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[摘 要]开拓方式及井口位置的的优化与选择对建设一个安全、高效、现代化的矿井意义重大。本文通过西北某矿井改扩建工程实际，对其矿井开拓方式及井口位置的优化方案从技术、经济等方面进行了比较与分析，最终确定了一个合理的方案，以供类似矿井借鉴。
[关键词]：改扩建；开拓方式；井口位置；优化
中图分类号TD 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）23-0010-02
1、矿井概况
石梯子西沟煤矿位于呼图壁县城正南56km处的天山北麓，原煤矿生产规模为0.09Mt/a，现计划将矿井改扩建为0.9Mt/a。井田位于天山北麓的中低山区，地势南高北低，南北向岭谷相间分布。海拨+1505～+1945m，一般高差150～250m。井田内煤层厚度大、赋存较稳定，煤层倾角小，煤层倾角7°～17°，属缓倾斜～倾斜煤层。地形切割较强烈，属侵蚀剥蚀中山地貌，植被发育，草木丰盛。井田总体上构造为一向北东缓倾斜的单斜构造，地层倾向10°～18°，倾角5°～15°。含煤地层在走向上和倾向上变化不大，井田内没有发现断层，构造复杂程度划分为一类一型。
2、井口及工业场地位置的选择
井田内地形复杂，沟壑纵横，地形起伏较大，可供选择的工业场地的地形有限，根据矿井地形实际条件，经现场踏勘，井口位置及工业场地提出三个可供选择的场地方案：A场地：位于井田中部，ZK302钻孔的以西约140m处的西沟河谷开阔地。即现有0.09Mt/a矿井工业广场；B场地：井田北部ZK203钻孔以东约160m处；C场地：井田南部3勘探线以西约230m的开阔地。
2.1 A场地方案
A场地位于井田中部，ZK302钻孔的以西约140m处的西沟河谷开阔地。即现有0.09Mt/a矿井工业广场。优缺点如下：
优点：（1）可以利用现有工业设施，最大限度减少初期土建工程。（2）场地相对集中，有利于布置地面工业设施。（3）新建主斜井与原有混合平硐（刷大后作为矿井副平硐）在同一工业广场，可利用原有井筒，节省投资，且便于统一管理。（4）井筒开拓工程量少，建设工期短（24个月）。（5）與B场地相比，不需搬迁村庄、减少初期投资。
缺点：（1）A场地不如B场地开阔，地面工业设施布置较B场地困难。（2）因外部电源、公路位于井田北部，因此输电线路、运输比B场地远2km。（3）受地形限制，水平划分比B场地高，上下山划分不均衡，一水平服务年限比B场地短。
2.2 B场地方案
优点：（1）场地最为开阔、平坦，利于工业场地优化布置。（2）水平划分较为均衡，一水平服务年限较长。（3）靠近外部电源、公路，因此输电线路、运输较为便利。
缺点：（1）位于井田边界，且处于煤层深部，压煤量较大（表土层移动角45°、岩石移动角70°计算工业场地压煤量约为13.13Mt）。（2）工业广场位于井田边部，初期井筒工程量大，建井工期长（30个月）。（3）工业广场位于石梯子乡白杨河村三小队，白杨河村三小队至今未进入新疆呼图壁县政府搬迁计划，办理村庄搬迁手续的规划、手续复杂，难度大、投资高。企业行为难以解决。（4）初期投资较大。（5）B场地与现有场地分散，扩建矿井现有设施利用率低，重复投资大。
2.3 C场地方案
C场地位于井田南部煤层露头处，火烧区范围较大，且经过多年开采，采空区范围都较大，井筒施工困难，C场地作为工业场地不利因素明显，设计首先排除C场地方案。虽然C场地作为工业广场不太合适，但是作为风井场地比较合适，理由如下：（1）作为三个场地中标高最高的场地，位于井田南部煤层露头处，有利于矿井采用上行通风开采；（2）利用现有风井可以满足矿井开采一水平上山时期的通风要求；（3）若在B、C场地新掘风井，初期工程量投资比直接利用现有的风井C场地的资大，建井工期长，投产时间长；（4）若在A场地选择新掘风井，A场地本来已布局十分紧凑，风井选址较困难；（5）若在C场地选择新掘风井，除了初期工程投资较利用C场地的风井大外，投产一水平上山开采过程中，矿井为“U”型通风线路，风路长，风阻大，运营费用高。
