汪青倉(cāng) ，劉全輝 ，宋朝陽(yáng) ，李 強(qiáng) ，任懷偉

（1.陜西延長(zhǎng)石油榆林可可蓋煤業(yè)有限公司, 陜西 榆林 719000；2.北京中煤礦山工程有限公司, 北京 100013；3.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司, 北京 100013）

0 引 言

礦井開(kāi)拓是煤礦開(kāi)采的首要任務(wù)，礦井建設(shè)是保障礦井安全生產(chǎn)和煤炭資源供給的關(guān)鍵技術(shù)[1]。隨著煤礦智能化建設(shè)要求和發(fā)展趨勢(shì)，礦井智能化建設(shè)是煤礦智能化建設(shè)藍(lán)圖必不可缺的重要環(huán)節(jié)[2]，對(duì)礦井智能化安全開(kāi)采、保障產(chǎn)能和企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

礦井建設(shè)需要根據(jù)礦井煤炭資源儲(chǔ)量、地面地形條件、煤炭資源賦存的地質(zhì)條件和礦井產(chǎn)能等，并考慮礦井建設(shè)工藝、關(guān)鍵技術(shù)、核心裝備、建設(shè)周期、經(jīng)濟(jì)效益、安全高效、綠色健康等方面因素，確定合理可行的礦井開(kāi)拓方案[3]，主要包括井筒深度、直徑、傾角、用途、掘進(jìn)技術(shù)裝備、圍巖支護(hù)方法與技術(shù)、井內(nèi)提運(yùn)技術(shù)與裝備選型等。隨著我國(guó)煤炭資源開(kāi)發(fā)重心向西部轉(zhuǎn)移，內(nèi)蒙古、陜西、寧夏、新疆等省份的大型煤礦地層以白堊系、侏羅系地層為主，在過(guò)去十幾年的發(fā)展過(guò)程中，已經(jīng)實(shí)踐了采用主副風(fēng)井全立井開(kāi)拓、主斜副立+風(fēng)井立井開(kāi)拓、主副斜井+風(fēng)井立井的開(kāi)拓方式。近年來(lái)，隨著礦井建設(shè)技術(shù)裝備水平的提高，以及大型開(kāi)采、掘進(jìn)、運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)裝備的快速發(fā)展，西部中深部煤炭資源開(kāi)采的礦井采用緩坡斜井作為主運(yùn)通道的開(kāi)拓方式得到廣泛應(yīng)用。緩坡斜井開(kāi)拓可實(shí)現(xiàn)礦井主運(yùn)連續(xù)化，輔助運(yùn)輸不換裝一次到位的無(wú)軌膠輪化，大型采?掘?運(yùn)裝備無(wú)需地面拆解和井下大硐室中組裝的復(fù)雜工序，可采用無(wú)軌膠輪車(chē)直接下井[4]，有助于提高西部礦井中深部煤炭資源的高效生產(chǎn)。我國(guó)西部煤礦斜井開(kāi)拓主要采用鉆爆法施工，因地層涌水量大、圍巖穩(wěn)定性差等問(wèn)題，施工過(guò)程中富水地層涌水防治和軟弱圍巖穩(wěn)定控制帶來(lái)很大挑戰(zhàn)；盡管采用斜井凍結(jié)特殊鑿井方法在一定程度上解決了地層涌水難題[5-6]，但因斜井凍結(jié)施工難度大、投資高、工期長(zhǎng)等問(wèn)題，目前斜井凍結(jié)鑿井技術(shù)依然進(jìn)展緩慢。隨著機(jī)械破巖鑿井技術(shù)裝備的發(fā)展，部分礦井嘗試了采用綜掘機(jī)或懸臂掘進(jìn)機(jī)施工斜井[7]，但因地層巖石強(qiáng)度高，掘進(jìn)效率低，后又改為采用鉆爆法施工；采用全斷面掘進(jìn)機(jī)施工緩坡斜井方面，僅神東補(bǔ)連塔煤礦完成了5.5°連續(xù)下坡，開(kāi)挖直徑7.62 m，長(zhǎng)度2 745 m 的斜井工程[8]。因此，適用西部煤礦復(fù)雜地質(zhì)條件的長(zhǎng)距離斜井建設(shè)技術(shù)和裝備還需進(jìn)行深入研究和探索。

可可蓋煤礦位于陜北榆橫礦區(qū)北部，礦區(qū)面積約176.68 km2，設(shè)計(jì)可采資源/儲(chǔ)量1 196.12 Mt，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力10.0 Mt/a，服務(wù)年限85.4 a?？煽缮w煤礦作為陜西延長(zhǎng)石油礦業(yè)公司在“十四五”期間重點(diǎn)項(xiàng)目，是到2025 年礦業(yè)公司煤炭整體產(chǎn)能達(dá)到6 050.0 Mt/a，形成千萬(wàn)噸智能化煤礦集群的關(guān)鍵布局。因此，探索可可蓋煤礦經(jīng)濟(jì)合理的礦井開(kāi)拓模式，分析復(fù)雜地質(zhì)條件井筒機(jī)械化與智能化建設(shè)技術(shù)和裝備可行性，將為礦井安全建設(shè)、高效生產(chǎn)和企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供支撐，并為其他同類(lèi)型礦井開(kāi)拓方案的確定提供借鑒。

1 可可蓋煤礦礦井開(kāi)拓方案對(duì)比分析

1.1 礦井開(kāi)拓方式的影響因素分析

根據(jù)煤炭成因模式、資源聚集與賦存規(guī)律、地質(zhì)與水文地質(zhì)條件等，現(xiàn)階段地下煤炭資源開(kāi)發(fā)依然主要采用井工開(kāi)采的方式[9-10]。礦井開(kāi)拓方式主要是指服務(wù)于地下煤炭資源開(kāi)采，在地層內(nèi)開(kāi)鑿的井筒、巷道和硐室等工程的總體布置方式。根據(jù)煤炭資源賦存條件、地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)條件、地理環(huán)境等因素，可分為立井開(kāi)拓、斜井開(kāi)拓、平硐開(kāi)拓、綜合開(kāi)拓等方式。礦井開(kāi)拓方式是煤炭井工開(kāi)采的首要任務(wù)，一方面將直接影響建井技術(shù)裝備和工藝的研發(fā)與選擇，以及建井周期、工程總量、投資成本等；另一方面將影響礦井生產(chǎn)時(shí)采運(yùn)、通風(fēng)、排水、通信、供電等各系統(tǒng)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定和高效運(yùn)行。

