灵台某矿工业场地选择及开拓方案设计

赵枝业

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

灵南矿区某井田是新建矿井，位于甘肃省平凉市灵台县的东南部，项目隶属于上海能源(大屯煤电)公司灵南煤业有限公司。该项目有利于发展地区经济，带动贫困地区脱贫治富，推动灵台县由农业大县向工业强县迈进。该矿井又是灵台矿区资源条件较好的优质矿井。为保证项目的顺利建设和尽早投产，依据相关规定的要求，工业场地位置选择和开拓方式的设计需尽早确定[1-5]。

1 矿井概况

某矿井位于甘肃省灵台县的东南部，井田面积176.94 km2。设计生产能力为5.00 Mt/a，具有典型的黄土塬区地形地貌特征，属温带半湿润大陆性气候区。属黄河流域泾河水系，主要河流为达溪河。本区抗震设防烈度为Ⅶ度，井田范围内地面现有新开乡及部分村庄，有一趟750 kV高压线和一趟西气东输二线管道。该井田含煤地层为侏罗系中统延安组，井田范围内地质资源储量875.8 Mt，可采煤层为5号煤和8号煤层(组)，煤层埋深达900～1 300 m，各可采煤层特征详见表1。

表1 煤层特征一览

2 工业场地位置选择

2.1 工业场地位置关系

根据工业场地选择原则和上述综合分析，结合地形、交通运输、煤层赋存及地面设施等多种因素[6-12]，经综合比较，提出了4个工业场地方案进行比较选择。分别为达溪河岸陈家湾场地(方案一)、史家河与蛟城河交汇处的寺沟村场地(方案二)、塬上冯家山村场地(方案三)、达溪河岸电厂对面安家庄场地(方案四)，矿井主要工业场地位置关系如图1所示。

图1 工业场地位置方案Fig.1 Industrial site location scheme

2.2 各方案对比

方案一：达溪河岸陈家湾场地。该位置位于井田北部边界位置，向北呈“U”型，场地标高约+942 m，该处5号煤底板标高+160 m，8-2号煤底板标高+115 m，井口标高约+942 m，井底车场标高+134 m，井筒深度约810 m。可利用的较为平坦的区域约为28 hm2，布置工业场地后，河道最窄处宽度仍有300 m。该处民宅较多，约有村民65户。该场地隔达溪河与灵雷公路相邻，距灵台县约7 km。总体来看，该场地是井田范围内沟谷区域较平坦、开阔、不宜受洪水和地质灾害影响的区域，适合作为矿井工业场地。

方案二：史家河与蛟城河交汇处的寺沟村场地。该场地是史家河与蛟城河交汇处的三角地带，也是750 kV高压线西气东输管道相交位置。蛟城河谷宽度约为170～290 m，史家河谷宽度约350 m，但其中布置有西气东输二线。该场地地形较复杂，两侧山体坡度大，高差大，较平坦可利用面积约为0.239 km2。从寺沟沿史家河向北上游方向村庄较多，从寺沟沿蛟城河向西南上游方向有少数村庄。

方案三：塬上冯家山村场地。该场地在塬上，地形较平坦，在750 kV高压线附近，可利用高压线煤柱。该场地地形标高约为+1 227 m，高出附近达溪河约290 m，井筒落底至主采的8-2号煤时，深约1 105 m。该场地与塬下河谷有便道相通。该场地高出主要交通线近300 m，因此，不考虑作为主、副立井位置，仅考虑作为回风立井场地。

方案四：达溪河岸电厂对面安家庄场地。该场地位于井田北部，向北呈“双U”型。可分为安家庄东西2个部分；可利用区域约为0.28 km2。河道最窄处宽度仍有300 m。该位置民宅较多，约有村民70户。该位置与灵雷公路相邻，距灵台县约9 km。总体来看，该场地是井田范围内沟谷区域较平坦、不受洪水和地质灾害影响的区域，适合作为矿井工业场地。由于冯家山场地主采煤层埋深大于1 000 m，其余场地煤层埋深小于1 000 m，故冯家山只适合作为风井场地，其余场地(陈家湾、寺沟村、安家庄)均适合作为工业场地。经过上述比较，3个场地各有优势，需结合开拓方案综合比较后确定。

