结合地质条件优化矿井设计.pdf

趔 生箜3 期煤芷遮让窆 ⋯鬻。萋缔鬓蠼零篝修夔够鬣赣凄壤秘辩 中煤设计集团武汉设计研究院于新胜 摘要本文以告成矿井为例，介绍了矿井在建设和施工过程中，建设、施工和设计单位 密切配合，根据地质条件的不断变化，合理优化矿井设计的主要内容及认识和体会。 关键词地质优化设计 矿井设计是在已批准地质报告的基础上进行 的，但由于勘探方法、勘探手段以及其它客观因素 的影响。总会使地质勘探报告与实际情况有一定 的偏差，虽然有些偏差是在 许可 的范围内，但没有探测出来的地质构造和不良地 层对井口位置、井底车场和大巷层位的选择、巷道 支护方式和采煤方法的确定等方面地有着很大的 影响。本文以告成矿井为例，浅谈矿井在建设过 程中，如何根据地质条件变化不断优化矿井设计。 1 基本情况 告成矿井位于河南省登封县境内，井田走向 长1 0 k m ，倾斜宽3 ．5 l 【I n ，面积约3 5 嫡，全井田共有 地质储量1 1 9 ．2 8 6 M t ，可采储量9 2 ．6 9 7 M t 。矿井设 计生产能力0 ．9 M t ，a ，服务年限7 4 ．5 a 。 本井田的含煤地层为二迭系山西组及上下石 盒子组，主采煤层为二。煤，煤厚变化大，为0 ～ 1 8 ．2 3 m ，平均4 ．8 6 m ，煤层倾角一般在l o o ～1 2 0 左 右。滑动构造面积占全井田面积的7 5 ％。滑动 构造是本井田的主要构造特点，由于受到滑动构 造的影响，煤层顶板较为破碎，煤层底板较为松 软，属于典型的“三软”煤层。井田内水文地质中 等，煤层有自燃的可能性，煤尘有爆炸危险，为高 瓦斯矿井。 2 根据井检孔资料，合理调整井口位置 1 本井田走向长1 0 k m ，倾斜宽3 ．5 l 【I n ，深部 边界一6 0 0 m ，浅部边界在 1 5 0 m 左右，在原设计 中，根据煤层赋存条件、地质构造、地形条件、交通 位置、首采区位置、古阳城遗址、地面村镇、矿井运 营费等多种因素综合分析后，将主、副井井口布置 在井田中部距告成镇1 l 【I n 处，此井筒位置既兼顾 了井田两翼的合理开采，也能合理地将告成镇煤 柱、古阳城遗址和工业场地煤柱有机的结合，减少 煤炭损失，并且能最大限度地减少滑动构造带对 井筒施工的影响。主、副井井口位置 见图1 。 7 ／。I ＼ ‰． 芦 ＼善 ≮魁 f V ] 弋 。一、 ’‰ ＼ 鼷1 西褂 ＼ ◇Q蝥0 0 ＼ ＼ ～ 岛 瓣 爱一珊、～} 仓腔雠 q 、． ≮～ 壁墅盐 室迹＼ ＼ ＼8 卸检孔 一●3 ．O 、 断一1 l o 空纠 | f 1 4 0 0 ＼3 枷 渤 、 F 廿1 刁8 0目1 0 0 J 踟鱼2 0 03 帅 图l 告城矿一1 1 0 m 水平井底车场 2 在告成矿井井筒检查钻及井底车场补充 地质勘探报告提交后却发现，原井筒位置附近有 新的地质构造，致使①井底车场处于地层急剧变 化的向斜轴部附近，副井井筒靠近新发现的一条 落差为妣的如一，压扭性正断层，井底距断层线 仅4 5 m ；②一1 0 0 m 水平车场巷道位于以泥岩为 主，节理发育，多具滑面，稳定性较差的Ⅳ类地层， 给矿井施工和巷道支护带来很大困难；③原井底 车场有6 处巷道需要穿过如一，断层。 擎∞≯糍≯糍一壤 强．臻r鬻，∞_≯糍蕊萋蓍．豢糍喻| 万方数据 Q 煤芷遮盐 巡 生筮3 期 根据以上地质条件，重新选择主、副井井口位 置是最佳方案，但在井检孔和补充地质勘探工作 完成时，工业广场的征地工作就已经结束，主井绞 享J 房等地面建筑已施工完成，铁路装车站已放线 定位。