礦井開(kāi)拓又以井筒為主，井筒工程量一般不超過(guò)井巷工程總量的10%，但由于井筒穿越地層的復(fù)雜性、井筒結(jié)構(gòu)的特殊性、建井工法的適應(yīng)性等問(wèn)題，建井過(guò)程中對(duì)突水、突泥和圍巖失穩(wěn)等工程風(fēng)險(xiǎn)的防治，導(dǎo)致建井工期約占井巷施工總工期的50%。因此，礦井開(kāi)拓方式設(shè)計(jì)和礦井建設(shè)技術(shù)研究，必然要綜合分析區(qū)域自然環(huán)境、礦區(qū)地形地貌、地面運(yùn)輸條件等外部條件，以及井田地質(zhì)和水文地質(zhì)、地層構(gòu)造與巖性、煤層賦存特征、礦井生產(chǎn)能力、開(kāi)采技術(shù)等因素[11-12]，確定礦井開(kāi)拓方式、礦井建設(shè)技術(shù)裝備和工藝、安全服役保障技術(shù)等，從而為礦井安全建設(shè)、高效高產(chǎn)和企業(yè)穩(wěn)定高質(zhì)量發(fā)展提供根本保障。

1.2 可可蓋井田工程地質(zhì)與水文地質(zhì)分析

可可蓋井田地貌整體西北高、東南低，地表起伏度不大，一般相對(duì)高差5～10 m。根據(jù)地質(zhì)鉆孔勘查結(jié)果，地層自上而下主要為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組、第四系中下更新統(tǒng)黃土、白堊系下統(tǒng)洛河組、侏羅系中統(tǒng)安定組、侏羅系中統(tǒng)直羅組、侏羅系中統(tǒng)延安組地層；井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷裂和褶皺構(gòu)造，地層傾角較小，井田地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，最大水平主應(yīng)力范圍10.95～19.37 MPa，最小水平主應(yīng)力范圍7.91～13.23 MPa；白堊系和侏羅系地層巖石單軸抗壓強(qiáng)度均值為 23.1 MPa，抗壓強(qiáng)度一般不超過(guò)50 MPa，巖石抗拉強(qiáng)度較低，平均值為2.68 MPa，巖石的耐磨性指數(shù)在1.05～2.88，屬極低耐磨性等級(jí)。井田地質(zhì)與水文地質(zhì)剖面示意,如圖1 所示。

圖1 可可蓋井田地質(zhì)與水文地質(zhì)剖面示意Fig.1 Geology and hydrogeology section of the mine

根據(jù)可可蓋井田地下水賦存空間結(jié)構(gòu)和含水介質(zhì)可劃分為5 個(gè)含水巖層(組)和2 個(gè)隔水巖層(組)，其中白堊系洛河組為富水性中等至強(qiáng)的間接含水層，預(yù)計(jì)涌水量最高可達(dá)2 788 m3/d，其余4 個(gè)含水層涌水量低于100 m3/d，屬于弱富水性。侏羅系中統(tǒng)安定組地層以泥巖為主，與粉砂巖含水層不等厚相間分布，泥巖類(lèi)較厚，粉砂巖較薄且富水性弱，是井田內(nèi)白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖富含水與煤系地層之間相對(duì)較好的隔水層，對(duì)煤炭開(kāi)采意義重大。

1.3 礦井開(kāi)拓方案的提出與分析

通過(guò)從地質(zhì)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全、高效、綠色等方面，綜合分析可可蓋煤礦礦井開(kāi)拓方式的影響因素，提出了4 版適用可可蓋煤礦的礦井開(kāi)拓方案。根據(jù)不同開(kāi)拓方案提出的時(shí)間順序，現(xiàn)對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。

1)第1 版：井田中部全立井開(kāi)拓方案。根據(jù)以往陜北、蒙東等地區(qū)同類(lèi)礦井的開(kāi)拓方案以及礦井建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，可可蓋礦井開(kāi)拓最初設(shè)計(jì)在井田中部布置主立井、副立井和回風(fēng)立井，均采用凍結(jié)特殊鑿井法施工。對(duì)于西部富水弱膠結(jié)地層煤層埋深530 m的礦井，此方案為傳統(tǒng)的保守設(shè)計(jì)，且現(xiàn)有的凍結(jié)法鑿井工程實(shí)踐，已證明此開(kāi)拓方案的技術(shù)可行性，立井凍結(jié)法鑿井技術(shù)成熟，工程造價(jià)和工期均相對(duì)可控，但是立井提升系統(tǒng)較緩坡斜井更為復(fù)雜。

2)第2 版：井田東南部主斜副立開(kāi)拓方案。初期考慮到可可蓋煤礦與東側(cè)緊鄰的小紀(jì)汗煤礦同為華電煤業(yè)，借鑒神東大柳塔煤礦生產(chǎn)能力30.0 Mt/a的“一礦兩井”開(kāi)拓方式，將可可蓋煤礦工業(yè)廣場(chǎng)布置在井田東南部，初步選定主斜副立的開(kāi)拓方式，井下大巷沿京陜四期天然氣管線布置，可避免煤炭損失近1 億t，原煤運(yùn)至小紀(jì)汗煤礦洗煤廠分選后，通過(guò)已建成的榆橫鐵路外運(yùn)，可節(jié)約投資。

3)第3 版：井田中部主斜副立開(kāi)拓方案。2018年可可蓋煤礦歸屬陜西延長(zhǎng)石油礦業(yè)有限責(zé)任公司后，第2 版中“一礦兩井”開(kāi)拓方式的可能性已不存在。因此，變更礦井設(shè)計(jì)將工業(yè)廣場(chǎng)選擇在井田中部，為縮短建設(shè)工期，簡(jiǎn)化生產(chǎn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)采用主斜副立開(kāi)拓方式，即在副井場(chǎng)地內(nèi)布置兩條井筒，分別為副立井、中央回風(fēng)立井，在主井場(chǎng)地布置有主斜井、地面選煤廠和鐵路外運(yùn)裝車(chē)系統(tǒng)。其中，主斜井設(shè)計(jì)傾角14°，斜長(zhǎng)2 162 m，但施工難度較大；副井采用立井形式，井筒工程量小，且副井大斷面可作為進(jìn)風(fēng)井，無(wú)需開(kāi)鑿專(zhuān)用進(jìn)風(fēng)立井，但是立井提升系統(tǒng)較緩坡斜井復(fù)雜；在礦井移交時(shí)，該方案3 條井筒占用2 個(gè)場(chǎng)地，不便于管理；且需投資建設(shè)較長(zhǎng)的進(jìn)場(chǎng)公路、鐵路專(zhuān)用線，占地面積大。