C场地作为风井场地的优势突出，经济效益明显，设计推荐C场地作为风井场地，随着矿井逐步开拓到深部水平，矿井通风阻力随之增大，现有风井不能满足生产要求时也可再考虑在井田北部B场地新掘风井，以解决矿井后期通风问题。
经上述比较，A、B场地相比各有优缺点，要分析各场地能够采用的开拓方式后再进行确定工业场地。
3、开拓方案的确定
经现场踏勘，根据矿井煤层赋存条件、开采技术条件，结合地面地形条件，经多方案综合比选后，设计在A场地和B场地提出三个开拓方案进行比较，即A场地的方案一：主斜井、利用现有平硐作为副平硐的综合开拓方案， B场地的方案二：主副斜井开拓方案，和B场地的方案三：主、副立井的开拓方案。
3.1 开拓方案的提出
方案一：主斜井、副平硐的综合开拓方案
主斜井井口布置于井田中部现有工业广场靠近ZK302钻孔以西约140m的西沟河谷东侧的开阔地。将原有的混合运输平硐刷大做为矿井的副平硐。利用井田南部原有立风井作为立风井。
主斜井：采用半圆拱形断面，净宽4.2m，净断面积14.44m2，井口标高+1554m，井筒倾角18°，井筒至一水平+1430m斜长401m，全长442m。装备钢绳芯带式输送机，担负全矿井提煤任务，兼作进风井。
副平硐：将现有混合运输平硐刷大而成，采用半圆拱形断面，净宽5.0m，净断面积16.75m2，井口标高+1560m，井筒坡度为3‰，井筒至一采区上部车场长886m。采用无轨胶轮车运输，担负全矿井提矸及运送材料、设备和人员和进风任务。 立风井：利用现有井筒。圆形断面，净直径3.8m，净断面积11.34m2，井口标高+1629.655m，投产时井筒垂深105m，井筒内铺设注氮管和灌浆管路，担负矿井主要回风任务。
安全出口：现为生产矿井的行人斜井，位于立风井西北方约42m处。由于矿井水文地质类型为中等类型，设计考虑保留仅作为矿井的一个安全出口。半圆拱型断面，净宽2.2m，净断面积4.31m2。井口标高+1628.077m，锚喷支护，内设行人台阶。
方案二：主、副斜井的斜井开拓方案
主斜井布置于井田北部境界以北ZK203钻孔以东约160m处。副斜井布置在主斜井西侧50m处。井筒井口标高+1520m，井底标高+1300m水平。
主斜井：采用半圆拱形断面，净宽5.0m，净断面积17.8m2，井口标高+1520m，井筒倾角17°，井筒至一水平+1300m时斜长820m。装备钢绳芯带式输送机及架空乘人装置（猴车），担负全矿井提煤、运送人员任务，兼作矿井进风井。
副斜井：采用半圆拱形断面，净宽4.2m，净断面积14.44m2，井口标高+1520m，井筒倾角19°，井筒至一水平+1300m时斜长676m。采用单钩串车提升，担负全矿井提矸及运送材料、设备任务，兼作矿井进风井，作为矿井安全出口。
立风井、安全出口、通风方法同方案一。
方案三：主、副立井的方案
主立井布置于井田北部境界以北ZK203钻孔以东约160m处。副立井布置在主立井西侧50m处。井筒井口标高+1520m，井底标高+1300m水平。
主立井：圆形断面，净直径5.5m，净断面积23.75m2，井口标高+1520m，投产时井筒垂深220m。井筒布置一对9t箕斗提升，担负矿井主提升任务，并设梯子间，作为矿井安全出口。
副立井：圓形断面，净直径5.5m，净断面积23.75m2，井口标高+1520m，投产时井筒垂深220m。井筒设置双层罐笼，担负矿井主提升任务。
立风井、安全出口、通风方法同方案一。
3.2 方案比较
方案一：主斜井、副平硐综合开拓方案
优点：1）可以利用现有工业设施，最大限度减少初期土建工程。2）新掘主斜井与原有混合平硐在同一工业广场，可利用原有井筒，减少初期投资。3）可使用无轨胶轮车从地面直达工作面运输，转载环节少，效率高。4）建井工期短，投产、达产工期快。5）距离现有生活区近，有利于现有生活设施的综合利用。
