厚表土層千米埋深口孜東礦井開拓設(shè)計(jì)研究

王建鋒

(煤炭工業(yè)合肥設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230041)

目前我國煤礦平均開采深度超過500m，其中超過千米的有40余對，超過1200m的有7對[1]。兩淮礦區(qū)現(xiàn)有46對生產(chǎn)礦井，平均開采深度已達(dá)726m，開采深度超過800m的共有17對，均為近年來新建或改建的礦井，且主要分布在淮南礦區(qū)。口孜東礦開采深度995m，為安徽省開采最深的礦井，在兩淮乃至全國的深井中具有代表性。從現(xiàn)有生產(chǎn)礦井來看，深井同淺部井相比，開采條件更加復(fù)雜，災(zāi)害問題更加突出[2，3]。兩淮礦區(qū)的煤層賦存條件復(fù)雜、表土層厚度大、煤層埋藏深、開采系統(tǒng)復(fù)雜，在全國具有代表性，因此對兩淮礦區(qū)開采最深的口孜東礦井開拓設(shè)計(jì)研究具有重要的意義。

1 口孜東井田地質(zhì)特征

淮南煤田大部分被厚度小于800m的新生界松散層覆蓋，礦區(qū)井田水文地質(zhì)條件中等～極復(fù)雜，煤層的瓦斯含量總體為東高西低。各可采煤層均具有煤塵爆炸危險(xiǎn)性。煤的自然傾向介于容易自燃～不易自燃之間[4]。

口孜東井田位于淮南礦區(qū)西部，阜陽市以東約30km處，北起太原組一層灰?guī)r頂面露頭線，南至F1斷層，走向長7.4km，傾向?qū)?.0～7.3km，面積33.6km2。井田地表平坦，地面原始標(biāo)高介于+23.5～+27.6m之間。煤層埋藏深度介于-650～-1200m之間，且儲量主要集中于-1000m左右；構(gòu)造復(fù)雜程度為中等，含煤地層為石炭系和二疊系，礦井水文地質(zhì)類型為復(fù)雜型，工程地質(zhì)條件屬中等類型。-967m水平最低地溫高達(dá)38.8℃，已進(jìn)入二級熱害區(qū)。有煤炭資源儲量7.7億t?？谧螙|礦表土層厚度達(dá)兩淮建井史上之最，千米埋深、高地壓等特點(diǎn)突出，在兩淮礦區(qū)乃至全國具有代表性。

2 口孜東礦開拓設(shè)計(jì)

口孜東礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為5.0Mt/a，松散層厚度為426.18～687.60m，平均厚度為591.60m，主采的13-1、11-2、8、5、1煤層埋深均在1000m左右。該礦井具有松散層厚度大、煤層埋藏深、地溫高、建井井型大、建井難度大等特點(diǎn)。

2.1 井田開拓方式確定

井田開拓方式分為斜井、立井、平硐和混合式開拓[5]。兩淮礦區(qū)的井田普遍存在煤層埋藏深、表土層厚、地質(zhì)條件復(fù)雜、井筒還需采用特殊施工方法等特點(diǎn)[6]，結(jié)合口孜東井田地勢平坦、表土層巨厚的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用立井開拓。

2.2 井口位置選擇

影響口孜東礦井井口位置選擇的主要因素[7，8]有：新生界松散層厚，由東向西逐漸增厚，井筒施工難度大；井田中深部南北方向的DF1、DF14、F5斷層，深部的F1、F1-1斷層，對井口位置的選擇影響較大；F5斷層將井田分為東西兩大塊段，東部塊段較大，占全井田的79.1%(其中-967m水平以淺為70.8%)，井田儲量中心位于18—19勘探線附近；濟(jì)河從井田中東部自西向東流過，另外，多條縣級公路從南到北穿過井田，地面村莊較多，工業(yè)場地選擇受到一定的限制；鐵路專用線應(yīng)在井田東側(cè)與礦區(qū)鐵路專線接軌，進(jìn)場公路應(yīng)從井田南側(cè)的縣道引入。根據(jù)本井田構(gòu)造特點(diǎn)和煤層賦存情況，研究推薦2個(gè)方案比選。

2.2.1 方案Ⅰ

方案Ⅰ井口位于17線17-6孔北約500m處。該方案井位處表土厚度約570m，初期在工業(yè)場地內(nèi)設(shè)主井、副井和中央回風(fēng)井3個(gè)井筒；通過東、西回風(fēng)井方案必選，推薦后期在井田西翼淺部增設(shè)西回風(fēng)井。一水平標(biāo)高-967m，井底車場位于17-1煤層底板粉砂巖和細(xì)砂巖中。礦井投產(chǎn)時(shí)移交中央(13-1)采區(qū)，在采區(qū)東翼布置一個(gè)13-1煤層綜采工作面，采區(qū)生產(chǎn)能力為5.0Mt/a。該方案地面原始標(biāo)高+26.0m左右，鐵路專用線長14.09km，場外公路長2.1km。工業(yè)場地壓煤量5293.9萬t。移交井巷工程量29705m，萬噸掘進(jìn)率59.4m，建井工期59個(gè)月，井巷工程及地面鐵路專用線總投資190245.10萬元[9]。

