前言
在采矿工程领域，井筒作为连接地表与地下矿体的关键通道，其位置的选定对于整个采矿作业而言，犹如基石之于高楼，起着根本性的决定作用。井筒垂直矿体走向位置的确定，绝非简单的选址问题，而是一个综合性的决策过程，其合理性紧密关联着开采效率、成本控制以及作业安全等核心要素。
从开采效率层面来看，恰当的井筒位置能够构建更为高效的井下运输系统。以某金属矿山为例，在早期规划中，由于井筒位置偏离矿体中心，导致矿石运输路线冗长且复杂，运输设备的能耗大幅增加，运输效率却极为低下。而在重新优化井筒位置后，运输距离显著缩短，运输效率提升了近 30%，使得矿山的整体开采效率得到了质的飞跃。这充分表明，合理的井筒垂直矿体走向位置能够极大地优化运输流程，减少矿石在井下的周转时间，从而为高效开采提供有力保障。
成本控制方面，井筒位置直接影响着基建成本与运营成本。井筒位置的选择决定了井巷工程的长度和难度。若井筒位置不当，可能需要挖掘更长的巷道，增加支护难度，这无疑会大幅提高基建投资。同时，在后续的运营过程中，运输成本、通风成本等也会因井筒位置的不合理而居高不下。相反，科学选定井筒位置，能够有效缩短井巷长度，降低支护成本，并且优化通风系统，减少能耗，从而实现全生命周期成本的有效控制。
安全问题更是重中之重。井筒作为人员、设备和物资进出的通道，其位置的安全性关乎整个矿山的生产安全。如果井筒处于地质条件不稳定的区域，如断层附近或受采动影响较大的区域，在开采过程中极易引发井筒变形、坍塌等事故，严重威胁人员生命安全和矿山财产安全。此外，井筒位置还需考虑与地表建筑物、构筑物的相对位置关系，避免在开采过程中对地表设施造成破坏，引发次生灾害。
关键概念解析
（一）地表移动带与保护带
地表移动带的形成源于地下矿体的开采活动。当矿体被采出后，其周围原本处于平衡状态的岩体失去支撑，应力重新分布，从而引发岩体的移动和变形。这种变形向上传递，最终导致地表产生移动和沉降，形成地表移动带。其范围的确定是一个复杂的过程，需要综合考虑多个因素。地质条件是关键因素之一，包括岩石的力学性质、地质构造等。不同的岩石力学性质决定了其在采动影响下的变形特征和破坏程度。例如，坚硬的岩石在采动初期可能表现出较小的变形，但随着开采的进行，一旦达到其强度极限，可能会发生突然的垮落，导致地表移动范围迅速扩大；而软弱岩石则可能在采动初期就产生较大的变形，地表移动范围相对较易确定。地质构造如断层、褶皱等会改变岩体的完整性和应力传递路径，使得地表移动带的范围和形态变得更加复杂。采矿方法也对地表移动带范围有着显著影响。不同的采矿方法，如空场采矿法、充填采矿法、崩落采矿法等，对岩体的破坏程度和方式各不相同。空场采矿法在采空区形成后，若不及时进行处理，随着采空区的扩大，岩体的稳定性逐渐降低，地表移动带范围会不断扩展；充填采矿法通过向采空区充填材料，能够有效支撑岩体，减小岩体的变形和移动，从而限制地表移动带的范围；崩落采矿法则是人为地使上覆岩层崩落，以控制地压和处理采空区，这种方法通常会导致较大范围的地表移动。
保护带，是指在地表移动带范围内，为了确保井筒和井口周围的构筑物、建筑物的安全，而在地表移动界线之外设置的一定宽度的安全距离区域。其作用至关重要，是保障矿山安全生产和地面设施稳定的重要防线。从安全角度来看，保护带能够有效避免因地表移动而导致的井筒和井口周围构筑物、建筑物的损坏。在地表移动过程中，可能会出现地面塌陷、裂缝、倾斜等现象，这些都可能对井筒和地面设施造成严重破坏，影响矿山的正常生产和人员安全。保护带的存在，能够在一定程度上缓冲地表移动的影响，为井筒和地面设施提供安全保障。从生产连续性角度考虑，保护带的设置有助于维持矿山生产的稳定性。如果井筒和井口周围的构筑物、建筑物受到地表移动的破坏，可能需要花费大量的时间和资金进行修复，甚至可能导致矿山生产的中断。而保护带的合理设置可以降低这种风险，确保矿山生产的顺利进行，提高生产效率。
