哈礦水平延深方案設(shè)計

劉海瑞

(國能鄂爾多斯市工程設(shè)計有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

一般礦井初步設(shè)計中已考慮過開拓延深方案，但礦井投產(chǎn)后，隨著生產(chǎn)發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步，原開拓延深方案可能不適應(yīng)當(dāng)前的需要，所以實際工作中往往需要重新設(shè)計。開拓延深是多水平開拓礦井生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，合理確定礦井水平開拓延深方案至關(guān)重要，因此需要在充分考慮礦井的地質(zhì)條件、開拓開采和主要生產(chǎn)系統(tǒng)現(xiàn)狀以及延深水平施工過程中，與現(xiàn)生產(chǎn)水平干擾程度等各種影響因素后確定合理的開拓延深方案，同時要做到延深水平的開拓系統(tǒng)與原有系統(tǒng)合理銜接。

哈礦位于陜西省榆林市神木市大柳塔鎮(zhèn)，是國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司所屬的大型礦井之一。井田為一不規(guī)則多邊形，南北寬約8.4 km，東西長約8.5 km，面積72.40 km2。2014年8月，中國煤炭協(xié)會咨詢中心編制了中國神華能源股份有限公司哈礦生產(chǎn)能力核定報告書，2015年6月3日核定哈礦生產(chǎn)能力16.00 Mt/a。礦井采用斜井、平硐綜合開拓方式，目前開采的一水平2-2煤層進(jìn)入回采后期。

1 地質(zhì)條件

井田內(nèi)可采煤層共8層，分別是1-2上、1-2、2-2、3-1、4-2、4-3、4-4、5-2煤層。礦井目前進(jìn)行開采的是一水平2-2煤層；3-1煤層厚度0.8～3.5 m，平均2.15 m，與上部2-2煤層間距26.95～49.32 mm，平均38.24 m；4-2煤層厚度0.8～2.28 m，平均1.54 m，與上部3-1煤層間距26.47～46.40 m，平均35.09 m；4-3煤層厚度0.8～1.65 m，平均1.225 m，與上部4-2煤層間距4.27～21.03 m，平均13.14 m；4-4煤層厚度0.8～1.69 m，平均1.254 m，與上部4-3煤層間距6.28～39.20 m，平均14.20 m；5-2煤層厚度0.81～3.14 m，平均1.97 m，與上部4-4煤層平均間距17.32 m。各煤層揮發(fā)分產(chǎn)率高，熱值高，特低硫，低灰，特低磷、砷、氯。富含油，化學(xué)反應(yīng)性、熱反應(yīng)性和抗碎強(qiáng)度均優(yōu)，可用于動力燃料，工業(yè)氣化和低溫干餾。

礦區(qū)位于華北地臺鄂爾多斯臺向斜東翼—陜北斜坡上，礦區(qū)系鄂爾多斯早中侏羅世含煤盆地的一部分，是地臺基礎(chǔ)上形成的繼承式盆地。地層總體為向西緩傾的大單斜層，傾角1°左右，坡降5‰～17‰。哈拉溝井田內(nèi)溝流分屬2支水系，以陳家坡、郝家壕、討素傲包及石圪臺一線為分水嶺。該分水嶺以西為烏蘭木倫河水系，有三元溝、沙溝、哈拉溝等；溝流均自東向西匯入烏蘭木倫河；以東為悖牛川水系，有七概溝及其次級溝流郝家溝、召圪臺溝等；自西北向東南在本井田之南約3 km處匯入悖牛川。該井田是以孔隙含水層充水為主的水文地質(zhì)條件中等類型礦床，水文地質(zhì)勘探類型為一類二型。

煤層瓦斯含量低，屬低瓦斯礦井；煤層均具有爆炸性，屬于容易自燃煤層；煤層埋藏淺，地壓小；各煤層底板主要由粉砂巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)巖組成，屬于Ⅳ-Ⅴ類(中硬-堅硬)底板；底板多為隔水的粉砂巖、細(xì)砂巖、泥巖及少量灰質(zhì)泥巖組成。本區(qū)各可采煤層回采巷道圍巖一般屬于Ⅰ-Ⅱ類，即穩(wěn)定-非常穩(wěn)定的類別。

