淮南潘謝礦區(qū)礦井安全改建及水平延深開(kāi)采方案設(shè)計(jì)

夏仕方，黎明鏡

(1.淮河能源控股集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

淮南潘謝礦區(qū)面積約為532.5km2，自1973年第一對(duì)礦井潘一煤礦開(kāi)工建設(shè)以來(lái)，陸續(xù)建成了潘二、潘三、謝橋、張集、顧橋、顧北、丁集、潘四東、朱集東等大型或特大型礦井。區(qū)內(nèi)礦井井田面積大，如顧橋礦面積91.88km2，丁集礦面積達(dá)95.66km2；煤層賦存主要特點(diǎn)為：一是第四系松散層厚，一般厚度為200～546m，呈現(xiàn)由東向西、由南向北逐漸增厚的特點(diǎn)；二是煤層多，一般含可采煤層8～18層，平均總厚度25～33m；三是煤層松軟、煤層透氣性差；四是煤層瓦斯含量高且具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，區(qū)內(nèi)絕大多數(shù)煤層具有自然發(fā)火和煤塵爆炸危險(xiǎn)性；五是開(kāi)采下組煤(A組煤)時(shí)受太灰、奧灰水害威脅。綜上，淮南潘謝礦區(qū)各礦井是典型的復(fù)雜地質(zhì)條件下高瓦斯突出煤層群開(kāi)采的礦區(qū)[1-3]。

隨著淺部資源的枯竭，礦井安全改建及水平延深關(guān)系著淮南潘謝礦區(qū)的可持續(xù)開(kāi)采，其開(kāi)采方案設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，雖然在礦井投產(chǎn)前編制的初步設(shè)計(jì)中已考慮過(guò)開(kāi)拓延深的問(wèn)題，但礦井投產(chǎn)后，隨著礦井煤層賦存狀況發(fā)生變化，設(shè)備更新?lián)Q代和行業(yè)技術(shù)進(jìn)步等因素出現(xiàn)，原礦井開(kāi)拓延深方案已不適應(yīng)當(dāng)前的生產(chǎn)方式，所以要根據(jù)實(shí)際情況重新研究，合理確定延深方案。在礦井安全開(kāi)拓設(shè)計(jì)及水平延深研究方面，唐又馳、車永才等[4，5]提出開(kāi)拓延深方案應(yīng)包括新水平的最佳位置選擇、井筒形式、合理的大巷布置方式、采區(qū)劃分方案、運(yùn)輸方式和設(shè)備類型及能力，提出以噸煤平均折算費(fèi)用為評(píng)價(jià)礦井設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化準(zhǔn)則，模擬優(yōu)選方案。嚴(yán)正方、王繼波等[6，7]提出采用系統(tǒng)工程理論根據(jù)不同礦井水平布置、通風(fēng)方式、提升及運(yùn)輸方式初選方案，用經(jīng)濟(jì)數(shù)學(xué)模型和多目標(biāo)決策方法確定最優(yōu)方案。劉亮[8]采用整體比選法中的費(fèi)用現(xiàn)值法作為具體比選方法，通過(guò)對(duì)兩個(gè)開(kāi)拓方案從建設(shè)期、生產(chǎn)期及全壽命周期三個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析比較得出優(yōu)化方案。羅文柯等[9]根據(jù)煤層賦存、頂?shù)装鍡l件、地質(zhì)構(gòu)造條件等情況，以延深水平開(kāi)拓前與開(kāi)拓后為時(shí)間區(qū)段，分別應(yīng)用多種現(xiàn)有區(qū)域預(yù)測(cè)技術(shù)與方法進(jìn)行開(kāi)采水平、新采區(qū)和工作面的突出危險(xiǎn)性區(qū)域分析，為延深水平開(kāi)拓前科學(xué)防突設(shè)計(jì)提供一定參考。王維明、趙明、黃華等[10-15]工程技術(shù)人員分別針對(duì)不同礦區(qū)延深開(kāi)拓開(kāi)展了有益的實(shí)踐探索，從充分利用已有的井巷工程節(jié)約工程量、減小采動(dòng)影響等方面確定了相應(yīng)設(shè)計(jì)原則。綜上所述，國(guó)內(nèi)外已有研究少見(jiàn)類似淮南潘謝礦區(qū)高瓦斯突出煤層群條件下的開(kāi)拓延深工程，針對(duì)該礦區(qū)礦井目前的采區(qū)接替情況和現(xiàn)有的生產(chǎn)系統(tǒng)，以充分利用資源為目標(biāo)，科學(xué)設(shè)計(jì)礦井延深方式、塊段及采區(qū)劃分、各煤層(組)瓦斯治理模式、防治水方案以及采區(qū)系統(tǒng)巷道布置，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下高瓦斯突出煤層群安全高效開(kāi)采有重要意義。