在这种条件下，为节省基建投资，加快井筒 的开工时间。经多方案的技术经济比较，设计推 荐主井井口位置不变，副井井口在原位置基础上 北移2 2 m ，偏西移4 m ，提升方位角由1 9 2 0 调整为 2 3 7 0 。并相应调整井底车场及地面副井生产系统 布置方式，使副井井筒及井底车场巷道避开了 如一，断层的影响，改善了施工和支护条件，也兼顾 了地面已完工程，为副井井筒能如期开工创造了 条件。 3 根据实际揭露的地质条件，及时调整大巷层位 1 本井田开采深度从 1 5 0 m 一一舭，总 垂高7 5 0 m ，依据当时的机械化水平和郑州矿区的 生产实践，上山斜长宜控制在1 0 0 0 m 左右，而本井 田煤层倾角在1 0 0 ～1 2 0 左右，故将一水平标高定 在一1 0 0 m ，可保证上山各采区阶段垂高基本上控 制在2 5 0 m ，斜长控制在1 0 0 0 m 左右，一水平设计 服务年限4 5 ．5 a 。 由于本井田煤层顶板有厚达7 0 m 的易破碎 松散泥岩、角砾岩组成的滑动构造带，二。煤厚度 大且煤质松软，不宜布置大巷层位，而煤层底板的 k 灰岩较为稳定。故根据郑州局的生产经验，将 大巷层位布置在L 7 灰岩之中。 2 当主井井筒施工到一1 0 0 m 水平时发现井 底车场巷道及硐室基本上处于L 7 灰岩之上的泥 岩及k 灰岩之中，局部巷道穿越二，煤层，一 1 0 0 m 水平车场巷道及硐室大部分位于稳定性较 差的岩层中，给巷道的施工和维护带来很大困难。 此时井底车场巷道及硐室的大部分施工图均已完 成，若重新调整水平标高，图纸的修改量很大，但 为了给基建施工和巷道的生产维护创造一个良好 的条件，设计对施工单位提供的实际地质资料经 分析研究后果断将一1 0 0 m 水平标高下调了1 0 m ， 使副井马头门和井底车场的大部分巷道和硐室处 于I J 7 灰岩中改善了施工条件，节省了支护费用， 降低了工程造价，得到了建设单位和原初步设计 审批部门的认可。 4 设计施工密切配合，合理选用支护方式 告成矿井由于受到滑动构造的影响，7 5 ％的 二，煤层顶板为滑动构造带，从实际施工所揭露 的层位看，滑动构造不仅影响到二，煤层顶板，部 分区域已影响到二。煤层底板。针对不同的地质 条件，设计采用了以下不同的支护方式。 1 根据井筒检查孔提供的资料看新生界地 层厚度大，成岩程度差，原生结构和构造结构发 育，在井筒穿过的地层中弱面裂隙特别发育，围岩 自身的强度低，同时还有几十米的滑动构造带，局 部地层还有遇水膨胀软化现象。对此，设计经过 调研和多方咨询，并充分征求建设单位和施工单 位的意见，确定井筒的支护方式采用“先柔后刚， 先让后抗”的复合支护方式，即挂网锚喷后再加现 浇砼或钢筋混凝土支护，利用此种支护方式，在施 工中顺利通过了不良地层。 2 在井底车场和大巷施工中，若巷道的顶板 位于煤层或松软岩层时，在锚喷支护难以实施的 前提下，设计采用型钢加现浇混凝土联合支护方 式；若巷道的顶部煤层较薄或为煤矸夹层时，则采 用挂网锚喷为临时支护，若挂网锚喷临时支护能 达到井巷工程施工验收规范的要求，则不进行 内层的现浇混凝土支护，否则加砌内层砼支护；对 岩层条件较好的地段，基本上以锚喷支护为主。 