極復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的礦井優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

宋 玉

（煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心，安徽 淮南232001）

1 地質(zhì)概況

優(yōu)派能源小黃山礦井井田為一不規(guī)則的多邊形，東西走向長(zhǎng)2.3～2.65km，南北傾斜寬0.6～0.94km，面積約2.178km2。

影響開(kāi)采的構(gòu)造主要有F5逆斷層，位于井田中部，長(zhǎng)度橫跨井田并延至井田外，傾向南，傾向約165°，傾角約60°，走向近東西向，斷距由西向東由大變小，約270～100m。位于井田南部，為一緊閉倒轉(zhuǎn)向斜，走向近東西，長(zhǎng)度約3.5km。向斜北翼地層緩（傾角30°～45°左右）、南翼地層陡（約62°）。軸面南傾，傾向約167°，傾角45°左右，由西向東向斜軸逐漸抬起，是影響井田構(gòu)造形態(tài)的主要褶曲。

位于井田北部，為一緊閉倒轉(zhuǎn)背斜，走向近東西，長(zhǎng)度約4km。軸面南傾，傾向約170°，傾角50°左右，對(duì)井田構(gòu)造形態(tài)有一定的影響。

2 煤層賦存情況

井田內(nèi)含煤地層為侏羅系下統(tǒng)八道灣組（J1b）地層，含煤12層，其中可采、局部可采及零星可采煤層7層（由深到淺編號(hào)依次為A0、A1＋2、A3、A4、A5、A6、A7號(hào)煤層），穩(wěn)定～較穩(wěn)定煤層2層（即A1＋2、A0號(hào)煤層）。煤層總厚度98.25m，平均厚度52.11m?？刹擅簩涌偤?0.61 m，平均可采厚度51.42 m。煤層傾角一般10°～35°，煤層賦存穩(wěn)定。煤層埋藏比較淺，埋藏深度30～540m。

A0煤層可采厚度5.00～20.09m，平均為10.30m；在井田北部受火燒影響較大，火燒最大深度約300 m；上 距A1＋2號(hào)煤層17.47～37.30m，平均25.88m。

A1＋2煤層可采厚度12.21～44.6m，平均為32.96m，井田北部該煤層受火燒影響較大，火燒最大深度約300m，上距A3號(hào)煤層12.53～46.18m，平均24.60m。

A1＋2和A0號(hào)煤層的氧化樣著火溫度為348.00 ℃～349.00 ℃，原樣為368.00 ℃～387.00 ℃，還原樣為389.00 ℃，△T 為40.00 ℃～41.00 ℃，屬易自燃的煤。

井田內(nèi)主要可采煤層淺部火燒嚴(yán)重，火燒區(qū)主要分布于井田北部，燒變巖石較為破碎，裂隙相對(duì)發(fā)育，具有一定的儲(chǔ)水空間，也是較為良好的透水通道。井田內(nèi)火燒區(qū)由西向東逐漸變深，最深處約300m，鉆孔控制的火燒區(qū)深度標(biāo)高分別為＋734m、＋655m，其中，Ⅰ勘探線火燒區(qū)深度標(biāo)高為＋734m，Ⅲ勘探線火燒區(qū)深度標(biāo)高為＋700m。在Ⅴ勘探線除深部A0號(hào)煤層外，其上部各煤層全部火燒。

根據(jù)《新疆小黃山煤礦開(kāi)采層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告》，井田F5斷層上盤(pán)的A7、A6、A5、A4煤層無(wú)突出危險(xiǎn)性，A3、A1＋2、A0煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。F5斷層下盤(pán)A7、A6、A5、A4、A3、A1＋2、A0均具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。

