第二节 开采水平及水平大巷的布置

一、开采水平的数目及位置

在井田范围和矿井生产能力确定之后，必须考虑确定合理的开采水平高度，建立开采水平，即确定开采水平的数目和位置。

开采水平的数目取决于井田内煤层斜长或垂高大小、开采煤层数目多少、层间距远近和倾角陡缓等因素，井田内可设一个或几个开采水平。

确定开采水平位置就是确定水平高度。水平高度即一个水平服务范围的上部边界与下部边界的标高差。确定合理的水平高度，首先要确定合理的阶段高度以及是否采用上下山开采。

1．开采水平垂高确定

合理的开采水平垂高应以合理的阶段斜长为前提，并能使开采水平有必需的储量、合理的服务年限，井田开采有较好的技术经济效果。

（1）合理的阶段斜长

合理的阶段斜长是在具体矿井条件下，采用合理的采煤工作面参数、采区巷道布置和生产系统及设备所能达到的阶段斜长，主要受以下几个方面的制约：

①合理的区段数。合理的阶段斜长应保证在采煤工作面长度合理的前提下，能划分出足够的区段数。为保证采煤工作面和采区的正常接替，采区内要有足够的区段数。对缓倾斜煤层的阶段，区段数可取3～5；对中斜和急倾斜煤层的阶段，区段数可取2～3。由此可计算出阶段斜长的合理下限值。

②煤的运输。对开采近水平、缓倾斜和中斜煤层的大中型矿井，上山采用带式输送机或溜槽运煤时，其上山斜长一般不因运煤而受限制。而对于急倾斜煤层，过高的溜煤眼长度使掘进和维护都比较困难，溜煤过程中容易冲毁溜煤眼内支架或发生堵眼事故，故溜煤眼高度不宜超过70～100m。

对于上山采用矿车运煤的小型矿井，上山斜长受绞车能力限制，要根据所要求的采区生产能力及采用的绞车型号验算所能达到的最大阶段斜长。

③辅助提升。一般均采用一段单滚筒绞车提升。绞车太大时，在井下运输和安装都不方便，故井下用提升绞车的滚筒直径一般不大于1.6m，这样缠绳4层时可达880m。对生产能力大的采区，可采用直径2.0m的提升绞车，滚筒容绳量缠4层时最大可能达1130m，但实际允许上山斜长还要低于此数值。这样，绞车的容绳量要限制阶段斜长。

在煤层倾角较小的条件下，由于受开采技术和设备限制较小，阶段斜长可以适当加大。对开采近水平煤层的矿井，用盘区上下山准备时，盘区上山的长度一般不超过2000m，盘区下山不宜超过1500m。用石门盘区准备时，斜长不受此限。煤层倾角小于12°，采用带区式准备时，上山部分倾斜长度宜为1000～1500m，下山部分倾斜长度宜为700～1200m。

（2）开采水平的储量及服务年限

开拓一个水平要掘进许多巷道，井型越大，开拓工程量越大，耗费的投资也越多，为了充分发挥这些开拓工程和投资的作用，要求有必需的水平服务年限。从有利于矿井生产和水平接替考虑，开拓一个新水平一般需要3年或更长的时间，生产水平的过渡时间一般不少于2～3年，故水平接替的生产建设相互影响的时间一般需5～8年。为使矿井生产少受开拓延深和生产水平过渡工作的影响，也应有最低的水平服务年限。

在矿井井田走向长度一定的条件下，作为一种约束，要求有与最低水平服务年限相对应的开采水平垂高的下限值。

（3）经济上有利的水平垂高

从技术与经济统一的观点来看，技术上合理的水平垂高，应能获得较好的经济效果。经济上有利的水平垂高受两方面相互矛盾的因素影响和制约。一方面，在开采水平内要开掘井底车场及硐室、大巷、采区车场和硐室，配备必需的设备，这些开拓工程量和装备费用是不因水平垂高的大小变化而增减的，水平垂高越大，可采煤量越多，分摊于吨煤可采储量的工程费用和装备费用就越小。另一方面，水平垂高越大，阶段斜长也越大，要增加采区上下山的巷道维护工程量，加大开采水平的排水高度和排水费，从而使每吨煤的生产费用有所增加。另外，过大的阶段斜长可能需要较大型的上下山运输设备，并增加生产管理的复杂性。

