復(fù)雜礦井安全高效開采設(shè)計研究

章 磊，王 勇

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

兩淮煤炭國家規(guī)劃礦區(qū)煤礦經(jīng)過幾十年高強度開采，淺部優(yōu)質(zhì)資源逐步枯竭，生產(chǎn)礦井?dāng)?shù)目由2012年的116對減至2020年的40對，其中關(guān)閉了16對大中型礦井。為確保礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展，開采逐步向深部轉(zhuǎn)移，近十年來新建了朱集東、朱集西、口孜東等一批大中型礦井，同時實施了一批改建項目，積累了豐富的基建經(jīng)驗[1-5]。此外兩淮礦區(qū)煤礦具有地壓大、瓦斯治理難度大、地溫高等特點，經(jīng)過幾十年科技攻關(guān)，逐步形成一套適合兩淮礦區(qū)災(zāi)害治理的關(guān)鍵技術(shù)[6-11]。信湖礦井設(shè)計生產(chǎn)能力3.00Mt/a，為淮北礦區(qū)首個千米深井，開采技術(shù)條件復(fù)雜。集團公司各采煤工作面單產(chǎn)均偏低，均不及2.00Mt/a，如單產(chǎn)維持現(xiàn)有水平，信湖礦井將維持2個綜采工作面和8個以上掘進工作面的生產(chǎn)格局，在籍人數(shù)將達(dá)2000人以上，采掘地點多以及井下人員多勢必帶來較大的安全生產(chǎn)壓力。因此從開拓、開采設(shè)計等方面進行研究，從設(shè)計源頭上確保生產(chǎn)系統(tǒng)簡單、高效及可靠，實現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)。

1 井田概況

信湖井田位于淮北礦區(qū)渦陽區(qū)的西端，地面標(biāo)高一般+30.00～+31.00m；井田東西寬約9km，南北走向長約20km，面積為114.3432km2。井田總體上為一走向近南北、西傾的單斜構(gòu)造，地層傾角6°～22°，構(gòu)造復(fù)雜程度為中等。煤層埋藏標(biāo)高-500～-1500m，共有可采煤層7層，其中，3、81和82為主要可采煤層，平均厚度分別為1.15m、3.11m和2.74m，以焦煤和1/3焦煤為主，共有煤炭資源儲量8.2億t。

2 礦井開拓設(shè)計

2.1 開拓方式

信湖井田被F1斷層(落差500～1200m)、F9斷層(落差70～260m)切割成中央?yún)^(qū)(F9斷層以南，F(xiàn)1斷層以西)、東區(qū)(F9斷層以南，F(xiàn)1斷層以東)和北區(qū)(F9斷層以北)3個開采塊段，如圖1所示。東區(qū)和北區(qū)開采條件復(fù)雜，且煤層主要賦存在-1000m以深；中央?yún)^(qū)構(gòu)造相對簡單，開采技術(shù)條件較好，且本井田可采儲量及一水平儲量主要集中在中央?yún)^(qū)，因此初期開采中央?yún)^(qū)。鑒于煤層均賦存在-500m以深，且新生界松散層厚362.00～662.00m，因此采用立井、分區(qū)開拓、集中出煤的開拓方式。

圖1 82煤層底板等高線

2.2 中央?yún)^(qū)井口位置選擇

中央?yún)^(qū)井口位置選擇主要考慮以下因素：①新生界松散層厚362.00～662.00m，從東向西逐漸增厚；②淺部受太灰影響，一水平標(biāo)高只能選擇在-800m以淺，一水平可采儲量達(dá)不到設(shè)計規(guī)范要求30年的服務(wù)年限，因此井口位置宜選擇在中深部，盡量減少一水平壓煤；③根據(jù)煤層賦存條件，81采區(qū)宜作為首采區(qū)，因此井口位置應(yīng)靠近81采區(qū)，同時兼顧82接替采區(qū)；④井筒、車場應(yīng)盡量避開斷層等構(gòu)造帶，工業(yè)場地和鐵路盡量避開村莊、公路及河流。綜合以上因素，設(shè)計2個方案進行比選。