缺点：1）方案一场地不如方案三工业场地开阔，地面工业设施布置相对较困难。2）因外部电源、公路位于井田北部，因此输电线路、运输较方案二远。3）受场地限制，水平划分较方案三高130m，较方案三高140m，一水平服务年限最短。4）下山较长（约1500m），采区上下山资源不均衡。
方案二：主副斜井开拓方案
优点：1）场地开阔、平坦，利于工业场地优化布置。2）水平划分较为均衡，一水平服务年限较方案一长。3）靠近外部电源、公路，因此输电线路、运输较为便利。4）土方工程量少，基建投资较低。5）主斜井提升潜力较立井大，可以较好适应受季节影响变化的大新疆市场。6）大件设备运输较方案三便利，运输转载环节少，工作效率较高。7）建井工期比方案三少2个月。但比方案一多6个月。
缺点：1）距离现有生活区较远，扩建矿井现有设施利用率低，重复投资大。2）位于井田边界，且处于煤层深部，压煤量较大。3）工业广场位于井田边界，初期井筒施工距离长，建井工期长。4）投资较方案一多。5）工业广场位于石梯子乡白杨河村三小队，办理村庄搬迁手续的规划、投资高。6）B场地与现有场地分散，扩建矿井现有设施利用率低，重复投资大。
方案三：主副立井开拓方案
优点：1）场地开阔、平坦，利于工业场地优化布置。2）水平划分较为均衡，一水平服务年限最长。3）靠近外部电源、公路，因此输电线路、运输较为便利。4）土方工程量少，基建投资较低。
缺点：1）距离现有生活较远，扩建矿井现有设施利用率低，重复投资大。2）位于井田边界，且处于煤层深部，压煤量较大。3）工业广场位于井田边界，初期井筒施工距离长，建井工期长。4）投资最多，且工业广场位于石梯子乡白杨河村三小队，办理村庄搬迁手续的规划、手续复杂，投资高。5）B场地与现有场地分散，扩建矿进现有设施利用率低，重复投资大。6）立井井筒提升潜力较斜井小，矿井后期产量提升难度较大。7）建井工期最长，约需32个月。
4、结束语
根据技术和经济比较结果，方案二、三投资大、建井工期长，在水平划分上较合理，但是与方案一相比，投资差一倍的投资。结合矿区总体规划，经综合考虑各方面因素后推荐方案一：主斜井、副平硐的综合开拓方案。
作者简介：杜学渊（1963），男，本科，高级工程师，现就职于新疆煤矿设计研究院有限责任公司，主要从事采矿设计等方面的工作。
[关键词]：改扩建；开拓方式；井口位置；优化
中图分类号TD 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）23-0010-02
1、矿井概况
石梯子西沟煤矿位于呼图壁县城正南56km处的天山北麓，原煤矿生产规模为0.09Mt/a，现计划将矿井改扩建为0.9Mt/a。井田位于天山北麓的中低山区，地势南高北低，南北向岭谷相间分布。海拨+1505～+1945m，一般高差150～250m。井田内煤层厚度大、赋存较稳定，煤层倾角小，煤层倾角7°～17°，属缓倾斜～倾斜煤层。地形切割较强烈，属侵蚀剥蚀中山地貌，植被发育，草木丰盛。井田总体上构造为一向北东缓倾斜的单斜构造，地层倾向10°～18°，倾角5°～15°。含煤地层在走向上和倾向上变化不大，井田内没有发现断层，构造复杂程度划分为一类一型。
2、井口及工业场地位置的选择
井田内地形复杂，沟壑纵横，地形起伏较大，可供选择的工业场地的地形有限，根据矿井地形实际条件，经现场踏勘，井口位置及工业场地提出三个可供选择的场地方案：A场地：位于井田中部，ZK302钻孔的以西约140m处的西沟河谷开阔地。即现有0.09Mt/a矿井工业广场；B场地：井田北部ZK203钻孔以东约160m处；C场地：井田南部3勘探线以西约230m的开阔地。
2.1 A场地方案
A场地位于井田中部，ZK302钻孔的以西约140m处的西沟河谷开阔地。即现有0.09Mt/a矿井工业广场。优缺点如下：
优点：（1）可以利用现有工业设施，最大限度减少初期土建工程。（2）场地相对集中，有利于布置地面工业设施。（3）新建主斜井与原有混合平硐（刷大后作为矿井副平硐）在同一工业广场，可利用原有井筒，节省投资，且便于统一管理。（4）井筒开拓工程量少，建设工期短（24个月）。（5）與B场地相比，不需搬迁村庄、减少初期投资。
