煤層位于太原組中下部，煤層厚度全區(qū)變化不大，厚度11.99～15.43m，平均值為14.15m，厚度變異系數(shù)為6%，井田南部較薄，北部較厚，屬穩(wěn)定全區(qū)可采煤層。含0～8層夾矸，夾矸總厚度0～1.25m，單層夾矸厚度最大0.45m，夾矸巖性主要為炭質(zhì)泥巖、泥巖、粘土巖，屬中等結(jié)構(gòu)煤層。煤層直接頂板為泥灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖，局部為砂巖；老頂為中粗粒砂巖。底板主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部存在碳質(zhì)泥巖偽頂。

綜上分析，該井田地質(zhì)構(gòu)造簡單，可采煤層賦存穩(wěn)定，煤層厚度較大，煤層結(jié)構(gòu)簡單。礦井地質(zhì)條件較好，水文地質(zhì)條件屬簡單—中等型，為礦井開拓開采提供了有利的條件，有利于礦井建設(shè)高產(chǎn)高效的現(xiàn)代化大型礦井。

2 井口與工業(yè)場地位置的選擇

2.1 影響井口和工業(yè)場地位置的主要因素

1)地面地形條件。該井田地形條件較為復(fù)雜，溝梁交錯(cuò)，切割強(qiáng)烈。地勢總體為東高西低，中東部田家會(huì)東北的山梁為地形最高點(diǎn)，西北部官莊村南溝為地形最低點(diǎn)。因此，所選場地應(yīng)盡量布置在相對平坦處，場地布置應(yīng)結(jié)合地形地勢，以減少場地平整工程量，且所選場地應(yīng)能夠滿足礦井生產(chǎn)建設(shè)需要。

2)煤層賦存條件。井田地層總體為一向西傾斜的單斜構(gòu)造，井田東部煤層埋深淺，向西部逐漸加深。井田可采煤層共三層，居中的8號煤層在09號勘探線以北不可采。井田東北邊界處為煤層露頭區(qū)，煤層埋深淺，瓦斯含量低。因此，場地選址及井口位置確定應(yīng)與煤層賦存條件相結(jié)合，初期開采區(qū)應(yīng)盡量布置在煤層埋藏的淺部、瓦斯含量低、煤層賦存穩(wěn)定且厚度適中、開采條件好的區(qū)域。礦井生產(chǎn)能力大，初期開采區(qū)域的選擇應(yīng)為礦井盡快達(dá)產(chǎn)創(chuàng)造有利的條件。

3)煤炭產(chǎn)品流向及運(yùn)輸因素。根據(jù)發(fā)改能源〔2010〕1223號國家發(fā)展改革委關(guān)于山西省離柳礦區(qū)總體規(guī)劃的批復(fù)：“礦區(qū)生產(chǎn)的煤炭產(chǎn)品，主要經(jīng)國鐵岢(嵐)—瓦(塘)線、太(原)—中(衛(wèi))—銀(川)線、規(guī)劃建設(shè)的晉中南鐵路通道和地方鐵路孝(義)—柳(林)線外運(yùn)”。井田西側(cè)有晉中南鐵路、S218和G59高速公路，井田北側(cè)有S85和S313公路?，F(xiàn)晉中南鐵路已建設(shè)完成，該井田煤炭產(chǎn)品擬由該鐵路外運(yùn)。井田北西側(cè)為肖家洼礦井，肖家洼礦井建有鐵路裝車站一座，該礦井?dāng)M利用該裝車站外運(yùn)產(chǎn)品煤。場地選址及井口位置應(yīng)盡量靠近擬利用裝車系統(tǒng)，以降低外部運(yùn)輸基建投資。

4)基本農(nóng)田及環(huán)保因素。工業(yè)場地選擇盡可能不占用基本農(nóng)田，且場地選擇應(yīng)符合當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保政策。

5)勘探因素。井田呈不規(guī)則長條狀南北向展布，南北長約18km，東西寬約2.5km，面積45.18km2。井田中部區(qū)域鉆孔密集，勘探程度高，北部區(qū)域鉆孔數(shù)量相對較少，南部區(qū)鉆孔數(shù)量稀少。井口位置及初期開采區(qū)應(yīng)盡量位于勘探程度相對較高的區(qū)域。