4)第4 版：井田西部主副斜井+中部進(jìn)回風(fēng)立井開(kāi)拓方案。2019 年9 月可可蓋井田西部的靖神鐵路建成通車(chē)，為資源外運(yùn)提供了有利條件。因此，再次調(diào)整礦井開(kāi)拓方案，將工業(yè)廣場(chǎng)布置在井田西部邊界附近，采用西部主副斜井+中部進(jìn)回風(fēng)立井開(kāi)拓方案，即在西部工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)布置主副斜井，2 條斜井均落底到井田中部的2 號(hào)煤層，在2 號(hào)煤層沿南北方向布置南翼和北翼大巷至井田南北邊界，井下大巷呈“I”字形布置，工作面沿大巷雙翼布置；為解決礦井通風(fēng)問(wèn)題，在井田中部布置進(jìn)回風(fēng)立井，井田北部布置北一風(fēng)井，后期分別在距離南北井田邊界約3.0 km 處各布置一個(gè)回風(fēng)立井，即北二回風(fēng)立井和南部回風(fēng)立井，實(shí)現(xiàn)全礦井的分區(qū)通風(fēng)。

按照可可蓋井田第4 版的礦井開(kāi)拓方案，礦井移交時(shí)共布置5 個(gè)井筒，包括西部主副斜井、中央進(jìn)回風(fēng)立井和北一風(fēng)井。為確定西部主副斜井布置傾角，根據(jù)可可蓋井田綜合條件、外部環(huán)境條件以及借鑒其他礦井的斜井工程實(shí)踐，重點(diǎn)對(duì)斜井建設(shè)坡度6°和14°全下坡方案進(jìn)行了對(duì)比分析(表1)，并初步確定主斜井傾角6°全下坡，設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度5 303 m、直徑7.13 m、落底深度554.3 m；副斜井傾角5.6°、設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度5 302 m、直徑7.13 m、落底深度517.4 m，每隔1 000 m 設(shè)50 m 的平坡段緩沖，變坡處設(shè)置半徑400 m 豎曲線過(guò)渡。可可蓋井田西部主副斜井+中部進(jìn)回風(fēng)立井開(kāi)拓方案示意，如圖2 所示。

表1 斜井建設(shè)坡度方案比較Table 1 Comparison of slope schemes for inclined shaft construction

圖2 西部主副斜井與中部進(jìn)回風(fēng)立井開(kāi)拓方案示意Fig.2 Development scheme of west main and auxiliary inclined shaft and middle inlet and return air shaft

第4 版礦井開(kāi)拓方案中主、副斜井均采用6°左右的緩坡斜井，井下主運(yùn)輸、輔助運(yùn)輸距離長(zhǎng)，運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較高，以及礦井移交時(shí)2 條緩坡斜井開(kāi)拓工程量大。但是，主副緩坡斜井均布置在西部場(chǎng)地內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)地面到井下工作面的直達(dá)運(yùn)輸，無(wú)需換裝，便于管理和高效生產(chǎn)；同時(shí)，西部場(chǎng)地距離外運(yùn)的靖神鐵路大海則車(chē)站近，占地面積小、壓煤少、外運(yùn)投資節(jié)省、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低。因此，在考慮外部運(yùn)輸條件便利、場(chǎng)地集中便于管理、緩坡斜井無(wú)軌膠輪化和無(wú)需換裝等優(yōu)勢(shì)，初步確定了采用在井田西部布置主、副斜井+中部進(jìn)回風(fēng)立井的開(kāi)拓方案。

2 煤礦斜井掘進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀分析與比選

基于礦井地質(zhì)條件和煤層賦存條件分析，立足于井下開(kāi)拓簡(jiǎn)單、首采區(qū)開(kāi)采技術(shù)條件好、外部運(yùn)輸距離短、壓煤少等原則，從技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和安全性等方面考慮，以及智能化礦井建設(shè)的發(fā)展需求，進(jìn)一步對(duì)煤礦井筒建設(shè)技術(shù)裝備和工藝進(jìn)行分析和比選。鑒于西部煤系地層中深立井鉆爆法鑿井技術(shù)相對(duì)比較成熟，重點(diǎn)梳理煤礦長(zhǎng)距離斜井鉆爆法與機(jī)械破巖施工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，剖析現(xiàn)有斜井建設(shè)技術(shù)面臨的難題，提出超長(zhǎng)斜井采用全斷面掘進(jìn)機(jī)施工的技術(shù)方案，為可可蓋煤礦長(zhǎng)距離斜井建設(shè)提供參考依據(jù)。

2.1 斜井鉆爆法掘進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀

隨著我國(guó)煤炭資源開(kāi)發(fā)重心向西部轉(zhuǎn)移，在過(guò)去十幾年的礦井建設(shè)過(guò)程中，我國(guó)西部礦區(qū)緩坡斜井掘進(jìn)主要以鉆爆法為主，在軟弱破碎地層段和地層涌水段，采用凍結(jié)法、注漿法等地層改性加固技術(shù)，保障鉆爆鑿井施工安全。核桃峪煤礦主斜井是國(guó)內(nèi)開(kāi)拓建設(shè)的最長(zhǎng)的煤礦斜井[13]，斜長(zhǎng)5 875 m，傾角7°，采用鉆爆法施工，在穿過(guò)400 m 巨厚富水的白堊系洛河組地層，斜井涌水量曾高達(dá)730.4 m3/h，采用工作面預(yù)注漿堵水加固技術(shù)安全通過(guò)；袁大灘煤礦主副斜井均采用凍結(jié)特殊鑿井法施工[14]，主斜井傾角14°，副斜井傾角5.5°，副斜井總長(zhǎng)3 615.9 m，凍結(jié)段斜長(zhǎng)達(dá)681 m，是目前國(guó)內(nèi)斜井凍結(jié)長(zhǎng)度最長(zhǎng)的凍結(jié)法施工斜井；古城煤礦主斜井采用凍結(jié)特殊鑿井法施工，傾角15°，斜井總長(zhǎng)2 018.8 m，凍結(jié)段斜長(zhǎng)503.91 m。鉆爆法施工的典型煤礦斜井工程，見(jiàn)表2。

表2 鉆爆法施工的典型煤礦斜井工程Table 2 Typical coal mine inclined shaft construction by drilling and blasting method

盡管鉆爆法施工對(duì)斜井地質(zhì)條件的適應(yīng)好，技術(shù)工藝相對(duì)比較簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)，而且隨著鉆裝錨機(jī)組作業(yè)線的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，在一定程度上顯著減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。但是破巖方式依然采用炸藥爆破，存在環(huán)境污染、工序較多、掘進(jìn)效率低、圍巖擾動(dòng)破壞等問(wèn)題，與綠色、安全、智能化鑿井發(fā)展趨勢(shì)不匹配。此外，斜井穿過(guò)含水層地段時(shí)，井筒涌水可能導(dǎo)致斜井無(wú)法施工，而采用凍結(jié)法施工段的地層凍結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、工效低、投資高。因此，近年來(lái)斜井凍結(jié)法施工數(shù)量雖有穩(wěn)定增長(zhǎng)，但技術(shù)發(fā)展進(jìn)程較為緩慢。