（二）保护等级划分
保护等级的划分是基于建筑物和构筑物的用途、服务年限以及保护要求等多方面因素综合考量的结果。用途是划分保护等级的重要依据之一。对于那些在矿山生产中起着关键作用的建筑物和构筑物，如提升井筒、井架、卷扬机房等，它们直接关系到矿石的提升和运输，一旦受到破坏，将导致整个矿山生产的停滞，因此其保护等级通常较高；而一些次要的建筑物和构筑物，如临时仓库、简易工棚等，对矿山生产的影响相对较小，其保护等级则相对较低。服务年限也是一个重要因素。服务年限长的建筑物和构筑物，在其使用期间需要长期保证其安全性和稳定性，因此需要给予更高的保护等级；而服务年限较短的临时性设施，由于其使用时间有限，保护等级可以适当降低。保护要求则是根据建筑物和构筑物的重要性以及一旦受到破坏可能产生的后果来确定的。对于可能发生重大人身伤亡事故或造成重大经济损失的建筑物和构筑物，必须提出严格的保护要求，相应地划分到较高的保护等级。
在实际划分中，分为两个保护等级：I 级保护和 Ⅱ 级保护。I 级保护针对的是那些因受到土岩移动破坏会导致生产停止，或可能发生重大人身伤亡事故、造成重大损失的构筑物和建筑物。提升井筒、井架、卷扬机房是矿山生产的核心设施，其安全与否直接决定了矿山能否正常运营。一旦这些设施因土岩移动而受损，矿石无法正常提升，整个矿山生产将陷入瘫痪，同时还可能引发严重的安全事故，危及人员生命安全；发电厂、中央变电所、中央机修厂、中央空压机站、主扇风机房等，为矿山的生产提供电力、设备维修、压缩空气和通风等关键支持，它们的正常运行是矿山生产的基础保障，受到破坏后将严重影响矿山的生产活动，甚至可能引发一系列次生灾害；车站、铁路干线路基、索道装载站是矿山运输系统的重要组成部分，对于矿石和物资的运输起着关键作用，其损坏将导致运输中断，影响矿山的经济效益；贮水池、水塔、烟囱、永久多层公用建筑物、住宅等，关系到矿山人员的生活和基本设施的运行，受到破坏会对人员生活和矿山的正常秩序造成重大影响。因此，这些建筑物和构筑物都被列入 I 级保护范围。
Ⅱ 级保护则涵盖了除 I 级保护以外的其余建筑物和构筑物。未设提升装备的井筒，如通风井、充填井等，虽然其重要性相对提升井筒较低，但也是矿山生产不可或缺的部分，它们在通风、充填等环节发挥着重要作用，因此也需要一定程度的保护；其他次要井筒以及一些辅助性的建筑物和构筑物，如小型仓库、普通的生产车间等，对矿山生产的影响相对较小，但仍需保证其在一定程度上不受土岩移动的严重破坏，以维持矿山生产的基本秩序，所以被列为 Ⅱ 级保护。
位置选定原则
（一）安全性原则
安全性原则在井筒垂直矿体走向位置选定中占据着核心地位，是保障矿山生产活动安全、稳定进行的首要准则。从地质力学角度来看，地下矿体开采后，其周围岩体原有的应力平衡状态被打破，会引发一系列复杂的力学响应。随着采空区的不断扩大，上覆岩层在自重和构造应力的作用下，会逐渐产生变形、位移和破坏，这种破坏向上传递至地表，就形成了地表移动带。在地表移动带内，地面会出现各种复杂的变形现象，如塌陷、裂缝、倾斜等。这些变形不仅会对地面建筑物和构筑物造成直接的物理破坏，还会改变地下岩土体的工程性质，增加地质灾害发生的风险。如果井筒位于地表移动带范围内，在开采过程中，井筒会受到来自周围岩土体的不均匀压力和变形作用。这种不均匀作用可能导致井筒井壁承受过大的应力，从而出现破裂、变形等损坏情况。一旦井筒受损，其作为人员、设备和物资进出通道的功能将受到严重影响，甚至可能完全丧失。这不仅会阻碍正常的采矿作业，导致生产中断，还会对井下人员的生命安全构成巨大威胁，增加救援难度和风险。