3 井田开拓方案比选

该矿井埋藏最浅的北部区域煤层埋深820 m，采用立井开拓方式。依据对本矿井煤层赋存情况的分析，从矿井冲击地压防治、瓦斯抽采等方面考虑，矿井将长期需要2个采区同时生产，厚薄煤层搭配开采的情况，需分区通风，故考虑布置2个回风立井。

3.1 方案一：陈家湾主、副立井开拓方案

考虑到主要的运输线、电源等外部建设条件及煤炭用户等均沿达溪河布置，拟建电厂位于陈家湾东部1.2 km。且陈家湾是达溪河沿岸地形条件全井田依据断层及煤层开采边界共分为7个盘区，一、二、三盘区含有5、8-2号煤；四盘区含有5、8-2号煤；五、六、七含有8-2号煤。较好的位置，地形平坦，自然地表基本不受洪水威胁，因此考虑在该处布置主、副立井；为缩短工期，减少通风距离，扩大回风立井服务范围，将回风立井布置在首采区域中部附近。在达溪河南岸的陈家湾场地布置主立井、副立井，场地标高约+942 m，附近5号煤底板标高+160 m，8-2号煤底板标高+115 m，井口标高约+942 m，井底车场标高+134 m，井深约810 m；根据主、副井井筒附近的816号钻孔柱状(孔口标高+930.03 m)，主副立井均落底于+134 m，位于8-1号煤顶板的细粒砂岩中。主、副立井深约810 m，冻结深约700 m，冻结孔底部位于直罗组的泥岩层中，该层泥岩厚度为16.12 m，是较为理想的隔水层。当回风立井布置在塬上高压线附近的冯家山村时，场地标高约为+1 225 m，附近5号煤底板标高+160 m，8-2号煤底板标高+120 m，回风立井井口标高+1 225 m，落底于8-1号煤顶板，标高+130 m，井深1 095 m。冻结深度约935 m，冻结孔底部位于侏罗系安定组的泥岩层中，该层泥岩厚度约31.19 m，是较理想的隔水层。为满足后期开采的通风需要，在1002号钻孔附近增加一个中部回风立井，该井筒直径6.0 m，井筒深度约为1 045 m。在907号钻孔附近增加一对进、回风立井，直径6.0 m，井深约为930 m。

5号煤层与8-1号煤间距为63.9～15.9 m，平均35.3 m；5号与8-2号煤间距为71.67～5.79 m，平均50.84 m；8号煤层(组)向井田东部、北部分岔为8-1、8-2号煤，2个分层最大间距为24.5～0 m。本井田可采煤层为5号煤、8-1号煤、8-2号煤，其中主要可采煤层为8-2号煤，矿井为近水平煤层，划分为一个水平，水平标高为+134 m，由于5号煤在本井田中储量仅占约6.88%。故在5号煤不再单独布置辅助水平。主、副立井落底后，向西南方向布置一组大巷至冯家山村附近后转为正南北向。至1002钻孔后调整为西北至东南向。整组大巷基本呈南北向，位于井田范围内主采煤层8-2号煤的中部。全井田依据断层及煤层开采边界共分为7个盘区，一、二、三盘区含有5、8-2号煤；四盘区含有5、8-2号煤；五、六、七含有8-2号煤。

