西卓煤矿恢复建设工程优化设计对策

杨彦宏

(中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京 100120)

西卓煤矿为陕西澄合矿区新建矿井，建设规模3.0Mt/a，2009年开始动工，2014年停工整顿。2019年，西卓煤矿启动恢复建设，委托地质单位重新编制地质勘探报告，并取得评审备案证明。停缓建期间，煤炭产业及环保政策陆续调整，标准规范相继更新，先进技术、工艺、设备不断升级，原矿井设计方案已不能适应矿井恢复建设需求，需要结合工程建设情况，根据现行政策、标准规范要求，充分运用新技术、新工艺、新设备，对矿井原设计方案进行优化调整。

1 矿井概况

1.1 地质条件

西卓煤矿位于澄合矿区东部，中深部，行政区划属合阳县城关镇管辖，由陕西陕煤澄合矿业有限公司开发建设。井田面积33.4178km2，地质资源量287.01Mt，主要可采煤层4、5号煤层，煤类为变质程度较高的贫煤类。煤层瓦斯含量低，瓦斯等级鉴定为低瓦斯矿井，Ⅱ类自燃，煤尘具有爆炸危险性，水文地质条件复杂，顶底板中等稳定，大部处于一级热害区，局部处于二级热害区。

1.2 矿井建设现状

矿井采用立井开拓，初期在工业场地布置主立井、副立井和回风立井，后期在临皋风井场地布置进、回风立井。由于4、5号煤层间距较小，采用4、5号煤层联合布置，分盘区设置盘区巷道。根据通风、辅助运输要求，盘区巷道共设5条，分别为一盘区1、2号辅助运输巷、1、2号回风巷和胶带运输巷。全井田划分为4个盘区，一、二盘区双翼开采，三、四盘区单翼开采，井田开拓布置如图1所示。

图1 井田开拓布置

矿井停工整顿前，井筒已落底贯通，井底环形车场已形成，主排水泵房、中央变电所、总回风大巷、部分辅运巷等矿建工程已施工完成；办公楼、食堂、联合建筑、单身公寓、选煤厂、主井提升机房、锅炉房等主体工程已完工；副井提升机房、110kV变电站、器材库、器材棚、零星器材库、进场道路等已投入使用；地面综合管网土建已完成50%。110kV变电站、风井井筒装备、副井井筒装备、中央变电所、部分排水管路、副立井提升系统设备、锅炉房部分设备已安装，主立井提升设备、主通风机设备、排水设备、压风设备已完成订货，部分设备已到货。

1.3 优化设计的必要性

西卓矿井2009年动工建设，原设计以经济效益为中心，井巷工程力求最省，主要固定设备力求节约，主要生产系统力求简省，建设工期力求最短，节约建设资金，建设低投入大型现代化矿井。

矿井停缓建长达5年，期间矿井建设政策环境、标准规范变化较大，行业技术进步较快，原设计部分已完工程已淘汰报废，部分工艺设备略显落后。经与建设单位商定，重新确定矿井建设理念，积极推广采用新技术新工艺，在已完工程基础上对矿井各系统进行优化设计。

2 矿井优化设计思路

矿井恢复建设后，首先应全面系统梳理设计基础条件变化情况，包括政策环境、标准规范、新技术新工艺、报废工程及新地质资料，为矿井优化设计提供基础。在此基础上，从三个方面开展设计优化工作，一是遵循现行规程规范，重新论证矿井设计方案，开展标准规范更新设计调整工作，二是充分运用新技术、新工艺，对落后环节升级替代；三是对标现行政策法规，梳理安全环保工程，重新论证建设方案[1-6]。设计优化思路如图2所示。

图2 设计优化思路框架

3 标准规范更新设计变更

3.1 投产盘区巷道布置优化

恢复建设前原设计矿井投产时共布置2个盘区，每个盘区各布置1个5号煤工作面，一、二盘区巷道分别掘至超前首采工作面2个区段，原设计投产盘区布置如图3所示。

图3 原设计投产盘区布置

根据《煤矿安全规程》(2016版)第一百四十七条：新建高瓦斯矿井、突出矿井、煤层容易自燃矿井及有热害的矿井应当采用分区式通风或者对角式通风；初期采用中央并列式通风的只能布置一个采区生产。第一百四十九条：采区进、回风巷必须贯穿整个采区[7]。

恢复建设后，西卓煤矿委托地质单位重新编制地质勘探报告，并取得评审备案证明。结合经评审备案的地质勘探报告，矿井属于热害矿井，应当采用分区式通风或者对角式通风；矿井初期采用中央并列式通风，只能布置一个采区生产；采区进回风巷必须贯穿整个采区。因此，设计将投产盘区调整为1个盘区，并将首采工作面位置调整为一盘区4、5号煤各布置1个工作面，同时将投产时盘区主要进、回风巷延伸至盘区边界，如图4所示。