2.2.2 方案Ⅱ

方案Ⅱ井口位于18線18-7孔西北約250m處。該方案井位處表土厚度580m，初期在工業(yè)場地內(nèi)設(shè)主井、副井和中央回風(fēng)井3個(gè)井筒，后期在F5斷層以西煤層淺部增補(bǔ)一個(gè)西風(fēng)井。一水平標(biāo)高-950m，井底車場位于13-1煤層頂板約90m的砂巖中，礦井投產(chǎn)時(shí)移交中央(13-1)采區(qū)，在采區(qū)西翼布置一個(gè)13-1煤層綜采工作面。該方案地面標(biāo)高+25.7m左右，鐵路專用線長15.03km，場外公路長約1.8km，工業(yè)場地壓煤量4866.7萬t。該方案移交井巷工程量30782m，萬噸掘進(jìn)率61.56m，工期63個(gè)月，井巷工程及地面鐵路專用線投資為192886.49萬元。

2.2.3 方案比選

1)方案Ⅰ主要優(yōu)點(diǎn)是井筒不穿斷層，施工難度小，可靠性高；工業(yè)場地壓一水平首采區(qū)煤層少；井巷工程量比方案Ⅱ少1077m，鐵路專用線約短1.0km，建井工期短4個(gè)月，投資省2641.39萬元。主要缺點(diǎn)是工業(yè)場地占據(jù)部分烏江—楊樓的022縣道，需增加改道公路0.654km；工業(yè)場地范圍內(nèi)有董莊小學(xué)及董莊的部分房屋，搬遷工作量偏大。

2)方案Ⅱ的主要優(yōu)點(diǎn)是井口位于井田儲量中心附近，有利于東西兩翼煤層的開采；壓煤量較??；后期開采F5斷層以西塊段時(shí)，通風(fēng)、運(yùn)輸距離較短；工業(yè)場地較為開闊，搬遷工作量較小。主要缺點(diǎn)是3個(gè)井筒均需穿過F1-1斷層(落差H=50m)，且表土層偏厚，增加了建井難度，不利于井筒的維護(hù)。井底車場位于F1-1和DF1斷層組成的三角地帶，巖性破碎，對千米深井而言，不利于井底車場巷道及硐室的施工與維護(hù)。工業(yè)場地壓一水平首采區(qū)煤較多，致使工作面接替較困難。鐵路專用線比方案Ⅰ約長1.0km。

綜上所述，雖然方案Ⅰ需改道現(xiàn)有公路部分路段，但該公路為一般縣級公路，標(biāo)準(zhǔn)低，通過量小，且改道部分可作為礦井貨運(yùn)公路加以利用。故本設(shè)計(jì)推薦方案Ⅰ，即井口位于17線17-6孔北約500m處[10]。

2.3 開采水平劃分

2.3.1 水平劃分影響因素

礦井開采水平的劃分應(yīng)根據(jù)煤層賦存條件、地質(zhì)條件、開采技術(shù)條件、開采技術(shù)與裝備水平、資源/儲量和生產(chǎn)能力等因素，經(jīng)綜合比較確定。根據(jù)口孜東井田具體特點(diǎn)，在水平劃分時(shí)，著重考慮以下主要因素：

1)在建井期間和投產(chǎn)后的前幾年能有效治理瓦斯及地溫；采用長壁采煤法，工作面應(yīng)有合理的有效推進(jìn)長度、應(yīng)有科學(xué)合理的區(qū)段數(shù)目[8]。參照目前高產(chǎn)高效綜采工作面的實(shí)際參數(shù)，工作面推進(jìn)時(shí)間一般應(yīng)在一年以上，區(qū)段數(shù)目以不少于5個(gè)為宜；一水平儲量及服務(wù)年合理；井底車場、井底主要硐室所在層位巖性好。

2)該井田基巖被平均厚度為591.6m的新生界松散層所覆蓋，新生屆松散層自上而下大致分為4個(gè)含水層(組)和3個(gè)隔水層(組)，根據(jù)含隔水層(組)特征，該井田可采煤層的淺部按防砂煤柱留設(shè)。經(jīng)計(jì)算，各煤層防砂煤柱高度11.1～33.65m，其中首采煤層26.5m。

