厚表土层千米埋深口孜东矿井开拓设计研究

2020-07-24王建锋

煤炭工程 2020年7期

王建锋

(煤炭工业合肥设计研究院有限责任公司，安徽合肥 230041)

目前我国煤矿平均开采深度超过500m，其中超过千米的有40余对，超过1200m的有7对[1]。两淮矿区现有46对生产矿井，平均开采深度已达726m，开采深度超过800m的共有17对，均为近年来新建或改建的矿井，且主要分布在淮南矿区。口孜东矿开采深度995m，为安徽省开采最深的矿井，在两淮乃至全国的深井中具有代表性。从现有生产矿井来看，深井同浅部井相比，开采条件更加复杂，灾害问题更加突出[2，3]。两淮矿区的煤层赋存条件复杂、表土层厚度大、煤层埋藏深、开采系统复杂，在全国具有代表性，因此对两淮矿区开采最深的口孜东矿井开拓设计研究具有重要的意义。

1 口孜东井田地质特征

淮南煤田大部分被厚度小于800m的新生界松散层覆盖，矿区井田水文地质条件中等～极复杂，煤层的瓦斯含量总体为东高西低。各可采煤层均具有煤尘爆炸危险性。煤的自然倾向介于容易自燃～不易自燃之间[4]。

口孜东井田位于淮南矿区西部，阜阳市以东约30km处，北起太原组一层灰岩顶面露头线，南至F1断层，走向长7.4km，倾向宽3.0～7.3km，面积33.6km2。井田地表平坦，地面原始标高介于+23.5～+27.6m之间。煤层埋藏深度介于-650～-1200m之间，且储量主要集中于-1000m左右；构造复杂程度为中等，含煤地层为石炭系和二叠系，矿井水文地质类型为复杂型，工程地质条件属中等类型。-967m水平最低地温高达38.8℃，已进入二级热害区。有煤炭资源储量7.7亿t。口孜东矿表土层厚度达两淮建井史上之最，千米埋深、高地压等特点突出，在两淮矿区乃至全国具有代表性。

2 口孜东矿开拓设计

口孜东矿井设计生产能力为5.0Mt/a，松散层厚度为426.18～687.60m，平均厚度为591.60m，主采的13-1、11-2、8、5、1煤层埋深均在1000m左右。该矿井具有松散层厚度大、煤层埋藏深、地温高、建井井型大、建井难度大等特点。

2.1 井田开拓方式确定

井田开拓方式分为斜井、立井、平硐和混合式开拓[5]。两淮矿区的井田普遍存在煤层埋藏深、表土层厚、地质条件复杂、井筒还需采用特殊施工方法等特点[6]，结合口孜东井田地势平坦、表土层巨厚的特点，设计采用立井开拓。

2.2 井口位置选择

影响口孜东矿井井口位置选择的主要因素[7，8]有：新生界松散层厚，由东向西逐渐增厚，井筒施工难度大；井田中深部南北方向的DF1、DF14、F5断层，深部的F1、F1-1断层，对井口位置的选择影响较大；F5断层将井田分为东西两大块段，东部块段较大，占全井田的79.1%(其中-967m水平以浅为70.8%)，井田储量中心位于18—19勘探线附近；济河从井田中东部自西向东流过，另外，多条县级公路从南到北穿过井田，地面村庄较多，工业场地选择受到一定的限制；铁路专用线应在井田东侧与矿区铁路专线接轨，进场公路应从井田南侧的县道引入。根据本井田构造特点和煤层赋存情况，研究推荐2个方案比选。

2.2.1 方案Ⅰ

方案Ⅰ井口位于17线17-6孔北约500m处。该方案井位处表土厚度约570m，初期在工业场地内设主井、副井和中央回风井3个井筒；通过东、西回风井方案必选，推荐后期在井田西翼浅部增设西回风井。一水平标高-967m，井底车场位于17-1煤层底板粉砂岩和细砂岩中。矿井投产时移交中央(13-1)采区，在采区东翼布置一个13-1煤层综采工作面，采区生产能力为5.0Mt/a。该方案地面原始标高+26.0m左右，铁路专用线长14.09km，场外公路长2.1km。工业场地压煤量5293.9万t。移交井巷工程量29705m，万吨掘进率59.4m，建井工期59个月，井巷工程及地面铁路专用线总投资190245.10万元[9]。

