汪青倉 ，劉全輝 ，宋朝陽 ，李 強 ，任懷偉

（1.陜西延長石油榆林可可蓋煤業(yè)有限公司, 陜西 榆林 719000；2.北京中煤礦山工程有限公司, 北京 100013；3.中煤科工開采研究院有限公司, 北京 100013）

0 引 言

礦井開拓是煤礦開采的首要任務(wù)，礦井建設(shè)是保障礦井安全生產(chǎn)和煤炭資源供給的關(guān)鍵技術(shù)[1]。隨著煤礦智能化建設(shè)要求和發(fā)展趨勢，礦井智能化建設(shè)是煤礦智能化建設(shè)藍圖必不可缺的重要環(huán)節(jié)[2]，對礦井智能化安全開采、保障產(chǎn)能和企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

礦井建設(shè)需要根據(jù)礦井煤炭資源儲量、地面地形條件、煤炭資源賦存的地質(zhì)條件和礦井產(chǎn)能等，并考慮礦井建設(shè)工藝、關(guān)鍵技術(shù)、核心裝備、建設(shè)周期、經(jīng)濟效益、安全高效、綠色健康等方面因素，確定合理可行的礦井開拓方案[3]，主要包括井筒深度、直徑、傾角、用途、掘進技術(shù)裝備、圍巖支護方法與技術(shù)、井內(nèi)提運技術(shù)與裝備選型等。隨著我國煤炭資源開發(fā)重心向西部轉(zhuǎn)移，內(nèi)蒙古、陜西、寧夏、新疆等省份的大型煤礦地層以白堊系、侏羅系地層為主，在過去十幾年的發(fā)展過程中，已經(jīng)實踐了采用主副風井全立井開拓、主斜副立+風井立井開拓、主副斜井+風井立井的開拓方式。近年來，隨著礦井建設(shè)技術(shù)裝備水平的提高，以及大型開采、掘進、運輸?shù)燃夹g(shù)裝備的快速發(fā)展，西部中深部煤炭資源開采的礦井采用緩坡斜井作為主運通道的開拓方式得到廣泛應(yīng)用。緩坡斜井開拓可實現(xiàn)礦井主運連續(xù)化，輔助運輸不換裝一次到位的無軌膠輪化，大型采?掘?運裝備無需地面拆解和井下大硐室中組裝的復雜工序，可采用無軌膠輪車直接下井[4]，有助于提高西部礦井中深部煤炭資源的高效生產(chǎn)。我國西部煤礦斜井開拓主要采用鉆爆法施工，因地層涌水量大、圍巖穩(wěn)定性差等問題，施工過程中富水地層涌水防治和軟弱圍巖穩(wěn)定控制帶來很大挑戰(zhàn)；盡管采用斜井凍結(jié)特殊鑿井方法在一定程度上解決了地層涌水難題[5-6]，但因斜井凍結(jié)施工難度大、投資高、工期長等問題，目前斜井凍結(jié)鑿井技術(shù)依然進展緩慢。隨著機械破巖鑿井技術(shù)裝備的發(fā)展，部分礦井嘗試了采用綜掘機或懸臂掘進機施工斜井[7]，但因地層巖石強度高，掘進效率低，后又改為采用鉆爆法施工；采用全斷面掘進機施工緩坡斜井方面，僅神東補連塔煤礦完成了5.5°連續(xù)下坡，開挖直徑7.62 m，長度2 745 m 的斜井工程[8]。因此，適用西部煤礦復雜地質(zhì)條件的長距離斜井建設(shè)技術(shù)和裝備還需進行深入研究和探索。

可可蓋煤礦位于陜北榆橫礦區(qū)北部，礦區(qū)面積約176.68 km2，設(shè)計可采資源/儲量1 196.12 Mt，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力10.0 Mt/a，服務(wù)年限85.4 a。可可蓋煤礦作為陜西延長石油礦業(yè)公司在“十四五”期間重點項目，是到2025 年礦業(yè)公司煤炭整體產(chǎn)能達到6 050.0 Mt/a，形成千萬噸智能化煤礦集群的關(guān)鍵布局。因此，探索可可蓋煤礦經(jīng)濟合理的礦井開拓模式，分析復雜地質(zhì)條件井筒機械化與智能化建設(shè)技術(shù)和裝備可行性，將為礦井安全建設(shè)、高效生產(chǎn)和企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供支撐，并為其他同類型礦井開拓方案的確定提供借鑒。

1 可可蓋煤礦礦井開拓方案對比分析

1.1 礦井開拓方式的影響因素分析

根據(jù)煤炭成因模式、資源聚集與賦存規(guī)律、地質(zhì)與水文地質(zhì)條件等，現(xiàn)階段地下煤炭資源開發(fā)依然主要采用井工開采的方式[9-10]。礦井開拓方式主要是指服務(wù)于地下煤炭資源開采，在地層內(nèi)開鑿的井筒、巷道和硐室等工程的總體布置方式。根據(jù)煤炭資源賦存條件、地質(zhì)條件、經(jīng)濟條件、地理環(huán)境等因素，可分為立井開拓、斜井開拓、平硐開拓、綜合開拓等方式。礦井開拓方式是煤炭井工開采的首要任務(wù)，一方面將直接影響建井技術(shù)裝備和工藝的研發(fā)與選擇，以及建井周期、工程總量、投資成本等；另一方面將影響礦井生產(chǎn)時采運、通風、排水、通信、供電等各系統(tǒng)長期安全穩(wěn)定和高效運行。