2.2 礦井工業(yè)場地方案的提出

通過對井口和工業(yè)場地位置的主要影響因素分析，井田地形條件復(fù)雜，僅溝谷兩側(cè)有相對平坦的地形可供用作礦井工業(yè)場地。根據(jù)礦井實(shí)際條件，井田南部溝谷狹窄且勘探程度低，無適合地點(diǎn)作為礦井工業(yè)場地，初步設(shè)計(jì)確定井田中北部的兩處場地作為礦井工業(yè)場地。

1)方案一：田家會(huì)場地。該場地基本位于井田中部，場地平坦開闊，沿溝谷可供布置場地的范圍較大，地面平場工程量相對較小，地形標(biāo)高+1280～+1300m，該場地所處溝谷自西向東地形標(biāo)高+1260～+1340m，場地中部13號煤層底板標(biāo)高+600m，溝谷自西向東13號煤層底板標(biāo)高+550～+950m。

2)方案二：官荘村場地。該場地位于井田北部東邊界附近的官荘村東西兩側(cè)，場地地形條件相對開闊，在官荘村東西兩側(cè)可考慮布置礦井工業(yè)場地，該場地地形標(biāo)高+1175～+1195m，場地處13號煤層底板標(biāo)高+750m，該場地煤層埋深相對方案一淺。

2.3 礦井工業(yè)場地方案比選

2.3.1 方案一(田家會(huì)場地)優(yōu)缺點(diǎn)

1)田家會(huì)場地主要優(yōu)點(diǎn)：地面條件平坦、開闊，場地平整工程量小(挖方量22.35萬m3，填方量15.75萬m3，擋護(hù)工程量5080m3)，地面布置容易；場地位于井田中部，基本位于儲(chǔ)量中心，有利于礦井開拓布局；礦井投產(chǎn)初期所囊括的4、8、13號煤層可采儲(chǔ)量約27000萬t，服務(wù)年限達(dá)26a，礦井投產(chǎn)初期囊括的煤層資源量豐富，服務(wù)年限長；礦井工業(yè)場地、進(jìn)場公路均位于本井田范圍內(nèi)，不占其他礦井資源。

2)田家會(huì)場地主要缺點(diǎn)：工業(yè)位場地位于4、13號煤層的可采范圍內(nèi)壓煤量(約2200萬t)較大；距離肖家洼裝車站較遠(yuǎn)，外部鐵路運(yùn)輸距離長，外運(yùn)鐵路建設(shè)投資高。

2.3.2 方案二(官荘村場地)優(yōu)缺點(diǎn)

1)官荘村場地主要優(yōu)點(diǎn)：與肖家洼裝車站距離近，外部鐵路運(yùn)輸距離短，建設(shè)投資低；場地位于煤層淺埋區(qū)，具備斜井開拓的條件。

2)官荘村場地主要缺點(diǎn)：大部分工業(yè)場地、進(jìn)場公路均位于肖家洼礦井井田范圍內(nèi)，需留設(shè)保護(hù)煤柱，并對所占肖家洼礦井資源進(jìn)行賠償，容易產(chǎn)生糾紛，不易實(shí)現(xiàn)；地面條件略差，地形相對狹窄，場地平整工程量大(挖方量70.75萬m3，填方量68.80萬m3，擋護(hù)工程量25670m3)，地面布置難度較大；場地位于井田東北角，對全井田而言位置較偏，由于井田南北長達(dá)18km，礦井中后期井下主、輔運(yùn)輸距離過長，不利于全井田的開拓布局；礦井投產(chǎn)時(shí)的開采區(qū)域勘探程度較低，需補(bǔ)充勘探；礦井投產(chǎn)初期所囊括的4、13號煤層可采儲(chǔ)量約14000萬t，服務(wù)年限13.5a，礦井投產(chǎn)初期囊括的煤層資源量較少，服務(wù)年限較短。