2.2 斜井懸臂掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀

隨著機(jī)械破巖技術(shù)和裝備能力不斷提升，機(jī)械破巖已成為煤礦井巷掘進(jìn)技術(shù)裝備發(fā)展的重要方向。機(jī)械破巖技術(shù)克服了鉆爆法破巖的不可控因素，如可有效控制井筒斷面形狀，避免了超挖和欠挖，減小圍巖擾動(dòng)，充分利用圍巖自穩(wěn)能力、降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度、減少支護(hù)材料消耗；同時(shí)，非爆破破巖無(wú)需使用炸藥，破巖掘進(jìn)過(guò)程中無(wú)CO、NO、NO2、N2O 等有害氣體產(chǎn)生[15]，改善作業(yè)空氣環(huán)境，減少碳排放。

以懸臂掘進(jìn)機(jī)和綜掘機(jī)為代表的煤礦煤/巖巷部分?jǐn)嗝鏅C(jī)械破巖掘進(jìn)作業(yè)線，寄希望能夠?yàn)槊旱V全巖地層斜井掘進(jìn)提供技術(shù)和裝備支撐。典型工程案例如：英國(guó)多斯科公司生產(chǎn)的MK3 型重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)[16]，在淮南顧北煤礦完成了掘進(jìn)距離635.24 m、斷面面積24.1 m2的巖巷，最高月進(jìn)尺208 m，在巖石強(qiáng)度較低時(shí)相對(duì)鉆爆法掘進(jìn)效率有明顯提高，但是遇到堅(jiān)硬巖石時(shí)，懸臂掘進(jìn)機(jī)破巖能力降低，要輔以爆破進(jìn)行掘進(jìn)；開(kāi)灤東歡坨煤礦采用EBZ200 H 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)，適用巖石抗壓強(qiáng)度達(dá)到70 MPa，掘進(jìn)斷面15.82 m2，月進(jìn)尺達(dá)200.3 m，但存在刀具消耗量較大、經(jīng)濟(jì)成本較高等問(wèn)題；中煤新集劉莊煤礦采用硬巖懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)巖巷[17]，但施工效率較低，后改用德國(guó)液壓鉆車(chē)作業(yè)線施工；可可蓋井田東鄰的小紀(jì)汗煤礦6°緩坡副斜井[18]，斜長(zhǎng)3 751 m，曾采用綜掘機(jī)作業(yè)線進(jìn)行施工，但是侏羅系安定組下部及以下地層巖石堅(jiān)硬，綜掘機(jī)已無(wú)法掘進(jìn)，后改為鉆爆法施工。

綜上情況分析，國(guó)內(nèi)采用部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)在煤礦斜井和巖巷施工過(guò)程中，暴露出截割刀具消耗量大、經(jīng)濟(jì)成本高、硬巖掘進(jìn)效率低、掘支工作不協(xié)調(diào)、粉塵量大等問(wèn)題。國(guó)外奧地利、德國(guó)、波蘭等國(guó)家研制懸臂式掘進(jìn)機(jī)的廠商聲稱(chēng)其產(chǎn)品能用于破碎堅(jiān)硬巖石，但均附加“截割刀具消耗量大，不經(jīng)濟(jì)”的條件。因此，將懸臂式掘進(jìn)機(jī)作業(yè)線應(yīng)用到煤礦全巖地層斜井或巖巷掘進(jìn)工程中，需要面對(duì)巖石強(qiáng)度較高時(shí)帶來(lái)的截割刀具消耗量大、經(jīng)濟(jì)成本高、硬巖掘進(jìn)效率低等問(wèn)題[17]。此外，巖石綜掘機(jī)施工斷面35 m2以上的井巷工程，難以實(shí)現(xiàn)一次成巷，掘–支協(xié)同性較差，施工進(jìn)度并不理想，難以克服地質(zhì)構(gòu)造、井筒涌水、圍巖松軟、泥化等特殊地質(zhì)條件對(duì)施工帶來(lái)的嚴(yán)重影響，必須配合輔助掘進(jìn)技術(shù)工藝。

2.3 斜井全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)調(diào)研和資料檢索，20 世紀(jì)80 年代，在我國(guó)“七五”“八五”規(guī)劃中便開(kāi)始設(shè)計(jì)研究礦用全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)，先后開(kāi)發(fā)出直徑3.5 m 和5.0 m 的礦用全斷面掘進(jìn)機(jī)并在銅川礦務(wù)局試驗(yàn)應(yīng)用[17]，由于煤礦工程條件復(fù)雜，以及設(shè)備制造、材料和工藝等方面原因，最高月進(jìn)尺僅為100 m，應(yīng)用效果不理想，并于20 世紀(jì)90 年代停止了礦用全斷面巖巷掘進(jìn)機(jī)的研發(fā)。國(guó)外在煤礦采用全斷面掘進(jìn)機(jī)也僅進(jìn)行了少量的井巷掘進(jìn)工業(yè)性試驗(yàn)，掘進(jìn)長(zhǎng)度一般不超過(guò)2 000 m，掘進(jìn)直徑范圍為3.6～4.1 m。近年來(lái)，隨著全斷面掘進(jìn)機(jī)在交通隧道、引水調(diào)水隧道等地下工程的應(yīng)用，全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)水平和裝備性能不斷提高，全斷面掘進(jìn)機(jī)在煤礦巖巷工程建設(shè)的應(yīng)用亦不斷增長(zhǎng)。