礦井開拓又以井筒為主，井筒工程量一般不超過井巷工程總量的10%，但由于井筒穿越地層的復雜性、井筒結(jié)構(gòu)的特殊性、建井工法的適應(yīng)性等問題，建井過程中對突水、突泥和圍巖失穩(wěn)等工程風險的防治，導致建井工期約占井巷施工總工期的50%。因此，礦井開拓方式設(shè)計和礦井建設(shè)技術(shù)研究，必然要綜合分析區(qū)域自然環(huán)境、礦區(qū)地形地貌、地面運輸條件等外部條件，以及井田地質(zhì)和水文地質(zhì)、地層構(gòu)造與巖性、煤層賦存特征、礦井生產(chǎn)能力、開采技術(shù)等因素[11-12]，確定礦井開拓方式、礦井建設(shè)技術(shù)裝備和工藝、安全服役保障技術(shù)等，從而為礦井安全建設(shè)、高效高產(chǎn)和企業(yè)穩(wěn)定高質(zhì)量發(fā)展提供根本保障。

1.2 可可蓋井田工程地質(zhì)與水文地質(zhì)分析

可可蓋井田地貌整體西北高、東南低，地表起伏度不大，一般相對高差5～10 m。根據(jù)地質(zhì)鉆孔勘查結(jié)果，地層自上而下主要為第四系全新統(tǒng)風積沙、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組、第四系中下更新統(tǒng)黃土、白堊系下統(tǒng)洛河組、侏羅系中統(tǒng)安定組、侏羅系中統(tǒng)直羅組、侏羅系中統(tǒng)延安組地層；井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷裂和褶皺構(gòu)造，地層傾角較小，井田地質(zhì)構(gòu)造簡單，最大水平主應(yīng)力范圍10.95～19.37 MPa，最小水平主應(yīng)力范圍7.91～13.23 MPa；白堊系和侏羅系地層巖石單軸抗壓強度均值為 23.1 MPa，抗壓強度一般不超過50 MPa，巖石抗拉強度較低，平均值為2.68 MPa，巖石的耐磨性指數(shù)在1.05～2.88，屬極低耐磨性等級。井田地質(zhì)與水文地質(zhì)剖面示意,如圖1 所示。

圖1 可可蓋井田地質(zhì)與水文地質(zhì)剖面示意Fig.1 Geology and hydrogeology section of the mine

根據(jù)可可蓋井田地下水賦存空間結(jié)構(gòu)和含水介質(zhì)可劃分為5 個含水巖層(組)和2 個隔水巖層(組)，其中白堊系洛河組為富水性中等至強的間接含水層，預計涌水量最高可達2 788 m3/d，其余4 個含水層涌水量低于100 m3/d，屬于弱富水性。侏羅系中統(tǒng)安定組地層以泥巖為主，與粉砂巖含水層不等厚相間分布，泥巖類較厚，粉砂巖較薄且富水性弱，是井田內(nèi)白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖富含水與煤系地層之間相對較好的隔水層，對煤炭開采意義重大。

1.3 礦井開拓方案的提出與分析

通過從地質(zhì)、技術(shù)、經(jīng)濟、安全、高效、綠色等方面，綜合分析可可蓋煤礦礦井開拓方式的影響因素，提出了4 版適用可可蓋煤礦的礦井開拓方案。根據(jù)不同開拓方案提出的時間順序，現(xiàn)對其優(yōu)缺點進行對比分析。

1)第1 版：井田中部全立井開拓方案。根據(jù)以往陜北、蒙東等地區(qū)同類礦井的開拓方案以及礦井建設(shè)經(jīng)驗，可可蓋礦井開拓最初設(shè)計在井田中部布置主立井、副立井和回風立井，均采用凍結(jié)特殊鑿井法施工。對于西部富水弱膠結(jié)地層煤層埋深530 m的礦井，此方案為傳統(tǒng)的保守設(shè)計，且現(xiàn)有的凍結(jié)法鑿井工程實踐，已證明此開拓方案的技術(shù)可行性，立井凍結(jié)法鑿井技術(shù)成熟，工程造價和工期均相對可控，但是立井提升系統(tǒng)較緩坡斜井更為復雜。

2)第2 版：井田東南部主斜副立開拓方案。初期考慮到可可蓋煤礦與東側(cè)緊鄰的小紀汗煤礦同為華電煤業(yè)，借鑒神東大柳塔煤礦生產(chǎn)能力30.0 Mt/a的“一礦兩井”開拓方式，將可可蓋煤礦工業(yè)廣場布置在井田東南部，初步選定主斜副立的開拓方式，井下大巷沿京陜四期天然氣管線布置，可避免煤炭損失近1 億t，原煤運至小紀汗煤礦洗煤廠分選后，通過已建成的榆橫鐵路外運，可節(jié)約投資。

3)第3 版：井田中部主斜副立開拓方案。2018年可可蓋煤礦歸屬陜西延長石油礦業(yè)有限責任公司后，第2 版中“一礦兩井”開拓方式的可能性已不存在。因此，變更礦井設(shè)計將工業(yè)廣場選擇在井田中部，為縮短建設(shè)工期，簡化生產(chǎn)系統(tǒng)，設(shè)計采用主斜副立開拓方式，即在副井場地內(nèi)布置兩條井筒，分別為副立井、中央回風立井，在主井場地布置有主斜井、地面選煤廠和鐵路外運裝車系統(tǒng)。其中，主斜井設(shè)計傾角14°，斜長2 162 m，但施工難度較大；副井采用立井形式，井筒工程量小，且副井大斷面可作為進風井，無需開鑿專用進風立井，但是立井提升系統(tǒng)較緩坡斜井復雜；在礦井移交時，該方案3 條井筒占用2 個場地，不便于管理；且需投資建設(shè)較長的進場公路、鐵路專用線，占地面積大。

