陈四楼矿井上下配套设计改革综述.pdf

墨煤芷遮让 趔 生筮 期 滁卿搂妒替袅帘疆热浚淳狳邃 郑州煤炭设计研究院许汝哲 摘要介绍陈四楼矿井井上下配套改革的基本情况。立井单水平上下山开拓，沿煤层 布置运输大巷，投产采区沿倾斜布置回采工作面，煤层组实行“上行”开采顺序，设中央风井加 快建设速度；按照生产、生产服务和生活服务三条线布置地面设施。 关键词井上下配套改革 立井开拓煤层大巷上行开采倾斜长壁 永夏矿区是国家“八五”、“九五”重点建设项 目。陈四楼矿井是该矿区第一对建成投产的大型 现代化矿井，设计年生产能力2 4 0 万t 。该矿井于 1 9 9 0 年7 月2 6 日破土开工，1 9 9 r 7 年1 1 月6 日竣 工投产。初期移交一个采区，一个综采工作面。 投产时除北四采区因地质条件发生重大变化正在 进行基本建设外，其它各主要生产系统均按设计 标准移交生产。 经生产实践，该项目设计开拓布局合理，设备 选型得当，主要采掘设备及主提升设备达到9 0 年 代国际先进水平。各主要生产环节均能满足生产 需要。在煤炭市场疲软，以销定产的市场条件下， 1 9 9 8 年生产原煤1 2 0 ．4 万t ，1 9 9 9 年生产原煤 1 6 0 ．8 8 万t ，最高月产量达到2 3 ．6 万t ，最高日产 量达到1 0 4 6 0 t ；投产的第一套综采设备，最高月产 量达到2 1 万￡，最高日产量为8 1 0 0 t 。开创了单工 作面达到全矿井设计日 月 生产能力的新局面。 由于矿井项目拟利用日本第三批能源贷款， 我院于1 9 9 2 年对原初步设计进行了优化修改，提 交了 ，由原设计三个回采工作面、三套国产 综采设备，优化为两个面两套引进综采设备；主井 提升设备全套引进；掘进及辅助运输设备均由国 产改为引进设备。 l 开拓布置改革 1 ．1 地质特征 本井田位于河南省永城市境内。南距永城县 城8 k m 。井田走向长1 2 k m ，倾斜宽6 ．0 k m ，井田面 积7 3 k m ，地质储量3 0 3 9 6 万t ，可采储量2 0 1 0 8 万 t o 本井田主要可采煤层四层，位于二迭系山西 组和下石盒子组。山西组的二煤层为本井田主 要可采煤层，该层煤赋存比较稳定，结构简单，平 均厚2 ．4 5 m ；下石盒子组的三“ 三；和三。煤为大 部可采或局部可采煤层，其平均厚度分别为1 ．3 m 、 1 ．5 m 和1 ．6 m 。两组煤层间距7 5 ～1 1 3 ．7 m ，平均 8 1 ．0 m 。主要可采煤层均为无烟煤。其中二煤层为 低灰、特低硫、特低磷、高发热量的优质无烟煤。 煤系上覆新生界地层厚度3 0 0 ～伽m ，平均 3 4 8 ．7 3 m 。 本井田位于永城复式背斜西翼，其主体为一 单斜构造，地层倾角4 0 ～8 0 ；井田内波状起伏及宽 缓褶皱比较发育，并伴有近东西向和近南北向断 裂，断层主要分布于井田北部和井田边界。建井 期间曾进行地震补充勘探，发现首采区1 0 m 以下 的小断层比较发育。 本井田水文地质条件中等～简单。主要可采 煤层的开采技术条件比较简单，煤层瓦斯含量不 高，为低沼气矿井；煤尘具弱爆炸性；煤层无自然 发火倾向；除二煤深部局部地段出现地温异常外， 其余均属正常。 1 ．