复杂矿井安全高效开采设计研究

章 磊，王 勇

(煤炭工业合肥设计研究院有限责任公司，安徽 合肥 230041)

两淮煤炭国家规划矿区煤矿经过几十年高强度开采，浅部优质资源逐步枯竭，生产矿井数目由2012年的116对减至2020年的40对，其中关闭了16对大中型矿井。为确保矿区可持续发展，开采逐步向深部转移，近十年来新建了朱集东、朱集西、口孜东等一批大中型矿井，同时实施了一批改建项目，积累了丰富的基建经验[1-5]。此外两淮矿区煤矿具有地压大、瓦斯治理难度大、地温高等特点，经过几十年科技攻关，逐步形成一套适合两淮矿区灾害治理的关键技术[6-11]。信湖矿井设计生产能力3.00Mt/a，为淮北矿区首个千米深井，开采技术条件复杂。集团公司各采煤工作面单产均偏低，均不及2.00Mt/a，如单产维持现有水平，信湖矿井将维持2个综采工作面和8个以上掘进工作面的生产格局，在籍人数将达2000人以上，采掘地点多以及井下人员多势必带来较大的安全生产压力。因此从开拓、开采设计等方面进行研究，从设计源头上确保生产系统简单、高效及可靠，实现矿井安全高效生产。

1 井田概况

信湖井田位于淮北矿区涡阳区的西端，地面标高一般+30.00～+31.00m；井田东西宽约9km，南北走向长约20km，面积为114.3432km2。井田总体上为一走向近南北、西倾的单斜构造，地层倾角6°～22°，构造复杂程度为中等。煤层埋藏标高-500～-1500m，共有可采煤层7层，其中，3、81和82为主要可采煤层，平均厚度分别为1.15m、3.11m和2.74m，以焦煤和1/3焦煤为主，共有煤炭资源储量8.2亿t。

2 矿井开拓设计

2.1 开拓方式

信湖井田被F1断层(落差500～1200m)、F9断层(落差70～260m)切割成中央区(F9断层以南，F1断层以西)、东区(F9断层以南，F1断层以东)和北区(F9断层以北)3个开采块段，如图1所示。东区和北区开采条件复杂，且煤层主要赋存在-1000m以深；中央区构造相对简单，开采技术条件较好，且本井田可采储量及一水平储量主要集中在中央区，因此初期开采中央区。鉴于煤层均赋存在-500m以深，且新生界松散层厚362.00～662.00m，因此采用立井、分区开拓、集中出煤的开拓方式。

图1 82煤层底板等高线

2.2 中央区井口位置选择

中央区井口位置选择主要考虑以下因素：①新生界松散层厚362.00～662.00m，从东向西逐渐增厚；②浅部受太灰影响，一水平标高只能选择在-800m以浅，一水平可采储量达不到设计规范要求30年的服务年限，因此井口位置宜选择在中深部，尽量减少一水平压煤；③根据煤层赋存条件，81采区宜作为首采区，因此井口位置应靠近81采区，同时兼顾82接替采区；④井筒、车场应尽量避开断层等构造带，工业场地和铁路尽量避开村庄、公路及河流。综合以上因素，设计2个方案进行比选。

2.2.1 方案Ⅰ

井口位于16线1孔西北约450m，后路沿村附近。该方案地面原始标高+31.5m，表土厚460m。工业场地内设主、副和中央回风井3个井筒，一水平标高为-960m，井底车场位于3煤层顶板约9m。投产时移交81双翼采区，布置1个8煤工作面，移交井巷工程量27192.8m。铁路专用线接轨蔡楼集配站Ⅲ场，总长13.404km；场前公路向南接涡标路，场外公路长3.834km；静态投资38.92亿元。

2.2.2 方案Ⅱ

井口位于21线1孔西南约115m，胡老家村附近。该方案地面原始标高+30.9m，表土厚约469m，古近系厚25m。井筒和一水平标高设置同方案Ⅰ，井底车场位于3煤层底板约90m。投产时移交81单翼采区，布置1个8煤工作面，移交井巷工程量23792.8m。铁路专用线接轨同方案Ⅰ，总长13.928km；场前公路向南接公吉寺镇至涡阳县县级公路，场外公路长0.26km；静态投资35.14亿元。