为了有效规避这些风险，井筒和井口周围的构筑物、建筑物必须布置在地表移动界线之外。保护带的设置是确保安全的重要措施之一，它为井筒和地面设施提供了一个安全缓冲区域。安全距离的确定与保护等级密切相关，不同保护等级的建筑物和构筑物有着不同的安全距离要求。I 级保护的建筑物和构筑物，由于其对矿山生产和安全的重要性极高，一旦受损将带来严重后果，所以需要更大的安全距离来保障其安全。提升井筒、井架、卷扬机房等是矿山生产的关键设施，它们直接关系到矿石的提升和运输，一旦出现问题，整个矿山的生产将陷入瘫痪，还可能引发严重的安全事故。因此，它们与地表移动界线的安全距离设定为 20 米，这是经过大量工程实践和科学研究得出的，能够在一定程度上有效抵御地表移动的影响，确保这些设施的安全稳定运行。对于河流、湖泊等特殊的地理环境，考虑到其对地表移动的敏感性以及一旦受到破坏可能引发的洪水、溃坝等严重灾害，其安全距离更是加大到 50 米，以最大程度地降低风险。Ⅱ 级保护的建筑物和构筑物，虽然其重要性相对较低，但也不容忽视。未设提升装备的井筒，如通风井、充填井等，它们在矿山的通风、充填等环节发挥着重要作用，是保障矿山正常生产的必要组成部分。为了保证这些井筒在一定程度上不受地表移动的严重破坏，其与地表移动界线的安全距离设定为 10 米。这样的距离设置既考虑了这些井筒的重要性，又在经济和实际操作可行性之间找到了平衡，能够在满足一定安全要求的前提下，合理控制工程成本。
（二）经济合理性原则
经济合理性原则是井筒垂直矿体走向位置选定过程中需要重点考量的另一关键因素，它贯穿于矿山建设和生产的整个生命周期，直接关系到矿山企业的经济效益和可持续发展能力。从矿山建设初期的基建投资，到运营过程中的生产成本控制，再到资源回收利用的效率，经济合理性原则都发挥着至关重要的作用。
在基建投资方面，井筒位置靠近矿体能够显著减少石门长度。石门是连接井筒与矿体的水平巷道，其长度直接影响着井巷工程的总体工程量和成本。以某大型金属矿山为例，在早期的井筒选址规划中，由于未能充分考虑靠近矿体的因素，导致石门长度过长。这不仅增加了掘进过程中的岩石开挖量，还需要投入更多的支护材料和设备，以确保石门的稳定性。据统计，该矿山因石门过长而增加的基建投资高达数千万元。而在后续的改扩建工程中，通过重新优化井筒位置，使其更靠近矿体，石门长度大幅缩短。新的井筒位置使得岩石开挖量减少了约 30%，支护成本降低了 20% 以上，有效节约了基建资金。从长期运营成本来看，缩短的石门长度带来了运输成本的显著降低。在矿山生产过程中，矿石需要通过石门运输至井筒，再提升至地面。石门长度的增加会导致运输距离变长，运输设备的能耗相应增加。同时，更长的运输距离也意味着需要更多的运输设备和人力投入，以保证矿石的及时运输。这不仅增加了能源消耗成本，还提高了设备维护和人工成本。相反，靠近矿体的井筒位置使得运输距离缩短，运输设备的运行效率提高，能耗降低。据测算，运输距离缩短后，该矿山每年的运输成本降低了数百万元。运输效率的提高还能够使矿石更快地从井下运至地面，减少了矿石在井下的停留时间，提高了矿山的整体生产效率。这意味着在相同的时间内，矿山能够开采和运输更多的矿石，增加了产量，进一步提高了经济效益。
合理的井筒位置还能够提高资源回收利用效率。当井筒靠近矿体时，采矿作业可以更加方便地对矿体进行全面开采，减少了因开采不便而导致的矿石损失。在一些复杂的矿体开采中，如果井筒位置不当，可能会出现部分矿体难以开采的情况，从而造成资源浪费。而合理的井筒位置能够使采矿设备更加接近矿体，便于采用先进的采矿技术和工艺，提高矿石的回收率。这不仅增加了矿山的资源储量，延长了矿山的服务年限，还减少了因资源浪费而带来的经济损失，从长远来看，为矿山企业的可持续发展奠定了坚实的基础。
选定方法与步骤
（一）圈定地表移动带
圈定地表移动带是确定井筒垂直矿体走向位置的关键第一步，其准确性直接关系到后续井筒位置选定的安全性和合理性。这一过程主要依赖于地质横剖面图和纵剖面图所提供的丰富地质信息。