3.2 方案二：安家庄主、副立井开拓方案

方案二与方案一主要区别在主副井场地较方案一更加靠近电厂，该方案场地位于与陈家湾场址一山之隔的安家庄村西，距拟建电厂距离约0.6 km，且该场地处道路位于达溪河南侧，场地与河流不发生关系，干扰较少，自然地表基本不受洪水威胁，因此考虑在该处布置主立井、副立井。在达溪河南岸的安家庄场地布置主立井、副立井，场地标高约+980 m，主、副立井均落底于+134 m，位于8-1号煤顶板的细粒砂岩中。主、副立井井筒深度850 m，冻结深度约750 m，冻结孔底部位于侏罗系直罗组的泥岩层中，该层泥岩厚度16.12 m，是较为理想的隔水层。冯家山风井场地标高约+1 225 m，附近5煤底板标高+160 m，8-2号煤底板标高+120 m，回风立井井口标高+1 225 m，落底于8-1号煤顶板，标高+130 m，井筒深度1 095 m。

煤组及水平划分同方案一。开拓大巷布置由于方案二与方案一的区别主要在于主副井场地向东移了约600m，故方案二的开拓大巷布置基本通方案一。盘区划分同方案一。

3.3 方案三：寺沟村主、副立井开拓方案

根据煤层覆存情况，矿井初期主要的可采区域在DF3和DF4之间，因此考虑将井口与工业场地布置在该位置。且史家河、蛟城河交汇处的寺沟村附近位置处于2条河流交汇处，地形相对平坦，因此考虑主、副井场地布置在该位置。主、副井布置在井田中东部史家河、蛟城河交汇处寺沟村附近，主、副立井落底后，向西偏南5°方向布置一组大巷，与井田中部的南北向大巷相接。井田南北向大巷布置在井田中部，与前述的方案一相同。

回风立井布置在塬上冯家山，落底后与回风大巷相接。后期风井位置同方案一；煤组及水平划分同方案一。开拓大巷布置井筒落底后，向西偏南5°方向的集中大巷相连，集中大巷与井田中部的南北向大巷连接。大巷兼作盘区开采巷道。集中大巷基本沿向斜轴布置。集中大巷均沿8-1号煤顶板布置。盘区划分同方案一。

3.4 井田开拓方案比较及确定

3.4.1 开拓方案比较

3个开拓方案主要的区别在于主副井场地位置。从井巷工程、井下设备、地面工程、外运、运营费、工期、压煤量等方面分别进行对比。

井巷工程：①方案一。大巷层位岩巷(8-1号煤顶板)，距县城7.0 km，距离主要回采区域3.5 km；主立井810 m，副立井810 m，2个1 095 m回风立井，大巷16 548 m，回采巷道18 341 m。②方案二。大巷层位岩巷(8-1号煤顶板)，距县城9.0 km，距离主要回采区域4.0 km；主立井850 m，副立井850 m，回风立井2个1 095 m，大巷18 165 m，回采巷道18 341 m。③方案三。大巷层位岩巷(8-1号煤顶板)，距县城11.5 km，距离主要回采区域1.8 km；主立井888 m，副立井888 m，回风立井2个1 095 m，大巷20 140 m，回采巷道18 341 m。各方案从井巷工程量对比，方案一井巷工程量最少，投资最省。

各方案主要是在井筒深度、井下带式输送机长度等方面有所差异，其采掘设备基本相同。①方案一。一部：L=2 400 m，B=1 400，Q=2 000 t，ST2500，N=3×710 kW；二部：L=2 860 m，B=1 400，Q=2 000 t，ST2500，N=3×710 kW。②方案二。一部：L=2 800 m，B=1 400，Q=2 000 t，ST2500，N=3×710 kW；二部：L=2 860 m，B=1 400，Q=2 000 t，ST2500，N=3×710 kW。③方案三。一部：L=2 400 m，B=1 400，Q=2 000 t，ST2500，N=3×710 kW；二部：L=2 860 m，B=1400，Q=2 000 t，ST2500，N=3×710 kW；三部：L=1 700 m，B=1 600mm，Q=2 500 t/h，V=3.55 m/s，ST2500，N=3×800 kW。可知，方案三由于多了一条运输石门，故井下设备投资最高，方案一井下设备投资最少。

