沟底煤矿工业场地位置选择与开拓方案设计

田瑞霖

(煤炭工业太原设计研究院集团有限公司，山西 太原 030001)

矿井工业场地位置选择及井田开拓方案设计是矿井设计和建设过程中的重中之重，关系到整个矿井的安全生产和长远发展，直接影响到矿井建设工程量、初期投资和建设速度[1-6]。因此，新建矿井的工业场地位置选择及井田开拓方案设计必须依据矿井地形地貌条件、井田地质条件煤层赋存条件、开采技术条件、地面外部条件、设计生产能力、装备条件等，统筹井田全局后确定[7-11]。

沟底井田为晋城矿区新建矿井，是晋能控股装备制造集团主力接替矿井，为确保矿井建设项目的顺利开展，力争通过精心设计和科学管理，结合沟底井田的具体特点，最大限度地降低矿井初期投资和缩短矿井建设工期，把该矿井建设成开拓布局合理、基建工程量少、建设工期短、见效快、效率高、效益好、符合煤矿发展趋势的绿色、环保、高产、高效的现代化精品矿井[12-17]。

1 矿井概况

山西高平源野煤业有限公司沟底煤矿位于高平市北西部，东距高平市区约15 km，属于新建矿井，井田南北长约11.097 km，东西宽8.348 km，面积约71.07 km2，井田内地质资源量617.8 Mt，设计可采储量为422.587 Mt，井田四邻位置关系如图1所示。井田内地层整体呈南东高、北西低的单斜构造，地层总体走向北北东，倾向北西西，井田地质构造条件属简单型。

图1 井田四邻位置关系

井田内全区可采煤层有山西组3号煤层和太原组15号煤层。3号煤层位于二叠系山西组的下部，上距K8砂岩27.70～42.50 m，平均34.22 m；下距K7砂岩1.80～14.77 m，平均8.91 m。下距15号煤层78.09～91.39 m，平均85.47 m。3号煤层厚4.35～7.45 m，平均5.88 m，一般含1层距底板1.45 m左右较稳定的泥岩夹矸，夹矸最大厚度0.55 m，平均0.16 m。沟底煤矿3号煤层顶板为泥岩、粉砂质泥岩，局部为中粒、细粒砂岩；底板为泥岩、粉砂质泥岩，局部为炭质泥岩、泥质粉砂岩或泥质细砂岩，3号煤层顶底板条件属中等。井田水文地质条件为中等类型，3号煤层赋存平缓，为不易自燃煤层，无煤尘爆炸危险性，可采煤层及其顶底板无冲击危险，矿井开采技术条件优越，初期开采区域3号煤层设计布置一个回采工作面，设计生产能力为500万t/a，服务年限为62.6 a。

2 井口与工业场地位置选择

2.1 影响因素分析

1)井田地形因素。井田地面地形较为复杂，所选场地应尽量布置在相对平坦处，场地布置应结合地形地势，以减少场地平整工程量，且所选场地应能够满足大型矿井生产建设需要。

2)煤层埋深因素。场地选址应与井下巷道部署及煤层赋存条件相结合，应尽量布置在煤层埋藏的浅部区域，开采条件好的区域。

3)外运形式。沟底矿井设有铁路专用线，由新建交接场与南陈铺站之间疏解线、改扩建交接场、南阳区间线路及南阳野川装车站、东峰区间线路及东峰前和装车站、沟底区间线路及沟底装车站、南陈铺信号改造、石碴场信号改造、自营公司、科兴专用线九部分组成。工业场地位置应尽量位于井田东部，可有效减少煤流系统运营费用。

4)基本农田因素。场地及井口位置的选择应尽量避开基本农田。

5)勘探程度。勘探边界内井田面积71.07 km2，2014年8月提交的《山西高平源野煤业有限公司沟底煤矿首采盘区三维地震勘探报告》覆盖面积4.22 km2。从整个井田钻孔分析来看，东部区域钻孔相对较为密集，勘探程度高。

2.2 井口及工业场地位置方案设计及比选

从地形、外运条件、勘探程度及基本农田因素综合分析，经现场实地踏勘并比对地形地质资料图，初选以下四处场地用作矿井工业场地或初期风井场地：场地一(梨园沟场地)，位于井田东南部交河村西北的梨园沟内；场地二(大郎沟场地)，位于井田东南部交河村西南的大郎沟内；场地三(常庄村场地)，位于井田东北部常庄村附近；场地四(南庄村场地)，位于井田南中部坪头、南庄村附近，如图1所示。