綜上所述，方案一和方案二各有利弊：方案一(田家會(huì)場地)主要優(yōu)點(diǎn)在于場地平坦開闊、平場工程量小且位于井田儲(chǔ)量中心；主要缺點(diǎn)在于場地位于4、13號煤層的可采范圍內(nèi)，壓煤量較大；方案二(官荘村場地)主要優(yōu)點(diǎn)在于鐵路專線線路相對較短；主要缺點(diǎn)在于場地大部分進(jìn)場公路均位于肖家洼礦井井田范圍內(nèi)，場地平整工程量較大。因此，從場地位于井田儲(chǔ)量中心有利于全井田開拓布局、礦井投產(chǎn)初期囊括的煤層資源量足夠大、服務(wù)年限足夠長、并不占鄰近礦井資源等因素綜合考慮，最終確定采用方案一，即：田家會(huì)工業(yè)場地方案。

3 井田開拓方案設(shè)計(jì)

根據(jù)確定的田家會(huì)工業(yè)場地，結(jié)合井田煤層賦存條件、當(dāng)前煤炭開采技術(shù)的發(fā)展水平等因素，考慮了采用“斜立混合開拓+無軌運(yùn)輸”的井田開拓方案，即：采用斜立混合的開拓方式，初期采用無軌膠輪車運(yùn)輸。移交生產(chǎn)時(shí)在主工業(yè)場地布置主斜井、副立井，在風(fēng)井場地布置4號回風(fēng)立井、13號回風(fēng)立井，共四個(gè)井筒。

3.1 開拓部署及采區(qū)劃分

根據(jù)井田形狀及煤層賦存特點(diǎn)，在主采的13號煤層中，于井田中部沿煤層走向南北方向布置一組開拓大巷，將井田分為東、西兩翼。然后分別在井田中部、北部及南部適當(dāng)位置沿各煤層傾向布置上、下山，形成在井田中部南北向設(shè)開拓大巷、東西兩翼設(shè)上下山采區(qū)的開拓布局。全井田設(shè)一個(gè)主水平來完成井田范圍內(nèi)所有煤層的開拓開采，主水平設(shè)于13號煤層中，標(biāo)高+600m。全井田劃分34個(gè)采區(qū)，初期開采井田中部的上、下山采區(qū)。

3.2 初期井巷設(shè)置

3.2.1 井筒設(shè)置

礦井移交生產(chǎn)時(shí)在礦井工業(yè)場地布置主斜井、副立井，在風(fēng)井場地布置4號回風(fēng)立井、13號回風(fēng)立井，共布置四個(gè)井筒。

1)主斜井傾向近正東，傾角18°，斜長1414.0m，凈寬5.5m，凈斷面積20.13m2，落底于13號煤層底板下方約40m處。主斜井裝備帶寬1800mm鋼繩芯帶式輸送機(jī)及用于膠帶檢修的架空人車裝置，主要擔(dān)負(fù)礦井煤炭提升任務(wù)，兼輔助進(jìn)風(fēng)井及安全出口。

2)副立井井筒直徑為10.0m，凈斷面積78.54m2，垂深720m(提升高度685m)，落底于13號煤層底板下方約35m處。裝備兩套提升系統(tǒng)：一套為一個(gè)非標(biāo)大罐籠和一個(gè)平衡錘；一套為一個(gè)非標(biāo)交通罐籠和一個(gè)平衡錘。大罐籠承擔(dān)全礦井人員、普通材料、長材、設(shè)備、無軌膠輪車的提升任務(wù)，小型設(shè)備、材料等采用無軌膠輪車運(yùn)輸，液壓支架等大型設(shè)備置于無軌膠輪支架拖車上由無軌膠輪多功能車牽引將其放置于大罐籠內(nèi)下井，支架鏟運(yùn)車、多功能牽引車需拆解后方可進(jìn)罐下井。交通罐籠只擔(dān)負(fù)礦井零散人員提升以及急救提升任務(wù)。副立井為礦井的主要進(jìn)風(fēng)井和安全出口。