地面工程：①总体比较。各个方案的主要井口位置不同，地面布置、工程量和投资差异较大。总体来看，方案一地形简单、开阔，易于布置，外部联络工程量较少，投资相应较少；方案三的地面地形较差，外部联络工程量大，相应的投资会较方案一、方案二要高。方案三投资最高。方案一、方案二的主要场地位于北部达溪河岸陈家湾、安家庄，场地较为开阔，易于布置；而方案三的场地布置相对紧张，后期生产的顺畅性不如方案一、方案二。②防洪与地质灾害防治。3个方案主要场地均在河谷地带，防洪和地质灾害防治均需引起特别重视。总体来看，防洪与地质灾害防治的工程量，方案一要比方案二、方案三难度小，投资少。③建筑物基础处理。本区域均为湿陷性黄土，建筑物基础处理难度大，投资高。对于陈家湾场地来讲，尽管也有较多的填方量，但绝大部分建筑未靠近河堤，通过灰土换填、挤密桩、桩基等方式，可以较容易解决。对于寺沟村场地，受地形影响，部分主要建筑，特别是主厂房、浓缩池、锅炉房、产品仓等建筑需要布置在较大填方位置，原始地表本身也是河滩地，会给基础处理带来一定的难度，增加投资。由于目前并未有详细的工程地质勘查资料，根据现场踏勘情况，初步估计方案三的建筑物处理费用要高，根据地面建筑的投资，按比例估算增加约0.12亿元。

外运情况：各开拓方案外运的工程量分别按照铁路外运和通过栈桥至电厂2种情况进行比较。当采用公路外运时，方案一、方案二将进场公路接入达溪河沿岸的灵雷公路即可。方案三外运公路需比方案一、方案二增加3.0 km，按二级公路标准建设。当采用铁路运输时，方案三比其他方案增加线路长度约5.0 km，部分线路需要拆迁，并开凿隧道。当采用栈桥运至规划电厂时，方案三工程量比方案一增加2.6 km。方案二距离规划电厂最近。

工期对比：根据计算，方案一工期为56个月，方案二为58个月，方案三工期为60个月。方案一建井工期最少。

压煤量：除去750 kV高压线、西气东输二线及中部大巷压煤。方案一压煤3.3 Mt；方案二压煤3.3 Mt(与天然气管道煤柱重合)；方案三压煤量为4.5 Mt；由此可见压煤量最少的是方案二。

3.4.2 开拓方案的确定

3个开拓方案主要的区别在于主副井场地位置的区别。方案三场地位于两沟交叉的寺沟村，虽然距离井下主采区域近，后期运营费低，但其地面地形条件差，外部联络不便，不利于场地布置，且综合投资最大，故不推荐方案三。方案一和方案二投资接近，运营费也基本相当。区别在于工业场地布置在东西方向相距约600 m，方案二主要考虑较方案一的场地距本矿井主要用户更近600 m，场外道路与已有道路连接时不受达溪河的干扰，但该场地位于安家庄村西、南侧的土塬梯田(目前为基本农田)上，地形较方案一复杂，高差较大，不利于工业场地的布置，场地东侧和北侧均为村庄，西侧和南侧为山体，进场道路长、坡度大、弯道多，会对矿井将来的对外联络造成不便，投资也较方案一高。而方案一去电厂仅较方案二长600 m，且场地开阔平坦，土方工程量小，用地性质符合当地城市用地规划，距县城最近，外部水、电、路等联系均最便捷。故推荐方案一，即陈家湾场址主、副立井开拓方案。

4 结语

灵台地区具有煤层埋藏深、煤层覆存不均匀、水文地质条件复杂、瓦斯含量高、地温高、冲击地压、煤层均有爆炸危险性等特点。工业场地及开拓方案的选择至关重要，在主副井筒的位置、大巷的层位、回风井的位置、地面外运道路、外部电厂建设、初期投资及运营费用等方面进行考虑，分析了影响井口及工业场地位置选择的地形条件、主要用户、井下煤层赋存、交通等主要因素，最终确定了工业场地选择和开拓方案，可以为周边矿区在进行建设和开发的同类矿井提供借鉴思路。