1)场地一(梨园沟场地)和场地二(大郎沟场地)位于井田南部边界附近，煤层埋深较浅，煤层埋深均不到400 m；距离井田南侧沁辉公路及规划的高平电厂近，规划的运煤专线距离太焦线南陈铺铁路接轨点近，进场公路、运煤专线设置距离短，且两处场地土地属性均为林地和山坡荒地。场地一位于井田东南边界处交河村西北的梨园沟内，该处场地为交河村一个村庄所有，社会关系简单易于协调处理；场地二位于交河村西南和背村东北部，处于两个村庄之间，该处场地为两个村庄所有。

2)场地三(常庄村场地)位于井田北部常庄村、西郭庄、圪塔村附近，地面条件略好，容易平整；矿井煤炭产品向南运输，井下煤炭存在先北后南反向运输；拟建的运煤专线线路长；场地周边村庄较多，矿井基本建设及生产期间社会关系协调难度大；此外该处场地占压多为基本农田，不符合国家保护耕地的政策。因此，场地三不宜用作矿井工业场地。

3)场地四(南庄村场地)位于井田南中部的南庄村和上梁村附近，地面相对平坦，场地容易平整，但地面地形标高较高(地形标高+1050～+1090 m，较场地一高60 m)，后期建设运煤专线铁路展现难度大，且井下煤层埋深大(较梨园沟场地深160 m)，场地占压煤柱大，场地距离公路远，需修建进场公路距离长；场地周边村庄较多，社会关系协调难度大；此外该处场地占压大多为基本农田，不符合国家保护耕地的政策。

综上分析，从铁路外运条件、煤层赋存深度和场地土地属性分析确定，梨园沟场地和大郎沟场地都可作为矿井的工业场地。但是，考虑到受煤炭行业政策和社会因素的影响，最终确定将梨园沟场地作为矿井的工业场地。

3 井田开拓方案设计

3.1 井田开拓方式选择

根据梨园沟工业场地的实际情况，结合井田煤层赋存条件、工业场地地形条件、井田地形地貌及地面村庄等建构筑物分布、地质构造、当前煤炭开采技术的发展水平等因素，设计了以下三个井田开拓方式。

3.1.1 方案一：大直径副立井斜立混合

方案一采用大直径副立井(斜立混合)的开拓方式，在梨园沟场地布置主斜井、大直径副立井和回风立井三个井筒。

1)主斜井倾角19°，斜长1690.4 m，净宽5.2 m，净断面积18.4 m2，装备带宽1600 mm钢绳芯带式输送机及用于带式输送机检修的架空人车装置，主要担负矿井煤炭提升任务，兼辅助进风井及安全出口，下井管路(排水管、强排管、压风管及充填管)均沿该井敷设。主斜井井口标高+1013 m，落底至3号煤层底板下岩层，标高+469 m，通过井底煤仓与沿3号煤层南北向布置的南(北)运输大巷(含上仓带式输送机，倾角8°)连通，主斜井落底后设井底清理撒煤巷通过斜巷与沿3号煤层布置的北辅运大巷连通，以满足主斜井井底清理及井底设备检修需要；同时，在主斜井井底落底附近布置主排水泵房、主变电所、强排泵房及井底水仓等硐室。

2)大直径副立井净直径10.5 m，净断面积86.59 m2，垂深438 m(提升高度403 m)，装备两套提升系统，一套为“非标特大罐笼(9000 mm×4000 mm)+平衡锤”，担负全矿井材料、设备(含日常使用的防爆无轨胶轮车)及矸石等全部辅助提升任务；另一套为一对小罐笼(2000 mm×1024 mm)，担负副立井井底零星作业人员上、下井需要，为矿井的主要进风井，通信电缆及动力电缆沿该井筒敷设。副立井井口标高+1023 m，落底标高+585 m，井底车场水平标高+620 m，设+620 m水平车场巷道向正西与南辅运巷连通。

3)回风立井井筒直径为8.0 m，净断面积为50.26 m2，垂深383 m，装备有封闭梯子间，担负矿井投产初期回风任务兼作矿井的安全出口。回风立井井口标高+1008 m，落底标高+625 m，井筒落底后沿煤层向正西布置两条总回风巷与南回风大巷连通。