主井在＋635 m 標(biāo)高揭A6煤層，實(shí)測(cè)A6煤層原始瓦斯壓力1.4 MPa，破壞類(lèi)型為Ⅲ類(lèi)煤，堅(jiān)固性系數(shù)為0.23，瓦斯放散初速度為20.5mmHg，瓦斯含量11.3m3／t。對(duì)比煤層鑒定突出危險(xiǎn)性單項(xiàng)指標(biāo)，A6煤層具有突出危險(xiǎn)性。礦井瓦斯等級(jí)：煤與瓦斯突出礦井。

3 原設(shè)計(jì)方案

3.1 開(kāi)拓方式、井筒布置

礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.9 Mt／a，礦井服務(wù)年限37.66a，其中一水平30.64a。開(kāi)拓方式礦井采用立井－斜井、集中大巷（石門(mén)）開(kāi)拓方式。

工廣內(nèi)布置3個(gè)立井井筒，即主井、副井和風(fēng)井；西部布置1條回風(fēng)斜井，共4個(gè)井筒。后期在Ⅲ勘探線北部增設(shè)1個(gè)東回風(fēng)立井。

3.2 水平及采區(qū)劃分

全礦井劃分兩個(gè)水平，一水平標(biāo)高＋580 m，二水平標(biāo)高＋400m。礦井開(kāi)采A6、A0、A1＋2共3層煤，A6為單一煤層，A1＋2、A0為煤群（組）開(kāi)采。分別以F5 斷層和Ⅲ勘探線為界共劃分7個(gè)單翼采區(qū)，其中一水平劃分一～五共五個(gè)采區(qū)，二水平劃分六、七兩個(gè)采區(qū)。

一采區(qū)位于F5斷層上盤(pán)開(kāi)采A6煤層；A0、A1＋2煤層以F5、Ⅲ勘探線為界共劃分五個(gè)采區(qū)，其中二、三兩個(gè)采區(qū)均位于F5斷層上盤(pán)，其余的四～七共四個(gè)采區(qū)均位于F5斷層下盤(pán)。

3.3 大巷及石門(mén)布置

＋710m 標(biāo)高分別在Ⅰ、Ⅲ勘探線附近各布置1條回風(fēng)石門(mén)，即＋710m 水平1、2號(hào)回風(fēng)石門(mén)；沿A0煤層底板布置1條回風(fēng)大巷。

＋580m 標(biāo)高分別在Ⅰ、Ⅲ勘探線附近各布置一組軌道和運(yùn)輸石門(mén)，即＋580 m 水平1、2號(hào)軌道和運(yùn)輸石門(mén)；沿A0煤層底板布置軌道和運(yùn)輸大巷各1條。

3.4 采區(qū)系統(tǒng)布置

每個(gè)采區(qū)均布置3條傾角25°的上山，即軌道、運(yùn)輸、回風(fēng)上山，其中：一采區(qū)的3條上山均布置在A5煤層頂板，其余各采區(qū)的軌道和回風(fēng)上山均布置在A0煤層底板，運(yùn)輸上山沿煤層布置。

設(shè)計(jì)確定一采區(qū)為首采區(qū)，一區(qū)段的A6煤層工作面為首采面。

3.5 開(kāi)采程序

礦井除了一采區(qū)煤層開(kāi)采順序是由上往下開(kāi)采外，其余采區(qū)選擇A0煤層頂分層作為保護(hù)層開(kāi)采，上保護(hù)A1＋2煤層，下保護(hù)A0煤層的底部煤層。A0煤層頂分層接A1＋2煤層，最后開(kāi)采A0煤層底分層。

設(shè)計(jì)選擇A0煤層頂分層作為保護(hù)層，上保護(hù)A1＋2煤層，下保護(hù)A0底部煤層；在距離A0煤層底板法向距離不小于20m 處，布置底抽巷，采用穿層鉆孔預(yù)抽消突的區(qū)域防突措施。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

4.1 原設(shè)計(jì)方案存在的不足

4.1.1 主、風(fēng)井標(biāo)高設(shè)計(jì)不合理

主井提升水平布置在＋580 m 標(biāo)高，造成＋580m 水平煤炭全部通過(guò)采區(qū)運(yùn)輸上山下運(yùn)，不利于設(shè)備安全運(yùn)行和維護(hù)。