2.2.1 方案Ⅰ

井口位于16線1孔西北約450m，后路沿村附近。該方案地面原始標(biāo)高+31.5m，表土厚460m。工業(yè)場地內(nèi)設(shè)主、副和中央回風(fēng)井3個井筒，一水平標(biāo)高為-960m，井底車場位于3煤層頂板約9m。投產(chǎn)時移交81雙翼采區(qū)，布置1個8煤工作面，移交井巷工程量27192.8m。鐵路專用線接軌蔡樓集配站Ⅲ場，總長13.404km；場前公路向南接渦標(biāo)路，場外公路長3.834km；靜態(tài)投資38.92億元。

2.2.2 方案Ⅱ

井口位于21線1孔西南約115m，胡老家村附近。該方案地面原始標(biāo)高+30.9m，表土厚約469m，古近系厚25m。井筒和一水平標(biāo)高設(shè)置同方案Ⅰ，井底車場位于3煤層底板約90m。投產(chǎn)時移交81單翼采區(qū)，布置1個8煤工作面，移交井巷工程量23792.8m。鐵路專用線接軌同方案Ⅰ，總長13.928km；場前公路向南接公吉寺鎮(zhèn)至渦陽縣縣級公路，場外公路長0.26km；靜態(tài)投資35.14億元。

2.2.3 方案比選

1)方案Ⅰ主要優(yōu)點：①井筒和車場不穿斷層，可靠性好，方案Ⅱ井底車場離DF13斷層較近；②工廣壓煤量較方案Ⅱ少629.7萬t，且均為一水平以深資源；③81采區(qū)和82采區(qū)均為雙翼采區(qū)，儲量大且接替靈活，方案Ⅱ?qū)?1采區(qū)人為劃分為2個單翼采區(qū)，且82采區(qū)受工廣壓煤影響為單翼采區(qū)，采區(qū)服務(wù)年限短，礦井接替緊張；④凍結(jié)深度較方案Ⅱ少約40m；⑤井位位于中央?yún)^(qū)深部，井筒具備直接延深至二水平條件；⑥鐵路專用線少0.524km。

2)方案Ⅱ主要優(yōu)點：①井位靠近81單翼采區(qū)，移交工程量較方案Ⅰ少3400m，投資少3.78億元；②場地較空曠，不需搬遷村莊，且場外道路較方案Ⅰ少3.57km。

綜上所述，方案Ⅰ雖然移交工程量和投資較方案Ⅱ多，但在井位可靠性、開拓布局、接替等方面均優(yōu)于方案Ⅱ；且首采及接替采區(qū)單翼走向長度多在2.0～2.5km，兩采區(qū)可采儲量達(dá)6350萬t，避免了工作面頻繁搬家，確保了礦井在投產(chǎn)后較長時間內(nèi)系統(tǒng)簡單，為礦井高效生產(chǎn)提供保障，因此推薦方案Ⅰ。

2.3 井筒數(shù)目

2.3.1 中央?yún)^(qū)

信湖礦井采用分區(qū)開拓、集中出煤的開拓方式，前期為中央并列式通風(fēng)方式，因此中央?yún)^(qū)工業(yè)場地內(nèi)應(yīng)設(shè)主井和中央回風(fēng)井2個井筒，副井設(shè)置與輔助提升量密切相關(guān)。兩淮礦區(qū)約70%為煤與瓦斯突出礦井，因瓦斯治理導(dǎo)致礦井矸石率達(dá)12%以上，因此矸石提升成為制約礦井輔助提升的主要因素[12，13]。劉莊煤礦為兩淮礦區(qū)首個設(shè)專用矸石箕斗井的礦井，實現(xiàn)了井上下矸石連續(xù)化運輸，效果很好[14]；張集煤礦對箕斗提矸進行優(yōu)化，在混合井中設(shè)置一套罐籠和一對矸石箕斗，先后在口孜東煤礦以及顧橋、潘三、丁集等煤礦二水平延深工程得到推廣，因此設(shè)計需要對是否設(shè)置矸石箕斗進行論證。