2.2.2 方案Ⅱ

方案Ⅱ井口位于18线18-7孔西北约250m处。该方案井位处表土厚度580m，初期在工业场地内设主井、副井和中央回风井3个井筒，后期在F5断层以西煤层浅部增补一个西风井。一水平标高-950m，井底车场位于13-1煤层顶板约90m的砂岩中，矿井投产时移交中央(13-1)采区，在采区西翼布置一个13-1煤层综采工作面。该方案地面标高+25.7m左右，铁路专用线长15.03km，场外公路长约1.8km，工业场地压煤量4866.7万t。该方案移交井巷工程量30782m，万吨掘进率61.56m，工期63个月，井巷工程及地面铁路专用线投资为192886.49万元。

2.2.3 方案比选

1)方案Ⅰ主要优点是井筒不穿断层，施工难度小，可靠性高；工业场地压一水平首采区煤层少；井巷工程量比方案Ⅱ少1077m，铁路专用线约短1.0km，建井工期短4个月，投资省2641.39万元。主要缺点是工业场地占据部分乌江—杨楼的022县道，需增加改道公路0.654km；工业场地范围内有董庄小学及董庄的部分房屋，搬迁工作量偏大。

2)方案Ⅱ的主要优点是井口位于井田储量中心附近，有利于东西两翼煤层的开采；压煤量较小；后期开采F5断层以西块段时，通风、运输距离较短；工业场地较为开阔，搬迁工作量较小。主要缺点是3个井筒均需穿过F1-1断层(落差H=50m)，且表土层偏厚，增加了建井难度，不利于井筒的维护。井底车场位于F1-1和DF1断层组成的三角地带，岩性破碎，对千米深井而言，不利于井底车场巷道及硐室的施工与维护。工业场地压一水平首采区煤较多，致使工作面接替较困难。铁路专用线比方案Ⅰ约长1.0km。

综上所述，虽然方案Ⅰ需改道现有公路部分路段，但该公路为一般县级公路，标准低，通过量小，且改道部分可作为矿井货运公路加以利用。故本设计推荐方案Ⅰ，即井口位于17线17-6孔北约500m处[10]。

2.3 开采水平划分

2.3.1 水平划分影响因素

矿井开采水平的划分应根据煤层赋存条件、地质条件、开采技术条件、开采技术与装备水平、资源/储量和生产能力等因素，经综合比较确定。根据口孜东井田具体特点，在水平划分时，着重考虑以下主要因素：

1)在建井期间和投产后的前几年能有效治理瓦斯及地温；采用长壁采煤法，工作面应有合理的有效推进长度、应有科学合理的区段数目[8]。参照目前高产高效综采工作面的实际参数，工作面推进时间一般应在一年以上，区段数目以不少于5个为宜；一水平储量及服务年合理；井底车场、井底主要硐室所在层位岩性好。

2)该井田基岩被平均厚度为591.6m的新生界松散层所覆盖，新生届松散层自上而下大致分为4个含水层(组)和3个隔水层(组)，根据含隔水层(组)特征，该井田可采煤层的浅部按防砂煤柱留设。经计算，各煤层防砂煤柱高度11.1～33.65m，其中首采煤层26.5m。

2.3.2 一水平划分方案

根据井口位置，参照临近钻孔资料，针对一水平设计研究提出了方案A(-900m)、方案B(-967m)、方案C(-1020m)3个方案。一水平标高方案比较见表1。

表1 一水平标高方案比较

综上分析，方案A(-900m)工作面推进长度偏短，不利于工作面稳产高产，而且井底车场和装载硐室的岩性都较差，不予推荐。方案C(-1020m)一水平垂高太大，瓦斯和地温较高，达产时井巷工程量大、工期长。相比而言水平方案B(-967m)水平车场岩性较好，一水平储量较大，能满足服务年限的要求。因此，推荐一水平标高为-967m(水平方案B)，二水平标高暂定为-1200m。

2.4 开拓大巷设计

根据煤层的赋存状况及采煤方法，结合开拓方式，各采区均通过石门或大巷与-967m水平井底车场联系。浅部井一般布置轨道、运输、回风三条大巷用于开拓[8]。

该矿井表土层巨厚、千米埋深、地压大，大巷的布置应考虑便于支护和维护，首选岩巷为宜；同时由于瓦斯治理的需要，岩巷工程多。因此，该矿井矸石率高，根据对两淮多对矿井矸石率的统计分析，测算该矿井矸石率为12%，年掘进矸石量达60万t，如此巨大的矸石量成为井下辅助运输的主要任务。从国内外生产矿井的实际情况来看，对于矸石率高的矿井，采用矿车运矸、副井罐笼提矸成为制约其生产能力提高的瓶颈；而井筒箕斗提矸结合井下带式输送机运矸具有运矸连续化、提矸能力大以及减轻副井提升压力的优点，目前已被越来越多的立井采用，如德国罗森纳矿、国内的桃冲铁矿以及铜化集团公司新桥矿、淮南的张集煤矿、刘庄煤矿等。通过可行性分析和论证，推荐副井除装备罐笼外，另外装备一套9t矸石双箕斗用于提升矸石。