2.2.3 方案比选

1)方案Ⅰ主要优点：①井筒和车场不穿断层，可靠性好，方案Ⅱ井底车场离DF13断层较近；②工广压煤量较方案Ⅱ少629.7万t，且均为一水平以深资源；③81采区和82采区均为双翼采区，储量大且接替灵活，方案Ⅱ将81采区人为划分为2个单翼采区，且82采区受工广压煤影响为单翼采区，采区服务年限短，矿井接替紧张；④冻结深度较方案Ⅱ少约40m；⑤井位位于中央区深部，井筒具备直接延深至二水平条件；⑥铁路专用线少0.524km。

2)方案Ⅱ主要优点：①井位靠近81单翼采区，移交工程量较方案Ⅰ少3400m，投资少3.78亿元；②场地较空旷，不需搬迁村庄，且场外道路较方案Ⅰ少3.57km。

综上所述，方案Ⅰ虽然移交工程量和投资较方案Ⅱ多，但在井位可靠性、开拓布局、接替等方面均优于方案Ⅱ；且首采及接替采区单翼走向长度多在2.0～2.5km，两采区可采储量达6350万t，避免了工作面频繁搬家，确保了矿井在投产后较长时间内系统简单，为矿井高效生产提供保障，因此推荐方案Ⅰ。

2.3 井筒数目

2.3.1 中央区

信湖矿井采用分区开拓、集中出煤的开拓方式，前期为中央并列式通风方式，因此中央区工业场地内应设主井和中央回风井2个井筒，副井设置与辅助提升量密切相关。两淮矿区约70%为煤与瓦斯突出矿井，因瓦斯治理导致矿井矸石率达12%以上，因此矸石提升成为制约矿井辅助提升的主要因素[12，13]。刘庄煤矿为两淮矿区首个设专用矸石箕斗井的矿井，实现了井上下矸石连续化运输，效果很好[14]；张集煤矿对箕斗提矸进行优化，在混合井中设置一套罐笼和一对矸石箕斗，先后在口孜东煤矿以及顾桥、潘三、丁集等煤矿二水平延深工程得到推广，因此设计需要对是否设置矸石箕斗进行论证。

根据《信湖煤矿-1200m以浅煤与瓦斯突出危险性评估报告》，各可采煤层-1200m以浅均无突出危险性，中央区一水平暂按非突出区域设计，因此前期仅产生开拓及准备巷道的矸石。根据矿井接替，投产后20年内采掘活动集中在81、82和83采区，开拓及准备巷道总工程量不到20000m，年矸石率约5%。从井下矸石运输来看，在井底车场附近设地仓，开拓和准备巷道掘进矸石经带式输送机运至地仓后转至矿车，电机车运输距离近。如设置专用矸石箕斗井，投资增加约3亿元；如采用混合井，投资增加约1.3亿元。综上分析，矸石对该矿井初期辅助提升及运输制约较小，为节省投资，推荐副井装备一宽一窄2套罐笼，即中央区工业场地内布置主井、副井和中央回风井3个井筒。

设计同时考虑到后期升级为煤与瓦斯突出矿井的可能，主井及主运系统能力按4.00Mt/a设计，在井底设2个仓。如矸石量大时，利用主运带式输送机和主井分时分运，将矸石提升至地面，地面筛分车间设计时预留煤矸分流的条件。

2.3.2 东区及北区

鉴于东区和北区距离中央区井筒较远，为满足通风、运输需求，后期分别在东区、北区增补1进1回2个井筒，进风井功能届时根据辅助提升量确定，全矿井最终井筒数目为7个。

3 首采区开采设计

3.1 首采区概况

81采区位于中央区东北部，走向长4500m，倾斜宽800～2100m，煤层倾角6°～22°，有7、81和82共3层煤。7煤受岩浆岩侵蚀，仅在采区中部14勘探线以北赋存，可采范围内厚度0.74～1.97m，平均1.48m，属不稳定煤层；81煤上距7煤平均8.66m，煤层厚度0.8～5.58m，平均3.01m，属较稳定煤层；82煤上距81煤0.88～2.22m，平均1.55m，煤层厚度0.71～4.09m，平均2.68m，属较稳定煤层。7煤瓦斯含量为0～0.67m3/t.r，平均0.26m3/t.r；81煤瓦斯含量为0～2.12m3/t.r，平均0.64m3/t.r；82煤瓦斯含量为0～3.35m3/t.r，平均0.82m3/t.r。