回風(fēng)立井井筒落底標(biāo)高為＋710m，主、副井井筒落底標(biāo)高為＋580m，造成回風(fēng)立井與副井、主井貫通距離長(zhǎng)，不利于建井期主、副井與回風(fēng)井短距離貫通，盡快形成進(jìn)回風(fēng)系統(tǒng)以及開(kāi)拓準(zhǔn)備、井底車(chē)場(chǎng)硐室回風(fēng)，尤其在開(kāi)拓二水平時(shí)，將會(huì)造成礦井串聯(lián)通風(fēng)。

4.1.2 井下主要大巷布置不合理

原設(shè)計(jì)＋580m 水平在A0煤層底板布置軌道和運(yùn)輸大巷各1條，＋710m 水平布置1條A0煤層底板回風(fēng)大巷以及Ⅰ、Ⅲ勘探線回風(fēng)石門(mén)各1條；采區(qū)布置軌道、運(yùn)輸和回風(fēng)3條上山。形成＋580 m 水平運(yùn)煤、材料和行人兼進(jìn)風(fēng)，＋710m 水平回風(fēng)，即“兩進(jìn)一回”通風(fēng)格局。

根據(jù)礦井地質(zhì)資料分析，火燒區(qū)由西向東逐步加深，Ⅰ勘探線火燒區(qū)深度標(biāo)高為＋734m，Ⅲ勘探線火燒區(qū)深度標(biāo)高為＋700 m。這樣對(duì)施工＋710m A0煤層底板回風(fēng)大巷及Ⅲ線回風(fēng)石門(mén)形成重大安全威脅。

原設(shè)計(jì)＋580m 水平只進(jìn)風(fēng)，＋710m 水平只回風(fēng)，不能滿足突出礦井開(kāi)拓準(zhǔn)備回風(fēng)、瓦斯治理工程的需要，易造成“串聯(lián)通風(fēng)”、“抹門(mén)過(guò)”等問(wèn)題，通風(fēng)系統(tǒng)不合理，不利于礦井接替和安全生產(chǎn)。

4.1.3 一采區(qū)設(shè)計(jì)不合理

原設(shè)計(jì)一采區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)由＋710m～地面的一組上山構(gòu)成回風(fēng)、軌道和運(yùn)輸系統(tǒng)；一采區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)必須利用二采區(qū)軌道和運(yùn)輸系統(tǒng)。

存在問(wèn)題：一采區(qū)主運(yùn)輸系統(tǒng)由＋845m到＋710m 轉(zhuǎn)到＋580m，分別通過(guò)兩條傾角25°運(yùn)輸下山膠帶機(jī)的下運(yùn)＋580m 水平；輔運(yùn)輸系統(tǒng)由＋580 m 到＋710 m 轉(zhuǎn)到＋845 m，分別通過(guò)兩條傾角25°的軌道上山提到＋845m。系統(tǒng)復(fù)雜，工程量大、投產(chǎn)工期長(zhǎng)、管理環(huán)節(jié)多、系統(tǒng)效率低，系統(tǒng)的安全、可靠性較差。

4.1.4 瓦斯治理巷道設(shè)計(jì)不合理

原設(shè)計(jì)在距A0煤層底板法向距離20m A0煤層工作面傾向中部布置底板巷，底板巷長(zhǎng)度與工作面順槽長(zhǎng)度相同；在底板巷每隔20m 布置一個(gè)鉆場(chǎng)，利用穿層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域及煤巷條帶瓦斯。但是，A0煤層作為保護(hù)層先行開(kāi)采，受A0煤層采動(dòng)影響，A1＋2煤層產(chǎn)生卸壓效應(yīng)，A0煤層工作面回采時(shí)大量卸壓瓦斯涌向回采空間。原設(shè)計(jì)沒(méi)有對(duì)A1＋2煤層卸壓瓦斯進(jìn)行有效抽采攔截，必然制約安全生產(chǎn)。