2．下山开采的应用

为扩大开采水平的开采范围，有时除在开采水平以上布置上山采区外，还可在开采水平以下布置下山采区，进行下山开采。

（1）上下山开采的比较

下山开采与上山开采的比较指的是利用原有开采水平进行下山开采与另设开采水平进行上山开采的比较。上山开采和下山开采在采煤工作面生产方面没有太大的差别，但在采区运输、提升、通风、排水和上山（下山）掘进等方面确有许多不同之处，如图3-4所示。

1．主井；2．副井；3．回风井；4．运输大巷；5．总回风巷；6．采区上山；7.下山采区中部车场；8．下山采区上部车场；9．采区下山；10．大巷配风巷（作为下山采区总回风巷）;11．下山采区水仓；12．漏风处

图3-4上下山开采比较图

①运输提升方面。上山开采时，煤向下运输，上山的运输能力大，输送机的铺设长度较长，倾角较大时还可采用自溜运输，运输费用较低，但从全矿看，它有折返运输；下山开采时向上运煤，运输能力较低，但没有折返运输，总的运输工作量较少。

②排水方面。上山开采时，采区内的涌水可直接流入井底水仓，一次排至地面，排水系统简单。下山开采时需开掘排水硐室、水仓和安装排水设备，这样将增加总的排水工作量和排水费用。此外，若排水系统发生故障（如水仓淤塞、管路损坏等），将影响下山采区的生产。

③掘进方面。下山掘进时装载、运输、排水等工序比上山掘进时复杂，因而掘进速度较慢、效率较低、成本较高，尤其是当下山坡度大、涌水量大时，下山掘进更为困难。

④通风方面。上山开采时，新风和污风均向上流动，沿倾斜方向的风路较短，风少；而下山开采时，风流在进风下山和回风下山内流动的方向相反，沿倾斜方向的风路长，漏风严重，通风管理比较复杂。当瓦斯涌出量较大时，通风更困难。

⑤基本建设投资方面。采用下山开采时，可以用一个开采水平为两个阶段服务，从而减少了开采水平的数目，延长水平服务年限，可充分利用原有开采水平的井巷和设施，节省开拓和基本建设投资。

总的看来，上山开采在生产技术上较下山开采优越，但在一定条件下，配合应用下山开采，在经济上则是有利的。

（2）下山开采的应用条件

①对倾角小于16°的缓斜煤层，瓦斯及涌水量不大，下山开采的缺点并不突出。

②对于煤层倾角不大、采用多水平开拓的矿井，开拓延深后提升能力降低的矿井。

③由于开采强度加大、水平服务年限缩短，造成水平接替紧张时，可布置一个或几个下山采区。

④当井田深部受自然条件限制，储量不多，深部境界不一，设置开采水平有困难或不经济时，可在最终开采水平以下设一部分下山采区。

应当注意的是，用上下山开采时，上下山的采区划分应尽可能一致，相对应的上下山采区的上山和下山应尽可能靠近，使下山采区能利用上山采区的装车站及煤仓，并尽可能利用上山采区的车场巷道。上山开采与利用主要下山来开采水平是不相同的，利用主要下山开采是在主要下山下部设立开采水平，主要下山即暗斜井，各采区仍为上山开采。

3．辅助水平的应用

为了增大开采水平储量和延长服务年限等原因，有时需设辅助水平（有的称之为中间水平）。一般情况下，一个阶段由一个开采水平来开采；但当阶段斜长较长时，用一个开采水平开采就有一定的困难，这时可在主水平之外的适当位置设一个生产能力小、服务年限短、与主水平大巷相联系的水平，即辅助水平。辅助水平设有阶段大巷，担负辅助水平的运输、通风、排水等任务，但不设井底车场，大巷运出的煤需下运到开采水平，经开采水平的井底车场再运至地面。辅助水平大巷离井筒较近时，也可设简易材料车场，担负运料、通风或排水任务。