根據(jù)公開(kāi)資料顯示，煤礦用全斷面掘進(jìn)機(jī)逐漸應(yīng)用十幾座礦井的斜井、運(yùn)輸巖巷和瓦斯抽放巷等工程施工。在長(zhǎng)距離斜井工程方面，僅神華能源神東補(bǔ)連塔煤礦開(kāi)展了緩坡斜井單護(hù)盾全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)工業(yè)性試驗(yàn)[8]，掘進(jìn)長(zhǎng)度2 718.2 m，傾角5.5°連續(xù)下坡，開(kāi)挖直徑7.62 m，月最高進(jìn)尺639 m，平均月進(jìn)尺546 m，補(bǔ)連塔斜井埋深較淺，且采用管片支護(hù)提高了掘進(jìn)速度，但是工程造價(jià)較高。在煤礦平硐和巖巷工程方面，塔山煤礦主平峒應(yīng)用美國(guó)羅賓斯公司制造的雙護(hù)盾全斷面掘進(jìn)機(jī)施工[18]，掘進(jìn)直徑4.82 m，掘進(jìn)長(zhǎng)度2 911.6 m，最高月進(jìn)尺662.5 m，應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)該機(jī)型具有體積大、不易轉(zhuǎn)彎等缺點(diǎn)，對(duì)煤礦井下巖巷傾角多變的工程條件適應(yīng)性差；神華新疆澇壩灣煤礦副平硐采用ZTE6460 復(fù)合式全斷面掘進(jìn)機(jī)施工[19]，掘進(jìn)長(zhǎng)度6 200 m，掘進(jìn)直徑6.46 m，最高月進(jìn)尺364.5 m；晉能控股王村煤礦采用煤礦用三護(hù)盾巖巷全斷面掘進(jìn)機(jī)施工通風(fēng)巖巷，掘進(jìn)長(zhǎng)度3 778 m，掘進(jìn)直徑5.8 m，轉(zhuǎn)彎半徑70 m，在地層較為破碎的情況下最高月進(jìn)尺依然達(dá)到了406 m；山東能源新巨龍煤礦巖巷采用全斷面掘進(jìn)機(jī)施工[20]，掘進(jìn)直徑6.33 m，掘進(jìn)總長(zhǎng)度2 816.5 m，最高月進(jìn)尺超400 m。

綜上情況分析，從巖石地層全斷面掘進(jìn)機(jī)施工井巷工程的國(guó)內(nèi)外發(fā)展水平及趨勢(shì)來(lái)看，巖石全斷面掘進(jìn)機(jī)的開(kāi)挖斷面直徑大部分小于7 m，掘進(jìn)長(zhǎng)度小于4 000 m，工程質(zhì)量較好；月掘進(jìn)速度可以達(dá)到400 m 以上，施工速度明顯高于鉆爆法掘進(jìn)[21]；但是應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)掘–支作業(yè)工序協(xié)同、穿越不良地層近工作面快速支護(hù)、全斷面掘進(jìn)機(jī)調(diào)向等技術(shù)依然需要針對(duì)煤礦地質(zhì)條件和工程條件進(jìn)行改進(jìn)，以期能夠進(jìn)一步提高采用全斷面掘進(jìn)機(jī)施工煤礦井巷的施工速度。

2.4 可可蓋煤礦長(zhǎng)斜井掘進(jìn)技術(shù)方案可行性分析

通過(guò)對(duì)煤礦長(zhǎng)距離斜井掘進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀分析可知，目前的懸臂式掘進(jìn)機(jī)或綜掘機(jī)作業(yè)線很難在全巖地層斜井或巖巷掘進(jìn)中取代鉆爆法機(jī)械化作業(yè)線；而若采用鉆爆法掘進(jìn)施工，則斜井穿越薩拉烏蘇組及洛河組強(qiáng)風(fēng)化帶等富含水地層時(shí)，需要采用地層凍結(jié)法輔助施工，井筒凍結(jié)段斜長(zhǎng)預(yù)計(jì)將超過(guò)413 m，施工難度大、周期長(zhǎng)、投資高。鑒于硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)在煤礦巖巷掘進(jìn)速度高于鉆爆法掘進(jìn)速度，以及全斷面掘進(jìn)機(jī)施工在機(jī)械化、少人化和智能化方面的優(yōu)勢(shì)，初步確定了采用全斷面掘進(jìn)機(jī)施工可可蓋煤礦6°全下坡主副斜井(掘進(jìn)長(zhǎng)度大于5 000 m，掘進(jìn)斷面39.9 m2)。以下根據(jù)可可蓋煤礦主副斜井穿越地層條件，重點(diǎn)研討采用全斷面掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)的可行性。

1)地表風(fēng)積沙和薩拉烏蘇組施工可行性分析。圍繞6°緩坡主副斜井的開(kāi)拓方案優(yōu)化的主要任務(wù)，通過(guò)地面踏勘并結(jié)合衛(wèi)星照片在靖神鐵路東側(cè)、井田西部的位置，發(fā)現(xiàn)其他生產(chǎn)活動(dòng)取土挖坑而揭露洛河組砂巖地層，該處地面風(fēng)積沙、薩拉烏蘇組較薄，厚度不超過(guò)10 m，洛河組強(qiáng)風(fēng)化厚度10 m 左右。因此，確定將主副斜井井口布置在該取土挖坑附近，因薩拉烏蘇組厚度小，可采取提前降水并采用明槽開(kāi)挖施工該段地層，不需要采用凍結(jié)法施工。明槽段采用順作法施工，分級(jí)放坡、水平分段、垂直分層的開(kāi)挖形式，明槽開(kāi)挖長(zhǎng)度270 m，深度28.2 m，開(kāi)挖坡面噴射厚度80 mm 的C20 混凝土面層，底板厚度為300 mm，作為全斷面掘進(jìn)機(jī)步進(jìn)通道。

2)斜井穿越含水地層施工的可行性分析。根據(jù)鉆孔資料及鄰近礦井揭露情況分析，可可蓋礦斜井穿越的洛河組地層為富水性中等至強(qiáng)的間接含水層，預(yù)計(jì)涌水量不超過(guò)100 m3/h，洛河組以下巖層涌水不超過(guò)50 m3/h，可采取地層分段疏排水、工作面接續(xù)排水、噴漿封閉巖面與圍巖注漿堵水等多種掘進(jìn)環(huán)境防治水聯(lián)合技術(shù)[22]。值得注意的是，根據(jù)對(duì)可可蓋煤礦鄰近的小紀(jì)汗煤礦、巴拉素煤礦調(diào)研情況，在揭露2 號(hào)煤層時(shí)地層涌水量較大、水壓較高。因此，制定了揭煤遇水防治預(yù)案，一方面可在斜井揭煤前提前通過(guò)地面鉆孔疏放2 號(hào)煤層水，另一方面中央進(jìn)回風(fēng)立井按計(jì)劃將早于斜井完成施工，可利用立井井下巷道或硐室進(jìn)行打孔抽水，以降低2 號(hào)煤層水壓和控制涌水量，確保安全順利揭煤。

3)斜井穿越破碎軟弱地層施工的可行性分析。根據(jù)井田地質(zhì)資料，斜井穿越地層存在軟弱圍巖、破碎帶、交錯(cuò)層理和可能產(chǎn)生的斷層等地質(zhì)情況，為避免圍巖坍塌、護(hù)盾擠壓、掘進(jìn)機(jī)卡機(jī)等風(fēng)險(xiǎn)，提出了協(xié)同調(diào)整刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、撐靴壓力、刀盤(pán)扭矩、推進(jìn)力、換步行程、調(diào)向幅度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)多動(dòng)作協(xié)同控制技術(shù)；提出了地層擴(kuò)挖、提高液壓油缸推力快速通過(guò)、超前注漿加固圍巖，形成“超前支護(hù)、短進(jìn)尺、勤換步、早封閉、強(qiáng)支護(hù)、初期支護(hù)一次到位”的安全掘進(jìn)工藝。

