第二節 開采水平及水平大巷的布置

一、開采水平的數目及位置

在井田范圍和礦井生產能力確定之后，必須考慮確定合理的開采水平高度，建立開采水平，即確定開采水平的數目和位置。

開采水平的數目取決于井田內煤層斜長或垂高大小、開采煤層數目多少、層間距遠近和傾角陡緩等因素，井田內可設一個或幾個開采水平。

確定開采水平位置就是確定水平高度。水平高度即一個水平服務范圍的上部邊界與下部邊界的標高差。確定合理的水平高度，首先要確定合理的階段高度以及是否采用上下山開采。

1．開采水平垂高確定

合理的開采水平垂高應以合理的階段斜長為前提，并能使開采水平有必需的儲量、合理的服務年限，井田開采有較好的技術經濟效果。

（1）合理的階段斜長

合理的階段斜長是在具體礦井條件下，采用合理的采煤工作面參數、采區巷道布置和生產系統及設備所能達到的階段斜長，主要受以下幾個方面的制約：

①合理的區段數。合理的階段斜長應保證在采煤工作面長度合理的前提下，能劃分出足夠的區段數。為保證采煤工作面和采區的正常接替，采區內要有足夠的區段數。對緩傾斜煤層的階段，區段數可取3～5；對中斜和急傾斜煤層的階段，區段數可取2～3。由此可計算出階段斜長的合理下限值。

②煤的運輸。對開采近水平、緩傾斜和中斜煤層的大中型礦井，上山采用帶式輸送機或溜槽運煤時，其上山斜長一般不因運煤而受限制。而對于急傾斜煤層，過高的溜煤眼長度使掘進和維護都比較困難，溜煤過程中容易沖毀溜煤眼內支架或發生堵眼事故，故溜煤眼高度不宜超過70～100m。

對于上山采用礦車運煤的小型礦井，上山斜長受絞車能力限制，要根據所要求的采區生產能力及采用的絞車型號驗算所能達到的最大階段斜長。

③輔助提升。一般均采用一段單滾筒絞車提升。絞車太大時，在井下運輸和安裝都不方便，故井下用提升絞車的滾筒直徑一般不大于1.6m，這樣纏繩4層時可達880m。對生產能力大的采區，可采用直徑2.0m的提升絞車，滾筒容繩量纏4層時最大可能達1130m，但實際允許上山斜長還要低于此數值。這樣，絞車的容繩量要限制階段斜長。

在煤層傾角較小的條件下，由于受開采技術和設備限制較小，階段斜長可以適當加大。對開采近水平煤層的礦井，用盤區上下山準備時，盤區上山的長度一般不超過2000m，盤區下山不宜超過1500m。用石門盤區準備時，斜長不受此限。煤層傾角小于12°，采用帶區式準備時，上山部分傾斜長度宜為1000～1500m，下山部分傾斜長度宜為700～1200m。

（2）開采水平的儲量及服務年限

開拓一個水平要掘進許多巷道，井型越大，開拓工程量越大，耗費的投資也越多，為了充分發揮這些開拓工程和投資的作用，要求有必需的水平服務年限。從有利于礦井生產和水平接替考慮，開拓一個新水平一般需要3年或更長的時間，生產水平的過渡時間一般不少于2～3年，故水平接替的生產建設相互影響的時間一般需5～8年。為使礦井生產少受開拓延深和生產水平過渡工作的影響，也應有最低的水平服務年限。

在礦井井田走向長度一定的條件下，作為一種約束，要求有與最低水平服務年限相對應的開采水平垂高的下限值。

（3）經濟上有利的水平垂高

從技術與經濟統一的觀點來看，技術上合理的水平垂高，應能獲得較好的經濟效果。經濟上有利的水平垂高受兩方面相互矛盾的因素影響和制約。一方面，在開采水平內要開掘井底車場及硐室、大巷、采區車場和硐室，配備必需的設備，這些開拓工程量和裝備費用是不因水平垂高的大小變化而增減的，水平垂高越大，可采煤量越多，分攤于噸煤可采儲量的工程費用和裝備費用就越小。另一方面，水平垂高越大，階段斜長也越大，要增加采區上下山的巷道維護工程量，加大開采水平的排水高度和排水費，從而使每噸煤的生產費用有所增加。另外，過大的階段斜長可能需要較大型的上下山運輸設備，并增加生產管理的復雜性。

