田瑞霖

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院集團有限公司，山西 太原 030001)

礦井工業(yè)場地位置選擇及井田開拓方案設(shè)計是礦井設(shè)計和建設(shè)過程中的重中之重，關(guān)系到整個礦井的安全生產(chǎn)和長遠發(fā)展，直接影響到礦井建設(shè)工程量、初期投資和建設(shè)速度[1-6]。因此，新建礦井的工業(yè)場地位置選擇及井田開拓方案設(shè)計必須依據(jù)礦井地形地貌條件、井田地質(zhì)條件煤層賦存條件、開采技術(shù)條件、地面外部條件、設(shè)計生產(chǎn)能力、裝備條件等，統(tǒng)籌井田全局后確定[7-11]。

溝底井田為晉城礦區(qū)新建礦井，是晉能控股裝備制造集團主力接替礦井，為確保礦井建設(shè)項目的順利開展，力爭通過精心設(shè)計和科學管理，結(jié)合溝底井田的具體特點，最大限度地降低礦井初期投資和縮短礦井建設(shè)工期，把該礦井建設(shè)成開拓布局合理、基建工程量少、建設(shè)工期短、見效快、效率高、效益好、符合煤礦發(fā)展趨勢的綠色、環(huán)保、高產(chǎn)、高效的現(xiàn)代化精品礦井[12-17]。

1 礦井概況

山西高平源野煤業(yè)有限公司溝底煤礦位于高平市北西部，東距高平市區(qū)約15 km，屬于新建礦井，井田南北長約11.097 km，東西寬8.348 km，面積約71.07 km2，井田內(nèi)地質(zhì)資源量617.8 Mt，設(shè)計可采儲量為422.587 Mt，井田四鄰位置關(guān)系如圖1所示。井田內(nèi)地層整體呈南東高、北西低的單斜構(gòu)造，地層總體走向北北東，傾向北西西，井田地質(zhì)構(gòu)造條件屬簡單型。

圖1 井田四鄰位置關(guān)系

井田內(nèi)全區(qū)可采煤層有山西組3號煤層和太原組15號煤層。3號煤層位于二疊系山西組的下部，上距K8砂巖27.70～42.50 m，平均34.22 m；下距K7砂巖1.80～14.77 m，平均8.91 m。下距15號煤層78.09～91.39 m，平均85.47 m。3號煤層厚4.35～7.45 m，平均5.88 m，一般含1層距底板1.45 m左右較穩(wěn)定的泥巖夾矸，夾矸最大厚度0.55 m，平均0.16 m。溝底煤礦3號煤層頂板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，局部為中粒、細粒砂巖；底板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，局部為炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖或泥質(zhì)細砂巖，3號煤層頂?shù)装鍡l件屬中等。井田水文地質(zhì)條件為中等類型，3號煤層賦存平緩，為不易自燃煤層，無煤塵爆炸危險性，可采煤層及其頂?shù)装鍩o沖擊危險，礦井開采技術(shù)條件優(yōu)越，初期開采區(qū)域3號煤層設(shè)計布置一個回采工作面，設(shè)計生產(chǎn)能力為500萬t/a，服務(wù)年限為62.6 a。

2 井口與工業(yè)場地位置選擇

2.1 影響因素分析

1)井田地形因素。井田地面地形較為復雜，所選場地應(yīng)盡量布置在相對平坦處，場地布置應(yīng)結(jié)合地形地勢，以減少場地平整工程量，且所選場地應(yīng)能夠滿足大型礦井生產(chǎn)建設(shè)需要。

2)煤層埋深因素。場地選址應(yīng)與井下巷道部署及煤層賦存條件相結(jié)合，應(yīng)盡量布置在煤層埋藏的淺部區(qū)域，開采條件好的區(qū)域。

3)外運形式。溝底礦井設(shè)有鐵路專用線，由新建交接場與南陳鋪站之間疏解線、改擴建交接場、南陽區(qū)間線路及南陽野川裝車站、東峰區(qū)間線路及東峰前和裝車站、溝底區(qū)間線路及溝底裝車站、南陳鋪信號改造、石碴場信號改造、自營公司、科興專用線九部分組成。工業(yè)場地位置應(yīng)盡量位于井田東部，可有效減少煤流系統(tǒng)運營費用。