根據(jù)《信湖煤礦-1200m以淺煤與瓦斯突出危險性評估報告》，各可采煤層-1200m以淺均無突出危險性，中央?yún)^(qū)一水平暫按非突出區(qū)域設(shè)計，因此前期僅產(chǎn)生開拓及準(zhǔn)備巷道的矸石。根據(jù)礦井接替，投產(chǎn)后20年內(nèi)采掘活動集中在81、82和83采區(qū)，開拓及準(zhǔn)備巷道總工程量不到20000m，年矸石率約5%。從井下矸石運輸來看，在井底車場附近設(shè)地倉，開拓和準(zhǔn)備巷道掘進矸石經(jīng)帶式輸送機運至地倉后轉(zhuǎn)至礦車，電機車運輸距離近。如設(shè)置專用矸石箕斗井，投資增加約3億元；如采用混合井，投資增加約1.3億元。綜上分析，矸石對該礦井初期輔助提升及運輸制約較小，為節(jié)省投資，推薦副井裝備一寬一窄2套罐籠，即中央?yún)^(qū)工業(yè)場地內(nèi)布置主井、副井和中央回風(fēng)井3個井筒。

設(shè)計同時考慮到后期升級為煤與瓦斯突出礦井的可能，主井及主運系統(tǒng)能力按4.00Mt/a設(shè)計，在井底設(shè)2個倉。如矸石量大時，利用主運帶式輸送機和主井分時分運，將矸石提升至地面，地面篩分車間設(shè)計時預(yù)留煤矸分流的條件。

2.3.2 東區(qū)及北區(qū)

鑒于東區(qū)和北區(qū)距離中央?yún)^(qū)井筒較遠(yuǎn)，為滿足通風(fēng)、運輸需求，后期分別在東區(qū)、北區(qū)增補1進1回2個井筒，進風(fēng)井功能屆時根據(jù)輔助提升量確定，全礦井最終井筒數(shù)目為7個。

3 首采區(qū)開采設(shè)計

3.1 首采區(qū)概況

81采區(qū)位于中央?yún)^(qū)東北部，走向長4500m，傾斜寬800～2100m，煤層傾角6°～22°，有7、81和82共3層煤。7煤受巖漿巖侵蝕，僅在采區(qū)中部14勘探線以北賦存，可采范圍內(nèi)厚度0.74～1.97m，平均1.48m，屬不穩(wěn)定煤層；81煤上距7煤平均8.66m，煤層厚度0.8～5.58m，平均3.01m，屬較穩(wěn)定煤層；82煤上距81煤0.88～2.22m，平均1.55m，煤層厚度0.71～4.09m，平均2.68m，屬較穩(wěn)定煤層。7煤瓦斯含量為0～0.67m3/t.r，平均0.26m3/t.r；81煤瓦斯含量為0～2.12m3/t.r，平均0.64m3/t.r；82煤瓦斯含量為0～3.35m3/t.r，平均0.82m3/t.r。

3.2 首采區(qū)巷道布置

鑒于煤層間距小，采用聯(lián)合布置方式?？紤]到煤層傾角大，走向長度長，設(shè)計采用雙翼走向長壁布置；結(jié)合褶曲發(fā)育情況，在采區(qū)中部沿14勘探線(背斜軸)布置采區(qū)上山。

根據(jù)瓦斯資料分析，該采區(qū)暫按非突區(qū)域進行設(shè)計，因此不設(shè)矸石帶式輸送機上山；同時為降低投資，不設(shè)專用行人上山，架空乘人器布置在帶式輸送機上山中，因此采區(qū)布置軌道、帶式輸送機和回風(fēng)上山?？紤]到采區(qū)服務(wù)年限長，上山均布置在82煤層底板25～35m的穩(wěn)定巖層中，移交時礦井巷道布置如圖2所示。