4)第4 版：井田西部主副斜井+中部進回風立井開拓方案。2019 年9 月可可蓋井田西部的靖神鐵路建成通車，為資源外運提供了有利條件。因此，再次調(diào)整礦井開拓方案，將工業(yè)廣場布置在井田西部邊界附近，采用西部主副斜井+中部進回風立井開拓方案，即在西部工業(yè)廣場內(nèi)布置主副斜井，2 條斜井均落底到井田中部的2 號煤層，在2 號煤層沿南北方向布置南翼和北翼大巷至井田南北邊界，井下大巷呈“I”字形布置，工作面沿大巷雙翼布置；為解決礦井通風問題，在井田中部布置進回風立井，井田北部布置北一風井，后期分別在距離南北井田邊界約3.0 km 處各布置一個回風立井，即北二回風立井和南部回風立井，實現(xiàn)全礦井的分區(qū)通風。

按照可可蓋井田第4 版的礦井開拓方案，礦井移交時共布置5 個井筒，包括西部主副斜井、中央進回風立井和北一風井。為確定西部主副斜井布置傾角，根據(jù)可可蓋井田綜合條件、外部環(huán)境條件以及借鑒其他礦井的斜井工程實踐，重點對斜井建設(shè)坡度6°和14°全下坡方案進行了對比分析(表1)，并初步確定主斜井傾角6°全下坡，設(shè)計總長度5 303 m、直徑7.13 m、落底深度554.3 m；副斜井傾角5.6°、設(shè)計總長度5 302 m、直徑7.13 m、落底深度517.4 m，每隔1 000 m 設(shè)50 m 的平坡段緩沖，變坡處設(shè)置半徑400 m 豎曲線過渡。可可蓋井田西部主副斜井+中部進回風立井開拓方案示意，如圖2 所示。

表1 斜井建設(shè)坡度方案比較Table 1 Comparison of slope schemes for inclined shaft construction

圖2 西部主副斜井與中部進回風立井開拓方案示意Fig.2 Development scheme of west main and auxiliary inclined shaft and middle inlet and return air shaft

第4 版礦井開拓方案中主、副斜井均采用6°左右的緩坡斜井，井下主運輸、輔助運輸距離長，運行費用相對較高，以及礦井移交時2 條緩坡斜井開拓工程量大。但是，主副緩坡斜井均布置在西部場地內(nèi)，可實現(xiàn)地面到井下工作面的直達運輸，無需換裝，便于管理和高效生產(chǎn)；同時，西部場地距離外運的靖神鐵路大海則車站近，占地面積小、壓煤少、外運投資節(jié)省、運營費用低。因此，在考慮外部運輸條件便利、場地集中便于管理、緩坡斜井無軌膠輪化和無需換裝等優(yōu)勢，初步確定了采用在井田西部布置主、副斜井+中部進回風立井的開拓方案。

2 煤礦斜井掘進技術(shù)現(xiàn)狀分析與比選

基于礦井地質(zhì)條件和煤層賦存條件分析，立足于井下開拓簡單、首采區(qū)開采技術(shù)條件好、外部運輸距離短、壓煤少等原則，從技術(shù)性、經(jīng)濟性和安全性等方面考慮，以及智能化礦井建設(shè)的發(fā)展需求，進一步對煤礦井筒建設(shè)技術(shù)裝備和工藝進行分析和比選。鑒于西部煤系地層中深立井鉆爆法鑿井技術(shù)相對比較成熟，重點梳理煤礦長距離斜井鉆爆法與機械破巖施工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，剖析現(xiàn)有斜井建設(shè)技術(shù)面臨的難題，提出超長斜井采用全斷面掘進機施工的技術(shù)方案，為可可蓋煤礦長距離斜井建設(shè)提供參考依據(jù)。

2.1 斜井鉆爆法掘進技術(shù)現(xiàn)狀

隨著我國煤炭資源開發(fā)重心向西部轉(zhuǎn)移，在過去十幾年的礦井建設(shè)過程中，我國西部礦區(qū)緩坡斜井掘進主要以鉆爆法為主，在軟弱破碎地層段和地層涌水段，采用凍結(jié)法、注漿法等地層改性加固技術(shù)，保障鉆爆鑿井施工安全。核桃峪煤礦主斜井是國內(nèi)開拓建設(shè)的最長的煤礦斜井[13]，斜長5 875 m，傾角7°，采用鉆爆法施工，在穿過400 m 巨厚富水的白堊系洛河組地層，斜井涌水量曾高達730.4 m3/h，采用工作面預注漿堵水加固技術(shù)安全通過；袁大灘煤礦主副斜井均采用凍結(jié)特殊鑿井法施工[14]，主斜井傾角14°，副斜井傾角5.5°，副斜井總長3 615.9 m，凍結(jié)段斜長達681 m，是目前國內(nèi)斜井凍結(jié)長度最長的凍結(jié)法施工斜井；古城煤礦主斜井采用凍結(jié)特殊鑿井法施工，傾角15°，斜井總長2 018.8 m，凍結(jié)段斜長503.91 m。鉆爆法施工的典型煤礦斜井工程，見表2。