2 矿井设计内容简介 本矿井采用立井单水平上、下山开拓方式，中 央并列式通风系统；三组煤与二组煤之间采用“上 行”开采顺序，初期先开采二煤层；主要运输大 巷和总回风巷基本上沿二煤层并列布置，主运 输方式为胶带输送机，井下辅助运输采用7 t 架线 万方数据 缝 生筮 期煤芷途盐窆 电机车、采区9 0 马力单轨吊、重型设备由无轨车 运输的联合运输系统；投产采区设在工业场地保 安煤柱两侧，南一采区为倾斜长壁 俯斜 后退开 采方式，北四采区为走向长壁开采方式，以两个综 采工作面保证设计生产能力；主井提升采用 甜．0 I I l 内装电机式多绳塔式绞车，装备一对2 4 t 箕斗，井筒净直径5 ．0 m ；副井提升为∞．5 m 多绳 落地绞车，装备1 ．5 t 矿车二层四车一宽一窄两个 罐笼，井筒净径6 ．5 m ；通风设备为K 4 7 3 0 2 №2 8 F 型离心式通风机，中央风井井筒净径5 ．0 m ； 井下泵房设D 5 8 0 6 0 9 型水泵五台，三台工作， 两台备用，设两趟垂化6 1 0 排水管；地面设四台 4 L 一2 0 ，8 型空气压缩机；三台工作，一台备用；地 面不设永久矸石山 设小型临时周转场地 ，井下 矸石用汽车运往塌陷馐，复土造田；由于矿区机修 体制和材料供应体制实行改革，矿井工业场地内 只设简单的维修车间和小型材料供应站；家属住 宅、单身宿舍及配套设施设在中心居住区。 1 ．3 开拓布置改革及开采系统优化 按照国家计委和原煤炭工业部要求实行井 上、下配套改革的设计指导思想，在设计中采取多 项改革措施，取得较好的技术经济效果。 1 ．3 ．1 开拓布局合理，井巷工程量省 结合矿井地质条件，采用立井单水平上、下山 开拓方式，中央并列式通风系统，主、副、风三个井 筒同在一个工业广场。根据井田近似“哑铃”的形 状特点，经多方案比选，井口位于较狭窄的地段， 此处覆盖层较薄，且避开了硒、K 6 砂岩强含水 层，为基岩段井筒创造了良好的施工条件。工业 场地垂直煤层走向布置，压煤量少，且接近开采条 件较好的首采区。两条运输大巷沿煤层并列布 置，简化了开拓开采系统，大大节省了初期井巷工 程量。万吨掘进率只有9 3 ．2 m ，这在同类大型矿井 中是比较低的。 1 ．3 ．2 井筒个数的优化 在确定井筒个数时，本着一井多用的原则，设 计考虑了一主一副两个井筒方案。但建井工期受 主、副井交替安装限制。如欲缩短建井工期，必须 为主、副井同时安装创造条件。因此又提出主井、 副井和中央风井三个井筒方案。 由于本井田覆盖层厚，需采用特殊凿井方法 施工井筒，井筒施工期占建井总工期的3 5 ％左 右，而井筒工程量占井巷工程总量不足1 0 ％。如 总工期按设计工期5 1 个月计算，除去井筒施工期 约2 0 个月以及联合试运转和井下设备、管线、轨 道等安装工期，井下二、三期工程的施工时间只有 2 4 个月左右。井筒提升任务相当繁重。因此主、 副井交替安装势必成为制约建井工期的关键因 素。“两个井筒”方案在主、副井交替安装时，只能 有一个井筒提升，工期势必拖长。如增加中央风 井，则可为主、副井同时安装创造条件。经过比 较，“三个井筒”方案可缩短建井工期1 0 ．8 个月， 节省基建投资3 5 8 ．3 6 万元。另外，由于工期缩 短，可提前出煤1 2 l 万t 。 增加中央风井，除可以缩短建井工期外，同主 井兼作回风井相比，可降低通风阻力，减少漏风， 从而可节省通风费用约1 0 ．1 万元／a 。 “三个井筒方案”使主井井筒装备的防腐条件 得以改善，从而可以延长井筒装备的服务年限。 “三个井筒方案”便于风井井口密闭和设置防爆 门，安全条件好。 