夏仕方，黎明鏡

(1.淮河能源控股集團有限責任公司，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年第一對礦井潘一煤礦開工建設(shè)以來，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95.66km2；煤層賦存主要特點為：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；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)火和煤塵爆炸危險性；五是開采下組煤(A組煤)時受太灰、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)開采，其開采方案設(shè)計是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，雖然在礦井投產(chǎn)前編制的初步設(shè)計中已考慮過開拓延深的問題，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)進步等因素出現(xiàn)，原礦井開拓延深方案已不適應(yīng)當前的生產(chǎn)方式，所以要根據(jù)實際情況重新研究，合理確定延深方案。在礦井安全開拓設(shè)計及水平延深研究方面，唐又馳、車永才等[4，5]提出開拓延深方案應(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、運輸方式和設(shè)備類型及能力，提出以噸煤平均折算費用為評價礦井設(shè)計方案的優(yōu)化準則，模擬優(yōu)選方案。嚴正方、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、通風方式、提升及運輸方式初選方案，用經(jīng)濟數(shù)學(xué)模型和多目標決策方法確定最優(yōu)方案。劉亮[8]采用整體比選法中的費用現(xiàn)值法作為具體比選方法，通過對兩個開拓方案從建設(shè)期、生產(chǎn)期及全壽命周期三個方面進行技術(shù)和經(jīng)濟分析比較得出優(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，以延深水平開拓前與開拓后為時間區(qū)段，分別應(yīng)用多種現(xiàn)有區(qū)域預(yù)測技術(shù)與方法進行開采水平、新采區(qū)和工作面的突出危險性區(qū)域分析，為延深水平開拓前科學(xué)防突設(shè)計提供一定參考。王維明、趙明、黃華等[10-15]工程技術(shù)人員分別針對不同礦區(qū)延深開拓開展了有益的實踐探索，從充分利用已有的井巷工程節(jié)約工程量、減小采動影響等方面確定了相應(yīng)設(shè)計原則。綜上所述，國內(nèi)外已有研究少見類似淮南潘謝礦區(qū)高瓦斯突出煤層群條件下的開拓延深工程，針對該礦區(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，科學(xué)設(shè)計礦井延深方式、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，對復(fù)雜地質(zhì)條件下高瓦斯突出煤層群安全高效開采有重要意義。

1 淮南潘謝礦區(qū)礦井開拓方式現(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)煤層特征見表1。因此，礦區(qū)內(nèi)建成的礦井均采用立井開拓。

表1 淮南礦區(qū)煤層特征

自20世紀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)計大多采用了中央并列式通風方式，隨著資源開采范圍不斷變化，礦井安全改建及水平延深后變更為兩翼對角式通風方式，即中央工業(yè)廣場內(nèi)布置主、副井，回風井布置在井田兩翼上部。當前淮南潘謝礦區(qū)礦井主采煤層為B組煤，主要礦井開拓方式概況見表2。

表2 淮南潘謝礦區(qū)礦井開拓方式概況

2 安全改建及二水平延深設(shè)計

2.1 開拓延深方式及井口位置

開拓延深方式設(shè)計需要充分考慮礦井的地質(zhì)條件、開拓開采現(xiàn)狀、井上下關(guān)系，以及延深水平施工對現(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，同時考慮到不干擾現(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，延長裝載帶式輸送機巷，新建的暗斜井直接與煤倉搭接。如張集煤礦二水平暗主斜井，在原井底煤倉的北側(cè)增加一個井底煤倉，其上口標高-485m，將現(xiàn)有的裝載帶式輸送機巷延長至新煤倉下口，東、西兩翼暗主斜井由新設(shè)煤倉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：一是增加副井提升系統(tǒng)，能夠滿足二水平開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)簡單。當前潘謝礦區(qū)已進行開拓延深的礦井均采用了此方式。

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

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

2.2 開拓部署

2.2.1 水平劃分與標高

二水平大巷及水平標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高，優(yōu)選大巷、井底車場巷道及主要硐室位于較好的巖層中，有利于施工和維護，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，但實踐表明巷道維護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)測試成果，對礦井進行塊段及采區(qū)(盤區(qū))劃分。如，潘三礦安全改建及二水平延深設(shè)計前，組織科研單位和地質(zhì)勘探技術(shù)隊伍對全井田資源進行精細化探測，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個綜采塊段，其中C組煤綜采塊段64個，劃分為3個采區(qū)(盤區(qū))；B組煤綜采塊段43個，劃分為4個采區(qū)(盤區(qū))。

2.3 井筒斷面

井筒的數(shù)量、用途根據(jù)礦井實際需要，多方面進行比較選擇最優(yōu)方案。安全改建及二水平延深新建井筒斷面設(shè)計，應(yīng)滿足多用途要求，主要依據(jù)輔助運輸方式、井筒裝備、通風能力來合理確定。如顧橋礦新建第二副井，考慮了矸石運輸、瓦斯抽采、后期A組煤開采應(yīng)用高阻力液壓支架和大型采煤機的運輸斷面要求，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煤層作為保護層開采，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煤采掘活動前，位于突出危險區(qū)域內(nèi)的煤巷掘進采用穿層鉆孔預(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煤層工作面巷道掘進，同時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，為主運輸上山、輔助運輸上山、矸石運輸上山及回風上山，后期可根據(jù)采掘需要，增補回風系統(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煤層工作面巷道掘進，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)選開采上覆煤層或下伏煤層作為保護層。

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煤作為保護層，在開采9煤前，在6煤底板布置抽采巷，抽采6—8煤卸壓瓦斯。9煤作為一個采區(qū)，共布置3條系統(tǒng)巷道，分別為軌道巷、運輸巷及回風巷，其中軌道巷利用11-2煤采區(qū)軌道巷及延長段，6—8煤層聯(lián)合開采，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)鍵保護層先行開采，上保護8煤，在5煤層底板布置底抽巷施工穿層鉆孔掩護5-1煤工作面巷道掘進，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，掩護工作面巷道掘進及預(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、排矸帶式運輸機巷；沿煤層布置專用回風巷；在A組煤層底板布置運煤帶式運輸機巷、排矸帶式運輸機巷。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—煤層回風上山；2—底板運輸上山；3—頂板軌道上山；4—底板矸石運輸上山；5—頂板矸石運輸上山； 6—區(qū)段煤倉；7—工作面回風巷；8—工作面回風巷底板抽采巷；9—頂板抽采巷；10—工作面運輸巷底板抽采巷；11—工作面運輸巷圖4 A組煤采區(qū)系統(tǒng)巷道布置

3 結(jié) 論

針對淮南潘謝礦區(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采礦區(qū)礦井安全改建及水平延深的設(shè)計方法。

1)礦井主提升優(yōu)選暗斜井延深方式，通過新增井底煤倉，延長裝載帶式運輸機巷，使新建的暗斜井直接與煤倉搭接，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；風井延深方式主要根據(jù)井田面積大小，以滿足通風要求為目標優(yōu)選新建立井或暗斜井方式。

2)開采水平劃分以大巷、井底車場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。

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)計理念，形成分類布置方法。