辅助水平主要用于以下几种情况：

①开采水平上山部分或下山部分斜长过大，可利用辅助水平将其分作两部分开采。

②井田形状不规则或煤层倾角变化大，开采水平范围内局部地段斜长过大，可在该处设置一个用于局部开拓的辅助水平。

③近水平煤层分组开采时，主水平设在上煤组（或下煤组），相应地在下煤组（或上煤组）设置辅助水平，利用暗井（或溜井）与主水平相连接。

设置辅助水平增加了井下的运输、转载环节和提升工作量，使生产系统复杂化，占用较多的设备和人员，而且生产分散，不利于集中生产，故一般情况下不采用。

二、开采水平大巷的布置

划分开采水平后，为进行采煤，要在开采水平布置并开掘一整套开拓巷道，开采水平布置解决的主要问题是确定大巷布置，大巷与煤层（组）、采区的联系方式及井底车场形式。

大巷担负着开采水平的煤、矸、物料和人员的运输以及通风、排水、敷设管线的任务：对大巷的基本要求是便于运输、利于掘进和维护、能满足矿井通风安全的需要。根据矿井生产能力和矿井地质条件不同，运输大巷可选用不同的运输方式和设备，而不同的运输设备又对大巷提出了不同的要求。

1．大巷的类型、运输方式和设备

（1）大巷的类型

按大巷在矿井生产系统中的作用，大巷可分为运输大巷和回风大巷。由于开采水平的运输大巷最为重要，起着主导和定向的作用，回风大巷要配合运输大巷布置。对多水平开采的矿井，上水平的运输大巷常作为下水平的回风大巷，故通常在不另加说明时，大巷即指运输大巷。

按运输功能划分，大巷可分为主要运输（运煤）大巷和辅助运输大巷。大多数矿井的大巷采用矿车轨道运输，运煤和辅助运输由同一条大巷承担。大巷采用带式输送机运煤时，要另设辅助运输大巷。辅助运输大巷采用轨道运输时又称为轨道大巷，如矿井生产能力不很大、辅助运输工作量较小时，也可设机轨合一的一条大巷。

按大巷所在的层位划分，有岩层大巷和煤层大巷；按大巷在开采水平的布置方式划分，有分层大巷、集中大巷、分组集中大巷及平行多大巷。不同类型的大巷在布置上有不同的要求。

（2）大巷的运输方式和设备

我国各类井型的矿井大巷一般采用矿车运输，少部分大中型矿井大巷用带式输送机运煤，而矸石、物料仍采用矿车运输。

①轨道运输。轨道运输大巷的轨距一般有600mm和900mm两种。所使用的矿车类型有1t、3t固定式矿车和3t、5t底卸式矿车。小型矿井可用2.5t蓄电池电机车或无极绳绞车牵引，年产0.6Mt以下的矿井选用7t架线式电机车；年产0.9～1.8Mt的矿井可选用10t架线式电机车；年产2.4Mt的矿井可选用14t架线式电机车；对于高瓦斯矿井可选用8t蓄电池电机车。

大巷采用矿车运煤的优点是矿车运煤可同时统一解决煤炭、砰石、物料和人员的运输问题；运输能力大，机动性强，随着运距和运量的变化可以增减列车数；能满足不同煤种煤炭的分采分运要求；对巷道直线度要求不高，能适应长距离运输；吨公里运输费比较低似足，轨道矿车运输是不连续运输，井型越大，列车的调度工作越紧张，其运输能力受到限制。

大巷采用矿车轨道运煤时，应根据运量、运距选择机车和矿车。根据我国煤矿装备标准化、系列化和定型化的要求，不同生产能力矿井的大巷运输矿车类型可参照表3-1选取。

表3-1不同生产能力矿井的大巷运输设备

②带式输送机运输。片下运输大巷中使用的带式输送机，主要有钢丝绳芯带式输送机和钢丝绳牵引带式输送机两种类型。

带式输送机运煤的优点是能实现大巷连续化运输，运输能力大；操作简单，比较容易实现自动化；装卸载设备少，卸载均匀。

似是带式输送机不适应按不同煤种的分采分运，并要求大巷要直。因此对于运量大、运距较短、煤种单一、装载点少、大巷比较直的矿井，适于采用带式输送机运输。

采用带式输送机运煤时一般需另开一条辅助运输大巷，通常采用电机车牵引矿车、材料车和乘人牟分别运送矸石、材料和人员，或采用多台无极绳绞车或小绞车运送砰石和物料，其缺点是运输环节多、用工量大、安全性差、效率低。我国已逐步研制出新型的辅助运输设备，如单轨吊车、卡轨车和齿轨车等，可有效地解决这一问题。