4)基本農(nóng)田因素。場地及井口位置的選擇應(yīng)盡量避開基本農(nóng)田。

5)勘探程度?？碧竭吔鐑?nèi)井田面積71.07 km2，2014年8月提交的《山西高平源野煤業(yè)有限公司溝底煤礦首采盤區(qū)三維地震勘探報告》覆蓋面積4.22 km2。從整個井田鉆孔分析來看，東部區(qū)域鉆孔相對較為密集，勘探程度高。

2.2 井口及工業(yè)場地位置方案設(shè)計及比選

從地形、外運條件、勘探程度及基本農(nóng)田因素綜合分析，經(jīng)現(xiàn)場實地踏勘并比對地形地質(zhì)資料圖，初選以下四處場地用作礦井工業(yè)場地或初期風井場地：場地一(梨園溝場地)，位于井田東南部交河村西北的梨園溝內(nèi)；場地二(大郎溝場地)，位于井田東南部交河村西南的大郎溝內(nèi)；場地三(常莊村場地)，位于井田東北部常莊村附近；場地四(南莊村場地)，位于井田南中部坪頭、南莊村附近，如圖1所示。

1)場地一(梨園溝場地)和場地二(大郎溝場地)位于井田南部邊界附近，煤層埋深較淺，煤層埋深均不到400 m；距離井田南側(cè)沁輝公路及規(guī)劃的高平電廠近，規(guī)劃的運煤專線距離太焦線南陳鋪鐵路接軌點近，進場公路、運煤專線設(shè)置距離短，且兩處場地土地屬性均為林地和山坡荒地。場地一位于井田東南邊界處交河村西北的梨園溝內(nèi)，該處場地為交河村一個村莊所有，社會關(guān)系簡單易于協(xié)調(diào)處理；場地二位于交河村西南和背村東北部，處于兩個村莊之間，該處場地為兩個村莊所有。

2)場地三(常莊村場地)位于井田北部常莊村、西郭莊、圪塔村附近，地面條件略好，容易平整；礦井煤炭產(chǎn)品向南運輸，井下煤炭存在先北后南反向運輸；擬建的運煤專線線路長；場地周邊村莊較多，礦井基本建設(shè)及生產(chǎn)期間社會關(guān)系協(xié)調(diào)難度大；此外該處場地占壓多為基本農(nóng)田，不符合國家保護耕地的政策。因此，場地三不宜用作礦井工業(yè)場地。

3)場地四(南莊村場地)位于井田南中部的南莊村和上梁村附近，地面相對平坦，場地容易平整，但地面地形標高較高(地形標高+1050～+1090 m，較場地一高60 m)，后期建設(shè)運煤專線鐵路展現(xiàn)難度大，且井下煤層埋深大(較梨園溝場地深160 m)，場地占壓煤柱大，場地距離公路遠，需修建進場公路距離長；場地周邊村莊較多，社會關(guān)系協(xié)調(diào)難度大；此外該處場地占壓大多為基本農(nóng)田，不符合國家保護耕地的政策。

綜上分析，從鐵路外運條件、煤層賦存深度和場地土地屬性分析確定，梨園溝場地和大郎溝場地都可作為礦井的工業(yè)場地。但是，考慮到受煤炭行業(yè)政策和社會因素的影響，最終確定將梨園溝場地作為礦井的工業(yè)場地。

3 井田開拓方案設(shè)計

3.1 井田開拓方式選擇

根據(jù)梨園溝工業(yè)場地的實際情況，結(jié)合井田煤層賦存條件、工業(yè)場地地形條件、井田地形地貌及地面村莊等建構(gòu)筑物分布、地質(zhì)構(gòu)造、當前煤炭開采技術(shù)的發(fā)展水平等因素，設(shè)計了以下三個井田開拓方式。