目前国内外井下辅助运输形式有：隔爆特殊型电池电机车、防爆低污染柴油机胶套轮齿轨卡轨车、无轨胶轮机车以及带式输送机等。经分析比较，设计认为该矿井开采深度近千米、地压大、巷道易底鼓，岩巷工程量较大。采用带式输送机运矸具有井下矸石可实现连续化运输，运输能力大，效率高；矸石运输便于实现自动控制和自动化管理等特点。因此，在副井采用箕斗提矸的情况下，从带式输送机运输能力大，能实现从掘进面到地面排矸的连续运输，自动化程度高、占用人员少、效率高等方面综合分析，推荐井下大巷及石门矸石采用带式输送机运输，其它辅助运输采用蓄电池机车牵引1.5t矿车运输，矸石通过带式输送机运至井底矸石仓[11]。

综上所述，口孜东大巷由轨道巷、矸石带式输送机巷、运煤带式输送机巷及回风大巷组成，为解决厚表土千米埋深带来的地压大问题，大巷均布置在煤层底板岩层中[12]。从井底车场施工情况分析，厚表土千米埋深矿井巷道施工相互扰动较大，结合对两淮矿区井下施工的研究，为减少巷道施工造成的扰动，该矿井主要巷道水平间距均按不低于50m设计，根据施工反馈情况，有效的解决了施工时巷道的扰动[13]。

矿井初期从井底车场向北布置1条轨道石门、1条运煤带式输送机斜巷、1条矸石带式输送机石门及2条回风石门，通过下部车场与采区上山相接。后期北翼石门继续向北延伸，逐步进入下部煤层[14]。矿井移交时开拓大巷布置如图1所示。

图1 矿井移交时开拓大巷布置

西翼从井底车场向西在岩层中布置1条轨道大巷、1条运煤带式输送机斜巷、1条矸石带式输送机大巷及2条回风大巷，西翼大巷延伸至F5断层以西后掘1组石门进入下部煤层。

和同类矿井相比，口孜东矿井下增加了一条矸石带式输送机大巷，并在井下设矸石仓及装载带式输送机巷，副井内设计矸石箕斗，形成矸石连续运输。其主要优点是：解决了厚表土层及千米埋深导致地压大、巷道断面大、瓦斯治理工程岩巷多等共同造成的矸石量大问题；解决了千米深井导致罐笼提升效率较低等问题；增加了一条进风巷，减少了通风系统阻力，更有利于矿井的通风；采用带式输送机运矸有利于充分发挥其运输能力大的优势，且在副井内布置箕斗，采用箕斗提矸能实现从掘进工作面到地面排矸的连续运输，自动化程度高、人员少、效率高，有利于现代化矿井的安全高效高产[15]。

3 采区划分、煤层开采顺序及工作面布置

3.1 采区划分

根据口孜东井田构造特点，以F5和DF11断层为界将全井田划分为四个主要开采块段，F12—DF11断层之间为东一开采块段；DF12—F5断层之间，工业场地保护煤柱线以北为中央开采块段；西侧工业场地保护煤柱线与F5断层之间为西一采区；F5—DF3断层之间作为西二开采块段。根据煤层组的间距，全矿井一水平共划分为15个分煤组采区。

3.2 煤层开采顺序

口孜东井田最上部的17-1、16-1煤层较薄且不太稳定，属大部可采煤层。矿井投产时，若首采17-1、16-1煤层，则达产较困难，而位于这两层煤下面的13-1煤层为矿井主要可采煤层，煤层埋藏稳定，平均厚度为4.60m，属全区可采煤层。若首采13-1煤层，则矿井达产较容易。经过对13-1煤层开采时出现的垮落带和冒裂带高度进行计算得出，垮落带最大高度Hm=14.92m，冒裂带高度为40.13～80.34m，因16-1煤层下距13-1煤层间距96.80m，大于冒裂带高度(40.13～80.34m)，更远大于垮落带高度14.92m，因此矿井首采13-1煤层基本不影响上覆16-1、17-1煤层的后期开采。除此之外，其余各煤层一般采取自上而下开采顺序。但为解决瓦斯问题，需开采下保护层时除外；沿走向前进式开采，即由近及远；沿倾斜方向则由浅至深。