在地质横剖面图中，能够清晰地展示出矿体在垂直方向上的赋存状态，包括矿体的厚度、倾角以及与周围岩层的接触关系等。通过对这些信息的详细分析，可以初步判断地下开采活动对不同岩层的影响范围和程度。当矿体倾角较陡时，采动影响可能会沿着矿体倾向向上延伸较大范围；而矿体厚度越大，采空区形成后对上方岩层的支撑影响也越大，进而导致地表移动的范围更广。剖面图中还能反映出地质构造如断层、褶皱等的分布情况。断层会破坏岩体的完整性，使得采动影响更容易沿着断层方向传播，从而扩大地表移动带的范围；褶皱构造则会改变岩层的受力状态，在开采过程中，褶皱部位的岩层更容易发生变形和破坏，需要在圈定地表移动带时特别关注。
地质纵剖面图则侧重于展示矿体在水平方向上的变化以及与地表的相对位置关系。通过纵剖面图，可以了解矿体的走向长度、埋藏深度的变化趋势等。对于走向长度较长的矿体，需要考虑不同地段开采对地表移动的叠加影响；而埋藏深度的变化则会影响采动影响传递到地表的程度，埋藏较浅的矿体开采更容易引起地表的明显移动。纵剖面图还能帮助确定地表地形的起伏情况，地形起伏较大的区域，在采动影响下更容易出现地表变形的不均匀性，增加了圈定地表移动带的复杂性。
在实际圈定过程中，通常会根据相关的矿山开采经验公式和工程类比数据，结合地质剖面图所提供的信息，确定地表移动带的边界。对于某一特定的矿山，根据其采用的采矿方法、矿岩性质等条件，参考类似矿山的地表移动观测数据，确定出相应的移动角参数。然后，以矿体的边界为基准，按照移动角的大小，在地质剖面图上向上和向外绘制出地表移动带的边界线。通过对多个地质横剖面图和纵剖面图的综合分析，将不同剖面所确定的地表移动带边界进行整合，最终准确地圈定出整个矿区的地表移动带范围。
（二）确定安全距离与位置
在圈定地表移动带之后，紧接着需要根据保护等级来确定安全距离，进而结合矿体位置和地形等多方面因素，精准选定井筒位置。这一过程是一个综合考量多种因素、权衡利弊的过程，对于保障矿山生产的安全和经济合理性至关重要。
保护等级是确定安全距离的重要依据，不同保护等级的建筑物和构筑物对应着不同的安全距离要求。对于 I 级保护的建筑物和构筑物，如提升井筒、井架、卷扬机房、发电厂、中央变电所等，由于它们在矿山生产中具有核心地位，一旦受到破坏将导致生产停止，甚至可能引发重大人身伤亡事故和重大经济损失，因此需要设定较大的安全距离。根据相关标准和规范，它们与地表移动界线的安全距离通常为 20 米。这是因为这些设施的重要性决定了必须给予足够的安全缓冲空间，以最大程度地降低地表移动对其造成破坏的风险。对于河流、湖泊等特殊的地理环境，考虑到其一旦受到地表移动破坏可能引发的洪水、溃坝等严重灾害，其安全距离更是加大到 50 米，体现了对这些关键区域的高度重视和严格保护。
Ⅱ 级保护的建筑物和构筑物，如未设提升装备的井筒（通风井、充填井等）以及其他一些次要设施，虽然其重要性相对较低，但也是矿山生产不可或缺的部分。为了保证这些设施在一定程度上不受地表移动的严重破坏，其与地表移动界线的安全距离设定为 10 米。这个距离既能满足一定的安全要求，又考虑到了经济成本和实际操作的可行性，在保障矿山基本生产秩序的前提下，合理控制了工程投资。
在确定安全距离后，还需要综合考虑矿体位置和地形等因素来选定井筒位置。从矿体位置角度来看，井筒应尽量靠近矿体，以缩短石门长度，降低运输成本。如前文提到的侯庄铁矿，通过计算发现主、副井的正确位置应自现有的位置垂直向矿体走向方向移动 137m，这样 5 个阶段水平就可减少石门长度 685m。按每立方米掘进成本 153 元计算，可节省大量投资，同时还能降低每吨矿石的井下运输费用，减少井下工人的行走路程，带来长期的经济效益。但在靠近矿体的同时，也要确保井筒处于安全距离之外，避免受到地表移动的威胁。