2 礦井開拓開采現(xiàn)狀

礦井采用綜合開拓方式。共建成7條井筒，分別為主斜井、1號輔運平硐、2號輔運平硐、斜風(fēng)井、副斜井(已封閉)、進(jìn)風(fēng)立井和回風(fēng)立井。2-2煤中央輔運、主運和回風(fēng)大巷均已形成。

井下目前共有2套綜采工作面，分別布置在2-2煤四盤區(qū)和五盤區(qū)，正在回采22410、22518工作面。礦井2-2煤四、五盤區(qū)均已進(jìn)入回采末期，2-2煤三盤區(qū)正在進(jìn)行準(zhǔn)備，預(yù)計2024年底2-2煤層全部回采結(jié)束。

礦井劃分為4個開采水平，1-2上、1-2、2-2煤層為第一開采水平，水平標(biāo)高+1 103 m；3-1煤層為第二開采水平，水平標(biāo)高+1 065 m；4-2煤層為第三開采水平，水平標(biāo)高+1 033 m；4-3、4-4、5-2煤層為第四開采水平，水平標(biāo)高+998 m。二水平劃分為4個盤區(qū)，開拓大巷、F10斷層以南為一盤區(qū)；開拓大巷以北，回風(fēng)立井場地以西為二盤區(qū)；回風(fēng)立井場地以北為三盤區(qū)；回風(fēng)立井場地、F10斷層以東為四盤區(qū)。

3 開拓延深系統(tǒng)分析

本次礦井2-2煤層進(jìn)入回采后期，為解決礦井接續(xù)壓力，提高礦井煤質(zhì)，保證礦井生產(chǎn)能力，解決壓茬關(guān)系，需對二水平3-1煤進(jìn)行回采工作。本次開拓延深設(shè)計主要以完成二水平3-1煤層開拓為目標(biāo)，建設(shè)規(guī)模6.00 Mt/a，同時要兼顧考慮三、四水平各煤層的開拓延深部署。設(shè)計本著充分利用礦井現(xiàn)已形成的工業(yè)場地，生產(chǎn)、生活設(shè)施與設(shè)備、井巷工程與各生產(chǎn)系統(tǒng)，盡可能以最佳的布置形式與礦井現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)合。以“高產(chǎn)高效”模式為設(shè)計指導(dǎo)思想，并綜合考慮區(qū)內(nèi)所有煤層的賦存條件及開采技術(shù)條件，盡可能使用國內(nèi)外先進(jìn)的裝備及技術(shù)，從而提高資源回收率及生產(chǎn)效率。以“投資少、見效快、滾動發(fā)展”模式為指導(dǎo)，盡可能減少初期投資和縮短建設(shè)工期；合理利用哈拉溝煤礦已經(jīng)形成的各個生產(chǎn)系統(tǒng)以及地面設(shè)施，力求少投入多產(chǎn)出，盡可能減少非生產(chǎn)性投資等。秉承神東建設(shè)和開發(fā)的成功經(jīng)驗，優(yōu)化各個系統(tǒng)設(shè)計方案，力求各個生產(chǎn)系統(tǒng)相對簡單實用可靠，減少中間環(huán)節(jié)，減少巷道工程量，多掘煤巷，少掘巖巷。

礦井現(xiàn)有4個工業(yè)場地，分別是主井工業(yè)場地、副井工業(yè)場地、進(jìn)風(fēng)井場地和回風(fēng)井場地，各場地均各自承擔(dān)不同的功能。礦井現(xiàn)有的工業(yè)場地滿足礦井下水平開采的使用要求，故本次設(shè)計仍利用礦井現(xiàn)有的工業(yè)場地。

