深井煤礦井底車場優(yōu)化設(shè)計分析
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摘要：為優(yōu)化井底車場設(shè)計，通過巨野礦區(qū)典型井底車場設(shè)計和改造設(shè)計案例，分析深井煤礦井底車場設(shè)計特點，主要有改變硐室結(jié)構(gòu)、加大間距、增加井下降溫硐室、主排水泵房和主變電所獨立回風(fēng)等。
關(guān)鍵詞：深井；井底車場；優(yōu)化
魯西煤炭基地是國家14個大型煤炭基地之一，也是較早進(jìn)入深井開采的大型煤炭基地。巨野礦區(qū)是魯西煤炭基地全面進(jìn)入深井開采的新建礦區(qū)，經(jīng)過十幾年的建設(shè)和生產(chǎn)，積累了豐富的優(yōu)化案例和經(jīng)驗。本文通過收集巨野礦區(qū)井底設(shè)計和建設(shè)生產(chǎn)過程中優(yōu)化案例，總結(jié)深井煤礦井底車場的特點，為類似煤礦設(shè)計提供參考和依據(jù)。
1巨野礦區(qū)簡介
巨野礦區(qū)位于山東省西南部，包括巨野煤田和梁寶寺煤田，總面積約1210km2，是山東省最晚開發(fā)的礦區(qū)。巨野煤田劃分為5對煤礦，即龍固煤礦（6.00Mt/a）、趙樓煤礦（3.00Mt/a）、郭屯煤礦（2.40Mt/a）、鄆城煤礦（2.40Mt/a）、萬福煤礦（1.80Mt/a）；梁寶寺煤田劃為2對煤礦，即梁寶寺煤礦（1.80Mt/a）和彭莊煤礦（0.60Mt/a）。礦區(qū)自2004年開始建設(shè)，至今已經(jīng)建成6對煤礦，剩余萬福煤礦正在建設(shè)中。其中龍固、趙樓和鄆城煤礦開采深度都超過800m，地溫偏高，一般原始地溫36~46℃。趙樓煤礦實測原巖溫度至少在43℃左右，高于采掘工作面必須停止作業(yè)溫度30℃，都采取了機(jī)械降溫措施，是典型的深井煤礦。巨野礦區(qū)的巷道支護(hù)難度明顯加大，在深井支護(hù)方面做了大量的研究和試驗。
2井底車場設(shè)計案例
（1）鄆城煤礦井底車場兼顧東、北兩個開拓方向。優(yōu)化后的車場布置如圖1所示。（2）龍固煤礦井底車場兼顧東、北兩個開拓方向，巷道較復(fù)雜，采用電機(jī)車運輸。優(yōu)化后的車場布置如圖2所示。
3主副井系統(tǒng)優(yōu)化
3.1主井相關(guān)硐室優(yōu)化
由于提升高度增加，主井提升設(shè)備由一對箕斗增加為兩對箕斗。鄆城煤礦裝備兩套20t雙箕斗，達(dá)到2.40Mt/a的提升能力。箕斗裝載硐室由主井單側(cè)布置變?yōu)殡p側(cè)布置，見圖1中13號工程。硐室凈長19m，凈寬6m，對井壁結(jié)構(gòu)和硐室支護(hù)有較高要求。龍固煤礦采用雙主井布置，各裝備1套32t箕斗，達(dá)到6.00Mt/a的提升能力?；费b載硐室單側(cè)布置，凈長8.5m，凈寬6.2m，兩主井間距45m，見圖2中1號工程。兩個箕斗裝載硐室平行布置，見圖2中13號工程。沒有產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。
3.2副井相關(guān)硐室優(yōu)化
3.2.1增加交通罐通道由于井筒較深，人員通過副井內(nèi)梯子間到達(dá)地面的難度較大，井筒內(nèi)增加交通罐，副井與井底車場之間增加交通罐通道，滿足緊急情況下人員通行需要。根據(jù)交通罐的開口方向，通道的布置方式不同。通道可能利用副井井筒與井底車場連接處現(xiàn)有巷道，也可能需要單獨增加一條巷道。應(yīng)盡量避免單獨增加巷道，減少硐室開口對井壁的分割，避免井壁應(yīng)力過度集中。
3.2.2加大硐室與車場巷道的間距主排水泵房、主變電所等主要硐室與臨近車場巷道的距離一般為20~25m。深井煤礦為減少應(yīng)力集中和臨近巷道施工影響，適當(dāng)加大間距。主排水泵房、主變電所與臨近車場巷道距離30~35m。見圖1、圖2中4、5號工程。井底煤倉之間、井底煤倉與主井之間一般間距25~30m，深井煤礦應(yīng)加大至40~50m。見圖1、圖2中1、14、15號工程。