目前，在特大型矿井中，大巷采用带式输送机运输是实现高产高效开采的重要措施。

2．主要运输大巷的布置

（1）运输大巷的位置

运输大巷服务于整个开采水平的煤炭运输和辅助运输（人员、矸石、材料、设备等）以及通风、排水和管线敷设，服务时间很长。当采用单水平开拓、主要运输大巷要为全矿井生成服务时，其使用年限更长，位置选择更要十分慎重。

①煤层大巷。气煤层顶底板较稳定，煤层较坚硬，易维护，煤层起伏小和断层、褶皱少时，可保证巷道较为平直，有利于运输设备运行；没有瓦斯与煤的突出，无严重自然发火等情况下，应优先考虑采用煤层大巷。

对于新建矿井，在煤层中布置巷道，还有早出煤、早投产、节省投资以及可探明地质情况等优点。

因此，对于煤层赋存条件较好的矿井，在煤层中布置大巷和其他巷道是利大于弊的，应尽量推行煤层大巷布置。

下列情况宜于布置煤层大巷：a．单独开拓的薄煤层及中厚煤层；b．煤层群中相距较远的单个薄煤层和中厚煤层，走向不大，资源/储量有限、服务年限短的；c．煤层群（组）下部的薄及中厚煤层中开集中大巷的；d．煤层坚硬，围岩稳定，维护简单，费用不高的煤层；e．煤系底部有强含水层或富含水的岩溶时，不宜布置底板大巷的；f．煤层坚硬而顶底板松软或膨胀，难以维护的。

②岩石大巷。岩石大巷的优点很多，如维护条件好，费用少。大巷方向、坡度可根据运输等功能要求选定，而较少受地质构造的影响。可不留（或少留）护巷煤柱，煤的损失少，安全条件好，受煤和瓦斯突出以及自然发火等影响小。它的缺点主要是岩石工程量大，掘进速度慢，投资费用高，建设工期长。

岩石大巷位置的选择视大巷至煤层的距离以及岩层的岩性而定，为避开开采形成支承压力的不利影响，大巷应与煤层保持一定距离。根据我国经验，按围岩的性质、煤层赋存的深度、控制顶板的方法等不同，岩石大巷距煤层的距离一般为10～30m，如图3-5所示。同时还要认真选择岩石大巷所处层位的岩性，避免在岩性松软、吸水膨胀、易于风化、强含水的岩层中布置大巷。

图3-5大巷煤层距离

对于急倾斜煤层，还要注意使大巷避免其下部开采时底板滑动的影响，应将巷道布置在底板滑动线外，并要留出适当的安全岩柱，其宽度b可取10～20m，大巷的位置如图3-6所示。

α．岩层底板滑动角；β．岩层移动角

图3-6急倾斜煤层的岩石运输大巷布置示意图

为了保护大巷不受破坏，一定要留有足够的大巷保护煤柱，如图3-7所示。煤柱的宽度应根据大巷的最大垂深、煤层倾角、煤层厚度、煤的单向抗压强度、煤层至大巷的法线距离、其间的岩石性质等进行计算。

图3-7大巷与保护煤柱

（2）运输大巷的布置方式

运输大巷的布置是开采水平布置的核心问题，其布置方式主要根据煤层的数目和层间距来确定，一般有单煤层布置（分煤层运输大巷）、分煤组布置（分组集中运输大巷）、全煤组集中布置（集中运输大巷）等布置方式。

①单煤层布置。自井底车场开掘主要石门后，分煤层设置水平运输大巷，如图3-8所示。对于近水平煤层可以采用主要溜井或暗井进行联系，在溜井的上部或暗井的下部设置辅助水平。