缺点：（1）A场地不如B场地开阔，地面工业设施布置较B场地困难。（2）因外部电源、公路位于井田北部，因此输电线路、运输比B场地远2km。（3）受地形限制，水平划分比B场地高，上下山划分不均衡，一水平服务年限比B场地短。
2.2 B场地方案
优点：（1）场地最为开阔、平坦，利于工业场地优化布置。（2）水平划分较为均衡，一水平服务年限较长。（3）靠近外部电源、公路，因此输电线路、运输较为便利。
缺点：（1）位于井田边界，且处于煤层深部，压煤量较大（表土层移动角45°、岩石移动角70°计算工业场地压煤量约为13.13Mt）。（2）工业广场位于井田边部，初期井筒工程量大，建井工期长（30个月）。（3）工业广场位于石梯子乡白杨河村三小队，白杨河村三小队至今未进入新疆呼图壁县政府搬迁计划，办理村庄搬迁手续的规划、手续复杂，难度大、投资高。企业行为难以解决。（4）初期投资较大。（5）B场地与现有场地分散，扩建矿井现有设施利用率低，重复投资大。
2.3 C场地方案
C场地位于井田南部煤层露头处，火烧区范围较大，且经过多年开采，采空区范围都较大，井筒施工困难，C场地作为工业场地不利因素明显，设计首先排除C场地方案。虽然C场地作为工业广场不太合适，但是作为风井场地比较合适，理由如下：（1）作为三个场地中标高最高的场地，位于井田南部煤层露头处，有利于矿井采用上行通风开采；（2）利用现有风井可以满足矿井开采一水平上山时期的通风要求；（3）若在B、C场地新掘风井，初期工程量投资比直接利用现有的风井C场地的资大，建井工期长，投产时间长；（4）若在A场地选择新掘风井，A场地本来已布局十分紧凑，风井选址较困难；（5）若在C场地选择新掘风井，除了初期工程投资较利用C场地的风井大外，投产一水平上山开采过程中，矿井为“U”型通风线路，风路长，风阻大，运营费用高。
C场地作为风井场地的优势突出，经济效益明显，设计推荐C场地作为风井场地，随着矿井逐步开拓到深部水平，矿井通风阻力随之增大，现有风井不能满足生产要求时也可再考虑在井田北部B场地新掘风井，以解决矿井后期通风问题。
经上述比较，A、B场地相比各有优缺点，要分析各场地能够采用的开拓方式后再进行确定工业场地。
3、开拓方案的确定
经现场踏勘，根据矿井煤层赋存条件、开采技术条件，结合地面地形条件，经多方案综合比选后，设计在A场地和B场地提出三个开拓方案进行比较，即A场地的方案一：主斜井、利用现有平硐作为副平硐的综合开拓方案， B场地的方案二：主副斜井开拓方案，和B场地的方案三：主、副立井的开拓方案。
3.1 开拓方案的提出
方案一：主斜井、副平硐的综合开拓方案
主斜井井口布置于井田中部现有工业广场靠近ZK302钻孔以西约140m的西沟河谷东侧的开阔地。将原有的混合运输平硐刷大做为矿井的副平硐。利用井田南部原有立风井作为立风井。
主斜井：采用半圆拱形断面，净宽4.2m，净断面积14.44m2，井口标高+1554m，井筒倾角18°，井筒至一水平+1430m斜长401m，全长442m。装备钢绳芯带式输送机，担负全矿井提煤任务，兼作进风井。
副平硐：将现有混合运输平硐刷大而成，采用半圆拱形断面，净宽5.0m，净断面积16.75m2，井口标高+1560m，井筒坡度为3‰，井筒至一采区上部车场长886m。采用无轨胶轮车运输，担负全矿井提矸及运送材料、设备和人员和进风任务。 立风井：利用现有井筒。圆形断面，净直径3.8m，净断面积11.34m2，井口标高+1629.655m，投产时井筒垂深105m，井筒内铺设注氮管和灌浆管路，担负矿井主要回风任务。
安全出口：现为生产矿井的行人斜井，位于立风井西北方约42m处。由于矿井水文地质类型为中等类型，设计考虑保留仅作为矿井的一个安全出口。半圆拱型断面，净宽2.2m，净断面积4.31m2。井口标高+1628.077m，锚喷支护，内设行人台阶。
方案二：主、副斜井的斜井开拓方案
