复杂条件矿井深部水平开拓布置综合技术研究

［摘要］文章针对华丰煤矿深部延深水平的实际情况，科学地优化了水平巷道布置及安全保障措施。按照现代矿井设计理念，首次在复杂条件老矿井深部水平开拓部署中应用无采区的布置方式，实现了水平联合布置，在保证安全可靠的前提下简化了生产系统，提高了系统能力，节约了巷道掘进及维护量，取得了明显的经济效益。

［关键词］深部矿井；水平延深；开拓布置 华丰煤矿是一个具有水、火、瓦斯、煤尘、冲击地压等多种自然灾害的老矿井，开采历史较长，现核定生产能力为110万t/a，是斜井多水平开拓矿井，共有5个生产水平，第1、2水平已经开采完毕，第3(-450m)、4(-750m)水平为生产水平，第5(-1100m)水平为开拓延深水平，矿井地面标高+130m。4、6层煤为矿井主采煤层，煤岩层平均倾角为32°。

1 影响深部延深水平的主要因素分析

1.1 生产地质条件

矿井煤岩层为单一倾伏向斜构造，构造简单。地层走向由西北部的20～320°渐变为东北部的90～40°，倾向由东变为北及北西，倾角32～35°，平均33°。煤岩层柱状见图1。煤岩层倾角将是影响深部开拓部署的主要因素之一。

1.2 自然灾害

矿井各可采煤层，均具有爆炸性危险，曾于1968年10月24日发生一次死亡108人的煤尘爆炸事故。开采的4层煤自然发火期为3～4个月，最短记录为42d，曾发生过多起煤层发火事故。4层煤具有严重冲击倾向性，已在多个工作面发生过多次冲击地压。4层煤工作面受上方第三系砾岩层及顶板砂岩层水的影响，多个工作面有出水现象，单个工作面最大出水量达500m3／h。井田上方覆盖的巨厚砾岩层整体性较强，工作面推采后将在地表产生斑纹下沉，对农田、河床及建筑物产生极大影响。

因此降低自然灾害对矿井的威胁程度将是进行深部巷道开拓部署研究的主要内容之一。

1.3 生产条件 

1.3.1 上一水平生产系统的影响

深部延深水平开拓延深的过程中，上一生产水平(-750m水平)仍在生产，其各生产系统正在运行，因此在进行-1100m水平巷道布置研究时应考虑-750m水平各生产系统的影响。

1.3.2 4、6层煤联合布置

深部延深水平主采煤层为前组的4层煤、6层煤，层间距为38m。后组煤受底板徐奥灰水的影响，暂不可采。4、6层煤联合布置是进行深部开拓部署研究的主要影响因素。

1.3.3 延深水平范围

深部延深水平走向长3300m，倾斜长600m。延深水平开采范围也是影响巷道布置的主要因素之一。

图1-1100m水平地质柱状图

2 矿井浅部水平开采布局分析 

2.1 巷道布置特点

矿井第3、4水平与深部第5水平的生产地质条件具有一定的类比性，主要分析矿井第3和第4水平前组煤的开拓布局及巷道布置特点。见表1。

2.2 采煤工作面布置

开采的前组4、6层煤工作面采用分组分区联合布置方式。水平内的每一阶段施工1条岩石集中巷，通过石门联络4、6层煤，采煤工作面巷道布置见图2。

表1矿井浅部第3水平和第4水平开拓布置情况表

图2前组煤4、6层联合布置剖面图

4层煤平均厚6.4m，采用分层下行开采的方法，分层厚度2.1m。6层煤厚1.1m，一次采全高。

3 深部延深水平巷道布置

3.1 无采区布置华丰煤矿深部延深水平打破传统的采区布置形式，采用无采区布置方案，利用5条暗斜井延深整个水平，水平内分4个阶段，标高分别为-840m、-920m、-1010m、-1100m，每一阶段布置1条岩石集中巷，阶段内布置采煤工作面。见图3。

3.2 采煤工作面布置

3.2.1 联合宽幅布置

在倾向上每1阶段布置1个采煤工作面，斜长150m。由于延深水平走向较长，在走向上布置2个采煤工作面，从中间向两边推采。对第1、第2阶段6层煤工作面进行了宽幅联合顺拉布置，提高了工作面生产能力，优化了通风系统。

3.2.2 复杂条件综采综放跨上山开采

为提高延深水平的生产能力，对4层煤工作面进行了大倾角、冲击地压、顶板水等复杂条件下的综放开采技术研究，并在5水平的第1个4层煤工作面取得了成功。对6层煤进行了大倾角、高地压、薄煤层综采技术研究，在第3阶段的6层煤工作面取得了试验成功。为减少煤柱丢失，对所有采煤工作面均采用跨上山开采，保证了延深水平采煤工作的连续性。