图4 优化调整后投产盘区布置

3.2 未完土建工程补充勘察

由于近年来《岩土工程勘察规范》《建筑抗震设计规范》《建筑地基处理技术规范》《建筑基坑支护技术规范》《煤炭工业矿井建设岩土工程勘察规范》等主要规范均进行了改版和修订，对煤矿建构筑物有了特定勘察要求，原工业场地勘察报告已满足不了现阶段矿井施工图设计和施工图审查的需要。因此，未完土建工程及地基处理施工图设计前，建设单位需要重新委托有资质的地质勘察单位，对矿井工业场地的新建土建工程进行重新勘察和评价，确保勘察报告能够满足矿井施工图设计和图纸审查的需要[8]。

3.3 建构筑物消防改造及修复

矿井工业场地办公楼、食堂、联合建筑、职工公寓等行政福利建筑停缓建前主体工程已完工，但未进行消防验收。停缓建期间，建筑结构、消防、节能、抗震等设计标准规范相继更新，但原设计已施工完成的地面建构(筑)物配筋构造、结构等已无法按新规范改造，消防、节能等需要按新规范重新设计，并进行现场施工改造。

由于停缓建时间较长，器材库、主井井架基础、主副井提升机房等部分土建工程未完工，已施工部分存在钢结构锈蚀、装修破损、混凝土损坏等情况，需要委托有资质的单位对钢结构锈蚀、装修破损、混凝土损坏等情况进行检测，根据检测结果，针对各个建筑物的不同损坏情况，分类进行钢构件除锈防腐处理、局部加固改造或重建。

3.4 更新指标评价经济效益

近年来矿井建设工程价差、定额、指标、取费标准变化较大，材料、人工价格上涨较快；停缓建期间产生了大量的看护、维修、管理费、贷款利息等费用；设备订货环节复杂，设备合同签订、付款进度与设备供应安装进度不匹配，需要逐项核实设备及安装工程形象进度；部分土建工程已完工，但存在报废、检测修复、改造等问题[9]。

基于以上情况，项目恢复建设后，需根据矿井建设的工程形象进度，估算已完工程投资；同时根据优化调整后的矿井设计方案，按照新的定额指标、取费标准、材料及人工价格，并结合工程价差批复文件，合理选择经济指标，估算未完工程及改造投资。在此基础上，重新评价矿井经济效益，为建设单位科学决策提供依据。

4 新技术、新工艺升级替代

西卓煤矿煤层松软，掘进、支护及辅助运输制约矿井高效生产；矿井资源储量有限，地面村庄等设施压覆资源量较大，影响矿井服务年限；提高智能化装备水平，提升矿井掘进及辅助运输效率，提高煤炭资源回收率，为矿井投产后亟待攻克的难题。设计围绕上述难题，结合新技术发展水平对原设计进行升级替代。

4.1 快速掘进、辅助运输等系统优化

澄合矿区煤层松软，掘进、辅助运输等系统一直是制约矿井高效生产的难题。

为加快掘进速度，提升矿井生产效率，设计拟布置1个快速掘进工作面，配合3个综掘工作面，满足矿井采掘平衡关系。快速掘进工作面配备1套掘锚一体化机组，在松软煤层巷道条件下开展专项研究，并进行工业试验，为矿井投产后推广采用快速掘进系统奠定基础。

原设计矿井辅助运输采用蓄电池电机车+无极绳连续牵引车，为进一步提升矿井辅助运输效率，设计在分析辅助运输巷顶底板围岩强度及倾角、辅助运输量及运输距离、提升系统建设现状等条件基础上，根据优化调整后的盘区巷道布置方案，通过对无轨胶轮车、无极绳连续牵引车、单轨吊进行选型及适用性研究，经详细的技术可行性和经济合理性对比分析，优选蓄电池电机车+单轨吊作为矿井辅助运输方式，配备6台蓄电池电机车，服务于地面及井底车场的车辆调度；配备2台DC120Y柴油机单轨吊服务于大件设备运输，配备2台DX100的蓄电池单轨吊车，配备2台DX80蓄电池单轨吊车服务于一般材料、设备及人员运输。配备专用轨道、弯轨15500m，各类起吊梁15套，人车8辆。同时配备矿车、平板车及集装箱300辆。与原方案相比，大大简化了运输环节，提高了运输效率。