3.1.2 方案二：缓坡斜井

方案二在梨园沟工业场地布置主斜井、缓坡副斜井、进风立井和回风立井四个井筒，主斜井和回风立井设置基本同方案一，将方案一的大直径副立井调整为缓坡副斜井，新增一个进风立井。

1)缓坡副斜井倾角6.5°，总长4813.8 m(缓坡段长4327.8 m，缓冲平段486 m)，净宽5.5 m，净断面20.12 m2，担负大型设备长材上下井及大型胶轮车上、下井加油检修任务，兼进风及安全出口。缓坡副斜基本沿东西向折返式布置(井口及井底段与主斜井平行布置)，倾角6.5°，落底标高+523 m，井筒落底后与北辅运大巷连通。

2)从矿井所需风量、下井管线及提高辅助运输效率方面考虑，设计布置一个进风立井，净直径8.0 m，净断面积50.26 m2，垂深458 m(含井底水窝35 m)，装备一对特制宽罐笼(5100 mm×2340 mm)，担负人员及一些日常小型材料上下井的任务，兼作矿井进风的安全出口。进风立井井口标高+1023 m，落底标高+570 m，井底车场水平标高+600 m，提升高度423 m，设+600 m水平车场巷道向正西与南辅运巷连通。

3.1.3 方案三：立井开拓方式

方案三在梨园沟工业场地布置主立井、副立井和回风立井三个井筒，其中，副立井和回风立井的设置同方案一，将方案一的主斜井调整为主立井。

主立井净直径8.5 m，净断面积56.75 m2，垂深498 m，装备两套25 t双箕斗担负全矿井原煤提升任务，兼辅助进风井。主立井位于副立井西南约180 m处，井口标高+1013 m，落底标高+515 m，箕斗装载水平标高+570 m，主立井装载水平设有井底煤仓一座，井底煤仓上口一侧与主立井井筒相连，另一侧为运输大巷与井底煤流系统相连接，运输大巷向正西布置与南北向布置的运输大巷连通，以满足井下煤炭运输需要；同时，在副立井井底设置主排水泵房、主变电所及井底水仓等硐室，下井管线沿该井筒敷设。

3.1.4 井田开拓方案比选

1)方案一采用大直径副立井斜立混合开拓方式，移交生产时在矿井工业场地布置主斜井、副立井和回风立井共三个井筒。①方案一优点：主斜井带式输送机运输连续，提升能力大，维护管理简单，设备调整容易。副立井井筒断面大，进风能力大；提升速度快，提升能力大效率高；副立井可整体升降支架、日常使用的无轨胶轮车等大型设备，并便于长材料的升降。②方案一缺点：副立井装备两套提升系统，投资费用较高，后期维护管理较缓坡斜井复杂。

2)方案二采用斜立混合开拓方式，移交生产时在矿井工业场地布置主斜井、缓坡副斜井、进风立井及回风立井共四个井筒。①方案二优点：主斜井带式输送机运输连续，提升能力大，维护管理简单，设备调整容易；副立井为缓坡斜井，防爆无轨胶轮车可装载设备材料及人员经由缓坡斜井直接上、下井，可实现直达采掘工作面运输，井下辅助运输环节少；缓坡斜井无须设置提升设备，系统简单，易于管理；配建的地面土建工程简单，基本无安装工程；进风立井装备提升设备可满足人员、日常设备材料及3t胶轮车上下井需要，提高了辅助运输系统灵活性。②方案二缺点是缓坡斜井由井口至井下大巷总长近4865 m，工程量大，建设工期长；人员上、下井在井筒中耗费时间长，冬季柴油机车尾气对空气污染较严重，空气质量较差；井筒长期运输费用高，后期胶轮车营运费用及维护成本高，胶轮车长距离连续上下坡对车辆制动系统要求高，安全性差；缓坡斜井建设工期长，主斜井和进风立井装备周期长，井筒装备期间会影响到井下建设，而缓坡斜井不利于缩短井巷建设工期。