3 根据采煤机械化的发展水平和郑州局的 顺槽支护现状，采用工字钢梯形支架比U 型钢拱 型支架在运输、替棚过程中具有很大的优越性，针 对告成矿井的特殊地质条件，矿压显现有诸多复 杂的因素，设计认为采用单一的支护方式难以适 应生产需要，通过与生产单位研讨，以采用新型 2 8 H 工字钢为主，辅以挂网、钢带、喷砼的联合支 护方式。经实践证明，此种支护方式不仅方便了 施工，加快了施工进度，也方便了生产过程中工作 面超前支护的换棚工作，降低了坑木消耗，减轻了 工人的劳动强度。 4 在箕斗装载硐室等大断面硐室支护设计 中，为了确保安全，除了采用以上几种复合支护 外，在断面设计上则根据地质条件采用了半圆拱、 椭圆拱和马蹄型拱等多种断面形式，加强了硐室 的稳定性。 万方数据 迎 生筮圣翅堪芷遮i 土 l 5 根据地震勘探资料，优化采煤方法 告成矿井主采煤层O ～1 8 ．2 3 m ，平均4 ．8 6 m 。 由于煤层受到滑动构造带的牵引挤压影响，厚度 变化较大，原生结构遭到破坏，组织疏松，抗压强 度低，属于典型的“三软”破碎煤层。对于这种赋 存条件的煤层，采用何种机械化采煤法，才能取得 较好的经济效益是告成矿井从设计开始就在探索 的问题。从1 9 8 8 年的方案设计到1 9 9 9 年矿井正 式投产，历时十年，初步设计进行了两次大的修 改，采煤方法从倾斜长蹙到走向长壁几次反复，最 后根据郑州局在8 0 ～1 2 0 的煤层中成功地实现了 倾斜长壁一次采全高综采放顶煤及9 0 年代我国 综采放顶煤在不同地质条件的成功实践，确定了 告成矿井采用倾斜长壁一次采全高综采放顶煤， 此种布置方式克服了长期困扰郑州局在松软厚煤 层中煤壁片帮、矿压显现突出、综采产量低的局 图2 投产采区巷道布置系统平面图 面。但从1 9 9 5 年5 月提供的首采区高分辨率地 震勘探资料看，首采区发现了许多落差在1 0 ～ 2 0 m 左右的正断层，断层的走向斜穿工作面上下 顺槽，不利于工作面的正常回采，对此设计将正倾 斜工作面调整为伪倾斜工作面，使工作面顺槽的 推进方向与断层走向一致，此种布置方式虽然增 加了部分三角煤，却非常有利于顺槽的施工和工 作面的正常回采，为高产高效创造了条件 见 图2 。 6 认识及体会 1 井筒检查钻是矿井开工前验证井口及工 业场地位置是否合理的重要资料，是预防投资风 险的重要保证。因此，矿井建设需按正常的基建 程序进行，避免因提前征地而影响井口位置的合 理调整。 2 矿井设计要密切联系实际，在矿井建设过 程中要加强与建设单位和施工单位的联系，根据 不同的地质条件，及时合理地调整巷道层位和支 护结构，虽然设计修改会增加设计单位的成本和 工作量，却能为缩短建设工期创造各种有利条件， 降低矿井的生产成本，提高经济效益，同时也为设 计单位赢得了信誉，提高了市场的竞争力 3 地震勘探资料是优化采区设计的重要依 据，由于采区巷道布置和采煤方法的变更，有可能 影响到开拓方式，因此，地震勘探资料应及早提 出，最迟应在初步设计审批后，矿井正式开工前完 成，以保证有足够的时间对采区设计或矿井的其 它系统进行调整和完善，以避免矿井投资的浪费 和系统的不合理现象发生。 4 随着科学技术的发展，地震勘探技术也在 不断地成熟。目前二维地震勘探可探测到落差大 于1 0 m 的断层，三维地震勘探可探测到落差3 5 m 的断层。因此，本人认为地震勘探技术不仅仅 只是应用在采区勘探上，也可对井筒及井底车场 范围内进行地震勘探，以确保矿井咽喉地带的安 全可靠，有条件的矿区还可利用地震勘探和传统 的钻探勘探相结合的方法进行详查和精查地质勘 察，不但可以节省勘探投资，也可大大提高勘探 质量。 责任编辑章新敏 万方数据