黃蒿界煤礦副井井筒形式方案比選

袁 泉

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

礦井開拓形式選擇的合理與否對項目建設期投資、工期和生產期運行效率、運營成本會產生較大影響[1-3]。在我國優(yōu)質煤炭賦存區(qū)，相當一部分井田首采煤層埋深在400 m左右，在此埋深條件下礦井采用立井或斜井開拓都是可行的[4-6]。因此井筒形式的選擇應充分結合井筒穿過地層情況，同時要經過技術條件、經濟投入、運營費用和建設方使用習慣等多方面因素綜合比較后再確定。

黃蒿界煤礦作為榆橫礦區(qū)(南區(qū))規(guī)劃區(qū)的主力礦井，為發(fā)揮陜北地區(qū)作為國家優(yōu)質能源主產區(qū)的作用，保障全國經濟穩(wěn)定發(fā)展對能源的需求，同時帶動和促進地區(qū)相關產業(yè)發(fā)展，提高人民生活水平，加快建設黃蒿界煤礦具有積極意義。目前，黃蒿界煤礦已進入陜西省煤炭工業(yè)“十四五”發(fā)展規(guī)劃開發(fā)序列，為保證項目早日建成投產，實現(xiàn)綜合效益最大化的建設目標，確定經濟合理的井田開拓方式至關重要。

1 工程概況

1.1 井田概況

黃蒿界井田位于榆林市橫山區(qū)和靖邊縣，距離榆林市區(qū)約90 km。礦井設計生產能力3.00 Mt/a。井田內地形總體表現(xiàn)為中部高，東、西部低，海拔標高+1 090～+1 414 m，最高點位于井田西南部的大路灣山梁，最低點位于東部蘆河河道內。地質鉆孔揭露的地層由上而下依次為第四系(Q)、白堊系下統(tǒng)洛河組(K1l)、侏羅系中統(tǒng)安定組(J2a)、直羅組(J2z)、延安組(J2y)，侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)，三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組(T3w)等。井田為南北走向，自東向西傾斜的單斜構造，地層傾角0.5°～0.8°。地質構造簡單，水文地質條件屬于中等型。井田內含兩層可采煤層，其中3號煤為主要可采煤層，可采厚度在1.72～2.90 m，平均厚度2.36 m，煤層埋藏深度在350～580 m，埋深最淺處位于井田東部大沙淤溝河道處。

1.2 井口位置與礦井工業(yè)場地選址

根據井口位置與礦井工業(yè)場地選址原則，立足于井下開拓簡單，首采區(qū)開采技術條件優(yōu)越，外部運輸距離短等原則，共提出3處工業(yè)場地選址方案，分別為井田東部、中部、西部場地方案。通過對各場地方案從土地性質、地形地貌、煤層埋深、建井條件、外部條件等方面進行了綜合比較，確定礦井工業(yè)場地選址位于井田東部。擬選工業(yè)場地位于井田東南部，靠近靖神鐵路和榆靖公路，場地標高+1 175 m左右，3號煤層標高+790 m左右，煤層埋深約385 m。經現(xiàn)場踏勘，工業(yè)場地周邊地表基本被黃土覆蓋，直立性較好，場地北部溝底有基巖出露，工業(yè)場地周邊地質情況如圖1所示。

圖1 工業(yè)場地周邊地質情況實拍Fig.1 Geological conditions around the industrial site

場地周邊鉆孔資料顯示，該區(qū)域地表主要為第四系黃土層，厚度約55.0 m，主要含水層白堊系洛河組厚度約48.6 m。表土及洛河組地層富水性中等，穩(wěn)定基巖段巖層穩(wěn)定，富水性弱。工業(yè)場地附近地質鉆孔揭露地層特征見表1。

表1 工業(yè)場地附近鉆孔地層特征Table 1 Stratigraphic characteristics of boreholes near industrial sites