3)4號回風(fēng)立井凈直徑5.5m，凈斷面積23.76m2，垂深340m，落底于4號煤層底板，裝備臺(tái)階、扶手，擔(dān)負(fù)礦井投產(chǎn)初期開采4、8號煤層的回風(fēng)任務(wù)，兼作礦井的安全出口。

4)13號回風(fēng)立井凈直徑6.0m，凈斷面積28.27m2，垂深440m，落底于13號煤層頂板，裝備封閉梯子間，擔(dān)負(fù)礦井投產(chǎn)初期開采13號煤層的回風(fēng)任務(wù)，兼作礦井的安全出口。

3.2.2 初期主要巷道設(shè)置

1)主斜井落底后，在主斜井落底點(diǎn)附近，沿13號煤層偽傾斜方向(大致為東南至西北方向)布置一組1301上山巷道。1301上山巷道底部通過13煤北翼輔運(yùn)大巷與副立井溝通；1301上山巷道頂部通過13號煤倉與主斜井溝通，通過回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷與13號回風(fēng)立井溝通，形成了礦井投產(chǎn)時(shí)13號煤層首采區(qū)1301采區(qū)的主、輔運(yùn)輸、通風(fēng)、排水等系統(tǒng)。

2)在13號煤1301上山巷道上方布置一組401上山巷道。401上山巷道底部通過4煤輔運(yùn)斜巷與副立井溝通；401上山巷道頂部通過4號煤倉與主斜井溝通，通過回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷與4號回風(fēng)立井溝通，形成了礦井投產(chǎn)時(shí)4號煤層首采區(qū)401采區(qū)的主、輔運(yùn)輸、通風(fēng)、排水等系統(tǒng)。

3)井下主運(yùn)輸采用帶式輸送機(jī)。礦井投產(chǎn)初期輔助運(yùn)輸采用防爆無軌膠輪車運(yùn)輸方式；后期開采井田南部資源時(shí)煤層傾角較大，采用無軌膠輪車與無極繩連續(xù)牽引車相結(jié)合的輔助運(yùn)輸方式。

3.3 “斜立混合開拓+無軌運(yùn)輸”開拓方案優(yōu)點(diǎn)

1)“斜立混合開拓+無軌運(yùn)輸”開拓方案在井下開拓巷道部署方面充分結(jié)合井田外形尺寸、地形地貌、煤層賦存等因素，在主采的13號煤層中，于井田中部沿煤層走向南北方向布置一組開拓大巷，將井田分為東、西兩翼。然后分別在井田中部、北部及南部適當(dāng)位置沿各煤層傾向布置上、下山，形成中間開拓大巷、兩翼上下山采區(qū)的開拓布局。

2)“斜立混合開拓+無軌運(yùn)輸”開拓方案雖然初期投資略高，但是主斜井開拓可實(shí)現(xiàn)采掘工作面至地面的連續(xù)運(yùn)輸，運(yùn)輸效率高，帶式輸送機(jī)提升能力大、提升富余量大等諸多優(yōu)點(diǎn)；井下輔助運(yùn)輸采用無軌膠輪車也存在運(yùn)輸效率高，方便靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié) 語

通過分析固賢煤礦地面地形情況、煤層賦存條件、外部建設(shè)條件、煤炭產(chǎn)品流向及運(yùn)輸因素、基本農(nóng)田及環(huán)保因素、勘探情況等因素，提出2個(gè)工業(yè)場地方案，詳細(xì)分析了各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定了田家會(huì)場地作為礦井工業(yè)場地，并在田家會(huì)工業(yè)場地基礎(chǔ)上提出采用“斜井+立井”混合開拓方式，初期輔助運(yùn)輸采用無軌膠輪車運(yùn)輸。并采用在井田中部沿煤層走向南北方向布置一組開拓大巷，將井田分為東、西兩翼，然后分別在井田中部、北部及南部適當(dāng)位置沿各煤層傾向布置上、下山，形成在井田中部南北向設(shè)開拓大巷、東西兩翼設(shè)上下山采區(qū)的開拓布局。該設(shè)計(jì)簡化了開拓系統(tǒng)，減少了井巷工程量，有利于安全開采，保證礦井生產(chǎn)采區(qū)正常接替。