4)全斷面掘進(jìn)機(jī)施工多變坡度斜井的可行性分析。全斷面掘進(jìn)機(jī)在理論上可在所有坡度上進(jìn)行掘進(jìn)工作，同時(shí)全斷面掘進(jìn)機(jī)施工5.5°傾角的煤礦斜井在補(bǔ)連塔煤礦已經(jīng)取得成功。經(jīng)過(guò)與裝備制造廠家溝通以及專(zhuān)家論證，提出了加強(qiáng)全斷面掘進(jìn)機(jī)的豎曲線調(diào)向能力的要求，在保證圍巖可提供足夠反力的情況下，全斷面掘進(jìn)機(jī)可通過(guò)相應(yīng)的調(diào)向機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制調(diào)向；全斷面掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)油缸采用雙頭固定設(shè)計(jì)，增大撐靴面積以提高撐靴穩(wěn)定支撐能力；刀盤(pán)與護(hù)盾偏心設(shè)計(jì)，使全斷面掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中有一定的抬頭趨勢(shì)，并采用主動(dòng)鉸接設(shè)計(jì)，鉸接油缸可強(qiáng)制抬起支撐盾體，同時(shí)掘進(jìn)過(guò)程可中采取少量多次的換步原則，調(diào)整刀盤(pán)俯仰姿態(tài)，可滿足長(zhǎng)距離緩坡副斜井多變坡度的施工要求。

根據(jù)可可蓋煤礦工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、環(huán)境條件、掘進(jìn)長(zhǎng)度、斜井?dāng)嗝婕捌露取⑹┕ぜ夹g(shù)與裝備等因素的綜合分析，可可蓋煤礦主副斜井采用全斷面掘進(jìn)機(jī)施工方案在技術(shù)上總體可行，具有機(jī)械化程度高、減人提效、安全可靠的優(yōu)勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，需進(jìn)一步分析和論證全斷面掘進(jìn)機(jī)裝備類(lèi)型及其適用性，以及與地層圍巖條件和掘進(jìn)機(jī)功能相適應(yīng)的斜井圍巖快速支護(hù)形式與方法，確保實(shí)現(xiàn)快速安全掘進(jìn)與穩(wěn)定可靠支護(hù)協(xié)同的長(zhǎng)距離斜井建設(shè)技術(shù)工藝。

3 全斷面掘進(jìn)機(jī)裝備選型分析

3.1 全斷面掘進(jìn)機(jī)裝備選型對(duì)比分析

目前，適用巖石地層的全斷面掘進(jìn)機(jī)類(lèi)型主要分為敞開(kāi)式和護(hù)盾式2 類(lèi)，其中護(hù)盾式全斷面掘進(jìn)機(jī)根據(jù)地質(zhì)條件和工程條件又分為單護(hù)盾式、雙護(hù)盾式和三護(hù)盾式，此外對(duì)于巖巷穿越破碎地層掘進(jìn)時(shí)，在護(hù)盾后可再安裝格柵護(hù)盾以防頂板圍巖大塊巖石垮落而導(dǎo)致設(shè)備或人員損害。因此，根據(jù)可可蓋煤礦斜井地質(zhì)條件和工程條件，斜井必然需要穿越破碎、軟弱、富含水等不良地質(zhì)環(huán)境，需對(duì)全斷面掘進(jìn)機(jī)類(lèi)型的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，并提出適應(yīng)可可蓋煤礦斜井施工條件的掘進(jìn)機(jī)改進(jìn)和優(yōu)化方案。

斜井穿越破碎地層時(shí)，敞開(kāi)式和護(hù)盾式的全斷面掘進(jìn)機(jī)都面臨被卡、被困的危險(xiǎn)，且護(hù)盾式全斷面掘進(jìn)機(jī)比敞開(kāi)式全斷面掘進(jìn)機(jī)被卡的幾率更高，脫困相對(duì)難度更大。一方面敞開(kāi)式全斷面掘進(jìn)機(jī)與護(hù)盾式全斷面掘進(jìn)機(jī)相比，盾殼較短，坡度適應(yīng)性強(qiáng)，降低了卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)[23]；敞開(kāi)式全斷面掘進(jìn)機(jī)護(hù)盾為分體式，利用千斤頂伸縮功能可實(shí)現(xiàn)上護(hù)盾和側(cè)護(hù)盾能分別主動(dòng)支撐在井筒頂板和側(cè)幫，可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防護(hù)功能，減少空頂距離。另一方面，護(hù)盾式全斷面掘進(jìn)機(jī)的護(hù)盾為整體結(jié)構(gòu)，由于刀盤(pán)的擴(kuò)挖致使護(hù)盾范圍內(nèi)始終存在較大范圍的空頂區(qū)域，對(duì)頂板防護(hù)效果差；而敞開(kāi)式全斷面掘進(jìn)機(jī)自帶鋼拱架自動(dòng)拼裝和錨噴裝置，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)不良地層的快速支護(hù)，可滿足全斷面掘進(jìn)機(jī)掘與支之間的協(xié)同性要求。敞開(kāi)式全斷面掘進(jìn)機(jī)裝備示意，如圖3 所示。

圖3 敞開(kāi)式全斷面掘進(jìn)機(jī)裝備示意Fig.3 Schematic of open full section boring machine

斜井穿越軟弱大變形地層時(shí)，對(duì)敞開(kāi)式全斷面掘進(jìn)機(jī)施工有較大影響。敞開(kāi)式全斷面掘進(jìn)機(jī)的破巖推進(jìn)需要撐靴支撐在井幫上，若圍巖過(guò)于軟弱不足以提供撐靴支撐反力時(shí)，將導(dǎo)致全斷面掘進(jìn)機(jī)無(wú)法前行的技術(shù)難題。因此，敞開(kāi)式全斷面掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)需增加底部輔助推進(jìn)裝置，可通過(guò)在斜井底鋪設(shè)的仰拱塊提供全斷面掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)反力來(lái)解決此問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)全斷面掘進(jìn)機(jī)順利推進(jìn)。此外可可蓋煤礦斜井埋深達(dá)530 m 左右時(shí)，斜井圍巖均為軟弱巖層，將遭遇軟巖大變形地段，護(hù)盾式全斷面掘進(jìn)機(jī)脫困處理難度較高。