2.3.2 一水平劃分方案

根據(jù)井口位置，參照臨近鉆孔資料，針對一水平設(shè)計(jì)研究提出了方案A(-900m)、方案B(-967m)、方案C(-1020m)3個(gè)方案。一水平標(biāo)高方案比較見表1。

表1 一水平標(biāo)高方案比較

綜上分析，方案A(-900m)工作面推進(jìn)長度偏短，不利于工作面穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，而且井底車場和裝載硐室的巖性都較差，不予推薦。方案C(-1020m)一水平垂高太大，瓦斯和地溫較高，達(dá)產(chǎn)時(shí)井巷工程量大、工期長。相比而言水平方案B(-967m)水平車場巖性較好，一水平儲量較大，能滿足服務(wù)年限的要求。因此，推薦一水平標(biāo)高為-967m(水平方案B)，二水平標(biāo)高暫定為-1200m。

2.4 開拓大巷設(shè)計(jì)

根據(jù)煤層的賦存狀況及采煤方法，結(jié)合開拓方式，各采區(qū)均通過石門或大巷與-967m水平井底車場聯(lián)系。淺部井一般布置軌道、運(yùn)輸、回風(fēng)三條大巷用于開拓[8]。

該礦井表土層巨厚、千米埋深、地壓大，大巷的布置應(yīng)考慮便于支護(hù)和維護(hù)，首選巖巷為宜；同時(shí)由于瓦斯治理的需要，巖巷工程多。因此，該礦井矸石率高，根據(jù)對兩淮多對礦井矸石率的統(tǒng)計(jì)分析，測算該礦井矸石率為12%，年掘進(jìn)矸石量達(dá)60萬t，如此巨大的矸石量成為井下輔助運(yùn)輸?shù)闹饕蝿?wù)。從國內(nèi)外生產(chǎn)礦井的實(shí)際情況來看，對于矸石率高的礦井，采用礦車運(yùn)矸、副井罐籠提矸成為制約其生產(chǎn)能力提高的瓶頸；而井筒箕斗提矸結(jié)合井下帶式輸送機(jī)運(yùn)矸具有運(yùn)矸連續(xù)化、提矸能力大以及減輕副井提升壓力的優(yōu)點(diǎn)，目前已被越來越多的立井采用，如德國羅森納礦、國內(nèi)的桃沖鐵礦以及銅化集團(tuán)公司新橋礦、淮南的張集煤礦、劉莊煤礦等。通過可行性分析和論證，推薦副井除裝備罐籠外，另外裝備一套9t矸石雙箕斗用于提升矸石。

目前國內(nèi)外井下輔助運(yùn)輸形式有：隔爆特殊型電池電機(jī)車、防爆低污染柴油機(jī)膠套輪齒軌卡軌車、無軌膠輪機(jī)車以及帶式輸送機(jī)等。經(jīng)分析比較，設(shè)計(jì)認(rèn)為該礦井開采深度近千米、地壓大、巷道易底鼓，巖巷工程量較大。采用帶式輸送機(jī)運(yùn)矸具有井下矸石可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化運(yùn)輸，運(yùn)輸能力大，效率高；矸石運(yùn)輸便于實(shí)現(xiàn)自動控制和自動化管理等特點(diǎn)。因此，在副井采用箕斗提矸的情況下，從帶式輸送機(jī)運(yùn)輸能力大，能實(shí)現(xiàn)從掘進(jìn)面到地面排矸的連續(xù)運(yùn)輸，自動化程度高、占用人員少、效率高等方面綜合分析，推薦井下大巷及石門矸石采用帶式輸送機(jī)運(yùn)輸，其它輔助運(yùn)輸采用蓄電池機(jī)車牽引1.5t礦車運(yùn)輸，矸石通過帶式輸送機(jī)運(yùn)至井底矸石倉[11]。

綜上所述，口孜東大巷由軌道巷、矸石帶式輸送機(jī)巷、運(yùn)煤帶式輸送機(jī)巷及回風(fēng)大巷組成，為解決厚表土千米埋深帶來的地壓大問題，大巷均布置在煤層底板巖層中[12]。從井底車場施工情況分析，厚表土千米埋深礦井巷道施工相互擾動較大，結(jié)合對兩淮礦區(qū)井下施工的研究，為減少巷道施工造成的擾動，該礦井主要巷道水平間距均按不低于50m設(shè)計(jì)，根據(jù)施工反饋情況，有效的解決了施工時(shí)巷道的擾動[13]。

礦井初期從井底車場向北布置1條軌道石門、1條運(yùn)煤帶式輸送機(jī)斜巷、1條矸石帶式輸送機(jī)石門及2條回風(fēng)石門，通過下部車場與采區(qū)上山相接。后期北翼石門繼續(xù)向北延伸，逐步進(jìn)入下部煤層[14]。礦井移交時(shí)開拓大巷布置如圖1所示。