1 淮南潘謝礦區(qū)礦井開(kāi)拓方式現(xiàn)狀

淮南潘謝礦區(qū)煤田位于黃淮平原，含煤地層主要為二疊系山西組和上、下石盒子組，可采煤層自下而上分為A、B、C、D、E五組，礦區(qū)除南北兩翼少部分地層外，其余均被新生界松散層所覆蓋，淮南礦區(qū)煤層特征見(jiàn)表1。因此，礦區(qū)內(nèi)建成的礦井均采用立井開(kāi)拓。

表1 淮南礦區(qū)煤層特征

自20世紀(jì)80至90年代相繼建成的潘一、潘三及謝橋等礦井，投產(chǎn)早期設(shè)計(jì)大多采用了中央并列式通風(fēng)方式，隨著資源開(kāi)采范圍不斷變化，礦井安全改建及水平延深后變更為兩翼對(duì)角式通風(fēng)方式，即中央工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)布置主、副井，回風(fēng)井布置在井田兩翼上部。當(dāng)前淮南潘謝礦區(qū)礦井主采煤層為B組煤，主要礦井開(kāi)拓方式概況見(jiàn)表2。

表2 淮南潘謝礦區(qū)礦井開(kāi)拓方式概況

2 安全改建及二水平延深設(shè)計(jì)

2.1 開(kāi)拓延深方式及井口位置

開(kāi)拓延深方式設(shè)計(jì)需要充分考慮礦井的地質(zhì)條件、開(kāi)拓開(kāi)采現(xiàn)狀、井上下關(guān)系，以及延深水平施工對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)水平影響程度等因素，確保礦井穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展。結(jié)合淮南潘謝礦區(qū)表土層厚度大、煤層多且大部分為突出煤層等特點(diǎn)，同時(shí)考慮到不干擾現(xiàn)有生產(chǎn)水平，最終確定了潘謝礦區(qū)部分礦井延深方式：

1)主提升：考慮到礦井生產(chǎn)能力不增加，為減少投資，對(duì)近距離煤層群采用暗斜井延深方式。為減少中間裝載環(huán)節(jié)，新增井底煤倉(cāng)，延長(zhǎng)裝載帶式輸送機(jī)巷，新建的暗斜井直接與煤倉(cāng)搭接。如張集煤礦二水平暗主斜井，在原井底煤倉(cāng)的北側(cè)增加一個(gè)井底煤倉(cāng)，其上口標(biāo)高-485m，將現(xiàn)有的裝載帶式輸送機(jī)巷延長(zhǎng)至新煤倉(cāng)下口，東、西兩翼暗主斜井由新設(shè)煤倉(cāng)上口直接延深至二水平。

2)輔助提升：考慮到不影響一水平生產(chǎn)，減少輔助運(yùn)輸環(huán)節(jié)，采用新建第二副井方案，該方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是增加副井提升系統(tǒng)，能夠滿足二水平開(kāi)拓初期大量矸石的提升；二是較暗立井、暗斜井延深，易于揭煤，系統(tǒng)簡(jiǎn)單。當(dāng)前潘謝礦區(qū)已進(jìn)行開(kāi)拓延深的礦井均采用了此方式。

3)風(fēng)井：風(fēng)井的延深方式可根據(jù)通風(fēng)需要合理選擇，現(xiàn)有回風(fēng)井回風(fēng)能力能夠滿足回風(fēng)要求，則采用暗斜井延深，若井田面積大，現(xiàn)有回風(fēng)井不能滿足要求，需要進(jìn)行安全改建，選擇新建回風(fēng)井。如張集煤礦中央?yún)^(qū)二水平回風(fēng)采用暗斜井延深方式，但其井田面積大，為滿足礦井通風(fēng)需要，在礦井東翼又增補(bǔ)了1進(jìn)1回兩個(gè)井筒。

考慮到二水平延深后的開(kāi)拓布局基本與一水平一致，為減少工業(yè)廣場(chǎng)壓煤量，新建二水平副井一般選擇在現(xiàn)有的工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)；安全改建井筒位置根據(jù)壓覆煤量、井上下條件及通風(fēng)需求，擇優(yōu)選擇。

2.2 開(kāi)拓部署

2.2.1 水平劃分與標(biāo)高

二水平大巷及水平標(biāo)高的確定主要考慮如下原則：依據(jù)首采區(qū)及系統(tǒng)巷道層位，以煤層頂?shù)装鍘r性為考察條件，合理確定二水平大巷層位及水平標(biāo)高，優(yōu)選大巷、井底車場(chǎng)巷道及主要硐室位于較好的巖層中，有利于施工和維護(hù)，減少初期井巷工程量，縮短建設(shè)工期。