3.2 首采区巷道布置

鉴于煤层间距小，采用联合布置方式。考虑到煤层倾角大，走向长度长，设计采用双翼走向长壁布置；结合褶曲发育情况，在采区中部沿14勘探线(背斜轴)布置采区上山。

根据瓦斯资料分析，该采区暂按非突区域进行设计，因此不设矸石带式输送机上山；同时为降低投资，不设专用行人上山，架空乘人器布置在带式输送机上山中，因此采区布置轨道、带式输送机和回风上山。考虑到采区服务年限长，上山均布置在82煤层底板25～35m的稳定岩层中，移交时矿井巷道布置如图2所示。

图2 移交时矿井巷道布置

3.3 采煤工艺

鉴于首采区南翼7煤层被侵蚀，为尽快达产见效，选择煤层生产能力大的8煤作为首采煤层，即首采面布置在采区南翼。根据8煤组厚度及夹矸赋存情况，可选取综放(采82煤，放81煤及夹矸)、分层综采(先采81煤，再采82煤)和大采高综采工艺。相邻涡北煤矿8煤组厚度、硬度等参数与该矿井相当，但埋深浅(一水平标高-640m)，在大采高综放试验中冒顶、片帮及压架严重，后改为综放。考虑该矿井埋藏更深、地压更大，因此大采高综放工艺不予推荐，仅对综放和分层综采进行比较。

3.3.1 冒放性分析

影响顶煤冒放性主要有采深、煤层厚度、煤体强度等7种因素，设计采用综合隶属度进行评价[15]。对采区钻孔统计发现，煤层及夹矸赋存均较稳定，因此仅对首采面冒放性进行评价。首采面开采深度897～957.5m，平均927.3m，煤层单向抗压强度为2.5MPa；81煤平均厚度3.8m，夹矸平均厚度1.6m，82煤平均厚度2.6m。

根据首采面赋存条件和各力学参数，各因素隶属度μi取值如下：①采深与煤层单向抗压强度之比H/Rc=370.92，μ1取0.95；②直接顶岩性为Ⅱ类中等稳定顶板，初次垮落步距为18m，μ2取0.8；③基本顶岩性为Ⅳ级顶板，μ3取0.8；④采放比为1∶2.08，μ4取0.8；⑤煤层节理裂隙发育，μ5取0.90；⑥夹矸厚度μ6取0.1；⑦夹矸强度小于10MPa，μ7取1.0。

各因素权重Ai取值如下：A1取0.23；A2取0.12；A3取0.1；A4取0.14；A5取0.14；A6取0.12；A7取0.15。计算得出综合隶属度值为0.80，即顶煤冒放性好，综采放顶煤工艺是可行的。

3.3.2 方案比较

分层综采虽然回采率高，但根据该矿区类似条件下开采实践，具有以下缺点：①受上部老空区漏风和81煤遗煤影响，82煤层回采时火灾防治难度大；②受采动影响，82煤层回采时顶板管理较困难，存在冒顶、压架等隐患；③82煤层回采时受老空水的威胁大；④81和82煤层存在压茬关系，不利于工作面接替；⑤工作面巷道工程量大，工作面搬家次数多。因此从有利于火灾、顶板、老空水等治理角度，推荐81采区8煤组采用综采放顶煤工艺，有利于提高工作面单产。

3.3.3 联合试运转情况

信湖矿井于2021年5月18日联合试运转，试运转以来，各系统运行稳定可靠，日产原煤约8000t，在籍人员1000人，达到了一井一面一千人的预期目标。

4 结 论

1)通过对井田资源条件进行分析，结合地面布置确定了合理的井口位置和开拓方式，实现了中央区开拓系统简单和合理的工作面推进长度。

2)根据矿井通风、运输及提升需求，确定了合理的井筒数目及功能。

3)根据首采区煤层赋存条件，推荐采用综采放顶煤工艺，提高了工作面单产，降低了灾害治理难度，实现了安全高效开采。