表2 鉆爆法施工的典型煤礦斜井工程Table 2 Typical coal mine inclined shaft construction by drilling and blasting method

盡管鉆爆法施工對斜井地質(zhì)條件的適應(yīng)好，技術(shù)工藝相對比較簡單和經(jīng)濟，而且隨著鉆裝錨機組作業(yè)線的技術(shù)進步和發(fā)展，在一定程度上顯著減輕了工人勞動強度。但是破巖方式依然采用炸藥爆破，存在環(huán)境污染、工序較多、掘進效率低、圍巖擾動破壞等問題，與綠色、安全、智能化鑿井發(fā)展趨勢不匹配。此外，斜井穿過含水層地段時，井筒涌水可能導致斜井無法施工，而采用凍結(jié)法施工段的地層凍結(jié)時間長、工藝復雜、工效低、投資高。因此，近年來斜井凍結(jié)法施工數(shù)量雖有穩(wěn)定增長，但技術(shù)發(fā)展進程較為緩慢。

2.2 斜井懸臂掘進機掘進技術(shù)現(xiàn)狀

隨著機械破巖技術(shù)和裝備能力不斷提升，機械破巖已成為煤礦井巷掘進技術(shù)裝備發(fā)展的重要方向。機械破巖技術(shù)克服了鉆爆法破巖的不可控因素，如可有效控制井筒斷面形狀，避免了超挖和欠挖，減小圍巖擾動，充分利用圍巖自穩(wěn)能力、降低人工勞動強度、減少支護材料消耗；同時，非爆破破巖無需使用炸藥，破巖掘進過程中無CO、NO、NO2、N2O 等有害氣體產(chǎn)生[15]，改善作業(yè)空氣環(huán)境，減少碳排放。

以懸臂掘進機和綜掘機為代表的煤礦煤/巖巷部分斷面機械破巖掘進作業(yè)線，寄希望能夠為煤礦全巖地層斜井掘進提供技術(shù)和裝備支撐。典型工程案例如：英國多斯科公司生產(chǎn)的MK3 型重型懸臂式掘進機[16]，在淮南顧北煤礦完成了掘進距離635.24 m、斷面面積24.1 m2的巖巷，最高月進尺208 m，在巖石強度較低時相對鉆爆法掘進效率有明顯提高，但是遇到堅硬巖石時，懸臂掘進機破巖能力降低，要輔以爆破進行掘進；開灤東歡坨煤礦采用EBZ200 H 型懸臂式掘進機，適用巖石抗壓強度達到70 MPa，掘進斷面15.82 m2，月進尺達200.3 m，但存在刀具消耗量較大、經(jīng)濟成本較高等問題；中煤新集劉莊煤礦采用硬巖懸臂式掘進機掘進巖巷[17]，但施工效率較低，后改用德國液壓鉆車作業(yè)線施工；可可蓋井田東鄰的小紀汗煤礦6°緩坡副斜井[18]，斜長3 751 m，曾采用綜掘機作業(yè)線進行施工，但是侏羅系安定組下部及以下地層巖石堅硬，綜掘機已無法掘進，后改為鉆爆法施工。

綜上情況分析，國內(nèi)采用部分斷面掘進機在煤礦斜井和巖巷施工過程中，暴露出截割刀具消耗量大、經(jīng)濟成本高、硬巖掘進效率低、掘支工作不協(xié)調(diào)、粉塵量大等問題。國外奧地利、德國、波蘭等國家研制懸臂式掘進機的廠商聲稱其產(chǎn)品能用于破碎堅硬巖石，但均附加“截割刀具消耗量大，不經(jīng)濟”的條件。因此，將懸臂式掘進機作業(yè)線應(yīng)用到煤礦全巖地層斜井或巖巷掘進工程中，需要面對巖石強度較高時帶來的截割刀具消耗量大、經(jīng)濟成本高、硬巖掘進效率低等問題[17]。此外，巖石綜掘機施工斷面35 m2以上的井巷工程，難以實現(xiàn)一次成巷，掘–支協(xié)同性較差，施工進度并不理想，難以克服地質(zhì)構(gòu)造、井筒涌水、圍巖松軟、泥化等特殊地質(zhì)條件對施工帶來的嚴重影響，必須配合輔助掘進技術(shù)工藝。

2.3 斜井全斷面掘進機掘進技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)調(diào)研和資料檢索，20 世紀80 年代，在我國“七五”“八五”規(guī)劃中便開始設(shè)計研究礦用全斷面巖石掘進機，先后開發(fā)出直徑3.5 m 和5.0 m 的礦用全斷面掘進機并在銅川礦務(wù)局試驗應(yīng)用[17]，由于煤礦工程條件復雜，以及設(shè)備制造、材料和工藝等方面原因，最高月進尺僅為100 m，應(yīng)用效果不理想，并于20 世紀90 年代停止了礦用全斷面巖巷掘進機的研發(fā)。國外在煤礦采用全斷面掘進機也僅進行了少量的井巷掘進工業(yè)性試驗，掘進長度一般不超過2 000 m，掘進直徑范圍為3.6～4.1 m。近年來，隨著全斷面掘進機在交通隧道、引水調(diào)水隧道等地下工程的應(yīng)用，全斷面掘進機掘進技術(shù)水平和裝備性能不斷提高，全斷面掘進機在煤礦巖巷工程建設(shè)的應(yīng)用亦不斷增長。