由此可以看出，对于大型矿井来讲，风井不但 具有通风功能和保障安全的作用，而且还是加快 矿井建设速度的重要途径。可以为施工期间的临 时提升和主、副井交替安装或同时安装提供较可 靠保证和灵活性。 1 ．3 ．3 多开煤巷，少开岩巷，推广锚喷支护 目前，随着综采技术的发展，采区尺寸逐渐加 大，回采工作面推进进度加快，从客观上也要求加 快开拓准备速度，缓和采掘接替的矛盾。由于煤 巷和半煤岩巷道综掘技术的发展和可缩性金属支 架、锚喷及其联合支护技术的应用，使煤巷掘进速 度远远超过传统的以钻爆法为主要手段的岩巷掘 进速度。为“多开煤巷”开辟了广阔的前景。 在陈四楼矿井，对主要运输大巷和总回风巷， 凡有条件的均沿煤层并列布置，采用锚喷或U 型 钢可缩性支架支护。全矿井煤巷及半煤岩巷道占 总工程量的4 6 ．6 ％，锚喷巷道占6 8 ．4 ％，为加快 建井速度，提供了有利条件。 1 ．3 ．4 矿井开拓水平标高的优化 万方数据 粤工中望竺竺兰暑篓竺篓兰} 当竺副井量竺附 2 地面布置改革 近二，煤层标高比原初设资料抬高7 m ，致使一 黧熙二。苎霎婺芝恐鬻兰豁纂鬻譬耋茎篆篡尝菱巢 兰慧冀妻苎主竺查要房竺专曩苎曼2 亨兰竺三兰≥嘉委磊；显毳客主花≮茗≥篙薹i 夏 篓姜罂耋兰竺兰曼中苎} 专矍篓墨兰登竺萋委i 藉杀蔷薪藉釜釜芎蕃；芬茹菇善；姜； 垡鸶是 寰登要曼成功的。深受施工单位和建花孑算磊盏至；磊茎磊孟雾主磊- 芸釜纂；釜品 设、监理姜竺竺 兰。⋯一。，．一，。。。， 蕃磊；五花裹血j - 菇；磊蔷墓；主蕃聂立磊吾 1 ．3 ．5 沿倾斜布置回采工作面，简化开采系统 一一⋯⋯7 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯一一。。 ．．夸尊要竺层竽学二_ 般4 0 ．～ ，．曼竺竺竺篓 ⋯在陈四楼矿井初设中，围绕矿区地面总体布 层。设计选用一个水平上、下山布置采区的开拓 置改；≥案某最孚菇下藉施。‘ 一 篓壁竺 妻耋矍箩墨堡粤望懋3 设计中解决的重大技术难点 护，或用矿工钢梯形棚加固，根据现场情况而定。 ⋯一⋯⋯⋯⋯⋯一⋯ 万方数据 趔 生筮 期堪芷遮进 深井冻结井壁结构设计、地面布置改革、煤层组 “上行”开采工艺研究、主井井塔冻融土地基处理、 引进设备的消化吸收以及与国产设备的合理配套 等设计领域，均达到国内领先水平，取得了丰硕技 术成果。本项目共获取各种奖励1 7 项。其中国 家级科技进步奖和优秀设计奖2 项，省部级科技 进步奖和优秀设计奖8 项，省煤炭工业优秀工程 设计奖5 项，省建设厅城乡建设优秀勘察设计奖 2 项。另外，配合科研部门在本项目风井施工中 获国家级发明奖l 项。 3 ．1 深井冻结井壁结构设计达到国内领先水平 ， 本矿井主、副井筒穿过第三、四系覆盖层厚度 分别为3 6 9 m 和3 7 5 m 相应的冻结深度分别是 4 2 3 m 和4 3 5 m 。其问有数层强含水的砂层及厚 层固结粘土层 特别是钙质粘土层 ，不能用普通 方法施工井筒。即使用冻结法或者用钻井法施 工，也都已接近或超过国内最高纪录，设计和施工 在技术上都有相当大的难度。但据当时我国特殊 凿井施工的现有水平，冻结法施工的冻结深度已 达到4 1 5 m 潘三东风井 ，钻井法施工已有成井 5 0 8 m 潘三西风井 的成功经验。因此本矿井表 土段井筒采用冻结法或钻井法施工，经设计施工 及科研单位的共同努力，其成功把握是比较大的。 