4.2 无煤柱110工法适应性论证

为提高煤炭资源回收率，减缓矿山压力，在矿井开采方案论证过程中，设计结合5.0m以上松软煤层大采高开采条件，深入研究了“无煤柱自成巷110工法”的适应性，探讨了切顶卸压留巷分区支护设计参数、设备选型及材料消耗，并估算了投资及生产成本。但考虑到国内目前尚无5.0m以上采高的先例，为确保首采工作面顺利达产，拟确定矿井投产后逐步实施。

4.3 智能干选及矸石充填

井下矸石智能干选及矸石充填为近年来新兴的矸石处理技术，可以实现矸石就地分选，增加主井有效提升能力，减少矸石升井排放，节省了矸石运输和生态环境治理费用[10]。根据井下盘区巷道布置，设计选定在转载煤仓上口布置矸石分选系统，煤仓上口来煤通过滚轴筛对原煤进行分级，50mm以下原煤通过转载带式输送机返回转载煤仓，50mm以上原煤通过2台智能分选机实现煤矸分离，块矸经转载带式输送机进入矸石仓，块煤通过转载带式输送机返回转载煤仓，如图5所示。

图5 井下矸石分选布置

矸石仓下口布置矸石运输系统，选定村庄压覆区、难回收三角煤区域及废弃巷道作为充填开采区域，布置充填工作面。

由于投产时井下暂无村庄压覆区、难回收三角煤区域及废弃巷道，设计考虑预留矸石分选系统接口及位置，待井下形成充填区域后，有序推进井下矸石智能干选及矸石充填。

4.4 矿井智能化建设

近年来，国家大力推进现代信息技术与煤炭开发的深度融合，先后出台了一系列推动煤矿智能化发展的政策文件。各煤矿企业为提升矿井安全高效水平，积极探索推动智能化煤矿建设。为打造渭北复杂地质条件下智能精准开采示范矿井，提高生产效率，保证生产安全，提高企业管理水平，设计贯彻“安全、高效、智能、绿色”的建设理念，从智能化矿山基础设施、生产调度协同管控、安全保障协同管理、运维监测管理、智能化选煤厂等方面开展矿井智能化设计。由于我国煤矿智能化仍处于培育示范阶段，部分智能化开采技术有待突破，设计按整体规划，分步实施的原则，将矿井智能化建设分三个阶段实施，第一阶段构建调度指挥中心、数据中心、物联网传输平台、基础软件平台等基础设施，建设矿井生产调度、安全保障必需的协同管控中心；第二阶段构建采掘、运输、通风、供配电及安全保障系统；第三阶段结合先进智能开采技术，建设现代物联网传输平台及运维监测管理系统。

5 安全环保工程设计优化

5.1 矿井余热综合利用

西卓煤矿原设计在工业场地建设燃煤锅炉房一座，内设2台20蒸吨和一台10蒸吨燃煤锅炉。停缓建前已基本建成，未投入运转。近年来，为加强大气污染防治，北方地区大力推进冬季清洁取暖，按照市场监管总局、国家发展改革委和生态环境部联合下发的《关于加强锅炉节能环保工作的通知》(国市监特设〔2018〕227号)要求，该矿井地处汾渭平原，属大气污染防治重点区域，原则上不再新建每小时35蒸吨以下的燃煤锅炉[11]。该矿井已建锅炉属淘汰落后锅炉，探索清洁取暖势在必行。

该矿井属高温热害矿井，根据地勘报告，大部处于一级热害区，局部处于二级热害区。矿井水文地质条件复杂，井下涌水量较大，水温较高，正常涌水量为786.97m3/h，最大涌水量为1090.51m3/h。设计拟采用矿井水、乏风、空压机余热等清洁能源解决矿井工业场地内建筑采暖(空调)、井筒防冻、洗浴热水问题。同时，为解决井下降温问题，设计将井下降温机组与矿井余热回收机组联合布置，利用矿井余热回收机组富余制冷量，充分回收矿井降温的冷凝热[12]。

5.2 水处理及外排工程

该矿井水文地质复杂，涌水量大，合理选定矿井水处理方案，对于矿井节能减排绿色发展意义重大。近年来，部分矿井将水处理站建在井下，节省了矿井建设用地，减少了水仓清淤环节和矿井水升井阻力、减缓了排水设备及管路的磨损。但目前较为成熟的工艺仅有超磁工艺，处理后水质无法满足现行井下消防洒水水质要求。水处理消毒剂属于禁止下井物品，需在地面另设消毒设施配合使用。本矿井涌水量大，水处理设备占用空间大，需设置超大断面硐室，硐室工程量大，支护成本高，维护难度大。井下环境恶劣，对水处理设备运行、维护和检修要求高，需具备煤安标志。

考虑到矿井涌水量大，为便于后期提高出水水质，预留矿井水深度处理位置，设计推荐采用地面水处理站，处理工艺较为成熟，可以兼顾雨水处理，满足环评要求及井下消防洒水水质标准。