圖1 礦井移交時(shí)開拓大巷布置

西翼從井底車場向西在巖層中布置1條軌道大巷、1條運(yùn)煤帶式輸送機(jī)斜巷、1條矸石帶式輸送機(jī)大巷及2條回風(fēng)大巷，西翼大巷延伸至F5斷層以西后掘1組石門進(jìn)入下部煤層。

和同類礦井相比，口孜東礦井下增加了一條矸石帶式輸送機(jī)大巷，并在井下設(shè)矸石倉及裝載帶式輸送機(jī)巷，副井內(nèi)設(shè)計(jì)矸石箕斗，形成矸石連續(xù)運(yùn)輸。其主要優(yōu)點(diǎn)是：解決了厚表土層及千米埋深導(dǎo)致地壓大、巷道斷面大、瓦斯治理工程巖巷多等共同造成的矸石量大問題；解決了千米深井導(dǎo)致罐籠提升效率較低等問題；增加了一條進(jìn)風(fēng)巷，減少了通風(fēng)系統(tǒng)阻力，更有利于礦井的通風(fēng)；采用帶式輸送機(jī)運(yùn)矸有利于充分發(fā)揮其運(yùn)輸能力大的優(yōu)勢，且在副井內(nèi)布置箕斗，采用箕斗提矸能實(shí)現(xiàn)從掘進(jìn)工作面到地面排矸的連續(xù)運(yùn)輸，自動化程度高、人員少、效率高，有利于現(xiàn)代化礦井的安全高效高產(chǎn)[15]。

3 采區(qū)劃分、煤層開采順序及工作面布置

3.1 采區(qū)劃分

根據(jù)口孜東井田構(gòu)造特點(diǎn)，以F5和DF11斷層為界將全井田劃分為四個(gè)主要開采塊段，F(xiàn)12—DF11斷層之間為東一開采塊段；DF12—F5斷層之間，工業(yè)場地保護(hù)煤柱線以北為中央開采塊段；西側(cè)工業(yè)場地保護(hù)煤柱線與F5斷層之間為西一采區(qū)；F5—DF3斷層之間作為西二開采塊段。根據(jù)煤層組的間距，全礦井一水平共劃分為15個(gè)分煤組采區(qū)。

3.2 煤層開采順序

口孜東井田最上部的17-1、16-1煤層較薄且不太穩(wěn)定，屬大部可采煤層。礦井投產(chǎn)時(shí)，若首采17-1、16-1煤層，則達(dá)產(chǎn)較困難，而位于這兩層煤下面的13-1煤層為礦井主要可采煤層，煤層埋藏穩(wěn)定，平均厚度為4.60m，屬全區(qū)可采煤層。若首采13-1煤層，則礦井達(dá)產(chǎn)較容易。經(jīng)過對13-1煤層開采時(shí)出現(xiàn)的垮落帶和冒裂帶高度進(jìn)行計(jì)算得出，垮落帶最大高度Hm=14.92m，冒裂帶高度為40.13～80.34m，因16-1煤層下距13-1煤層間距96.80m，大于冒裂帶高度(40.13～80.34m)，更遠(yuǎn)大于垮落帶高度14.92m，因此礦井首采13-1煤層基本不影響上覆16-1、17-1煤層的后期開采。除此之外，其余各煤層一般采取自上而下開采順序。但為解決瓦斯問題，需開采下保護(hù)層時(shí)除外；沿走向前進(jìn)式開采，即由近及遠(yuǎn)；沿傾斜方向則由淺至深。

3.3 工作面布置情況

礦井達(dá)產(chǎn)時(shí)，井下布置1個(gè)中央(13-1)采區(qū)，裝備1個(gè)13-1煤層綜采工作面，首采工作面面長310m，煤層厚度4.7m。

4 結(jié) 論

1)通過分析口孜東礦新生界松散層厚度、地面條件、儲量及地質(zhì)構(gòu)造，確定了口孜東礦井合理的井口位置及采用立井、主要石門及大巷的開拓方式，確定口孜東礦井一水平標(biāo)高為-967m。

2)針對厚表土千米埋深導(dǎo)致的地壓大、巷道施工相互擾動較大，大巷均布置在巖層中，且主要巷道水平間距不低于50m，有效地解決了施工期間的擾動。

3)依據(jù)井田深、地壓大、巷道斷面大、瓦斯治理工程巖巷多等共同造成的矸石量大的問題，確定井上下增加矸石連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)，有效的解決千米深井罐籠提升效率較低等問題，自動化程度高、人員少、效率高，對千米深井具有指導(dǎo)意義。