因此，选用冻结法或钻进法施工，在技术上都是可 行的。 本矿井表土最深处井壁所承受的水土压力达 到5 0 k ∥c 舒左右，在国内矿井建设中是罕见的。 国外一些矿井在这样的条件下，多数采用铸铁丘 宾筒或钢板复合井壁结构形式。鉴于我国国情及 两淮矿区的井筒施工经验，经多方案比较确定采 用可压缩围板 聚苯乙烯材料 钢筋混凝土塑料夹 层复合井壁。 这种井壁结构形式利用聚苯乙烯的可压缩 性，通过一定的井帮位移释放部分能量，从而推迟 最大冻结压力到来的时间；依靠其良好的隔热能 力，使混凝土在正温条件下养护，同时可压缩板随 着压缩密实隔水性能提高，可有效防止混凝土中 的水分水平迁移，有利于混凝土的高强和早强。 井壁结构外壁按承受最大冻结压力设计，内壁按 承受水压设计，内外壁问夹一层塑料夹层。内外 层井壁共同承受永久地压。这种结构形式的井壁 在淮北矿区已有成功经验。并通过有关部门的技 术鉴定，它比较适合于厚表土，特别是膨胀性强、 冻结压力大的厚表土层。所以。本矿井确定采用 这种井壁结构形式是合理的。 现在主、副井筒已安全使用8 年。开创我国 冻结深度最深、穿过覆盖层最厚和深冻结井未断 冻结管等三项全国纪录。主副井冻结段井壁漏水 量均在0 ．5 I I l ／h 以下。技术经济效益十分明显，仅 缩短工期一项，节省投资3 6 4 ．4 万元。该工程“深 井冻结井壁结构与工艺的研究”1 9 9 2 年获能源部 科技步三等奖，“主副井深井冻结凿井技术研究” 1 9 9 6 年获煤炭部科技进步一奖，1 9 9 9 年获国家科 技进步二等奖。 3 ．2 打破常规，实行“上行”开采程序，提高初期 经济效益 本井田主要可采煤层为三煤组和二，煤。三 煤组煤层较簿 单层平均厚度1 ．3 ～1 ．6 m 、煤质 稍差 J 6 蛐．7 6 ％～3 0 ．2 l ％ ，二煤煤质好 A g l 3 ．”％ 、煤层较厚 2 ．4 5 m 。在采用全部陷 落法管理顶板开采煤层群时，为了避免下层煤层 开采对上层煤层产生破坏性影响，一般先开采上 部煤层，而后再开采下部煤层。本井田上部的三 煤组为近距离煤层群，含可采煤层2 。3 层，层间 距一般5 ．0 3 7 ．8 5 m 。由于该组煤层较簿，煤质 又差，如先期开采，则须配备较多回采工作面，从 而使初期投资增加，建井工期加长，经济效益下 降。反之如先期开采二煤或者同三煤组配采， 矿井经济效益会有明显提高。因此“上行”开采问 题对于陈四楼井田及本矿区其它井田的开发具有 非常重要的现实意义。在陈四楼矿井初设阶段， 对“上行”开采问题作了深入的调查研究和分析计 算，确认先采二煤在技术上是可行的。 初期开采二，煤的经济效益，主要表现在两 个方面一是二煤灰分低，块煤含量高，产品售 价高于三煤；其二是二煤层较厚，工作面单产 高，初期配备的回采工作面数量相对减少，从而初 期工程量少，投资省，工期短。根据煤层生产能力 计算，开采二煤时配备3 套国产综采设备。开 采三煤组时则须配备5 个综采工作面。不仅综采 万方数据 1 2 堪芷逡让塑 生筮 期 设备增加两套，相应的准备和回采巷道亦须增加。 根据地质报告提供的资料，二煤平均灰分 1 3 ．7 0 ％，三煤组几层煤的平均灰分2 4 ．5 0 ％，吨煤 售价相差6 ．3 5 元，t 按8 6 年煤价 。则全年销售 收入采二煤可增加1 5 2 6 ．4 万元。