2．下山開采的應用

為擴大開采水平的開采范圍，有時除在開采水平以上布置上山采區外，還可在開采水平以下布置下山采區，進行下山開采。

（1）上下山開采的比較

下山開采與上山開采的比較指的是利用原有開采水平進行下山開采與另設開采水平進行上山開采的比較。上山開采和下山開采在采煤工作面生產方面沒有太大的差別，但在采區運輸、提升、通風、排水和上山（下山）掘進等方面確有許多不同之處，如圖3-4所示。

1．主井；2．副井；3．回風井；4．運輸大巷；5．總回風巷；6．采區上山；7.下山采區中部車場；8．下山采區上部車場；9．采區下山；10．大巷配風巷（作為下山采區總回風巷）;11．下山采區水倉；12．漏風處

圖3-4上下山開采比較圖

①運輸提升方面。上山開采時，煤向下運輸，上山的運輸能力大，輸送機的鋪設長度較長，傾角較大時還可采用自溜運輸，運輸費用較低，但從全礦看，它有折返運輸；下山開采時向上運煤，運輸能力較低，但沒有折返運輸，總的運輸工作量較少。

②排水方面。上山開采時，采區內的涌水可直接流入井底水倉，一次排至地面，排水系統簡單。下山開采時需開掘排水硐室、水倉和安裝排水設備，這樣將增加總的排水工作量和排水費用。此外，若排水系統發生故障（如水倉淤塞、管路損壞等），將影響下山采區的生產。

③掘進方面。下山掘進時裝載、運輸、排水等工序比上山掘進時復雜，因而掘進速度較慢、效率較低、成本較高，尤其是當下山坡度大、涌水量大時，下山掘進更為困難。

④通風方面。上山開采時，新風和污風均向上流動，沿傾斜方向的風路較短，風少；而下山開采時，風流在進風下山和回風下山內流動的方向相反，沿傾斜方向的風路長，漏風嚴重，通風管理比較復雜。當瓦斯涌出量較大時，通風更困難。

⑤基本建設投資方面。采用下山開采時，可以用一個開采水平為兩個階段服務，從而減少了開采水平的數目，延長水平服務年限，可充分利用原有開采水平的井巷和設施，節省開拓和基本建設投資。

總的看來，上山開采在生產技術上較下山開采優越，但在一定條件下，配合應用下山開采，在經濟上則是有利的。

（2）下山開采的應用條件

①對傾角小于16°的緩斜煤層，瓦斯及涌水量不大，下山開采的缺點并不突出。

②對于煤層傾角不大、采用多水平開拓的礦井，開拓延深后提升能力降低的礦井。

③由于開采強度加大、水平服務年限縮短，造成水平接替緊張時，可布置一個或幾個下山采區。

④當井田深部受自然條件限制，儲量不多，深部境界不一，設置開采水平有困難或不經濟時，可在最終開采水平以下設一部分下山采區。

應當注意的是，用上下山開采時，上下山的采區劃分應盡可能一致，相對應的上下山采區的上山和下山應盡可能靠近，使下山采區能利用上山采區的裝車站及煤倉，并盡可能利用上山采區的車場巷道。上山開采與利用主要下山來開采水平是不相同的，利用主要下山開采是在主要下山下部設立開采水平，主要下山即暗斜井，各采區仍為上山開采。

3．輔助水平的應用

為了增大開采水平儲量和延長服務年限等原因，有時需設輔助水平（有的稱之為中間水平）。一般情況下，一個階段由一個開采水平來開采；但當階段斜長較長時，用一個開采水平開采就有一定的困難，這時可在主水平之外的適當位置設一個生產能力小、服務年限短、與主水平大巷相聯系的水平，即輔助水平。輔助水平設有階段大巷，擔負輔助水平的運輸、通風、排水等任務，但不設井底車場，大巷運出的煤需下運到開采水平，經開采水平的井底車場再運至地面。輔助水平大巷離井筒較近時，也可設簡易材料車場，擔負運料、通風或排水任務。