根據(jù)公開資料顯示，煤礦用全斷面掘進機逐漸應(yīng)用十幾座礦井的斜井、運輸巖巷和瓦斯抽放巷等工程施工。在長距離斜井工程方面，僅神華能源神東補連塔煤礦開展了緩坡斜井單護盾全斷面掘進機掘進工業(yè)性試驗[8]，掘進長度2 718.2 m，傾角5.5°連續(xù)下坡，開挖直徑7.62 m，月最高進尺639 m，平均月進尺546 m，補連塔斜井埋深較淺，且采用管片支護提高了掘進速度，但是工程造價較高。在煤礦平硐和巖巷工程方面，塔山煤礦主平峒應(yīng)用美國羅賓斯公司制造的雙護盾全斷面掘進機施工[18]，掘進直徑4.82 m，掘進長度2 911.6 m，最高月進尺662.5 m，應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)該機型具有體積大、不易轉(zhuǎn)彎等缺點，對煤礦井下巖巷傾角多變的工程條件適應(yīng)性差；神華新疆澇壩灣煤礦副平硐采用ZTE6460 復合式全斷面掘進機施工[19]，掘進長度6 200 m，掘進直徑6.46 m，最高月進尺364.5 m；晉能控股王村煤礦采用煤礦用三護盾巖巷全斷面掘進機施工通風巖巷，掘進長度3 778 m，掘進直徑5.8 m，轉(zhuǎn)彎半徑70 m，在地層較為破碎的情況下最高月進尺依然達到了406 m；山東能源新巨龍煤礦巖巷采用全斷面掘進機施工[20]，掘進直徑6.33 m，掘進總長度2 816.5 m，最高月進尺超400 m。

綜上情況分析，從巖石地層全斷面掘進機施工井巷工程的國內(nèi)外發(fā)展水平及趨勢來看，巖石全斷面掘進機的開挖斷面直徑大部分小于7 m，掘進長度小于4 000 m，工程質(zhì)量較好；月掘進速度可以達到400 m 以上，施工速度明顯高于鉆爆法掘進[21]；但是應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)掘–支作業(yè)工序協(xié)同、穿越不良地層近工作面快速支護、全斷面掘進機調(diào)向等技術(shù)依然需要針對煤礦地質(zhì)條件和工程條件進行改進，以期能夠進一步提高采用全斷面掘進機施工煤礦井巷的施工速度。

2.4 可可蓋煤礦長斜井掘進技術(shù)方案可行性分析

通過對煤礦長距離斜井掘進技術(shù)現(xiàn)狀分析可知，目前的懸臂式掘進機或綜掘機作業(yè)線很難在全巖地層斜井或巖巷掘進中取代鉆爆法機械化作業(yè)線；而若采用鉆爆法掘進施工，則斜井穿越薩拉烏蘇組及洛河組強風化帶等富含水地層時，需要采用地層凍結(jié)法輔助施工，井筒凍結(jié)段斜長預計將超過413 m，施工難度大、周期長、投資高。鑒于硬巖全斷面掘進機在煤礦巖巷掘進速度高于鉆爆法掘進速度，以及全斷面掘進機施工在機械化、少人化和智能化方面的優(yōu)勢，初步確定了采用全斷面掘進機施工可可蓋煤礦6°全下坡主副斜井(掘進長度大于5 000 m，掘進斷面39.9 m2)。以下根據(jù)可可蓋煤礦主副斜井穿越地層條件，重點研討采用全斷面掘進機施工技術(shù)的可行性。

1)地表風積沙和薩拉烏蘇組施工可行性分析。圍繞6°緩坡主副斜井的開拓方案優(yōu)化的主要任務(wù)，通過地面踏勘并結(jié)合衛(wèi)星照片在靖神鐵路東側(cè)、井田西部的位置，發(fā)現(xiàn)其他生產(chǎn)活動取土挖坑而揭露洛河組砂巖地層，該處地面風積沙、薩拉烏蘇組較薄，厚度不超過10 m，洛河組強風化厚度10 m 左右。因此，確定將主副斜井井口布置在該取土挖坑附近，因薩拉烏蘇組厚度小，可采取提前降水并采用明槽開挖施工該段地層，不需要采用凍結(jié)法施工。明槽段采用順作法施工，分級放坡、水平分段、垂直分層的開挖形式，明槽開挖長度270 m，深度28.2 m，開挖坡面噴射厚度80 mm 的C20 混凝土面層，底板厚度為300 mm，作為全斷面掘進機步進通道。

2)斜井穿越含水地層施工的可行性分析。根據(jù)鉆孔資料及鄰近礦井揭露情況分析，可可蓋礦斜井穿越的洛河組地層為富水性中等至強的間接含水層，預計涌水量不超過100 m3/h，洛河組以下巖層涌水不超過50 m3/h，可采取地層分段疏排水、工作面接續(xù)排水、噴漿封閉巖面與圍巖注漿堵水等多種掘進環(huán)境防治水聯(lián)合技術(shù)[22]。值得注意的是，根據(jù)對可可蓋煤礦鄰近的小紀汗煤礦、巴拉素煤礦調(diào)研情況，在揭露2 號煤層時地層涌水量較大、水壓較高。因此，制定了揭煤遇水防治預案，一方面可在斜井揭煤前提前通過地面鉆孔疏放2 號煤層水，另一方面中央進回風立井按計劃將早于斜井完成施工，可利用立井井下巷道或硐室進行打孔抽水，以降低2 號煤層水壓和控制涌水量，確保安全順利揭煤。