地形因素也是不容忽视的。地形平坦、开阔的区域，有利于井筒的建设和地面设施的布置，能够降低建设难度和成本。在这样的地形条件下，施工设备和材料的运输更加方便，地面建筑物的基础处理也相对简单。而地形复杂、起伏较大的区域，可能会增加井筒建设的难度和成本，如需要进行大量的土石方工程来平整场地，同时也会对地面设施的稳定性提出更高的要求。在山区进行井筒选址时，需要考虑山体的稳定性，避免在滑坡、泥石流等地质灾害易发区域建设井筒。还要考虑地形对通风、排水等系统的影响，确保矿山的各个生产系统能够正常运行。
案例分析
以侯庄铁矿为例，其在井筒位置选定方面存在一些典型问题，这些问题充分凸显了井筒垂直矿体走向位置选定合理性的重要意义。侯庄铁矿位于山东省金岭市，1979 年地质勘察队提交地质和水文报告，1983 年由山东省冶金设计院进行设计，1985 年开始基建，1992 年基本建成投产 ，设计范围内可采矿量 1467.2 万 t，年产矿石 50 万 t，服务年限 29 年，投资 5000 万元。
通过多年的生产实践发现，该矿主、副井位置存在不合理之处。根据有关规定对移动带、崩落带进行计算后可知，主、副井的正确位置应自现有的位置垂直向矿体走向方向移动 137m（这是基于对采空区不充填进行计算的结果，若根据设计中采用充填采矿法进行计算，主、副井的位置还可向矿体再移动一段距离）。当前位置导致了一系列负面后果。从基建成本来看，由于井筒位置不当，5 个阶段水平（-100m、-160m、-220m、-280m、-340m）的石门长度增加，共多掘进石门长度 685m。按每立方米掘进成本 153 元计算，计多投资 122.62 万元，这无疑增加了矿山的初始建设投资，占用了大量的资金资源。在运营成本方面，增加的石门长度使得每吨矿石的井下运输费用大幅增加。更长的运输距离意味着需要消耗更多的能源来驱动运输设备，如电机车的电力消耗、矿车的磨损等都会相应增加，这使得每吨矿石的运输成本显著上升。而且，井下工人需要行走更长的路程来完成生产作业，这不仅降低了工作效率，还增加了工人的劳动强度，从长期来看，对矿山的经济效益产生了不利影响。
从这个案例可以看出，井筒垂直矿体走向位置的不当选定会在多个方面对矿山生产造成严重影响。不仅会直接导致基建成本的增加，使得矿山在建设初期就面临较大的经济压力，还会在后续的运营过程中持续增加成本，降低生产效率，影响经济效益。这充分表明，在矿山建设前期，科学、合理地选定井筒垂直矿体走向位置是至关重要的，它直接关系到矿山的整体效益和可持续发展能力，必须引起足够的重视。
小结
井筒垂直矿体走向位置的选定是一个系统而复杂的工程，涵盖了从概念理解到实际操作的多个关键环节。地表移动带和保护带的概念是理解整个选址过程的基础，地表移动带的形成机制以及保护带的重要作用，都与井筒位置的安全性紧密相连。保护等级的划分则为安全距离的确定提供了明确的依据，不同保护等级对应着不同的安全距离要求，这是保障矿山生产安全的重要准则。
在位置选定原则方面，安全性原则始终是首要考量因素。井筒和井口周围的构筑物、建筑物必须远离地表移动带，以避免受到地表移动的破坏，保护带的设置和安全距离的严格执行，都是为了确保矿山生产的安全稳定进行。经济合理性原则同样不容忽视，它贯穿于矿山建设和生产的全过程。靠近矿体的井筒位置能够有效减少石门长度，降低运输成本，提高资源回收利用效率，从而为矿山企业带来显著的经济效益。
选定方法与步骤是实现科学选址的具体手段。通过地质横剖面图和纵剖面图圈定地表移动带，能够准确掌握地表移动的范围和边界。根据保护等级确定安全距离，并结合矿体位置和地形等因素选定井筒位置，这一过程需要综合考虑多方面因素，权衡利弊，以达到最优的选址效果。侯庄铁矿的案例充分展示了井筒垂直矿体走向位置选定不合理所带来的严重后果，从基建成本的增加到运营成本的上升，都对矿山的经济效益产生了不利影响，这也进一步凸显了科学选址的重要性。
注：文章部分内容参考了慕课东北大学金属矿床地下开采 徐帅、安龙的课件