矿井井下排水总量为19127m3/d，处理后矿井水自身利用1760m3/d，利用率为9.2%，剩余未利用水量需外排。矿井建设前期向东、向北先后设计了外排线路，受当地环保政策的影响，已施工线路均报废。恢复建设后，矿井重新规划设计了外排线路，经与合阳县协商，将剩余矿井水作为合阳县金水沟小流域生态修复提升景观工程的水源，并留设村民灌溉土地用水接口。矿井水利用17367m3/d，利用率90.8%。矿井水综合利用率达到100%。生活污水经处理后，全部回用做黄泥灌浆用水，不外排。

5.3 抗灾防排水系统

根据《煤矿安全规程》第三百零八条：水文地质条件复杂、极其复杂或者有突水淹井危险的矿井，应当在井底车场周围设置防水闸门或者在正常排水系统基础上另外安设由地面直接供电控制，且排水能力不小于最大涌水量的潜水泵。

矿井水文地质条件复杂，应设置强排或防水闸门。根据盘区巷道布置及涌水量情况，采用强排方案需在井下布置强排硐室，选用2台矿用潜水电泵，在回风立井敷设2趟∅377mm强排管路，并在地面布置强排配电室，在主立井敷设强排配电控制电缆，投资约1222万元；采用防水闸门方案需在通往井底车场的各巷道连接处附近稳定岩层中布置防水闸门硐室，共布置9处，井巷及设备投资约1673万元。

考虑到防水闸门为被动堵水，布置分散，管理不方便，一定程度影响井下运输，出现灾变控制难度大，管路、电缆通过防水闸门墙体时，安装及施工工序复杂。而强排系统为主动排水，可以迅速应对日常矿井水量突然增加的状况，保证矿井正常生产；出现灾变可以通过地面自动化控制，启动快速方便，管理方便。同时，强排投资略低于防水闸门。综合技术经济比较，设计推荐矿井抗灾防排水采用强排系统。

5.4 底板注浆加固工程

矿井水文地质条件复杂，井田内主采煤层处于奥灰区域水位高程+372m以下，部分区域突水系数在0.06～0.10MPa/m，为带压开采突水威胁区。

根据邻近矿井观测数据，正常地层5号煤层底板采动破坏深度为10m，在构造带地层中煤层底板破坏深度约20m。5号煤层底板至K2灰岩(或石英砂岩)厚度为4.11～55.79m，一般为8～15m左右，可见底板破坏裂隙可在局部导通太原组石英砂岩或K2灰岩裂隙水。5号煤层底板至奥陶系石灰岩顶面距离一般厚度20～50m左右，虽远大于底板破坏裂隙厚度，但奥灰岩溶水水头压力高，富水性强，石炭系上统太原组石英砂岩+K2灰岩含水岩组与下伏奥陶系中统峰峰组二段灰岩含水岩组之间隔水层(铝质泥岩)不稳定，奥灰水将对煤层开采造成很大威胁。

设计在工业场地布置注浆站，与黄泥灌浆站联建，在回风立井和回风大巷布置注浆管路，将浆体输送至工作面回采巷道注浆孔[13]。通过对煤层底板隔水层进行注浆加固，对K2段含水层进行改造和充填，缩小或消除K2富水块段的范围，以提高5号煤层底板隔水层的完整性和阻水能力，增加隔水层的强度及厚度，如图6所示。

图6 煤层底板注浆加固与改造原理

6 结 语

1)受标准规范更新的影响，设计优化调整了投产盘区巷道布置、未完土建工程补充勘察、建构筑物消防改造及修复等设计方案，并结合优化调整后的设计方案，更新指标评价项目经济效益。

2)设计结合近年来新技术发展，对掘进、辅助运输设备进行了升级替代；对技术暂不成熟的5.0m采高无煤柱开采拟在投产后逐步实施；对暂不具备条件的智能干选及矸石充填，预留接口及位置，条件成熟后有序推进；对智能化矿井建设按整体规划，分步实施的原则设计。

3)受环保政策的影响，已施工锅炉房、外排线路报废。设计采用矿井水、乏风、空压机余热等清洁能源解决矿井采暖及降温问题，对原供热系统进行改造；针对合阳县金水沟小流域生态修复提升景观工程的水源需求，重新设计外排线路，解决矿井水外排问题。

4)矿井水文地质条件复杂，煤层开采受奥灰水带压开采的影响，除文中所述的设抗灾防排水系统和底板注浆加固外，设计还遵照《煤矿防治水细则》规定，布置了其他防治水设施，制定了防治水措施，确保生产安全。