3.2.3兼顧無軌膠輪車運輸無軌膠輪車具有運行速度快、人員運輸靈活、可整架搬運液壓支架等優(yōu)點，在大型礦井中普遍使用。小型無軌膠輪車可直接通過副井罐籠上下井，大型無軌膠輪車可分體下井。龍固煤礦采用軌道運輸+無軌膠輪車運輸，雙運輸大巷一進(jìn)一回，保證了運輸安全，提高了運輸效率。重型綜采工作面設(shè)備的拆除與安裝可在40d內(nèi)完成。井底車場應(yīng)采用固定道床，軌面標(biāo)高應(yīng)與硬化的大巷底板上表面標(biāo)高一致，既可避免突出的鋼軌劃傷輪胎，又可避免無軌膠輪車擠壓導(dǎo)致軌道變形、移位等問題。
4降溫相關(guān)系統(tǒng)優(yōu)化
4.1增加井下降溫硐室
根據(jù)井上下?lián)Q熱的需要，一般在進(jìn)風(fēng)的主、副井井筒內(nèi)敷設(shè)低溫管路，在回風(fēng)井內(nèi)設(shè)高溫管路，所以降溫硐室應(yīng)靠近進(jìn)風(fēng)井和回井，見圖1中17號工程。一般包括制冷站、配電室、控制室等，長度一般超過100m，例如趙樓煤礦井下降溫硐室長159m。龍固煤礦將降溫硐室布置在副井和等候室附近，有利于降低進(jìn)風(fēng)溫度，也是一個較好的布置方式。見圖2中的2、10、17號工程。隨著開采深度的增加，需要的制冷量增加，設(shè)計應(yīng)留有擴(kuò)建的余地，進(jìn)一步增加了井底車場硐室的布置難度。
4.2主排水泵房和主變電所獨立回風(fēng)
主排水泵房和主變電所一般布置在副井附近，主排水泵房通過管子道與副井相連，都處于進(jìn)風(fēng)風(fēng)流中，沒有煤塵和瓦斯污染，可以不獨立通風(fēng)。在深井煤礦中由于原巖溫度高，引起硐室內(nèi)溫度偏高，機(jī)電設(shè)備和礦井水散熱提高了進(jìn)風(fēng)溫度，加大了機(jī)械降溫系統(tǒng)的負(fù)荷。鄆城煤礦通過改造，增加主排水泵房回風(fēng)道，見圖1中的11號工程，形成獨立回風(fēng)系統(tǒng)，實測水泵房內(nèi)溫度下降8℃，軌道石門進(jìn)風(fēng)溫度略有下降。
4.3高溫礦井水沿回風(fēng)巷流動
一般礦井主水溝沿軌道石門或軌道大巷布置在進(jìn)風(fēng)巷道中。深井煤礦涌水溫度偏高，如鄆城煤礦掘進(jìn)工作面實測水溫45℃，礦井輻射出大量的熱量，成為流動的熱源，發(fā)散出大量水蒸氣，提高了井下空氣的濕度和等效溫度。設(shè)計將主排水溝布置在回風(fēng)石門或回風(fēng)大巷中，避免高溫礦井水對新鮮空氣的加溫、加濕作用。排水管路沿回風(fēng)井筒敷設(shè)，比傳統(tǒng)的沿副井敷設(shè)可降低副井井底溫度2~3°。
5支護(hù)材料與斷面優(yōu)化
5.1增大支護(hù)材料強(qiáng)度
礦井支護(hù)材料一般采用18mm直徑的螺紋鋼錨桿，配合17.8mm直徑的鋼絞線錨索。深井支護(hù)一般采用20mm直徑的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，配合21.6mm直徑的鋼絞線錨索。支護(hù)難度大的區(qū)域也可以采用22mm直接的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，配合21.6mm直徑的鋼絞線錨索。錨桿用鋼材的屈服強(qiáng)度從400MPa提高到500MPa，個別礦井使用過600MPa的螺紋鋼錨桿。
5.2設(shè)計U型底板
在高應(yīng)力作用下，巷道底板發(fā)生蠕變產(chǎn)生底鼓，對軌道運輸影響較大。經(jīng)過試驗，采用U型底板效果較好，U型底板拱高度為1/5~1/8巷道凈寬。底板中部增加錨桿，可不澆筑混凝土反底拱。趙樓、萬福煤礦增加反底拱設(shè)計，減少了巷道返修。
6結(jié)語
深井煤礦井底車場有顯著的特點，本文從主井相關(guān)硐室、副井相關(guān)硐室、降溫相關(guān)系統(tǒng)、支護(hù)4個方面進(jìn)行分析和總結(jié)，各自在優(yōu)化后均有不同程度的效果，如合理硐室結(jié)構(gòu)、增大支護(hù)強(qiáng)度、增加井下降溫硐室、主排水泵房和主變電所獨立回風(fēng)、高溫礦井水沿回風(fēng)巷流動等，為深井井底車場的布局和類似礦井設(shè)計提供了有益參考。
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作者：宋國忠 張輝 趙琦 單位：通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計有限公司