根據(jù)本次礦井開拓延深的建設(shè)要求，礦井工業(yè)場地滿足使用不需要新建。主、副提升系統(tǒng)需要向下延深，主斜井和1、2號輔運平硐可以采用直接延深方式，亦可以采用暗斜井延深方式。通過分別對主斜井及1、2號輔運平硐的2種延深方式進(jìn)行對比分析：暗主斜井延深方式具有新選運輸設(shè)備、降低運輸損耗及成本等優(yōu)點，但也有工程施工困難、投資高、轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)多、管理存在隱患的弊端。主斜井直接延深方式具有可以充分利用原有設(shè)備和設(shè)施、施工簡單、投資少、系統(tǒng)簡單、轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)少、管理較方便等優(yōu)點，因此經(jīng)分析對比后主提升系統(tǒng)推薦主斜井直接延深方式。1、2號輔運平硐直接延深方式具有可以充分利用原有設(shè)備和設(shè)施、系統(tǒng)簡單、轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)少、管理較方便等優(yōu)點，但由于1、2號輔運平硐同時還要擔(dān)負(fù)一水平的生產(chǎn)和二水平的開拓延深任務(wù)，生產(chǎn)與施工相互干擾，影響礦井的正常生產(chǎn)及運輸路線過長，運輸成本高。暗副斜井延深方式具有可以改變井筒掘進(jìn)方向、減少保護(hù)煤柱、不影響一水平的生產(chǎn)及二水平的施工。因此經(jīng)分析對比后副提升系統(tǒng)推薦暗副斜井延深方式。

本次開拓延深，受其影響礦井生產(chǎn)能力會大幅度降低，投產(chǎn)后全礦井共裝備2套綜采和3套掘進(jìn)設(shè)備，二水平開采時礦井容易時期和困難時期需風(fēng)量分別為140 m3/s和171 m3/s，通風(fēng)機(jī)供風(fēng)量需達(dá)到190～390 m3/s。經(jīng)校核，礦井現(xiàn)裝備的對旋軸流式風(fēng)機(jī)滿足使用要求，不需要進(jìn)行更換。

本次開拓延深礦井的排水系統(tǒng)可以在3-1煤井底設(shè)置3-1煤中央排水泵房，負(fù)責(zé)全礦井的排水任務(wù)，將水排至地面污水處理廠，同時改擴(kuò)建地面污水處理廠，直接將水排至地面污水處理廠，安全性較高，但需要擴(kuò)建地面污水處理廠及征地。亦可以在3-1煤井底設(shè)置3-1煤中央排水泵房，負(fù)責(zé)全礦井的排水任務(wù)，將水排至2-2煤二盤區(qū)采空區(qū)，富余水排至地面污水處理廠，3-1煤部分涌水注入2-2煤采空區(qū)，但由于3-1煤一盤區(qū)與2-2煤二盤區(qū)相鄰且兩層煤層間距較小，需加強(qiáng)防水煤柱管理，做好防治水安全措施。因此經(jīng)分析對比，本次設(shè)計推薦3-1煤開采期間將富余水注入2-2煤采空區(qū)的方案。

4 開拓延深方案

根據(jù)礦井地質(zhì)條件、開拓開采現(xiàn)狀等影響因素和開拓延深系統(tǒng)分析結(jié)果，并結(jié)合延深水平煤層的賦存條件，設(shè)計提出2個開拓延深方案。

4.1 方案一

設(shè)計下水平仍采用綜合開拓方式，主斜井、輔運平硐、進(jìn)回風(fēng)井均利用現(xiàn)有井筒。

主斜井順延至3-1煤。3-1煤暗副斜井布置在副井工業(yè)場地內(nèi)1、2號輔運平硐井底附近。進(jìn)風(fēng)立井和回風(fēng)立井通過暗立井與3-1煤聯(lián)通。

3-1煤主運大巷、輔運大巷和回風(fēng)大巷重疊布置于一水平2-2煤中央大巷下方，由井田西部邊界開始大致沿東北方向布置至回風(fēng)立井附近的Q102號鉆孔附近，在3-1煤開拓大巷末端兩側(cè)大致沿西北至東南方向分別布置3-1煤三、四盤區(qū)巷道，一、二盤區(qū)3-1煤層利用3-1煤大巷進(jìn)行回采。

四水平煤層開采通過延深主斜井、暗進(jìn)回風(fēng)井和掘進(jìn)輔運上山進(jìn)行開拓。三水平開拓大巷布置在4-2煤層中，四水平開拓大巷布置在4-4煤層中，4-3煤及5-2煤布置輔助水平。三、四水平開拓大巷與二水平3-1煤開拓大巷重疊布置，主斜井、輔運上山和風(fēng)井根椐回采需要向下新掘或延深至相應(yīng)煤層。因設(shè)計生產(chǎn)水平在3-1煤，并且4-2、4-3、4-4、5-2煤均不在現(xiàn)礦權(quán)范圍內(nèi)，故開拓方案圖只詳細(xì)介紹3-1煤層，3-1煤層開拓方案如圖1所示。