图3-8分煤层大巷和主要石门布置图

②分煤组布置。在煤层群中，以相近的煤层为一组设集中大巷，由集中运输大巷开掘采区石门与各煤层联系，自井底车场开掘主石门与各分组集中大巷贯通，如图3-9所示。

1．主井；2．副井；3．井底车场；4．主要石门；5．集中运输大巷；6．采区石门；7．煤层；8．集中回风大巷；9．回风井

图3-9分组集中运输大巷

③全煤组集中布置。在开采近距离煤层群时，只开掘一条水平集中运输大巷，用采区石门联系各煤层，如图3-10所示。

1．主井；2．副井；3．井底车场；4．主要石门；5．集中运输大巷；6．采区石门；7．集中回风大巷；8．回风井

图3-10集中运输大巷和采区石门布置图

④平行多大巷布置。对开采近水平煤层的矿井，由于进风和回风的需要，或主辅运输分离的要求，通常是沿煤层主要延展方向平行布置一对或一组3条大巷，一条铺设带式输送机运煤，一条作为辅助运输，一条用于回风。当井田范围很大或采用分区域开拓时，成对或成组的大巷可不受煤层走向和倾向的限制，而根据服务的盘区、带区或分区域划分的具体情况，沿有利于开采的方向，对角、转折或分支布置，形成多大巷布置方式，这是近水平煤层大巷布置独具的特点。

当矿井采用连续采煤机房柱式开采时，采掘设备统一，采掘工艺合一，为发挥采掘成套设备的效能，要求煤层大巷掘进实行多头轮流作业，因而在煤层内成组布置平行大巷，每组大巷由3～12条组成，形成煤层多大巷布置。这是美国煤矿典型的大巷布置方式，我国黄陵一号矿亦采用该布置方式，如图3-11所示。

1．主平硐；2、3．副平硐；4．回风井；5、6、11、12．回风大巷；7．带式输送机大巷；8．轨道大巷；9、10．进风大巷

图3-11多大巷布置图

该矿采用平硐开拓，平行布置8条大巷，大巷宽5m，大巷间距20m，每隔25m用联络巷连接，形成20m×25m的巷间煤柱，在大巷两侧布置盘区。为便于两侧盘区的进风和回风，要在适当位置设风墙、风桥、风帘等设施。为降低通风阻力、减少漏风，大巷风速宜控制在2.5～3.0m/s，据此确定大巷的断面和条数。这种布置方式属于分层大巷布置，适于开采近水平薄及中厚煤层的矿井，要求顶板和煤层中等稳定以上，底板比较平整，瓦斯涌出量不大，煤层不易自燃，维护条件好，采深不大于300～500m。

3．总回风巷布置

总回风巷的位置需在矿井开拓和通风系统中统一考虑。

在井田开拓中，第一水平总回风巷一般布置在第一水平上山采区的上部，沿井田走向的上部边界。下一水平的总回风巷常可利用上水平的运输大巷。在上下水平交替期间仍可利用上一水平的总回风巷。

第一水平（或全矿井）沿走向的总回风巷标高应尽可能一致，以便于掘进和维护，若因露头深浅不一、开采高度不同而上部边界标高相差较大时，总回风巷可按不同标高分段布置，但应尽量减少分段数，分段之间由斜巷连接。当总回风巷进行辅助运输时，应考虑相应的提运设施。

当多水平同时生产时，为使上水平的进风与下水平的回风互不干扰，一般要在上下水平间布置一条与运输大巷平行的下水平总回风巷，也可以利用掘进运输时的配风巷。平行的运输大巷和总回风巷的间距一般应大于30m，并采取措施以减少漏风。

在煤层埋藏浅、冲积层不厚、不含水、能用普通方法掘进小风井（斜井或立井）时，可采用采区风井或几个采区共用风井通风，不设或只设一段总回风巷。

在煤层上覆有含水冲击层时，在井田浅部开采边界要留设防水煤柱。第一水平总回风巷口风巷可设在防水岩柱内。在避免工作面开采动压影响的条件下，要靠近采区上部第一个工作面的回风巷。

近水平及缓倾斜煤层的总回风巷，常与运输大巷平行并列布置。当开拓煤层群时，根据开拓方式，运输大巷与总回风巷可放在同一层位，也可放在不同层位。在同一层位时，两者应有必要的间距（不小于30m）以减少漏风；在不同层位时，两者可上下重叠布置以减少煤柱损失。

缓倾斜煤层群的总回风巷一般可设在煤层群下部稳定的煤层或底板中。层间距较大、倾角较小时，也可把总回风巷设在煤层群的上部。

对于倾斜或急倾斜煤层，总回风巷一般应设在最下一个可采煤层底板不受开采影响的稳定岩层中。有条件的倾斜煤层也可将总回风巷设在最下部的可采煤层中。

采用多井筒分区开拓的矿井，不设全矿井的总回风巷。根据各分区的开拓部署，设置各自的总回风巷。