主斜井布置于井田北部境界以北ZK203钻孔以东约160m处。副斜井布置在主斜井西侧50m处。井筒井口标高+1520m，井底标高+1300m水平。
主斜井：采用半圆拱形断面，净宽5.0m，净断面积17.8m2，井口标高+1520m，井筒倾角17°，井筒至一水平+1300m时斜长820m。装备钢绳芯带式输送机及架空乘人装置（猴车），担负全矿井提煤、运送人员任务，兼作矿井进风井。
副斜井：采用半圆拱形断面，净宽4.2m，净断面积14.44m2，井口标高+1520m，井筒倾角19°，井筒至一水平+1300m时斜长676m。采用单钩串车提升，担负全矿井提矸及运送材料、设备任务，兼作矿井进风井，作为矿井安全出口。
立风井、安全出口、通风方法同方案一。
方案三：主、副立井的方案
主立井布置于井田北部境界以北ZK203钻孔以东约160m处。副立井布置在主立井西侧50m处。井筒井口标高+1520m，井底标高+1300m水平。
主立井：圆形断面，净直径5.5m，净断面积23.75m2，井口标高+1520m，投产时井筒垂深220m。井筒布置一对9t箕斗提升，担负矿井主提升任务，并设梯子间，作为矿井安全出口。
副立井：圓形断面，净直径5.5m，净断面积23.75m2，井口标高+1520m，投产时井筒垂深220m。井筒设置双层罐笼，担负矿井主提升任务。
立风井、安全出口、通风方法同方案一。
3.2 方案比较
方案一：主斜井、副平硐综合开拓方案
优点：1）可以利用现有工业设施，最大限度减少初期土建工程。2）新掘主斜井与原有混合平硐在同一工业广场，可利用原有井筒，减少初期投资。3）可使用无轨胶轮车从地面直达工作面运输，转载环节少，效率高。4）建井工期短，投产、达产工期快。5）距离现有生活区近，有利于现有生活设施的综合利用。
缺点：1）方案一场地不如方案三工业场地开阔，地面工业设施布置相对较困难。2）因外部电源、公路位于井田北部，因此输电线路、运输较方案二远。3）受场地限制，水平划分较方案三高130m，较方案三高140m，一水平服务年限最短。4）下山较长（约1500m），采区上下山资源不均衡。
方案二：主副斜井开拓方案
优点：1）场地开阔、平坦，利于工业场地优化布置。2）水平划分较为均衡，一水平服务年限较方案一长。3）靠近外部电源、公路，因此输电线路、运输较为便利。4）土方工程量少，基建投资较低。5）主斜井提升潜力较立井大，可以较好适应受季节影响变化的大新疆市场。6）大件设备运输较方案三便利，运输转载环节少，工作效率较高。7）建井工期比方案三少2个月。但比方案一多6个月。
缺点：1）距离现有生活区较远，扩建矿井现有设施利用率低，重复投资大。2）位于井田边界，且处于煤层深部，压煤量较大。3）工业广场位于井田边界，初期井筒施工距离长，建井工期长。4）投资较方案一多。5）工业广场位于石梯子乡白杨河村三小队，办理村庄搬迁手续的规划、投资高。6）B场地与现有场地分散，扩建矿井现有设施利用率低，重复投资大。
方案三：主副立井开拓方案
优点：1）场地开阔、平坦，利于工业场地优化布置。2）水平划分较为均衡，一水平服务年限最长。3）靠近外部电源、公路，因此输电线路、运输较为便利。4）土方工程量少，基建投资较低。
缺点：1）距离现有生活较远，扩建矿井现有设施利用率低，重复投资大。2）位于井田边界，且处于煤层深部，压煤量较大。3）工业广场位于井田边界，初期井筒施工距离长，建井工期长。4）投资最多，且工业广场位于石梯子乡白杨河村三小队，办理村庄搬迁手续的规划、手续复杂，投资高。5）B场地与现有场地分散，扩建矿进现有设施利用率低，重复投资大。6）立井井筒提升潜力较斜井小，矿井后期产量提升难度较大。7）建井工期最长，约需32个月。
4、结束语
根据技术和经济比较结果，方案二、三投资大、建井工期长，在水平划分上较合理，但是与方案一相比，投资差一倍的投资。结合矿区总体规划，经综合考虑各方面因素后推荐方案一：主斜井、副平硐的综合开拓方案。
作者简介：杜学渊（1963），男，本科，高级工程师，现就职于新疆煤矿设计研究院有限责任公司，主要从事采矿设计等方面的工作。