穿越富含水地層時(shí)全斷面掘進(jìn)機(jī)裝備要承受較大的水頭壓力，因此全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中不但應(yīng)考慮因地層條件變化對(duì)全斷面掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行隨掘調(diào)整，同時(shí)要求圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠保證圍巖穩(wěn)定。考慮到可可蓋煤礦斜井要穿越約2 200 m富水洛河組砂巖，初期提出了采用護(hù)盾式和敞開(kāi)式的復(fù)合式全斷面掘進(jìn)機(jī)施工工藝，即洛河組地層采用雙護(hù)盾式全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，并采用管片支護(hù)圍巖，待進(jìn)入安定組后轉(zhuǎn)換成單護(hù)盾式或敞開(kāi)式，并采用錨網(wǎng)噴進(jìn)行圍巖支護(hù)。此種模式不僅可解決承壓水下密封壽命不足的問(wèn)題，又可解決深部管片剛性支護(hù)難以適應(yīng)圍巖變形和承壓的問(wèn)題。

3.2 斜井敞開(kāi)式全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)方案的確定

斜井進(jìn)入白堊系中等風(fēng)化洛河組后，最初設(shè)計(jì)曾提出采用綜掘機(jī)施工一段距離(長(zhǎng)度約800 m)，并在綜掘機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中隨時(shí)檢測(cè)圍巖強(qiáng)度，當(dāng)圍巖強(qiáng)度超過(guò)2.3 MPa 時(shí)，且滿足全斷面掘進(jìn)機(jī)撐靴支撐強(qiáng)度要求時(shí)再改為全斷面掘進(jìn)機(jī)施工。然而由于已有巖巷或斜井工程采用綜掘機(jī)施工效率不高、地層涌水等問(wèn)題，繼而提出并論證了采用護(hù)盾式和敞開(kāi)式的復(fù)合式全斷面掘進(jìn)機(jī)施工工藝，即全斷面掘進(jìn)機(jī)采用雙護(hù)盾模式通過(guò)洛河組地層后，再采用單護(hù)盾或敞開(kāi)模模式繼續(xù)掘進(jìn)，雖然能夠更好地適應(yīng)可可蓋煤礦地層條件，但是存在復(fù)合模式工序復(fù)雜，模式轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)、護(hù)盾式卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題。因此，繼續(xù)探索和論證井口明槽段開(kāi)挖后，可可蓋煤礦斜井采用敞開(kāi)式全斷面掘進(jìn)機(jī)直接進(jìn)硐施工的可行性。

通過(guò)對(duì)鄰近小紀(jì)汗煤礦洛河組段采用230 型綜掘機(jī)施工井筒的現(xiàn)有狀況調(diào)研，該段井筒十余年來(lái)支護(hù)狀態(tài)良好，未發(fā)生圍巖失穩(wěn)坍塌現(xiàn)象。為了進(jìn)一步論證敞開(kāi)式全斷面掘進(jìn)機(jī)施工洛河組地層的可行性，在斜井場(chǎng)地試挖已經(jīng)暴露多年的洛河組地層，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)圍巖錨固效果、圍巖強(qiáng)度和圍巖支撐性能測(cè)試。結(jié)果表明，現(xiàn)場(chǎng)使用挖掘機(jī)挖掘洛河組砂巖，挖掘機(jī)挖痕深度只有2 cm 左右，很難挖掘洛河組巖石；錨桿拉拔試驗(yàn)測(cè)得錨桿拉拔力均能達(dá)到100 kN 以上，高于煤礦巷道支護(hù)錨桿錨固力要求的50 kN，且錨桿托盤(pán)與巖體貼合緊密，無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象；通過(guò)采用DWS25–250/110/90 雙伸縮懸浮單體液壓支柱水平支撐于洛河組圍巖上，用以模擬掘進(jìn)機(jī)撐靴與圍巖之間的相互作用，試驗(yàn)得到單體油缸壓力達(dá)到88 MPa，洛河組圍巖受壓達(dá)33 MPa 時(shí)，圍巖仍未產(chǎn)生潰散、崩裂等破壞現(xiàn)象。

綜合上述分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果判斷，可可蓋井田白堊系洛河組地層圍巖具有一定的自穩(wěn)性能，能夠滿足敞開(kāi)式全斷面掘進(jìn)機(jī)撐靴穩(wěn)定支撐的強(qiáng)度要求，同時(shí)為采用錨網(wǎng)噴支護(hù)工藝的選擇奠定了基礎(chǔ)，從而確定了過(guò)明槽段后采用敞開(kāi)式全斷面掘進(jìn)機(jī)直接掘進(jìn)洛河組地層的方案。

3.3 敞開(kāi)式全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的支護(hù)方式分析

圍巖支護(hù)類(lèi)型的選擇與全斷面掘進(jìn)機(jī)選型密切相關(guān)，斜井井筒穿越的地層除表層薩拉烏蘇組砂層采用大開(kāi)挖施工外，其余區(qū)段考慮采用敞開(kāi)式全斷面掘進(jìn)機(jī)法施工，自上而下穿越的地層分別洛河組砂巖地層，安定組砂巖、泥巖互層地層，直羅組砂巖地層、延安組砂巖地層。基于斜井穿越地層條件，提出了淺部砌碹支護(hù)+深部錨噴支護(hù)、淺部管片支護(hù)+深部錨噴支護(hù)、全斜井管片支護(hù)、全錨噴支護(hù)4 種圍巖支護(hù)方案。通過(guò)對(duì)比分析4 種圍巖支護(hù)方案，得到以下3 點(diǎn)認(rèn)識(shí)：①錨噴支護(hù)施工簡(jiǎn)單，較管片支護(hù)和砌碹支護(hù)成本低，在達(dá)到安全支護(hù)的前提下可降低工程造價(jià)；②采用管片支護(hù)屬于剛性支護(hù)，可可蓋煤礦斜井穿越地層巖性多變，且隨著掘進(jìn)深度的增加，地層壓力不斷提高，不同于一般地鐵隧道埋藏較淺，地壓較小，而錨噴支護(hù)屬于柔性支護(hù)，允許井筒圍巖有適當(dāng)?shù)淖冃?，滿足井筒支護(hù)安全要求即可；③采用管片支護(hù)時(shí)，管片重量大，井筒服役過(guò)程中若出現(xiàn)管片壓裂破壞等情況時(shí)，管片支護(hù)結(jié)構(gòu)拆裝維護(hù)困難，而錨噴支護(hù)出現(xiàn)離層開(kāi)裂等情況時(shí)，維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單。