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

4.2.1 主、風(fēng)井設(shè)計(jì)

主井提升水平布置在＋700 m 標(biāo)高，＋580m 水平采區(qū)煤炭運(yùn)輸皆采用上運(yùn)方式，同時(shí)主井井底清理撒煤系統(tǒng)利用＋700m～＋580m段主井井筒（小斷面），回風(fēng)立井下延至＋580m 水平。

4.2.2 井下主要大巷布置［1］［2］

取消＋710 m A0煤層底板回風(fēng)大巷及Ⅲ勘探線2號(hào)回風(fēng)石門(mén)。＋580 m 水平：在Ⅰ、Ⅲ勘探線分別增加1條回風(fēng)石門(mén)，形成1、2號(hào)軌道、運(yùn)輸和回風(fēng)3條石門(mén)；在A0煤層底板增加1條回風(fēng)大巷，形成軌道、運(yùn)輸和回風(fēng)3條大巷。

＋700m 水平：在Ⅰ勘探線增加軌道和運(yùn)輸石門(mén)各1條，形成軌道、膠帶機(jī)和回風(fēng)3條石門(mén)。一期工程以Ⅰ勘探線石門(mén)工程為主，＋580m 水平A0煤層底板軌道、運(yùn)輸和回風(fēng)大巷以及Ⅲ勘探線石門(mén)工程均作為二期工程，為火燒區(qū)水害防治創(chuàng)造條件。

4.2.3 一采區(qū)巷道設(shè)計(jì)

一采區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)修改為：由＋845m～地面的一組進(jìn)、回風(fēng)斜井和＋845m～＋700m膠帶機(jī)下山組成。進(jìn)風(fēng)斜井進(jìn)料、行人兼進(jìn)風(fēng)和排矸，采區(qū)煤炭由＋845m～＋700m 膠帶機(jī)下山經(jīng)＋700m 膠帶機(jī)石門(mén)進(jìn)主井。

4.2.4 瓦斯治理巷道布置優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合小黃山煤礦煤層的賦存、瓦斯來(lái)源等特點(diǎn)和工作面所需的抽采量，提出小黃山煤礦可行的抽采方法。

選擇A0煤層頂分層作為保護(hù)層，上保護(hù)A1＋2煤層，下保護(hù)A0煤層底分層。在A0～A1＋2煤層之間布置2條瓦斯抽采巷，施工穿層鉆孔，抽采A0煤工作面采空區(qū)瓦斯和A1＋2煤卸壓瓦斯；在A0煤層底板法距20m位置布置一條底抽巷，施工穿層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)段煤層瓦斯。A0煤層具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，A0煤層作為保護(hù)層先行開(kāi)采，需采取區(qū)域預(yù)抽防突措施。預(yù)抽煤體瓦斯可采用地面鉆井、穿層鉆孔預(yù)抽或順層鉆孔預(yù)抽。

地面鉆井預(yù)抽因地面火燒區(qū)范圍大而不能采用；順層鉆孔預(yù)抽安全性差，特別是對(duì)厚煤層難以消除“盲區(qū)”，因此，順層鉆孔預(yù)抽也不予采用。A0煤層順層鉆孔布置如圖1所示。