輔助水平主要用于以下幾種情況：

①開采水平上山部分或下山部分斜長過大，可利用輔助水平將其分作兩部分開采。

②井田形狀不規則或煤層傾角變化大，開采水平范圍內局部地段斜長過大，可在該處設置一個用于局部開拓的輔助水平。

③近水平煤層分組開采時，主水平設在上煤組（或下煤組），相應地在下煤組（或上煤組）設置輔助水平，利用暗井（或溜井）與主水平相連接。

設置輔助水平增加了井下的運輸、轉載環節和提升工作量，使生產系統復雜化，占用較多的設備和人員，而且生產分散，不利于集中生產，故一般情況下不采用。

二、開采水平大巷的布置

劃分開采水平后，為進行采煤，要在開采水平布置并開掘一整套開拓巷道，開采水平布置解決的主要問題是確定大巷布置，大巷與煤層（組）、采區的聯系方式及井底車場形式。

大巷擔負著開采水平的煤、矸、物料和人員的運輸以及通風、排水、敷設管線的任務：對大巷的基本要求是便于運輸、利于掘進和維護、能滿足礦井通風安全的需要。根據礦井生產能力和礦井地質條件不同，運輸大巷可選用不同的運輸方式和設備，而不同的運輸設備又對大巷提出了不同的要求。

1．大巷的類型、運輸方式和設備

（1）大巷的類型

按大巷在礦井生產系統中的作用，大巷可分為運輸大巷和回風大巷。由于開采水平的運輸大巷最為重要，起著主導和定向的作用，回風大巷要配合運輸大巷布置。對多水平開采的礦井，上水平的運輸大巷常作為下水平的回風大巷，故通常在不另加說明時，大巷即指運輸大巷。

按運輸功能劃分，大巷可分為主要運輸（運煤）大巷和輔助運輸大巷。大多數礦井的大巷采用礦車軌道運輸，運煤和輔助運輸由同一條大巷承擔。大巷采用帶式輸送機運煤時，要另設輔助運輸大巷。輔助運輸大巷采用軌道運輸時又稱為軌道大巷，如礦井生產能力不很大、輔助運輸工作量較小時，也可設機軌合一的一條大巷。

按大巷所在的層位劃分，有巖層大巷和煤層大巷；按大巷在開采水平的布置方式劃分，有分層大巷、集中大巷、分組集中大巷及平行多大巷。不同類型的大巷在布置上有不同的要求。

（2）大巷的運輸方式和設備

我國各類井型的礦井大巷一般采用礦車運輸，少部分大中型礦井大巷用帶式輸送機運煤，而矸石、物料仍采用礦車運輸。

①軌道運輸。軌道運輸大巷的軌距一般有600mm和900mm兩種。所使用的礦車類型有1t、3t固定式礦車和3t、5t底卸式礦車。小型礦井可用2.5t蓄電池電機車或無極繩絞車牽引，年產0.6Mt以下的礦井選用7t架線式電機車；年產0.9～1.8Mt的礦井可選用10t架線式電機車；年產2.4Mt的礦井可選用14t架線式電機車；對于高瓦斯礦井可選用8t蓄電池電機車。

大巷采用礦車運煤的優點是礦車運煤可同時統一解決煤炭、砰石、物料和人員的運輸問題；運輸能力大，機動性強，隨著運距和運量的變化可以增減列車數；能滿足不同煤種煤炭的分采分運要求；對巷道直線度要求不高，能適應長距離運輸；噸公里運輸費比較低似足，軌道礦車運輸是不連續運輸，井型越大，列車的調度工作越緊張，其運輸能力受到限制。

大巷采用礦車軌道運煤時，應根據運量、運距選擇機車和礦車。根據我國煤礦裝備標準化、系列化和定型化的要求，不同生產能力礦井的大巷運輸礦車類型可參照表3-1選取。

表3-1不同生產能力礦井的大巷運輸設備

②帶式輸送機運輸。片下運輸大巷中使用的帶式輸送機，主要有鋼絲繩芯帶式輸送機和鋼絲繩牽引帶式輸送機兩種類型。

帶式輸送機運煤的優點是能實現大巷連續化運輸，運輸能力大；操作簡單，比較容易實現自動化；裝卸載設備少，卸載均勻。

似是帶式輸送機不適應按不同煤種的分采分運，并要求大巷要直。因此對于運量大、運距較短、煤種單一、裝載點少、大巷比較直的礦井，適于采用帶式輸送機運輸。

采用帶式輸送機運煤時一般需另開一條輔助運輸大巷，通常采用電機車牽引礦車、材料車和乘人牟分別運送矸石、材料和人員，或采用多臺無極繩絞車或小絞車運送砰石和物料，其缺點是運輸環節多、用工量大、安全性差、效率低。我國已逐步研制出新型的輔助運輸設備，如單軌吊車、卡軌車和齒軌車等，可有效地解決這一問題。