3)方案三采用立井开拓方式，移交生产时在矿井工业场地布置主立井、副立井和回风立井共三个井筒。①方案三优点是主井和副立井均为立井，井筒进风量大；副立井提升速度快，提升能力大效率高；可整体升降支架、日常使用的无轨胶轮车等大型设备，并便于长材料的升降。②方案三缺点是与主斜井相比，立井系统相对斜井复杂，后期维护管理难度较斜井大；主斜井井底装卸载硐室及相配套井底运输大巷总工程量大，施工难度也大；副立井装备两套提升系统，投资费用较高，后期维护管理较缓坡斜井复杂。

三个开拓方案均选择梨园沟场地作为矿井的工业场地，场地购置、场地平整、供电线路、场外公路、排矸公路及后期运煤专线等建设工程及投资基本相当，投产初期大巷及采区工作面巷道工程基本相同，主要区别在于移交生产时井筒及井底巷道工程及其配套设备设施投资，设计对主要可比工程投资进行了估算，经比较分析，方案一主要可比工程投资较方案二少7920万元，较方案三少3471万元。主要可比工程投资估算比较见表1。

表1 主要可比工程投资估算比较

综上，井田开拓方案一具有工业场地布置集中、副立井进风能力大、辅助提升能力大效率高、建设工期短的优势，井下巷道系统部署简单。经综合分析比较，确定推荐井田开拓方案一。

3.2 开采水平及开拓巷道布置

3.2.1 水平划分

根据勘探报告等资料，矿井开采3号煤层，开采水平标高确定为+620 m。

3.2.2 开拓巷道布置

井田内地层整体呈南东高、北西低的单斜构造，井田东部煤层埋藏浅，向西逐渐加深，勘探范围内3号煤层底板标高介于+680～+280 m。矿井工业场地选择在煤层埋藏相对较浅的南东部区域，工业场地处煤层埋深约390 m。根据3号煤层赋存条件及井田形状特点，设计将井田划分为北、中、南三个区，结合井田北宽南窄的特点，井田开拓巷道呈“丁”字部署，由南向北布置开拓巷道贯通南部及中部区域，井田南部及中部区域沿煤层走向划分为东西两翼，在开拓巷道两侧布置回采工作面进行开采；北部区域东西长度偏大，结合北部区域地面地形条件及风井服务范围等因素，将北区划分为两个区域进行开采，井田开拓巷道掘进至北区南边界后调整沿东西向(煤层倾向)布置一组开拓巷道。

为加快沟底井田施工进度，降低基建投资，开拓大巷采用集中布置方式，均布置在3号煤层中，沿3号煤层顶板布置。根据主运输、辅助运输及通风要求同时参考邻近矿井生产经验，开拓大巷按“五巷”布置，即布置两条辅助运输大巷、两条回风大巷和一条运输大巷，相邻开拓巷道间距40 m，大巷两侧煤柱各留设60 m。

3.3 采区划分及开采顺序

1)采区划分。根据井田开拓部署，全井田共划分五个采区，如图2所示。南、北两个区域各划分两个采区，中部区域划分为一个采区。其中，北部为四采区和五采区，中部为三采区，南部为一采区和二采区。矿井初期开采井田南部区域，移交生产时在矿井工业场地布置主斜井、副立井和回风立井共三个井筒，初期三个井筒服务于井田南部区域的一采区和二采区。

图2 井田采区划分

2)开采顺序。井田可采煤层为3号煤层，3号煤层划分为五个生产采区，采区开采顺序：一采区→二采区→三采区→四采区→五采区。

4 结 论

1)沟底煤矿工业场地位置设计选择在井田东南部边界附近的梨园沟场地内，该处位于3号煤层的浅埋区，瓦斯含量相对较低，且该处钻孔控制密集，为勘探的高级储量区，井下3号煤层赋存稳定。另外，矿井工业场地布置集中，选煤厂及风井场地均布置在梨园沟场地内，有利于生产组织，便于管理。

2)沟底煤矿采用大直径副立井(斜立混合)的开拓方式，工业场地布置有主斜井、副立井和回风立井共三个井筒。主斜井带式输送机运输连续，提升能力大，检修维护管理容易，副立井井筒断面大，进风能力大，提升速度快，效率高。井田开拓系统简单，开拓大巷兼作采区巷道，回采工作面沿开拓巷道两侧直接布置，井下掘进工程量较少，采掘衔接更容易，且回采工作面推进距离长，工作面搬家次数少，为矿井生产提供了保障。