2 副井井筒形式方案

工業(yè)場地附近3號煤層埋深小于400 m。本井田有2個主要含水層，分別為第四系黃土層和白堊系洛河組砂巖含水層，均為中等富水性含水層。若采取立井開拓，可采用普通法施工[7-9]。若采取斜井開拓，含水層厚度適中；采用普通法施工，井筒通過洛河組風化基巖段時增加壁后注漿，加強管理也可以實現(xiàn)，且各含水層相互之間無水力聯(lián)系，因此采用斜井在技術上也是合理的[9-11]。因此，礦井采用立井、斜井開拓方式均可行。參考類似地質條件礦井建設經驗，對礦井開拓方案進行綜合分析，確定主井采用 16°傾角斜井，回風井采用立井(凈直徑6.5 m)是最經濟合理的。結合煤層賦存條件、生產能力、井下裝備水平和建設單位使用習慣等因素，副井井筒形式提出3個比選方案，即大傾角軌道斜井(20°)、緩坡斜井(6°)和大斷面立井。

2.1 大傾角軌道斜井方案

2.1.1 方案主要特征

地面及井下采用無軌運輸，輔助材料、設備及車輛在井口吊裝固定于平板車上，通過絞車牽引平板車下放至井底車場，在井底車場內設井下?lián)Q裝硐室，經換裝后由無軌膠輪車運送至井下各作業(yè)地點。建設單位下屬的麻黃梁煤礦(年生產能力240萬t)采用大傾角軌道副斜井，多年來運行效果良好，積累了豐富的管理經驗，值得繼續(xù)推行。軌道斜井井口標高為+1 176.0 m，傾角為20°，井底標高為+783 m，全長為1 149 m，垂深為393 m；井筒凈寬為5.2 m，凈斷面18.9 m2。井筒采用雙鉤串車提升的方式，鋪設900 mm軌道，全礦井共配備44輛各類無軌膠輪車，以滿足輔助運輸需求。地面設置提升機房，選用2JK-4×2.1型雙卷筒纏繞式提升機一臺，卷筒直徑4.0 m，卷筒寬度2.1 m；提升機采用交流變頻電動機拖動，功率560 kW，轉速494 r/min，提升速度3.45 m/s。施工方法按普通法考慮，局部富水地段可增加壁后注漿。表土段采用400 mm厚雙層鋼筋混凝土砌碹支護，穩(wěn)定基巖段采用錨噴支護，噴射厚度120 mm。為提高軌道副斜井提升效率，在主斜井井筒內裝備循環(huán)式架空乘人裝置，皮帶機與架空乘人裝置之間通過柵欄網隔開，人員上下井由主斜井乘坐架空乘人裝置；同時增加地面專用投料孔工程，水泥、沙子等顆粒材料直接由鉆孔投放至井下。

2.1.2 方案主要優(yōu)缺點

主要優(yōu)點：①主、副斜井井筒落底距離近，井底附近生產系統(tǒng)布置集中，利于管理；②采用大傾角斜井施工，可快速通過水文地質條件復雜地層，適應性強；③斜井維護、檢修方便；④建設單位在大傾角軌道斜井使用上管理經驗豐富，值得繼續(xù)推行。

主要缺點：①采用軌道運輸，增加了井上下運輸的換裝環(huán)節(jié)，運輸連續(xù)性相對較低；②副斜井作為主要進風井，過風斷面較小，不利于后期增大風量。

2.2 緩坡斜井方案

2.2.1 方案主要特征

緩坡副斜井在蒙陜地區(qū)淺埋深礦井中應用較為廣泛，具有運輸連續(xù)性好、無轉載環(huán)節(jié)等優(yōu)點，地面材料、裝備等可通過無軌膠輪車直達井下各作業(yè)地點。根據《煤礦井下輔助運輸設計規(guī)范》相關規(guī)定，無軌膠輪車運行的傾斜巷道傾角不宜大于 6°。從井筒工程量角度考慮，井筒傾角采用6°，較5.5°的長度減少340 m。同時，礦井最大件下井設備(液壓支架)重量約為37 t，設備重量不大。因此從建設投資和運營成本角度考慮，井筒傾角采用6°較為合理。緩坡斜井井口標高為+1 176.0 m，井底標高為+783 m，傾角為6°，總長4 372 m(含平段)，垂深393 m。井筒凈寬5.6 m，凈斷面21.3 m2。選用各種型號無軌膠輪車50輛以滿足礦井輔助運輸需求。施工方法按普通法考慮，局部富水地段可增加壁后注漿。表土段采用400 mm厚雙層鋼筋混凝土砌碹支護，穩(wěn)定基巖段采用錨噴支護，噴射厚度120 mm。