目前，在特大型礦井中，大巷采用帶式輸送機運輸是實現高產高效開采的重要措施。

2．主要運輸大巷的布置

（1）運輸大巷的位置

運輸大巷服務于整個開采水平的煤炭運輸和輔助運輸（人員、矸石、材料、設備等）以及通風、排水和管線敷設，服務時間很長。當采用單水平開拓、主要運輸大巷要為全礦井生成服務時，其使用年限更長，位置選擇更要十分慎重。

①煤層大巷。氣煤層頂底板較穩定，煤層較堅硬，易維護，煤層起伏小和斷層、褶皺少時，可保證巷道較為平直，有利于運輸設備運行；沒有瓦斯與煤的突出，無嚴重自然發火等情況下，應優先考慮采用煤層大巷。

對于新建礦井，在煤層中布置巷道，還有早出煤、早投產、節省投資以及可探明地質情況等優點。

因此，對于煤層賦存條件較好的礦井，在煤層中布置大巷和其他巷道是利大于弊的，應盡量推行煤層大巷布置。

下列情況宜于布置煤層大巷：a．單獨開拓的薄煤層及中厚煤層；b．煤層群中相距較遠的單個薄煤層和中厚煤層，走向不大，資源/儲量有限、服務年限短的；c．煤層群（組）下部的薄及中厚煤層中開集中大巷的；d．煤層堅硬，圍巖穩定，維護簡單，費用不高的煤層；e．煤系底部有強含水層或富含水的巖溶時，不宜布置底板大巷的；f．煤層堅硬而頂底板松軟或膨脹，難以維護的。

②巖石大巷。巖石大巷的優點很多，如維護條件好，費用少。大巷方向、坡度可根據運輸等功能要求選定，而較少受地質構造的影響。可不留（或少留）護巷煤柱，煤的損失少，安全條件好，受煤和瓦斯突出以及自然發火等影響小。它的缺點主要是巖石工程量大，掘進速度慢，投資費用高，建設工期長。

巖石大巷位置的選擇視大巷至煤層的距離以及巖層的巖性而定，為避開開采形成支承壓力的不利影響，大巷應與煤層保持一定距離。根據我國經驗，按圍巖的性質、煤層賦存的深度、控制頂板的方法等不同，巖石大巷距煤層的距離一般為10～30m，如圖3-5所示。同時還要認真選擇巖石大巷所處層位的巖性，避免在巖性松軟、吸水膨脹、易于風化、強含水的巖層中布置大巷。

圖3-5大巷煤層距離

對于急傾斜煤層，還要注意使大巷避免其下部開采時底板滑動的影響，應將巷道布置在底板滑動線外，并要留出適當的安全巖柱，其寬度b可取10～20m，大巷的位置如圖3-6所示。

α．巖層底板滑動角；β．巖層移動角

圖3-6急傾斜煤層的巖石運輸大巷布置示意圖

為了保護大巷不受破壞，一定要留有足夠的大巷保護煤柱，如圖3-7所示。煤柱的寬度應根據大巷的最大垂深、煤層傾角、煤層厚度、煤的單向抗壓強度、煤層至大巷的法線距離、其間的巖石性質等進行計算。

圖3-7大巷與保護煤柱

（2）運輸大巷的布置方式

運輸大巷的布置是開采水平布置的核心問題，其布置方式主要根據煤層的數目和層間距來確定，一般有單煤層布置（分煤層運輸大巷）、分煤組布置（分組集中運輸大巷）、全煤組集中布置（集中運輸大巷）等布置方式。

①單煤層布置。自井底車場開掘主要石門后，分煤層設置水平運輸大巷，如圖3-8所示。對于近水平煤層可以采用主要溜井或暗井進行聯系，在溜井的上部或暗井的下部設置輔助水平。