3.1.1 方案一：大直徑副立井斜立混合

方案一采用大直徑副立井(斜立混合)的開拓方式，在梨園溝場地布置主斜井、大直徑副立井和回風立井三個井筒。

1)主斜井傾角19°，斜長1690.4 m，凈寬5.2 m，凈斷面積18.4 m2，裝備帶寬1600 mm鋼繩芯帶式輸送機及用于帶式輸送機檢修的架空人車裝置，主要擔負礦井煤炭提升任務(wù)，兼輔助進風井及安全出口，下井管路(排水管、強排管、壓風管及充填管)均沿該井敷設(shè)。主斜井井口標高+1013 m，落底至3號煤層底板下巖層，標高+469 m，通過井底煤倉與沿3號煤層南北向布置的南(北)運輸大巷(含上倉帶式輸送機，傾角8°)連通，主斜井落底后設(shè)井底清理撒煤巷通過斜巷與沿3號煤層布置的北輔運大巷連通，以滿足主斜井井底清理及井底設(shè)備檢修需要；同時，在主斜井井底落底附近布置主排水泵房、主變電所、強排泵房及井底水倉等硐室。

2)大直徑副立井凈直徑10.5 m，凈斷面積86.59 m2，垂深438 m(提升高度403 m)，裝備兩套提升系統(tǒng)，一套為“非標特大罐籠(9000 mm×4000 mm)+平衡錘”，擔負全礦井材料、設(shè)備(含日常使用的防爆無軌膠輪車)及矸石等全部輔助提升任務(wù)；另一套為一對小罐籠(2000 mm×1024 mm)，擔負副立井井底零星作業(yè)人員上、下井需要，為礦井的主要進風井，通信電纜及動力電纜沿該井筒敷設(shè)。副立井井口標高+1023 m，落底標高+585 m，井底車場水平標高+620 m，設(shè)+620 m水平車場巷道向正西與南輔運巷連通。

3)回風立井井筒直徑為8.0 m，凈斷面積為50.26 m2，垂深383 m，裝備有封閉梯子間，擔負礦井投產(chǎn)初期回風任務(wù)兼作礦井的安全出口?；仫L立井井口標高+1008 m，落底標高+625 m，井筒落底后沿煤層向正西布置兩條總回風巷與南回風大巷連通。

3.1.2 方案二：緩坡斜井

方案二在梨園溝工業(yè)場地布置主斜井、緩坡副斜井、進風立井和回風立井四個井筒，主斜井和回風立井設(shè)置基本同方案一，將方案一的大直徑副立井調(diào)整為緩坡副斜井，新增一個進風立井。

1)緩坡副斜井傾角6.5°，總長4813.8 m(緩坡段長4327.8 m，緩沖平段486 m)，凈寬5.5 m，凈斷面20.12 m2，擔負大型設(shè)備長材上下井及大型膠輪車上、下井加油檢修任務(wù)，兼進風及安全出口。緩坡副斜基本沿東西向折返式布置(井口及井底段與主斜井平行布置)，傾角6.5°，落底標高+523 m，井筒落底后與北輔運大巷連通。

2)從礦井所需風量、下井管線及提高輔助運輸效率方面考慮，設(shè)計布置一個進風立井，凈直徑8.0 m，凈斷面積50.26 m2，垂深458 m(含井底水窩35 m)，裝備一對特制寬罐籠(5100 mm×2340 mm)，擔負人員及一些日常小型材料上下井的任務(wù)，兼作礦井進風的安全出口。進風立井井口標高+1023 m，落底標高+570 m，井底車場水平標高+600 m，提升高度423 m，設(shè)+600 m水平車場巷道向正西與南輔運巷連通。

3.1.3 方案三：立井開拓方式

方案三在梨園溝工業(yè)場地布置主立井、副立井和回風立井三個井筒，其中，副立井和回風立井的設(shè)置同方案一，將方案一的主斜井調(diào)整為主立井。

主立井凈直徑8.5 m，凈斷面積56.75 m2，垂深498 m，裝備兩套25 t雙箕斗擔負全礦井原煤提升任務(wù)，兼輔助進風井。主立井位于副立井西南約180 m處，井口標高+1013 m，落底標高+515 m，箕斗裝載水平標高+570 m，主立井裝載水平設(shè)有井底煤倉一座，井底煤倉上口一側(cè)與主立井井筒相連，另一側(cè)為運輸大巷與井底煤流系統(tǒng)相連接，運輸大巷向正西布置與南北向布置的運輸大巷連通，以滿足井下煤炭運輸需要；同時，在副立井井底設(shè)置主排水泵房、主變電所及井底水倉等硐室，下井管線沿該井筒敷設(shè)。

