淮南潘谢矿区矿井安全改建及水平延深开采方案设计

夏仕方，黎明镜

(1.淮河能源控股集团有限责任公司，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

淮南潘谢矿区面积约为532.5km2，自1973年第一对矿井潘一煤矿开工建设以来，陆续建成了潘二、潘三、谢桥、张集、顾桥、顾北、丁集、潘四东、朱集东等大型或特大型矿井。区内矿井井田面积大，如顾桥矿面积91.88km2，丁集矿面积达95.66km2；煤层赋存主要特点为：一是第四系松散层厚，一般厚度为200～546m，呈现由东向西、由南向北逐渐增厚的特点；二是煤层多，一般含可采煤层8～18层，平均总厚度25～33m；三是煤层松软、煤层透气性差；四是煤层瓦斯含量高且具有煤与瓦斯突出危险性，区内绝大多数煤层具有自然发火和煤尘爆炸危险性；五是开采下组煤(A组煤)时受太灰、奥灰水害威胁。综上，淮南潘谢矿区各矿井是典型的复杂地质条件下高瓦斯突出煤层群开采的矿区[1-3]。

随着浅部资源的枯竭，矿井安全改建及水平延深关系着淮南潘谢矿区的可持续开采，其开采方案设计是一项复杂的系统工程，虽然在矿井投产前编制的初步设计中已考虑过开拓延深的问题，但矿井投产后，随着矿井煤层赋存状况发生变化，设备更新换代和行业技术进步等因素出现，原矿井开拓延深方案已不适应当前的生产方式，所以要根据实际情况重新研究，合理确定延深方案。在矿井安全开拓设计及水平延深研究方面，唐又驰、车永才等[4，5]提出开拓延深方案应包括新水平的最佳位置选择、井筒形式、合理的大巷布置方式、采区划分方案、运输方式和设备类型及能力，提出以吨煤平均折算费用为评价矿井设计方案的优化准则，模拟优选方案。严正方、王继波等[6，7]提出采用系统工程理论根据不同矿井水平布置、通风方式、提升及运输方式初选方案，用经济数学模型和多目标决策方法确定最优方案。刘亮[8]采用整体比选法中的费用现值法作为具体比选方法，通过对两个开拓方案从建设期、生产期及全寿命周期三个方面进行技术和经济分析比较得出优化方案。罗文柯等[9]根据煤层赋存、顶底板条件、地质构造条件等情况，以延深水平开拓前与开拓后为时间区段，分别应用多种现有区域预测技术与方法进行开采水平、新采区和工作面的突出危险性区域分析，为延深水平开拓前科学防突设计提供一定参考。王维明、赵明、黄华等[10-15]工程技术人员分别针对不同矿区延深开拓开展了有益的实践探索，从充分利用已有的井巷工程节约工程量、减小采动影响等方面确定了相应设计原则。综上所述，国内外已有研究少见类似淮南潘谢矿区高瓦斯突出煤层群条件下的开拓延深工程，针对该矿区矿井目前的采区接替情况和现有的生产系统，以充分利用资源为目标，科学设计矿井延深方式、块段及采区划分、各煤层(组)瓦斯治理模式、防治水方案以及采区系统巷道布置，对复杂地质条件下高瓦斯突出煤层群安全高效开采有重要意义。

1 淮南潘谢矿区矿井开拓方式现状

淮南潘谢矿区煤田位于黄淮平原，含煤地层主要为二叠系山西组和上、下石盒子组，可采煤层自下而上分为A、B、C、D、E五组，矿区除南北两翼少部分地层外，其余均被新生界松散层所覆盖，淮南矿区煤层特征见表1。因此，矿区内建成的矿井均采用立井开拓。

表1 淮南矿区煤层特征

自20世纪80至90年代相继建成的潘一、潘三及谢桥等矿井，投产早期设计大多采用了中央并列式通风方式，随着资源开采范围不断变化，矿井安全改建及水平延深后变更为两翼对角式通风方式，即中央工业广场内布置主、副井，回风井布置在井田两翼上部。当前淮南潘谢矿区矿井主采煤层为B组煤，主要矿井开拓方式概况见表2。

表2 淮南潘谢矿区矿井开拓方式概况

2 安全改建及二水平延深设计

2.1 开拓延深方式及井口位置

开拓延深方式设计需要充分考虑矿井的地质条件、开拓开采现状、井上下关系，以及延深水平施工对现有生产水平影响程度等因素，确保矿井稳定可持续发展。结合淮南潘谢矿区表土层厚度大、煤层多且大部分为突出煤层等特点，同时考虑到不干扰现有生产水平，最终确定了潘谢矿区部分矿井延深方式：