通過(guò)設(shè)備調(diào)研、技術(shù)論證、經(jīng)濟(jì)分析和施工速度等因素的綜合分析，采用敞開(kāi)式全斷面掘進(jìn)機(jī)施工，在技術(shù)工藝上可行；同時(shí)選擇了斜井圍巖采用錨網(wǎng)噴支護(hù)作為可可蓋煤礦斜井圍巖支護(hù)方式，在局部圍巖較破碎區(qū)段增設(shè)近工作面鋼拱架支護(hù)；為便于施工車(chē)輛通行和提高施工效率，底板采用預(yù)制仰拱塊鋪砌，以減少現(xiàn)澆混凝土底板對(duì)車(chē)輛通行的影響。

4 礦井建設(shè)工期與投資對(duì)比分析

1.3 節(jié)提出的4 版礦井開(kāi)拓方案中，經(jīng)調(diào)研和論證進(jìn)回風(fēng)立井已確定采用鉆井法施工，其建設(shè)工期、經(jīng)濟(jì)和投資成本相差較小，不作為對(duì)比分析的重點(diǎn)對(duì)象。因此，本節(jié)重點(diǎn)對(duì)主副井筒的開(kāi)拓方案建設(shè)工期、經(jīng)濟(jì)與投資成本進(jìn)行分析。

4.1 礦井建設(shè)工期比較

礦井開(kāi)拓方案1 中，主副立井均采用凍結(jié)特殊鑿井法施工，經(jīng)估算分析建井工期約為59.6 個(gè)月；礦井開(kāi)拓方案2 和方案3 中均為主斜副立開(kāi)拓方案，按照主斜井采用全斷面掘進(jìn)機(jī)施工，經(jīng)估算分析建井工期約為48 個(gè)月，副立井采用凍結(jié)特殊鑿井法施工，建井工期約為59.6 個(gè)月；開(kāi)拓方案4 中主副斜井開(kāi)拓方案，按照主副斜井均采用全斷面掘進(jìn)機(jī)施工，建井工期約為48 個(gè)月，相對(duì)于其他開(kāi)拓方案，預(yù)計(jì)可縮短建井工期11.6 個(gè)月。

4.2 礦井建設(shè)經(jīng)濟(jì)分析

以副立井建設(shè)投資為例，若按照采用凍結(jié)特殊鑿井法施工副立井的方案，投資估算35 712 萬(wàn)元；若按照采用凍結(jié)特殊鑿井法施工副斜井的方案，投資估算17 492 萬(wàn)元；若按照采用全斷面掘進(jìn)機(jī)施工副斜井的方案，副斜井長(zhǎng)度5 500 m，造價(jià)按6.33 萬(wàn)元/m計(jì)，總投資估算為34 815 萬(wàn)元。因此，全斷面掘進(jìn)機(jī)施工副斜井相對(duì)于凍結(jié)法施工副立井的方案，估算將減少投資897 萬(wàn)元；相對(duì)于凍結(jié)法施工副斜井的方案，估算將增加投資17 323 萬(wàn)元。

此外，開(kāi)拓方案4 中將可可蓋煤礦工業(yè)廣場(chǎng)選擇西部，位置靠近大海則裝車(chē)站及進(jìn)場(chǎng)公路，外部運(yùn)輸條件便利，進(jìn)場(chǎng)公路、運(yùn)煤鐵路專(zhuān)用線、供電線路距離均較短，節(jié)省投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，估算可節(jié)約鐵路投資47 000 萬(wàn)元，節(jié)約進(jìn)場(chǎng)公路投資8 000萬(wàn)元。同時(shí)西部主副斜井方案，斜井落底后不設(shè)傳統(tǒng)的井底車(chē)場(chǎng)，通過(guò)一段聯(lián)絡(luò)巷直接與輔助運(yùn)輸大巷聯(lián)系，預(yù)計(jì)可縮短工期12 個(gè)月，提前投產(chǎn)盈利約10 億元。主副井筒建設(shè)工期與投資成本分析結(jié)果，見(jiàn)表3。

表3 主副井筒建設(shè)工期與投資成本對(duì)比Table 3 Analysis results of construction period and investment cost of main and auxiliary shaft

5 結(jié) 論

1)為滿足陜西可可蓋煤礦10.0 Mt/a 的產(chǎn)能需求，基于礦井開(kāi)拓方式影響因素的分析，結(jié)合可可蓋井田地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，提出了4 版不同的礦井開(kāi)拓方案；考慮外部運(yùn)輸條件、場(chǎng)地集中便于管理，以及緩坡斜井無(wú)軌膠輪化和無(wú)需換裝等優(yōu)勢(shì)，初步確定了井田西部主副斜井+中部進(jìn)回風(fēng)立井的開(kāi)拓方案。

2)針對(duì)鉆爆法與懸臂掘進(jìn)機(jī)作業(yè)線施工長(zhǎng)距離斜井均存在掘進(jìn)效率低、工序復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題，根據(jù)斜井穿越松散覆蓋層、富含水地層、軟弱破碎地層等不良地層條件，以及主副斜井大斷面、超長(zhǎng)距離、多變角度的工程條件，論證了采用巖石全斷面掘進(jìn)機(jī)施工長(zhǎng)距離全下坡斜井技術(shù)可行。

3)針對(duì)西部白堊系、侏羅系地層煤礦超長(zhǎng)斜井“地層富水、地層多變、巖性軟弱”的復(fù)雜地層條件和“深埋超長(zhǎng)、連續(xù)下坡”的工程特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)敞開(kāi)式、護(hù)盾式與復(fù)合式全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的適應(yīng)性分析，選擇了敞開(kāi)式全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)方案，并采用錨網(wǎng)噴支護(hù)與局部圍巖較破碎區(qū)段增設(shè)近工作面鋼拱架支護(hù)的支護(hù)方式。

4)根據(jù)可可蓋煤礦工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、環(huán)境條件、工程條件、建井技術(shù)、裝備性能、建井工期、投資成本等因素的綜合分析，提出的4 版礦井開(kāi)拓方案均具有一定的適用性，但是第1～3 方案均存在建設(shè)周期長(zhǎng)、井筒需要凍結(jié)施工、爆破安全性差、生產(chǎn)環(huán)節(jié)相對(duì)復(fù)雜等不足；第4 版西部主副斜井開(kāi)拓方案，采用敞開(kāi)式全斷面掘進(jìn)機(jī)施工具有可行性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)且風(fēng)險(xiǎn)可控。

致謝：本文撰寫(xiě)過(guò)程中，陜西延長(zhǎng)石油礦業(yè)有限公司、天地科技股份有限公司、中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司、中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司、陜西延長(zhǎng)石油榆林可可蓋煤業(yè)有限公司、北京中煤礦山工程有限公司等單位與本項(xiàng)目相關(guān)人員參與討論并提出建議，在此一并表示感謝。