3.1.4 井田開拓方案比選

1)方案一采用大直徑副立井斜立混合開拓方式，移交生產(chǎn)時在礦井工業(yè)場地布置主斜井、副立井和回風立井共三個井筒。①方案一優(yōu)點：主斜井帶式輸送機運輸連續(xù)，提升能力大，維護管理簡單，設(shè)備調(diào)整容易。副立井井筒斷面大，進風能力大；提升速度快，提升能力大效率高；副立井可整體升降支架、日常使用的無軌膠輪車等大型設(shè)備，并便于長材料的升降。②方案一缺點：副立井裝備兩套提升系統(tǒng)，投資費用較高，后期維護管理較緩坡斜井復雜。

2)方案二采用斜立混合開拓方式，移交生產(chǎn)時在礦井工業(yè)場地布置主斜井、緩坡副斜井、進風立井及回風立井共四個井筒。①方案二優(yōu)點：主斜井帶式輸送機運輸連續(xù)，提升能力大，維護管理簡單，設(shè)備調(diào)整容易；副立井為緩坡斜井，防爆無軌膠輪車可裝載設(shè)備材料及人員經(jīng)由緩坡斜井直接上、下井，可實現(xiàn)直達采掘工作面運輸，井下輔助運輸環(huán)節(jié)少；緩坡斜井無須設(shè)置提升設(shè)備，系統(tǒng)簡單，易于管理；配建的地面土建工程簡單，基本無安裝工程；進風立井裝備提升設(shè)備可滿足人員、日常設(shè)備材料及3t膠輪車上下井需要，提高了輔助運輸系統(tǒng)靈活性。②方案二缺點是緩坡斜井由井口至井下大巷總長近4865 m，工程量大，建設(shè)工期長；人員上、下井在井筒中耗費時間長，冬季柴油機車尾氣對空氣污染較嚴重，空氣質(zhì)量較差；井筒長期運輸費用高，后期膠輪車營運費用及維護成本高，膠輪車長距離連續(xù)上下坡對車輛制動系統(tǒng)要求高，安全性差；緩坡斜井建設(shè)工期長，主斜井和進風立井裝備周期長，井筒裝備期間會影響到井下建設(shè)，而緩坡斜井不利于縮短井巷建設(shè)工期。

3)方案三采用立井開拓方式，移交生產(chǎn)時在礦井工業(yè)場地布置主立井、副立井和回風立井共三個井筒。①方案三優(yōu)點是主井和副立井均為立井，井筒進風量大；副立井提升速度快，提升能力大效率高；可整體升降支架、日常使用的無軌膠輪車等大型設(shè)備，并便于長材料的升降。②方案三缺點是與主斜井相比，立井系統(tǒng)相對斜井復雜，后期維護管理難度較斜井大；主斜井井底裝卸載硐室及相配套井底運輸大巷總工程量大，施工難度也大；副立井裝備兩套提升系統(tǒng)，投資費用較高，后期維護管理較緩坡斜井復雜。

三個開拓方案均選擇梨園溝場地作為礦井的工業(yè)場地，場地購置、場地平整、供電線路、場外公路、排矸公路及后期運煤專線等建設(shè)工程及投資基本相當，投產(chǎn)初期大巷及采區(qū)工作面巷道工程基本相同，主要區(qū)別在于移交生產(chǎn)時井筒及井底巷道工程及其配套設(shè)備設(shè)施投資，設(shè)計對主要可比工程投資進行了估算，經(jīng)比較分析，方案一主要可比工程投資較方案二少7920萬元，較方案三少3471萬元。主要可比工程投資估算比較見表1。

表1 主要可比工程投資估算比較

綜上，井田開拓方案一具有工業(yè)場地布置集中、副立井進風能力大、輔助提升能力大效率高、建設(shè)工期短的優(yōu)勢，井下巷道系統(tǒng)部署簡單。經(jīng)綜合分析比較，確定推薦井田開拓方案一。