圖3-8分煤層大巷和主要石門布置圖

②分煤組布置。在煤層群中，以相近的煤層為一組設集中大巷，由集中運輸大巷開掘采區石門與各煤層聯系，自井底車場開掘主石門與各分組集中大巷貫通，如圖3-9所示。

1．主井；2．副井；3．井底車場；4．主要石門；5．集中運輸大巷；6．采區石門；7．煤層；8．集中回風大巷；9．回風井

圖3-9分組集中運輸大巷

③全煤組集中布置。在開采近距離煤層群時，只開掘一條水平集中運輸大巷，用采區石門聯系各煤層，如圖3-10所示。

1．主井；2．副井；3．井底車場；4．主要石門；5．集中運輸大巷；6．采區石門；7．集中回風大巷；8．回風井

圖3-10集中運輸大巷和采區石門布置圖

④平行多大巷布置。對開采近水平煤層的礦井，由于進風和回風的需要，或主輔運輸分離的要求，通常是沿煤層主要延展方向平行布置一對或一組3條大巷，一條鋪設帶式輸送機運煤，一條作為輔助運輸，一條用于回風。當井田范圍很大或采用分區域開拓時，成對或成組的大巷可不受煤層走向和傾向的限制，而根據服務的盤區、帶區或分區域劃分的具體情況，沿有利于開采的方向，對角、轉折或分支布置，形成多大巷布置方式，這是近水平煤層大巷布置獨具的特點。

當礦井采用連續采煤機房柱式開采時，采掘設備統一，采掘工藝合一，為發揮采掘成套設備的效能，要求煤層大巷掘進實行多頭輪流作業，因而在煤層內成組布置平行大巷，每組大巷由3～12條組成，形成煤層多大巷布置。這是美國煤礦典型的大巷布置方式，我國黃陵一號礦亦采用該布置方式，如圖3-11所示。

1．主平硐；2、3．副平硐；4．回風井；5、6、11、12．回風大巷；7．帶式輸送機大巷；8．軌道大巷；9、10．進風大巷

圖3-11多大巷布置圖

該礦采用平硐開拓，平行布置8條大巷，大巷寬5m，大巷間距20m，每隔25m用聯絡巷連接，形成20m×25m的巷間煤柱，在大巷兩側布置盤區。為便于兩側盤區的進風和回風，要在適當位置設風墻、風橋、風簾等設施。為降低通風阻力、減少漏風，大巷風速宜控制在2.5～3.0m/s，據此確定大巷的斷面和條數。這種布置方式屬于分層大巷布置，適于開采近水平薄及中厚煤層的礦井，要求頂板和煤層中等穩定以上，底板比較平整，瓦斯涌出量不大，煤層不易自燃，維護條件好，采深不大于300～500m。

3．總回風巷布置

總回風巷的位置需在礦井開拓和通風系統中統一考慮。

在井田開拓中，第一水平總回風巷一般布置在第一水平上山采區的上部，沿井田走向的上部邊界。下一水平的總回風巷常可利用上水平的運輸大巷。在上下水平交替期間仍可利用上一水平的總回風巷。

第一水平（或全礦井）沿走向的總回風巷標高應盡可能一致，以便于掘進和維護，若因露頭深淺不一、開采高度不同而上部邊界標高相差較大時，總回風巷可按不同標高分段布置，但應盡量減少分段數，分段之間由斜巷連接。當總回風巷進行輔助運輸時，應考慮相應的提運設施。

當多水平同時生產時，為使上水平的進風與下水平的回風互不干擾，一般要在上下水平間布置一條與運輸大巷平行的下水平總回風巷，也可以利用掘進運輸時的配風巷。平行的運輸大巷和總回風巷的間距一般應大于30m，并采取措施以減少漏風。

在煤層埋藏淺、沖積層不厚、不含水、能用普通方法掘進小風井（斜井或立井）時，可采用采區風井或幾個采區共用風井通風，不設或只設一段總回風巷。

在煤層上覆有含水沖擊層時，在井田淺部開采邊界要留設防水煤柱。第一水平總回風巷口風巷可設在防水巖柱內。在避免工作面開采動壓影響的條件下，要靠近采區上部第一個工作面的回風巷。

近水平及緩傾斜煤層的總回風巷，常與運輸大巷平行并列布置。當開拓煤層群時，根據開拓方式，運輸大巷與總回風巷可放在同一層位，也可放在不同層位。在同一層位時，兩者應有必要的間距（不小于30m）以減少漏風；在不同層位時，兩者可上下重疊布置以減少煤柱損失。

緩傾斜煤層群的總回風巷一般可設在煤層群下部穩定的煤層或底板中。層間距較大、傾角較小時，也可把總回風巷設在煤層群的上部。

對于傾斜或急傾斜煤層，總回風巷一般應設在最下一個可采煤層底板不受開采影響的穩定巖層中。有條件的傾斜煤層也可將總回風巷設在最下部的可采煤層中。

采用多井筒分區開拓的礦井，不設全礦井的總回風巷。根據各分區的開拓部署，設置各自的總回風巷。