如顧橋礦二水平首采區(qū)選擇了東區(qū)東一11-2煤層，該采區(qū)系統(tǒng)巷道主要布置在11-2煤頂板砂巖層位，雖增大了聯(lián)巷工程量，但實(shí)踐表明巷道維護(hù)成本較其他巖性顯著降低。

2.2.2 大巷布置

采區(qū)系統(tǒng)巷道應(yīng)結(jié)合一水平采區(qū)系統(tǒng)巷道布置情況，盡量與一水平采區(qū)系統(tǒng)巷道上下偏置大于3倍巷道半徑，避免各煤層開(kāi)采相互影響。另外，采區(qū)系統(tǒng)巷道還應(yīng)盡可能布置在礦井永久煤柱內(nèi)，提高資源回收率。

2.2.3 塊段及采區(qū)(盤區(qū))劃分

基于地質(zhì)資料，結(jié)合礦區(qū)廣泛應(yīng)用二維地震、高分辨率三維地震勘探技術(shù)測(cè)試成果，對(duì)礦井進(jìn)行塊段及采區(qū)(盤區(qū))劃分。如，潘三礦安全改建及二水平延深設(shè)計(jì)前，組織科研單位和地質(zhì)勘探技術(shù)隊(duì)伍對(duì)全井田資源進(jìn)行精細(xì)化探測(cè)，根據(jù)不同煤層的地質(zhì)構(gòu)造分布，將礦井二水平劃分了107個(gè)綜采塊段，其中C組煤綜采塊段64個(gè)，劃分為3個(gè)采區(qū)(盤區(qū))；B組煤綜采塊段43個(gè)，劃分為4個(gè)采區(qū)(盤區(qū))。

2.3 井筒斷面

井筒的數(shù)量、用途根據(jù)礦井實(shí)際需要，多方面進(jìn)行比較選擇最優(yōu)方案。安全改建及二水平延深新建井筒斷面設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足多用途要求，主要依據(jù)輔助運(yùn)輸方式、井筒裝備、通風(fēng)能力來(lái)合理確定。如顧橋礦新建第二副井，考慮了矸石運(yùn)輸、瓦斯抽采、后期A組煤開(kāi)采應(yīng)用高阻力液壓支架和大型采煤機(jī)的運(yùn)輸斷面要求，裝備了箕斗和罐籠兩套提升容器，其斷面最終確定為8.6m。

2.4 采區(qū)系統(tǒng)巷道布置

淮南潘謝礦區(qū)煤層分為A、B、C三個(gè)煤層組，各煤層組瓦斯治理模式及防治水方案存在較大差異，對(duì)采區(qū)系統(tǒng)巷道布置有重要影響。

2.4.1 C組煤

淮南潘謝礦區(qū)C組煤主采煤層有11-2、13-1兩層煤，瓦斯治理模式是將11-2煤層作為保護(hù)層開(kāi)采，11-2煤層采煤工作面采用頂(底)板抽采巷穿層鉆孔及順層鉆孔預(yù)抽消突的瓦斯治理措施，即在11-2煤采掘活動(dòng)前，位于突出危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的煤巷掘進(jìn)采用穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯，回采工作面采用穿層鉆孔(順層鉆孔)預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯的區(qū)域綜合防突措施。

潘三礦二水平東一C組煤采區(qū)采用“一面三巷、一巷多用”的瓦斯治理方式，其采用11-2煤頂板巷施工下向鉆孔掩護(hù)煤層工作面巷道掘進(jìn)，同時(shí)該巷道亦作為頂板巷抽采13-1煤卸壓瓦斯。因此，潘三礦C組煤采區(qū)系統(tǒng)巷道一般都是聯(lián)合布置，位于兩層煤之間，前期可布置4條巷道，為主運(yùn)輸上山、輔助運(yùn)輸上山、矸石運(yùn)輸上山及回風(fēng)上山，后期可根據(jù)采掘需要，增補(bǔ)回風(fēng)系統(tǒng)。顧橋礦東區(qū)東一采區(qū)則采用11-2煤底板巷施工上向抽采鉆孔掩護(hù)煤層工作面巷道掘進(jìn)，C組煤系統(tǒng)采用分層布置，即在11-2煤底板、13-1煤底板分別布置采區(qū)系統(tǒng)巷道。潘三礦二水平東一C組煤采區(qū)系統(tǒng)巷道布置如圖1所示。

圖1 潘三礦二水平東一C組煤采區(qū)系統(tǒng)巷道布置(m)

2.4.2 B組煤

淮南礦區(qū)B組煤有4、5、6、7、8煤等主要可采煤層，為近距離煤層群，各礦B組煤層間距存有較大差異，因此瓦斯治理模式以煤層間距為約束條件，綜合優(yōu)選開(kāi)采上覆煤層或下伏煤層作為保護(hù)層。