由于当时缺乏 三煤组可靠的筛分资料，在上述比较中未计人二 煤块煤含量高于三煤组这一有利因素 块煤售价 较原煤高3 0 一4 0 ％ ，否则先采二煤的年收益还 会增加。 上述分析表明，初期先开采二煤层，其经济 效果是十分显著的。 3 ．3 采用“两用”钢井架，为缩短建井工期创造条 件 本矿井井下开采系统进行改革后，井巷工程 大量减少。井筒施工，井筒装备及主、副井交替安 装的时间便成为控制工期的主要矛盾。副井选用 多绳落地式绞车后，由于绞车的安装调试，可与井 简装备、井口房施工等平行作业，预计可缩短工期 8 ～1 0 个月。为使永久井架施工占用井口时间减 少到最低限度，经比较选用凿井、生产两用四斜柱 框架式钢井架。选用“两用”井架，在副井正式开 工前，一次安装到位。这样既节省了临时凿井井 架安装、拆除占用井口的时间，估计约4 个月，又 可节省凿井井架所需钢材约1 0 0 t 。 目前，国内采用落地式多绳绞车的矿井较为 普遍，但采用“两用”落地式多绳绞车钢井架的煤 矿尚不多见。陈四楼矿“两用”井架于1 9 9 0 年底 竣工移交建井工程处使用。经施工和正常生产使 用，其结构形式完全满足建井施工和生产需要，深 受建设、施工单位好评。该项设计被评为9 9 年度 河南省煤炭工业优秀设计一等奖，河南省优秀工 程设计二等奖。 3 ．4 优选国内外先进设备，装备综采工作面，“三 机”配套合理 利用本矿井使用第三批日本能源贷款必须进 行国际采购的特殊条件，引进具备9 0 年代世界先 进水平的采掘设备。 采煤机为美国J o Y 公司生产的4 L S 一5 型，采 用无链直流电牵引方式，多电机横向布置，运行平 稳，传动效率高，便于维修；刮板输送机由英国长 壁及德国D 盯公司制造，机头结构形式为交叉侧 卸式，过煤量可达5 0 0 万t ；转载机带有自移系统， 同顺槽国产可伸缩带式输送机配套使用，可大大 缩短工作面向前推进时的辅助作业时间，从而可 以提高采煤机开机率，为稳产高产提供了有利条 件；综采面国内配套设备主要是液压支架，液压支 架为新型二柱掩护式，移架时“降、移、升”循环时 间不超过1 2 s ，达到国内先进水平，采取整体顶梁 布置方式，坚固耐用，具有良好的纵向和横向稳定 性，既可用于倾斜长壁工作面，亦可用于走向长壁 工作面；顺槽配备可伸缩带式输送机，同转载机自 移系统配合使用，可大大缩短工作面推进时的辅 助作业时间。 采煤机、刮板运输机和液压支架间的配套问 题，历来是综采工作面设计的难点。本次设计，三 种设备来自不同的国家，更增加了设计难度。 采煤机要满足1 0 0 0 汕的生产能力，其牵引速 度必须保证在6 耐m i I l 以上，滚筒截割深度不小于 0 ．8 m 。当时国产定型液压支架达不到这个要求。 每移架一次需2 0 s ，每分钟只能移动4 ．5 m 。为解 决这一难题，由设计院根据配套需要提出技术要 求，由煤科院重新设计新型二柱式掩护支架，采用 当时刚刚研制成功的大流量阀操作系统新技术， 提高了移架速度，使移架速度缩短到1 2 s ，每分钟 可移动5 架，达到7 ．5 I I l ，m i I l 。满足了配套要求。 经一年多的生产实践证明，采煤机、舌 『板运输机和 液压支架“三机”配套合理，运转正常，为工作面的 高产稳产奠定了基础。1 9 9 9 年3 月创造了一个 综采工作面月产2 1 万t 的好成绩。月产指标达 到国内同等条件综采工作面的先进水平。南一采 区工程设计获1 9 9 9 年河南省级优秀设计一等奖。 责任编辑章新敏 万方数据