1)主提升：考虑到矿井生产能力不增加，为减少投资，对近距离煤层群采用暗斜井延深方式。为减少中间装载环节，新增井底煤仓，延长装载带式输送机巷，新建的暗斜井直接与煤仓搭接。如张集煤矿二水平暗主斜井，在原井底煤仓的北侧增加一个井底煤仓，其上口标高-485m，将现有的装载带式输送机巷延长至新煤仓下口，东、西两翼暗主斜井由新设煤仓上口直接延深至二水平。

2)辅助提升：考虑到不影响一水平生产，减少辅助运输环节，采用新建第二副井方案，该方案具有以下优点：一是增加副井提升系统，能够满足二水平开拓初期大量矸石的提升；二是较暗立井、暗斜井延深，易于揭煤，系统简单。当前潘谢矿区已进行开拓延深的矿井均采用了此方式。

3)风井：风井的延深方式可根据通风需要合理选择，现有回风井回风能力能够满足回风要求，则采用暗斜井延深，若井田面积大，现有回风井不能满足要求，需要进行安全改建，选择新建回风井。如张集煤矿中央区二水平回风采用暗斜井延深方式，但其井田面积大，为满足矿井通风需要，在矿井东翼又增补了1进1回两个井筒。

考虑到二水平延深后的开拓布局基本与一水平一致，为减少工业广场压煤量，新建二水平副井一般选择在现有的工业场地内；安全改建井筒位置根据压覆煤量、井上下条件及通风需求，择优选择。

2.2 开拓部署

2.2.1 水平划分与标高

二水平大巷及水平标高的确定主要考虑如下原则：依据首采区及系统巷道层位，以煤层顶底板岩性为考察条件，合理确定二水平大巷层位及水平标高，优选大巷、井底车场巷道及主要硐室位于较好的岩层中，有利于施工和维护，减少初期井巷工程量，缩短建设工期。

如顾桥矿二水平首采区选择了东区东一11-2煤层，该采区系统巷道主要布置在11-2煤顶板砂岩层位，虽增大了联巷工程量，但实践表明巷道维护成本较其他岩性显著降低。

2.2.2 大巷布置

采区系统巷道应结合一水平采区系统巷道布置情况，尽量与一水平采区系统巷道上下偏置大于3倍巷道半径，避免各煤层开采相互影响。另外，采区系统巷道还应尽可能布置在矿井永久煤柱内，提高资源回收率。

2.2.3 块段及采区(盘区)划分

基于地质资料，结合矿区广泛应用二维地震、高分辨率三维地震勘探技术测试成果，对矿井进行块段及采区(盘区)划分。如，潘三矿安全改建及二水平延深设计前，组织科研单位和地质勘探技术队伍对全井田资源进行精细化探测，根据不同煤层的地质构造分布，将矿井二水平划分了107个综采块段，其中C组煤综采块段64个，划分为3个采区(盘区)；B组煤综采块段43个，划分为4个采区(盘区)。

2.3 井筒断面

井筒的数量、用途根据矿井实际需要，多方面进行比较选择最优方案。安全改建及二水平延深新建井筒断面设计，应满足多用途要求，主要依据辅助运输方式、井筒装备、通风能力来合理确定。如顾桥矿新建第二副井，考虑了矸石运输、瓦斯抽采、后期A组煤开采应用高阻力液压支架和大型采煤机的运输断面要求，装备了箕斗和罐笼两套提升容器，其断面最终确定为8.6m。

2.4 采区系统巷道布置

淮南潘谢矿区煤层分为A、B、C三个煤层组，各煤层组瓦斯治理模式及防治水方案存在较大差异，对采区系统巷道布置有重要影响。

2.4.1 C组煤

淮南潘谢矿区C组煤主采煤层有11-2、13-1两层煤，瓦斯治理模式是将11-2煤层作为保护层开采，11-2煤层采煤工作面采用顶(底)板抽采巷穿层钻孔及顺层钻孔预抽消突的瓦斯治理措施，即在11-2煤采掘活动前，位于突出危险区域内的煤巷掘进采用穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯，回采工作面采用穿层钻孔(顺层钻孔)预抽回采区域煤层瓦斯的区域综合防突措施。