圖1 A0 煤層順層鉆孔布置示意圖

穿層鉆孔抽采時(shí)間長(zhǎng)，抽采范圍大，抽采與生產(chǎn)干擾小，抽采效果較好，設(shè)計(jì)A0煤層工作面采用底板巷穿層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域及煤巷條帶瓦斯區(qū)域防突措施。［3］［4］設(shè)計(jì)在距A0煤層底板法向距離20m、A0煤層工作面傾向中部布置底板巷，底板巷長(zhǎng)度與工作面順槽長(zhǎng)度相同；在底板巷每隔20m 布置一個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)施工兩排扇形鉆孔，每排鉆孔數(shù)為22個(gè)，鉆孔均勻覆蓋整個(gè)區(qū)段，鉆孔控制煤層上順槽上幫輪廓線外20m，下順槽下幫10m（煤層傾角小于25°區(qū)域鉆孔控制到順槽兩側(cè)輪廓線外15 m）；鉆孔穿透煤層進(jìn)入頂板0.5m 左右；鉆孔直徑Φ113mm，鉆孔終孔間距10m。A0煤層頂、底板穿層鉆孔布置如圖2所示。

圖2 A0 煤層頂、底板穿層鉆孔布置示意圖

A0煤層與A1＋2煤層間距較小，A0煤層上分層采后上部巖層垮落變形，若巷道布置在冒落帶和裂隙帶內(nèi)，在工作面回采時(shí)將會(huì)被破壞，考慮到A0煤層回采時(shí)抽采A1＋2煤層卸壓瓦斯的需要，設(shè)計(jì)將巖石巷道外錯(cuò)A0煤層順槽布置，使其在采動(dòng)冒落影響范圍之外，以便巷道維護(hù)。參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》中地表移動(dòng)實(shí)測(cè)參數(shù)，因無(wú)本礦區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，參考鄰近礦區(qū)開(kāi)采同一地層侏羅紀(jì)的數(shù)據(jù)，取移動(dòng)角β為60°，γ為68°，設(shè)計(jì)A0煤層兩條頂板巷一條外錯(cuò)運(yùn)輸順槽10m，另一條外錯(cuò)回風(fēng)順槽25m（沿傾向距離）布置。

設(shè)計(jì)選擇A0煤層頂分層（2.6m）作為保護(hù)層，上保護(hù)A1＋2煤層，下保護(hù)A0煤層底部煤層，因此在開(kāi)采A0煤層頂分層時(shí)，A1＋2煤層及A0下部煤層在采動(dòng)卸壓作用影響下，煤層透氣性增加，煤層瓦斯大量解吸，鄰近層瓦斯涌出量占回采工作面瓦斯涌出量比重較大，根據(jù)瓦斯涌出預(yù)計(jì)結(jié)果，在開(kāi)采A0煤層頂分層時(shí)，本煤層絕對(duì)瓦斯涌出量為31.90 m3／min，鄰近層瓦斯涌出量達(dá)到140.88 m3／min，鄰近層涌出量占回采工作面瓦斯總涌出量的81.5%。在未對(duì)鄰近層瓦斯進(jìn)行抽采的情況下，大量卸壓瓦斯將涌向回采工作面，嚴(yán)重威脅回采工作面的安全生產(chǎn)。

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案分析

5.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案所解決的問(wèn)題

5.1.1 縮短了主、副、風(fēng)三井短距貫通距離

盡快形成進(jìn)正規(guī)、合理的回風(fēng)系統(tǒng)，為礦井開(kāi)拓提供有利條件。同時(shí)，為礦井后期形成合理、完善的回風(fēng)系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

5.1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)解決了水患威脅的問(wèn)題［5］

根據(jù)目前的礦井地質(zhì)資料，只能分析出火燒區(qū)由西向東逐步加深的趨勢(shì)和個(gè)別的火燒區(qū)深度標(biāo)高，并不能繪制出一條完整的火燒區(qū)底部邊界線。取消＋710 m A0煤層底板回風(fēng)大巷及Ⅲ勘探線2號(hào)回風(fēng)石門(mén)，暫時(shí)回避了火燒區(qū)水患威脅的問(wèn)題，為探清火燒區(qū)底界情況贏得了時(shí)間和空間。

5.1.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)使一采區(qū)準(zhǔn)備更為簡(jiǎn)單［6］