3)斜井穿越破碎軟弱地層施工的可行性分析。根據(jù)井田地質(zhì)資料，斜井穿越地層存在軟弱圍巖、破碎帶、交錯層理和可能產(chǎn)生的斷層等地質(zhì)情況，為避免圍巖坍塌、護盾擠壓、掘進機卡機等風險，提出了協(xié)同調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)速、撐靴壓力、刀盤扭矩、推進力、換步行程、調(diào)向幅度等參數(shù)，實現(xiàn)掘進機多動作協(xié)同控制技術(shù)；提出了地層擴挖、提高液壓油缸推力快速通過、超前注漿加固圍巖，形成“超前支護、短進尺、勤換步、早封閉、強支護、初期支護一次到位”的安全掘進工藝。

4)全斷面掘進機施工多變坡度斜井的可行性分析。全斷面掘進機在理論上可在所有坡度上進行掘進工作，同時全斷面掘進機施工5.5°傾角的煤礦斜井在補連塔煤礦已經(jīng)取得成功。經(jīng)過與裝備制造廠家溝通以及專家論證，提出了加強全斷面掘進機的豎曲線調(diào)向能力的要求，在保證圍巖可提供足夠反力的情況下，全斷面掘進機可通過相應(yīng)的調(diào)向機構(gòu)可實現(xiàn)強制調(diào)向；全斷面掘進機的推進油缸采用雙頭固定設(shè)計，增大撐靴面積以提高撐靴穩(wěn)定支撐能力；刀盤與護盾偏心設(shè)計，使全斷面掘進機在掘進過程中有一定的抬頭趨勢，并采用主動鉸接設(shè)計，鉸接油缸可強制抬起支撐盾體，同時掘進過程可中采取少量多次的換步原則，調(diào)整刀盤俯仰姿態(tài)，可滿足長距離緩坡副斜井多變坡度的施工要求。

根據(jù)可可蓋煤礦工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、環(huán)境條件、掘進長度、斜井斷面及坡度、施工技術(shù)與裝備等因素的綜合分析，可可蓋煤礦主副斜井采用全斷面掘進機施工方案在技術(shù)上總體可行，具有機械化程度高、減人提效、安全可靠的優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，需進一步分析和論證全斷面掘進機裝備類型及其適用性，以及與地層圍巖條件和掘進機功能相適應(yīng)的斜井圍巖快速支護形式與方法，確保實現(xiàn)快速安全掘進與穩(wěn)定可靠支護協(xié)同的長距離斜井建設(shè)技術(shù)工藝。

3 全斷面掘進機裝備選型分析

3.1 全斷面掘進機裝備選型對比分析

目前，適用巖石地層的全斷面掘進機類型主要分為敞開式和護盾式2 類，其中護盾式全斷面掘進機根據(jù)地質(zhì)條件和工程條件又分為單護盾式、雙護盾式和三護盾式，此外對于巖巷穿越破碎地層掘進時，在護盾后可再安裝格柵護盾以防頂板圍巖大塊巖石垮落而導致設(shè)備或人員損害。因此，根據(jù)可可蓋煤礦斜井地質(zhì)條件和工程條件，斜井必然需要穿越破碎、軟弱、富含水等不良地質(zhì)環(huán)境，需對全斷面掘進機類型的優(yōu)缺點進行對比分析，并提出適應(yīng)可可蓋煤礦斜井施工條件的掘進機改進和優(yōu)化方案。

斜井穿越破碎地層時，敞開式和護盾式的全斷面掘進機都面臨被卡、被困的危險，且護盾式全斷面掘進機比敞開式全斷面掘進機被卡的幾率更高，脫困相對難度更大。一方面敞開式全斷面掘進機與護盾式全斷面掘進機相比，盾殼較短，坡度適應(yīng)性強，降低了卡機風險[23]；敞開式全斷面掘進機護盾為分體式，利用千斤頂伸縮功能可實現(xiàn)上護盾和側(cè)護盾能分別主動支撐在井筒頂板和側(cè)幫，可實現(xiàn)主動防護功能，減少空頂距離。另一方面，護盾式全斷面掘進機的護盾為整體結(jié)構(gòu)，由于刀盤的擴挖致使護盾范圍內(nèi)始終存在較大范圍的空頂區(qū)域，對頂板防護效果差；而敞開式全斷面掘進機自帶鋼拱架自動拼裝和錨噴裝置，有利于實現(xiàn)對不良地層的快速支護，可滿足全斷面掘進機掘與支之間的協(xié)同性要求。敞開式全斷面掘進機裝備示意，如圖3 所示。

圖3 敞開式全斷面掘進機裝備示意Fig.3 Schematic of open full section boring machine

斜井穿越軟弱大變形地層時，對敞開式全斷面掘進機施工有較大影響。敞開式全斷面掘進機的破巖推進需要撐靴支撐在井幫上，若圍巖過于軟弱不足以提供撐靴支撐反力時，將導致全斷面掘進機無法前行的技術(shù)難題。因此，敞開式全斷面掘進機推進需增加底部輔助推進裝置，可通過在斜井底鋪設(shè)的仰拱塊提供全斷面掘進機推進反力來解決此問題，從而實現(xiàn)全斷面掘進機順利推進。此外可可蓋煤礦斜井埋深達530 m 左右時，斜井圍巖均為軟弱巖層，將遭遇軟巖大變形地段，護盾式全斷面掘進機脫困處理難度較高。