图31100m水平主要巷道布置平面图

3.3 灵活的通风方式

3.3.1 延深水平中央暗斜井布置 -1100m水平回风暗斜井沿走向布置在水平中央，一方面保证了与上一水平回风上山的合理搭接，另一方面缩短了延深水平的总回风长度。采煤工作面乏风通过阶段回风巷直接进入回风暗斜井，提高了水平通风能力。

3.3.2 优化上水平通风系统，减少维护巷道为减少-750m水平回风上山的巷道维护工程，对-1100m水平东翼的管子暗斜井改为进风井，报废-750m水平1采区回风上山900m；由于-750m水平2采区回风上山服务年限较长，巷道变形严重，巷道维护工程量大，通风断面不能满足矿井通风要求，因此在-750m水平重新布置了1条矿井回风上山，报废了-750m水平2采区回风上山，提高了-1100m水平通风能力，降低了矿井通风阻力。

3.3.3 “W”及上下行通风方式在-1100m水平延深巷道布置上，取消了-750m总回风道，对6层煤第1、第2阶段工作面采用了“W”型通风方式，第3阶段工作面采用下行风，第4阶段工作面采用上行风。利用-840m水平岩石集中巷、-1010m水平岩石集中巷作为总回风巷。

3.4 巷道布置技术

3.4.1 开采解放层方案

在-1100m水平实施了“采6保4”的解放层巷道布置方案，先采无冲击倾向的6层煤，再采4层煤，从根本上治理了矿井深部冲击地压灾害。

3.4.2 顺槽平“人”字形布置方案

由于4层煤工作面有顶板水，在工作面下顺槽布置方式上采用了平“人”字形和小幅度变更中腰线的布置方式，既保证了巷道流水坡度又保证了运输机运输。

4 经济效益分析

4.1 节约岩石工程量，减少维护巷道 

-1100m水平开拓延深巷道总工程量12169m，比传统的开拓布置方式减少开拓延深巷道工程量12510m。经计算，-1100m水平减少岩石巷道工程资金7852.51万元。

由于-1100m水平生产期间主要巷道受深部地压及4、6层煤工作面2次采动影响，巷道服务年限内需进行多次维护，开帮打锚杆挂网并用U29型棚加强支护，平均维护费用为2000元／m，合理的系统布置减少维护巷道13780m。经计算，水平服务年限内减少巷道维护费用2756万元。

4.2 缩短了延深周期，提高了深部水平生产能力

由于采用了先进的巷道部署方案，将水平延深周期缩短了2年。深部延深水平采用综采、综放的机械化采煤方法，直接生产成本降低40元／t，年产120万t，则提前2年达到直接经济效益9600万元。

4.3 系统简单，节省设备占用量和岗位 

-1100m水平减少了采区上山数目，相应减少了机电设备的占用量，节省3部大倾角皮带机，约600万元；节省6部JBT或JK型大绞车，约600万元；年节省设备维护及材料消耗费350万元，水平服务年限内节省4200万元。由于延深水平生产系统简单，设备占用量小，岗位少，年节约岗位工工资54万元，则水平服务年限内节省648万元。

4.4 减少隔离煤柱，提高煤炭回收率

由于-1100m水平实现无采区布置，相应减少了2个采区隔离煤柱，多回收煤炭：650×20×7.5×1.3=12.67(万t)；多实现利润：12.67×60=760.2(万元)。总之，该项目的成功实施，产生直接经济效益27016.71万元。

5 结论

(1)通过优化巷道布置及合理开采技术，是复杂条件老矿井实现高产高效及安全开采的有效途经。华丰煤矿-1100m水平节约开拓延深巷道12510m，减少维护巷道13780m，缩短了水平延深周期，简化了生产环节，产生直接经济效益2.70亿元。

(2)在华丰煤矿-1100m水平深部开拓部署中取消了采区概念，实现采区联合布置，利用5条暗斜井延深了1个生产水平，为回采工作面灵活布置提供了条件。

(3)通过先进科学合理的巷道布置方式提高了华丰煤矿-1100m延深水平安全生产程度，提高了延深水平的生产能力及各生产系统稳定运行程度。

(4)采煤工作面下顺槽采用了平“人”字形和小幅度变更中腰线的布置方式，保证了流水坡度及皮带运输。 

(5)提出并应用了“W”型通风方式，在上个生产水平正常生产的情况下，保证了延深水平通风系统合理高效稳定运行。