系統(tǒng)更為合理。一采區(qū)一組由＋845 m～地面的一組進(jìn)、回風(fēng)斜井和＋845m－＋700m 膠帶機(jī)下山，可以從地面合適的地點(diǎn)施工，施工簡(jiǎn)單，揭煤安全、合理。后期一采區(qū)的出煤了解決了從＋845m→＋710m→＋580m，兩條傾角25°運(yùn)輸下山膠帶機(jī)的下運(yùn)問(wèn)題；輔運(yùn)由＋580m→＋710m→＋845m，兩條傾角25°的軌道上山上運(yùn)問(wèn)題。系統(tǒng)簡(jiǎn)單、管理環(huán)節(jié)少，安全可靠性大大提高。

5.1.4 解決了特厚突出煤層的瓦斯治理問(wèn)題［7］

選擇A0煤層頂分層做為首采關(guān)鍵保護(hù)層，同時(shí)選擇布置A0煤層頂、底板瓦斯抽采巷，施工巖巷頂?shù)装孱A(yù)抽鉆孔進(jìn)行區(qū)域消突。前期利用抽采巷鉆孔掩護(hù)A0煤層工作面上下順槽掘進(jìn)，回采工作面預(yù)抽消突及對(duì)A1＋2煤層進(jìn)行預(yù)抽；后期抽采A0煤層頂分層工作面采空區(qū)及頂板裂隙帶瓦斯，以及攔截A1＋2煤層卸壓瓦斯。加大了特厚易自燃煤層防火的可靠性。

至礦井移交時(shí)，按照優(yōu)化后的礦井共布置瓦斯治理巖巷3條：一采區(qū)A6煤層底板巷（長(zhǎng)度為730m）2條；二采區(qū)A0煤層底板巷（長(zhǎng)度為1 050 m）1 條。底板巷凈斷面積10.4m2，巷道總工程量2 510m。全封閉采空區(qū)瓦斯抽采如圖3所示。

圖3 全封閉采空區(qū)瓦斯抽采示意圖

預(yù)計(jì)移交時(shí)共需施工鉆場(chǎng)85個(gè)，鉆場(chǎng)規(guī)格5m（寬）×4m（深）×3m（高），鉆場(chǎng)工程量為5 100m3。

6 結(jié)論

該礦井條件復(fù)雜主要表現(xiàn)在以下方面，一是礦井水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，特別是火燒巖積水區(qū)，積水區(qū)域廣，儲(chǔ)水空間大，底部界線發(fā)育不清楚，且內(nèi)部裂隙發(fā)育，是良好的透水通道；二是礦井屬于煤與瓦斯突出礦井，煤與瓦斯突出治理難度大，開(kāi)采成本高；三是煤層特厚、瓦斯儲(chǔ)量高、易自燃。A0工作面預(yù)計(jì)相對(duì)瓦斯涌出量111.85m3／t，預(yù)計(jì)絕對(duì)瓦斯涌出量172.78 m3／min，A1＋2工作面保護(hù)卸壓后預(yù)計(jì)相對(duì)瓦斯涌出量13.79m3／t，預(yù)計(jì)絕對(duì)瓦斯涌出量48.63m3／min；四是一采區(qū)由于受F5斷層的切割，是一個(gè)獨(dú)立的采區(qū)，與礦井主系統(tǒng)聯(lián)系困難。

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案通過(guò)方案調(diào)整使主運(yùn)、回風(fēng)系統(tǒng)更為合理，使一采區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單、可靠；使礦井系統(tǒng)暫時(shí)避開(kāi)了火燒區(qū)積水的威脅，為火燒區(qū)積水的治理贏得時(shí)間和空間；為高瓦斯、特厚煤層的瓦斯治理提供了一套完整、有效的設(shè)計(jì)方法，并充分利用瓦斯底抽巷，一巷兩用，使特厚易自燃煤層的防火問(wèn)題的解決，更加可靠。

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