穿越富含水地層時全斷面掘進機裝備要承受較大的水頭壓力，因此全斷面掘進機掘進過程中不但應(yīng)考慮因地層條件變化對全斷面掘進機刀盤掘進參數(shù)進行隨掘調(diào)整，同時要求圍巖支護結(jié)構(gòu)能夠保證圍巖穩(wěn)定。考慮到可可蓋煤礦斜井要穿越約2 200 m富水洛河組砂巖，初期提出了采用護盾式和敞開式的復合式全斷面掘進機施工工藝，即洛河組地層采用雙護盾式全斷面掘進機掘進，并采用管片支護圍巖，待進入安定組后轉(zhuǎn)換成單護盾式或敞開式，并采用錨網(wǎng)噴進行圍巖支護。此種模式不僅可解決承壓水下密封壽命不足的問題，又可解決深部管片剛性支護難以適應(yīng)圍巖變形和承壓的問題。

3.2 斜井敞開式全斷面掘進機掘進方案的確定

斜井進入白堊系中等風化洛河組后，最初設(shè)計曾提出采用綜掘機施工一段距離(長度約800 m)，并在綜掘機掘進過程中隨時檢測圍巖強度，當圍巖強度超過2.3 MPa 時，且滿足全斷面掘進機撐靴支撐強度要求時再改為全斷面掘進機施工。然而由于已有巖巷或斜井工程采用綜掘機施工效率不高、地層涌水等問題，繼而提出并論證了采用護盾式和敞開式的復合式全斷面掘進機施工工藝，即全斷面掘進機采用雙護盾模式通過洛河組地層后，再采用單護盾或敞開模模式繼續(xù)掘進，雖然能夠更好地適應(yīng)可可蓋煤礦地層條件，但是存在復合模式工序復雜，模式轉(zhuǎn)換時間長、護盾式卡機風險高等問題。因此，繼續(xù)探索和論證井口明槽段開挖后，可可蓋煤礦斜井采用敞開式全斷面掘進機直接進硐施工的可行性。

通過對鄰近小紀汗煤礦洛河組段采用230 型綜掘機施工井筒的現(xiàn)有狀況調(diào)研，該段井筒十余年來支護狀態(tài)良好，未發(fā)生圍巖失穩(wěn)坍塌現(xiàn)象。為了進一步論證敞開式全斷面掘進機施工洛河組地層的可行性，在斜井場地試挖已經(jīng)暴露多年的洛河組地層，并進行了現(xiàn)場圍巖錨固效果、圍巖強度和圍巖支撐性能測試。結(jié)果表明，現(xiàn)場使用挖掘機挖掘洛河組砂巖，挖掘機挖痕深度只有2 cm 左右，很難挖掘洛河組巖石；錨桿拉拔試驗測得錨桿拉拔力均能達到100 kN 以上，高于煤礦巷道支護錨桿錨固力要求的50 kN，且錨桿托盤與巖體貼合緊密，無松動現(xiàn)象；通過采用DWS25–250/110/90 雙伸縮懸浮單體液壓支柱水平支撐于洛河組圍巖上，用以模擬掘進機撐靴與圍巖之間的相互作用，試驗得到單體油缸壓力達到88 MPa，洛河組圍巖受壓達33 MPa 時，圍巖仍未產(chǎn)生潰散、崩裂等破壞現(xiàn)象。

綜合上述分析和現(xiàn)場測試結(jié)果判斷，可可蓋井田白堊系洛河組地層圍巖具有一定的自穩(wěn)性能，能夠滿足敞開式全斷面掘進機撐靴穩(wěn)定支撐的強度要求，同時為采用錨網(wǎng)噴支護工藝的選擇奠定了基礎(chǔ)，從而確定了過明槽段后采用敞開式全斷面掘進機直接掘進洛河組地層的方案。

3.3 敞開式全斷面掘進機掘進的支護方式分析

圍巖支護類型的選擇與全斷面掘進機選型密切相關(guān)，斜井井筒穿越的地層除表層薩拉烏蘇組砂層采用大開挖施工外，其余區(qū)段考慮采用敞開式全斷面掘進機法施工，自上而下穿越的地層分別洛河組砂巖地層，安定組砂巖、泥巖互層地層，直羅組砂巖地層、延安組砂巖地層?；谛本┰降貙訔l件，提出了淺部砌碹支護+深部錨噴支護、淺部管片支護+深部錨噴支護、全斜井管片支護、全錨噴支護4 種圍巖支護方案。通過對比分析4 種圍巖支護方案，得到以下3 點認識：①錨噴支護施工簡單，較管片支護和砌碹支護成本低，在達到安全支護的前提下可降低工程造價；②采用管片支護屬于剛性支護，可可蓋煤礦斜井穿越地層巖性多變，且隨著掘進深度的增加，地層壓力不斷提高，不同于一般地鐵隧道埋藏較淺，地壓較小，而錨噴支護屬于柔性支護，允許井筒圍巖有適當?shù)淖冃?，滿足井筒支護安全要求即可；③采用管片支護時，管片重量大，井筒服役過程中若出現(xiàn)管片壓裂破壞等情況時，管片支護結(jié)構(gòu)拆裝維護困難，而錨噴支護出現(xiàn)離層開裂等情況時，維護相對簡單。