2.2.2 方案主要優(yōu)缺點

主要優(yōu)點：①緩坡斜井可實現(xiàn)井上下直達運輸，無中轉環(huán)節(jié)，運輸連續(xù)性高；②主、副斜井井筒落底距離近，利于管理。

主要缺點：①緩坡斜井井筒長達4.3 km，施工工期較長；若遇到強含水層，破碎巖段等復雜地質條件時，適應性差，工期難以保證；②緩坡斜井作為主要進風井，柴油無軌膠輪車長時間運行產生大量尾氣，進風質量差，且通風距離長，增加通風阻力。

2.3 大斷面立井方案

2.3.1 方案主要特征

立井井口標高為+1 176.0 m，井底車場標高為+788.0 m，井筒垂深418.0 m(含30 m井底水窩)，井筒凈直徑9.0 m，凈斷面積63.58 m2，井筒內設置一套提升系統(tǒng)，即寬罐籠+窄罐籠提升系統(tǒng)。全礦井共配備44輛各類無軌膠輪車，以滿足輔助運輸需求。提升機選用JKMD-5×4(Ⅲ)型多繩摩擦式1臺，采用交流變頻電動機直聯(lián)拖動，電動機選用功率3 300 kW，提升速度8.90 m/s。地面布置立井井架，井架高度35.8 m。施工方法按普通法考慮，表土及洛河組風化基巖段采用鋼筋混凝土砌碹支護，穩(wěn)定基巖段采用素混凝土砌碹支護。

2.3.2 方案主要優(yōu)缺點

主要優(yōu)點：①立井井筒施工速度快，開鑿投入較少，若遇不良地層，可使用凍結法或者其他特殊鑿井法，施工適應性強，施工工期有保障；②一般5～8 t的無軌車輛無需換裝，可直接進罐，井筒內運行時間短，可節(jié)約輔運設備投資及輔運人員數量；③副立井井筒斷面較大，有利于礦井通風。

主要缺點：①主斜井井筒落底位置較副井井底車場距離遠，約1.2 km，不利于各井筒落底后快速貫通；②采用罐籠提升，運輸環(huán)節(jié)較多，運送大型設備時需要換裝；③立井提升系統(tǒng)安裝、維護、檢修較復雜，費用較高。

3 副井井筒形式方案對比

3.1 可比經濟投資

從井巷工程量、土建工程費用、設備安裝費用等可比投資項目進行經濟對比，井筒均按普通法施工考慮，各方案可比經濟投資對比詳見表2。經可比經濟投資對比，大傾角軌道斜井可比投資較緩坡斜井節(jié)省4 403萬元，較大斷面立井節(jié)省5 682萬元。

表2 各方案可比經濟投資對比Table 2 Comparison of economic investment of each scheme

3.2 運營費用

從能耗、人員薪酬、設備更新及維修費用等方面對各方案年運營費用進行對比，詳見表3。由表3的年運營費用對比可知，大傾角軌道斜井運營費用較緩坡斜井節(jié)省461.5萬元/年，較大斷面立井節(jié)省258.3萬元/年。

表3 各方案年運營費用對比Table 3 Comparison of the annual operating costs of each scheme

3.3 副井井筒形式確定

通過對黃蒿界煤礦副井井筒形式3個方案從技術條件、可比投資和運營費用等方面綜合對比，大傾角軌道斜井在可比投資、運營費用方面較其他2個方案有明顯優(yōu)勢，且井筒施工難度小、工期短。雖然井筒內采用絞車提升，軌道運輸，增加了井上下運輸的換裝環(huán)節(jié)，運輸連續(xù)性相對較低，但是采取地面投料孔向井下直接投放水泥、沙子等固體顆粒材料，人員上下井由主斜井乘坐架空乘人裝置，可大幅提高井筒運輸效率，完全可滿足生產使用要求。同時，建設單位在大傾角軌道斜井運營、管理上具有豐富經驗。因此，黃蒿界煤礦副井井筒采用大傾角軌道斜井方案。

4 結語

礦井開拓系統(tǒng)和井筒形式的確定，必須結合實際地質條件，并充分吸取區(qū)域成功經驗和建設方使用要求。通過對比分析確定最經濟、合理、可靠的技術方案，保證煤礦從建設施工到后期生產運營始終處于最佳運行狀態(tài)。黃蒿界煤礦副井井筒形式的分析對比過程，對今后類似條件礦井開拓方式的合理選擇具有一定借鑒意義。