3.2 開采水平及開拓巷道布置

3.2.1 水平劃分

根據(jù)勘探報告等資料，礦井開采3號煤層，開采水平標高確定為+620 m。

3.2.2 開拓巷道布置

井田內(nèi)地層整體呈南東高、北西低的單斜構(gòu)造，井田東部煤層埋藏淺，向西逐漸加深，勘探范圍內(nèi)3號煤層底板標高介于+680～+280 m。礦井工業(yè)場地選擇在煤層埋藏相對較淺的南東部區(qū)域，工業(yè)場地處煤層埋深約390 m。根據(jù)3號煤層賦存條件及井田形狀特點，設(shè)計將井田劃分為北、中、南三個區(qū)，結(jié)合井田北寬南窄的特點，井田開拓巷道呈“丁”字部署，由南向北布置開拓巷道貫通南部及中部區(qū)域，井田南部及中部區(qū)域沿煤層走向劃分為東西兩翼，在開拓巷道兩側(cè)布置回采工作面進行開采；北部區(qū)域東西長度偏大，結(jié)合北部區(qū)域地面地形條件及風井服務(wù)范圍等因素，將北區(qū)劃分為兩個區(qū)域進行開采，井田開拓巷道掘進至北區(qū)南邊界后調(diào)整沿東西向(煤層傾向)布置一組開拓巷道。

為加快溝底井田施工進度，降低基建投資，開拓大巷采用集中布置方式，均布置在3號煤層中，沿3號煤層頂板布置。根據(jù)主運輸、輔助運輸及通風要求同時參考鄰近礦井生產(chǎn)經(jīng)驗，開拓大巷按“五巷”布置，即布置兩條輔助運輸大巷、兩條回風大巷和一條運輸大巷，相鄰開拓巷道間距40 m，大巷兩側(cè)煤柱各留設(shè)60 m。

3.3 采區(qū)劃分及開采順序

1)采區(qū)劃分。根據(jù)井田開拓部署，全井田共劃分五個采區(qū)，如圖2所示。南、北兩個區(qū)域各劃分兩個采區(qū)，中部區(qū)域劃分為一個采區(qū)。其中，北部為四采區(qū)和五采區(qū)，中部為三采區(qū)，南部為一采區(qū)和二采區(qū)。礦井初期開采井田南部區(qū)域，移交生產(chǎn)時在礦井工業(yè)場地布置主斜井、副立井和回風立井共三個井筒，初期三個井筒服務(wù)于井田南部區(qū)域的一采區(qū)和二采區(qū)。

圖2 井田采區(qū)劃分

2)開采順序。井田可采煤層為3號煤層，3號煤層劃分為五個生產(chǎn)采區(qū)，采區(qū)開采順序：一采區(qū)→二采區(qū)→三采區(qū)→四采區(qū)→五采區(qū)。

4 結(jié) 論

1)溝底煤礦工業(yè)場地位置設(shè)計選擇在井田東南部邊界附近的梨園溝場地內(nèi)，該處位于3號煤層的淺埋區(qū)，瓦斯含量相對較低，且該處鉆孔控制密集，為勘探的高級儲量區(qū)，井下3號煤層賦存穩(wěn)定。另外，礦井工業(yè)場地布置集中，選煤廠及風井場地均布置在梨園溝場地內(nèi)，有利于生產(chǎn)組織，便于管理。

2)溝底煤礦采用大直徑副立井(斜立混合)的開拓方式，工業(yè)場地布置有主斜井、副立井和回風立井共三個井筒。主斜井帶式輸送機運輸連續(xù)，提升能力大，檢修維護管理容易，副立井井筒斷面大，進風能力大，提升速度快，效率高。井田開拓系統(tǒng)簡單，開拓大巷兼作采區(qū)巷道，回采工作面沿開拓巷道兩側(cè)直接布置，井下掘進工程量較少，采掘銜接更容易，且回采工作面推進距離長，工作面搬家次數(shù)少，為礦井生產(chǎn)提供了保障。