圖2 移交時礦井巷道布置

3.3 采煤工藝

鑒于首采區(qū)南翼7煤層被侵蝕，為盡快達(dá)產(chǎn)見效，選擇煤層生產(chǎn)能力大的8煤作為首采煤層，即首采面布置在采區(qū)南翼。根據(jù)8煤組厚度及夾矸賦存情況，可選取綜放(采82煤，放81煤及夾矸)、分層綜采(先采81煤，再采82煤)和大采高綜采工藝。相鄰渦北煤礦8煤組厚度、硬度等參數(shù)與該礦井相當(dāng)，但埋深淺(一水平標(biāo)高-640m)，在大采高綜放試驗中冒頂、片幫及壓架嚴(yán)重，后改為綜放?？紤]該礦井埋藏更深、地壓更大，因此大采高綜放工藝不予推薦，僅對綜放和分層綜采進行比較。

3.3.1 冒放性分析

影響頂煤冒放性主要有采深、煤層厚度、煤體強度等7種因素，設(shè)計采用綜合隸屬度進行評價[15]。對采區(qū)鉆孔統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，煤層及夾矸賦存均較穩(wěn)定，因此僅對首采面冒放性進行評價。首采面開采深度897～957.5m，平均927.3m，煤層單向抗壓強度為2.5MPa；81煤平均厚度3.8m，夾矸平均厚度1.6m，82煤平均厚度2.6m。

根據(jù)首采面賦存條件和各力學(xué)參數(shù)，各因素隸屬度μi取值如下：①采深與煤層單向抗壓強度之比H/Rc=370.92，μ1取0.95；②直接頂巖性為Ⅱ類中等穩(wěn)定頂板，初次垮落步距為18m，μ2取0.8；③基本頂巖性為Ⅳ級頂板，μ3取0.8；④采放比為1∶2.08，μ4取0.8；⑤煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，μ5取0.90；⑥夾矸厚度μ6取0.1；⑦夾矸強度小于10MPa，μ7取1.0。

各因素權(quán)重Ai取值如下：A1取0.23；A2取0.12；A3取0.1；A4取0.14；A5取0.14；A6取0.12；A7取0.15。計算得出綜合隸屬度值為0.80，即頂煤冒放性好，綜采放頂煤工藝是可行的。

3.3.2 方案比較

分層綜采雖然回采率高，但根據(jù)該礦區(qū)類似條件下開采實踐，具有以下缺點：①受上部老空區(qū)漏風(fēng)和81煤遺煤影響，82煤層回采時火災(zāi)防治難度大；②受采動影響，82煤層回采時頂板管理較困難，存在冒頂、壓架等隱患；③82煤層回采時受老空水的威脅大；④81和82煤層存在壓茬關(guān)系，不利于工作面接替；⑤工作面巷道工程量大，工作面搬家次數(shù)多。因此從有利于火災(zāi)、頂板、老空水等治理角度，推薦81采區(qū)8煤組采用綜采放頂煤工藝，有利于提高工作面單產(chǎn)。

3.3.3 聯(lián)合試運轉(zhuǎn)情況

信湖礦井于2021年5月18日聯(lián)合試運轉(zhuǎn)，試運轉(zhuǎn)以來，各系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，日產(chǎn)原煤約8000t，在籍人員1000人，達(dá)到了一井一面一千人的預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié) 論

1)通過對井田資源條件進行分析，結(jié)合地面布置確定了合理的井口位置和開拓方式，實現(xiàn)了中央?yún)^(qū)開拓系統(tǒng)簡單和合理的工作面推進長度。

2)根據(jù)礦井通風(fēng)、運輸及提升需求，確定了合理的井筒數(shù)目及功能。

3)根據(jù)首采區(qū)煤層賦存條件，推薦采用綜采放頂煤工藝，提高了工作面單產(chǎn)，降低了災(zāi)害治理難度，實現(xiàn)了安全高效開采。