潘三矿二水平东一C组煤采区采用“一面三巷、一巷多用”的瓦斯治理方式，其采用11-2煤顶板巷施工下向钻孔掩护煤层工作面巷道掘进，同时该巷道亦作为顶板巷抽采13-1煤卸压瓦斯。因此，潘三矿C组煤采区系统巷道一般都是联合布置，位于两层煤之间，前期可布置4条巷道，为主运输上山、辅助运输上山、矸石运输上山及回风上山，后期可根据采掘需要，增补回风系统。顾桥矿东区东一采区则采用11-2煤底板巷施工上向抽采钻孔掩护煤层工作面巷道掘进，C组煤系统采用分层布置，即在11-2煤底板、13-1煤底板分别布置采区系统巷道。潘三矿二水平东一C组煤采区系统巷道布置如图1所示。

图1 潘三矿二水平东一C组煤采区系统巷道布置(m)

2.4.2 B组煤

淮南矿区B组煤有4、5、6、7、8煤等主要可采煤层，为近距离煤层群，各矿B组煤层间距存有较大差异，因此瓦斯治理模式以煤层间距为约束条件，综合优选开采上覆煤层或下伏煤层作为保护层。

张集矿二水平东一B组煤采区，煤层间距为5～17m，皆为突出煤层，煤层之间难以布置采区系统巷道，仅6煤底板、8煤顶板能够布置采区系统。因此张集矿选择8煤层上覆的9煤作为保护层，在开采9煤前，在6煤底板布置抽采巷，抽采6—8煤卸压瓦斯。9煤作为一个采区，共布置3条系统巷道，分别为轨道巷、运输巷及回风巷，其中轨道巷利用11-2煤采区轨道巷及延长段，6—8煤层联合开采，系统巷道布置在6煤底板。张集矿二水平东一9煤采区系统巷道布置如图2所示。

图2 张集矿二水平东一9煤采区系统巷道布置

丁集煤矿二水平西翼B组煤仅赋存8煤及5-1煤层，7-2、4-2和4-1煤缺失，且8煤与5-1煤平均间距在40.5m，能够布置采区系统巷道，因此选择5-1煤层作为关键保护层先行开采，上保护8煤，在5煤层底板布置底抽巷施工穿层钻孔掩护5-1煤工作面巷道掘进，在5-1煤层顶板布置高抽巷施工上向穿层钻孔抽采8煤卸压瓦斯。5-8煤层联合开采，系统巷道布置在5煤顶、底板。丁集矿二水平西翼B组煤采区系统巷道布置如图3所示。

图3 丁集矿二水平西翼B组煤采区系统巷道布置

2.4.3 A组煤

A组煤巷道布置受瓦斯治理模式及防治水方案的双重影响。设计采用“水与瓦斯共治”模式，瓦斯治理采用在A煤底板布置底板抽采巷，掩护工作面巷道掘进及预抽工作面瓦斯；防治水利用A组煤底板抽采巷，采用区域超前探查治理垂向导水通道与井下疏水降压相结合的方式。

设计A组煤采区系统布置5条巷道，即在A组煤层顶板布置轨道巷、排矸带式运输机巷；沿煤层布置专用回风巷；在A组煤层底板布置运煤带式运输机巷、排矸带式运输机巷。采煤工作面采用“一面五巷”布置，即两条煤巷，两条A组煤层底板巷，一条顶板高抽巷。A组煤采区系统巷道布置如图4所示。

1—煤层回风上山；2—底板运输上山；3—顶板轨道上山；4—底板矸石运输上山；5—顶板矸石运输上山； 6—区段煤仓；7—工作面回风巷；8—工作面回风巷底板抽采巷；9—顶板抽采巷；10—工作面运输巷底板抽采巷；11—工作面运输巷图4 A组煤采区系统巷道布置

3 结 论

针对淮南潘谢矿区表土层厚、煤层多、煤层埋藏深、瓦斯含量高、透气性差、地压大的地质特征，提出了复杂地质条件下高瓦斯突出煤层群开采矿区矿井安全改建及水平延深的设计方法。

1)矿井主提升优选暗斜井延深方式，通过新增井底煤仓，延长装载带式运输机巷，使新建的暗斜井直接与煤仓搭接，减少了中间装载环节；辅助提升优选新建第二副井方案；风井延深方式主要根据井田面积大小，以满足通风要求为目标优选新建立井或暗斜井方式。

2)开采水平划分以大巷、井底车场巷道及主要硐室的层位选择为主要考察条件，优选位于煤层顶底板较好的岩层中，有利于施工和维护。

3)采区系统巷道布置须考虑A、B、C各煤层组瓦斯治理模式及防治水方案差异，贯彻一巷多用的设计理念，形成分类布置方法。