張集礦二水平東一B組煤采區(qū)，煤層間距為5～17m，皆為突出煤層，煤層之間難以布置采區(qū)系統(tǒng)巷道，僅6煤底板、8煤頂板能夠布置采區(qū)系統(tǒng)。因此張集礦選擇8煤層上覆的9煤作為保護(hù)層，在開(kāi)采9煤前，在6煤底板布置抽采巷，抽采6—8煤卸壓瓦斯。9煤作為一個(gè)采區(qū)，共布置3條系統(tǒng)巷道，分別為軌道巷、運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷，其中軌道巷利用11-2煤采區(qū)軌道巷及延長(zhǎng)段，6—8煤層聯(lián)合開(kāi)采，系統(tǒng)巷道布置在6煤底板。張集礦二水平東一9煤采區(qū)系統(tǒng)巷道布置如圖2所示。

圖2 張集礦二水平東一9煤采區(qū)系統(tǒng)巷道布置

丁集煤礦二水平西翼B組煤僅賦存8煤及5-1煤層，7-2、4-2和4-1煤缺失，且8煤與5-1煤平均間距在40.5m，能夠布置采區(qū)系統(tǒng)巷道，因此選擇5-1煤層作為關(guān)鍵保護(hù)層先行開(kāi)采，上保護(hù)8煤，在5煤層底板布置底抽巷施工穿層鉆孔掩護(hù)5-1煤工作面巷道掘進(jìn)，在5-1煤層頂板布置高抽巷施工上向穿層鉆孔抽采8煤卸壓瓦斯。5-8煤層聯(lián)合開(kāi)采，系統(tǒng)巷道布置在5煤頂、底板。丁集礦二水平西翼B組煤采區(qū)系統(tǒng)巷道布置如圖3所示。

圖3 丁集礦二水平西翼B組煤采區(qū)系統(tǒng)巷道布置

2.4.3 A組煤

A組煤巷道布置受瓦斯治理模式及防治水方案的雙重影響。設(shè)計(jì)采用“水與瓦斯共治”模式，瓦斯治理采用在A煤底板布置底板抽采巷，掩護(hù)工作面巷道掘進(jìn)及預(yù)抽工作面瓦斯；防治水利用A組煤底板抽采巷，采用區(qū)域超前探查治理垂向?qū)ǖ琅c井下疏水降壓相結(jié)合的方式。

設(shè)計(jì)A組煤采區(qū)系統(tǒng)布置5條巷道，即在A組煤層頂板布置軌道巷、排矸帶式運(yùn)輸機(jī)巷；沿煤層布置專用回風(fēng)巷；在A組煤層底板布置運(yùn)煤帶式運(yùn)輸機(jī)巷、排矸帶式運(yùn)輸機(jī)巷。采煤工作面采用“一面五巷”布置，即兩條煤巷，兩條A組煤層底板巷，一條頂板高抽巷。A組煤采區(qū)系統(tǒng)巷道布置如圖4所示。

1—煤層回風(fēng)上山；2—底板運(yùn)輸上山；3—頂板軌道上山；4—底板矸石運(yùn)輸上山；5—頂板矸石運(yùn)輸上山； 6—區(qū)段煤倉(cāng)；7—工作面回風(fēng)巷；8—工作面回風(fēng)巷底板抽采巷；9—頂板抽采巷；10—工作面運(yùn)輸巷底板抽采巷；11—工作面運(yùn)輸巷圖4 A組煤采區(qū)系統(tǒng)巷道布置

3 結(jié) 論

針對(duì)淮南潘謝礦區(qū)表土層厚、煤層多、煤層埋藏深、瓦斯含量高、透氣性差、地壓大的地質(zhì)特征，提出了復(fù)雜地質(zhì)條件下高瓦斯突出煤層群開(kāi)采礦區(qū)礦井安全改建及水平延深的設(shè)計(jì)方法。

1)礦井主提升優(yōu)選暗斜井延深方式，通過(guò)新增井底煤倉(cāng)，延長(zhǎng)裝載帶式運(yùn)輸機(jī)巷，使新建的暗斜井直接與煤倉(cāng)搭接，減少了中間裝載環(huán)節(jié)；輔助提升優(yōu)選新建第二副井方案；風(fēng)井延深方式主要根據(jù)井田面積大小，以滿足通風(fēng)要求為目標(biāo)優(yōu)選新建立井或暗斜井方式。

2)開(kāi)采水平劃分以大巷、井底車場(chǎng)巷道及主要硐室的層位選擇為主要考察條件，優(yōu)選位于煤層頂?shù)装遢^好的巖層中，有利于施工和維護(hù)。

3)采區(qū)系統(tǒng)巷道布置須考慮A、B、C各煤層組瓦斯治理模式及防治水方案差異，貫徹一巷多用的設(shè)計(jì)理念，形成分類布置方法。