通過設(shè)備調(diào)研、技術(shù)論證、經(jīng)濟分析和施工速度等因素的綜合分析，采用敞開式全斷面掘進機施工，在技術(shù)工藝上可行；同時選擇了斜井圍巖采用錨網(wǎng)噴支護作為可可蓋煤礦斜井圍巖支護方式，在局部圍巖較破碎區(qū)段增設(shè)近工作面鋼拱架支護；為便于施工車輛通行和提高施工效率，底板采用預制仰拱塊鋪砌，以減少現(xiàn)澆混凝土底板對車輛通行的影響。

4 礦井建設(shè)工期與投資對比分析

1.3 節(jié)提出的4 版礦井開拓方案中，經(jīng)調(diào)研和論證進回風立井已確定采用鉆井法施工，其建設(shè)工期、經(jīng)濟和投資成本相差較小，不作為對比分析的重點對象。因此，本節(jié)重點對主副井筒的開拓方案建設(shè)工期、經(jīng)濟與投資成本進行分析。

4.1 礦井建設(shè)工期比較

礦井開拓方案1 中，主副立井均采用凍結(jié)特殊鑿井法施工，經(jīng)估算分析建井工期約為59.6 個月；礦井開拓方案2 和方案3 中均為主斜副立開拓方案，按照主斜井采用全斷面掘進機施工，經(jīng)估算分析建井工期約為48 個月，副立井采用凍結(jié)特殊鑿井法施工，建井工期約為59.6 個月；開拓方案4 中主副斜井開拓方案，按照主副斜井均采用全斷面掘進機施工，建井工期約為48 個月，相對于其他開拓方案，預計可縮短建井工期11.6 個月。

4.2 礦井建設(shè)經(jīng)濟分析

以副立井建設(shè)投資為例，若按照采用凍結(jié)特殊鑿井法施工副立井的方案，投資估算35 712 萬元；若按照采用凍結(jié)特殊鑿井法施工副斜井的方案，投資估算17 492 萬元；若按照采用全斷面掘進機施工副斜井的方案，副斜井長度5 500 m，造價按6.33 萬元/m計，總投資估算為34 815 萬元。因此，全斷面掘進機施工副斜井相對于凍結(jié)法施工副立井的方案，估算將減少投資897 萬元；相對于凍結(jié)法施工副斜井的方案，估算將增加投資17 323 萬元。

此外，開拓方案4 中將可可蓋煤礦工業(yè)廣場選擇西部，位置靠近大海則裝車站及進場公路，外部運輸條件便利，進場公路、運煤鐵路專用線、供電線路距離均較短，節(jié)省投資和運營費用，估算可節(jié)約鐵路投資47 000 萬元，節(jié)約進場公路投資8 000萬元。同時西部主副斜井方案，斜井落底后不設(shè)傳統(tǒng)的井底車場，通過一段聯(lián)絡(luò)巷直接與輔助運輸大巷聯(lián)系，預計可縮短工期12 個月，提前投產(chǎn)盈利約10 億元。主副井筒建設(shè)工期與投資成本分析結(jié)果，見表3。

表3 主副井筒建設(shè)工期與投資成本對比Table 3 Analysis results of construction period and investment cost of main and auxiliary shaft

5 結(jié) 論

1)為滿足陜西可可蓋煤礦10.0 Mt/a 的產(chǎn)能需求，基于礦井開拓方式影響因素的分析，結(jié)合可可蓋井田地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，提出了4 版不同的礦井開拓方案；考慮外部運輸條件、場地集中便于管理，以及緩坡斜井無軌膠輪化和無需換裝等優(yōu)勢，初步確定了井田西部主副斜井+中部進回風立井的開拓方案。

2)針對鉆爆法與懸臂掘進機作業(yè)線施工長距離斜井均存在掘進效率低、工序復雜、風險高等問題，根據(jù)斜井穿越松散覆蓋層、富含水地層、軟弱破碎地層等不良地層條件，以及主副斜井大斷面、超長距離、多變角度的工程條件，論證了采用巖石全斷面掘進機施工長距離全下坡斜井技術(shù)可行。

3)針對西部白堊系、侏羅系地層煤礦超長斜井“地層富水、地層多變、巖性軟弱”的復雜地層條件和“深埋超長、連續(xù)下坡”的工程特點，通過對敞開式、護盾式與復合式全斷面掘進機掘進的適應(yīng)性分析，選擇了敞開式全斷面掘進機掘進方案，并采用錨網(wǎng)噴支護與局部圍巖較破碎區(qū)段增設(shè)近工作面鋼拱架支護的支護方式。

4)根據(jù)可可蓋煤礦工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、環(huán)境條件、工程條件、建井技術(shù)、裝備性能、建井工期、投資成本等因素的綜合分析，提出的4 版礦井開拓方案均具有一定的適用性，但是第1～3 方案均存在建設(shè)周期長、井筒需要凍結(jié)施工、爆破安全性差、生產(chǎn)環(huán)節(jié)相對復雜等不足；第4 版西部主副斜井開拓方案，采用敞開式全斷面掘進機施工具有可行性、先進性、經(jīng)濟性等優(yōu)勢且風險可控。

致謝：本文撰寫過程中，陜西延長石油礦業(yè)有限公司、天地科技股份有限公司、中國鐵建重工集團股份有限公司、中煤西安設(shè)計工程有限責任公司、陜西延長石油榆林可可蓋煤業(yè)有限公司、北京中煤礦山工程有限公司等單位與本項目相關(guān)人員參與討論并提出建議，在此一并表示感謝。