圖1 二水平3-1煤層開拓布置平面(方案一)

4.2 方案二

在距2-2煤主運大巷上方8.5 m處的右側(cè)，新掘暗主斜井以14°延深至3-1煤。3-1煤暗副斜井布置在副井工業(yè)場地內(nèi)1、2號輔運平硐井底附近。進(jìn)風(fēng)立井和回風(fēng)立井均通過暗立井延深至3-1煤。

3-1煤主運大巷、輔運大巷和回風(fēng)大巷重疊布置于一水平2-2煤中央大巷下方，由井田西部邊界開始大致沿東北方向布置至進(jìn)風(fēng)立井附近后轉(zhuǎn)向沿298°方位角布置至井田北部邊界附近。二、三盤區(qū)的3-1煤層利用3-1煤開拓大巷進(jìn)行回采，在一盤區(qū)西邊界大致沿井田邊界布置一盤區(qū)3-1煤盤區(qū)巷道，四盤區(qū)3-1煤盤區(qū)巷道布置于井田內(nèi)F10斷層北側(cè)。

四水平煤層開采通過延深主斜井、暗副斜井和進(jìn)回風(fēng)井進(jìn)行開拓。三水平開拓大巷布置在4-2煤層中；四水平開拓大巷布置在4-4煤層中，4-3煤及5-2煤布置輔助水平。三、四水平開拓大巷與二水平3-1煤開拓大巷重疊布置，主斜井、暗副斜井和風(fēng)井根椐回采需要向下新掘或延深至相應(yīng)煤層。3-1煤層開拓方案如圖2所示。

圖2 二水平3-1煤層開拓布置平面(方案二)

5 開拓延深方案比較

5.1 開拓與準(zhǔn)備巷道工程量(不含聯(lián)巷)

方案一下水平開拓與準(zhǔn)備巷道工程總量為115 926 m，而方案二為129 409 m。方案二較方案一的開拓與準(zhǔn)備巷道工程量多13 483 m，總的工程費用較高。

方案一移交生產(chǎn)時開拓與準(zhǔn)備巷道工程量為19 715 m，而方案二為24 717 m。方案二較方案一移交生產(chǎn)時開拓與準(zhǔn)備巷道工程量多5 002 m，初期投資較高。

5.2 建設(shè)工期及投產(chǎn)時間

方案一建設(shè)工期28個月，方案二建設(shè)工期33個月。方案二比方案一建設(shè)工期多5個月，投產(chǎn)時間晚5個月，建設(shè)工期較長，投產(chǎn)時間較晚，見效晚。

5.3 采煤工作面數(shù)量及搬家倒面

方案一下水平各可采煤層總共圈定了147個綜采工作面，搬家倒面共147次，費用較低，成本較低。方案二下水平各可采煤層總共圈定了156個綜采工作面，搬家倒面共156次，費用較高，成本較高。

5.4 主斜井延深

方案一運輸環(huán)節(jié)少，運輸系統(tǒng)簡單，維護(hù)費用低。方案二在主斜井運輸環(huán)節(jié)需要多加一部膠帶機(jī)及新建相配套的轉(zhuǎn)載機(jī)頭硐室和斜溜煤眼，故運輸環(huán)節(jié)較多，運輸系統(tǒng)復(fù)雜，維護(hù)費用高。

5.5 保護(hù)煤柱損失資源量

方案一下水平開拓大巷及工業(yè)場地壓覆資源量約1 083萬t，而方案二壓覆資源量約1 320萬t。方案二比方案一保護(hù)煤柱損失資源量多237萬t，資源量損失大，經(jīng)濟(jì)效益差。

6 結(jié)語

通過對上述2個方案的分析及對比，方案一更符合礦井的整體接續(xù)計劃，能夠有效緩解礦井的接續(xù)壓力，保證礦井的生產(chǎn)能力，具有初期投資少及礦井運輸環(huán)節(jié)少等優(yōu)勢條件。綜合考慮礦井的實際開采情況后，推薦設(shè)計方案一為終選方案。