印尼督巴印多煤礦露天轉(zhuǎn)井工開(kāi)采開(kāi)拓方式比選研究

李 誠(chéng)，王靖燾，黃守章，夏婷婷

(1.中國(guó)機(jī)械進(jìn)出口(集團(tuán))有限公司，北京 100037；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083；3.中國(guó)新興建筑工程有限責(zé)任公司，北京 100009)

印度尼西亞是是世界上非常重要的煤炭生產(chǎn)國(guó)，2020年煤炭產(chǎn)量為5.63億t，位居世界第三。印尼煤炭生產(chǎn)99%為露天生產(chǎn)，主要分布在加里曼丹島和蘇門答臘島2個(gè)地區(qū)[1-3]。印尼的煤炭生產(chǎn)始于20世紀(jì)80年代[4]，2002年產(chǎn)量首次突破100Mt，2007年突破200Mt，2011年突破300Mt，2013年突破400Mt，經(jīng)過(guò)近20年的高強(qiáng)度開(kāi)采，埋藏淺、運(yùn)輸條件好、發(fā)熱量高、適合露天開(kāi)采的煤炭資源大幅減少，井工開(kāi)采深部資源是未來(lái)發(fā)展方向。根據(jù)中國(guó)類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，井工開(kāi)采成本每噸可降低30～40元[5]。由于當(dāng)?shù)厝狈ら_(kāi)采經(jīng)驗(yàn)、也沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)劃，淺部煤層完全開(kāi)采后，導(dǎo)致井工開(kāi)采工業(yè)場(chǎng)地選擇困難，加上當(dāng)?shù)貙Ｓ迷O(shè)備和專業(yè)人員匱乏，立井施工和裝備難度很大?？梢?jiàn)，如何在印尼現(xiàn)有條件下建設(shè)現(xiàn)代化大型煤礦，改變當(dāng)?shù)厝藢?duì)井工開(kāi)采落后、不安全的印象，推廣井工開(kāi)采技術(shù)，首先要解決的就是優(yōu)選開(kāi)拓設(shè)計(jì)。井田開(kāi)拓設(shè)計(jì)是礦井設(shè)計(jì)和建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[6]，是決定一個(gè)煤礦項(xiàng)目投資收益效果乃至成敗的重要因素[8-13]。印尼督巴印多煤礦露天轉(zhuǎn)井工開(kāi)采開(kāi)拓方式選擇可以為印尼“三軟”煤層露天轉(zhuǎn)井工開(kāi)采設(shè)計(jì)和建設(shè)提供參考。

1 工程概況

督巴印多煤礦是印尼一座大型露天開(kāi)采煤礦。該井田共分為三個(gè)區(qū)塊，分別為南區(qū)、北區(qū)、東區(qū)，合計(jì)面積236.50km2。主采3000煤層位于帕馬盧安組上段，煤層厚度4.65～6.55m，平均5.31m。為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。煤層埋藏平緩，傾角一般9°～18°，平均13°。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般含0～1層夾石。頂?shù)装逡蕴抠|(zhì)泥巖、粉砂巖為主。露天最大開(kāi)采深度80～100m，隨著剝采比增大，適合露天開(kāi)采的區(qū)域即將開(kāi)采完畢。井工開(kāi)采范圍位于南區(qū)東北部，面積約6.19km2，開(kāi)采標(biāo)高深度100～530m。

該井田開(kāi)采范圍內(nèi)原始地形較平坦，地面標(biāo)高一般在+46m至+91m之間，地形起伏不大，但隨著露天礦開(kāi)采，地面形成了低洼的礦坑和剝離土堆積的排土場(chǎng)。現(xiàn)有地形總體上南高北低，東高西低[14，15]。排土場(chǎng)最高點(diǎn)+130m，礦坑最低點(diǎn)-50m。地面植被繁茂，沒(méi)有大面積的平坦區(qū)域。

兩條馬哈坎河小支流河流自南向北從井田東、北邊界附近流過(guò)，最后在東北方向匯合。河床寬0.5～2m，雨季暴漲旱季無(wú)水。開(kāi)采范圍附近河流標(biāo)高從東南角標(biāo)高+50m，西北角標(biāo)高+44m，匯集處標(biāo)高+36m，向北逐漸降低至+30m。

井田范圍內(nèi)地面東部、北部均為煤層露天開(kāi)采區(qū)域，形成了露天礦坑。地下水流向由東北流向西南，該區(qū)常年濕熱多雨，雨季易形成暫時(shí)性地表水流，在順地形坡度或沖溝向下游流動(dòng)的同時(shí)，可通過(guò)礦井東北部基巖露頭處補(bǔ)給地下水。另外露天礦坑常年積水，積水沿基巖裂隙入滲補(bǔ)給地下水，形成東北部補(bǔ)給邊界。

2 開(kāi)拓方式及比選

2.1 井口位置選擇影響因素

1)運(yùn)輸方向。煤炭向北運(yùn)輸，井田北側(cè)沿煤層露頭有露天開(kāi)采的運(yùn)煤公路可以利用，井口位置宜布置在北側(cè)。

2)露天開(kāi)采。煤層淺部已經(jīng)全部露天開(kāi)采，最大開(kāi)采深度100m左右。露天開(kāi)采形成礦坑，匯水面積大，不滿足防洪要求無(wú)法使用。露天開(kāi)采后沒(méi)有回填的區(qū)域已經(jīng)形成7處積水區(qū)，編號(hào)No.1—No.7，北側(cè)3處，南側(cè)4處。積水排干后雨季會(huì)很快恢復(fù)積水，無(wú)法使用。

3)回填區(qū)。露天開(kāi)采形成礦坑的中部和東南部已回填，最大回填深度100m左右，回填土經(jīng)過(guò)破碎、風(fēng)化，成為松散體。雖然有采用“架U型棚+超前鋼管棚”支護(hù)過(guò)回填土工程實(shí)例，但穿過(guò)的回填土深度約20m[16]。所以巷道應(yīng)避開(kāi)回填土區(qū)域，從回填土以外或回填土下部穿過(guò)較好。

4)露天排土。原有地形較平坦，露天開(kāi)采后部分排土堆積地面，形成小范圍較高的排土場(chǎng)和較低的礦坑。露天排土未經(jīng)壓實(shí)，承載能力差，井筒和地面建筑應(yīng)避免布置在回填土較厚的區(qū)域。

5)減少壓煤。北部有煤層露頭，向南逐漸加深。井口位置應(yīng)盡量布置在北部，以減少斜井工程量和工業(yè)場(chǎng)地保護(hù)煤柱。布置在煤層露頭線以北，工業(yè)場(chǎng)地不留保護(hù)煤柱。

6)河流影響。開(kāi)采區(qū)域附近有兩條季節(jié)性小河。兩條支流會(huì)合處標(biāo)高+36m，所以工業(yè)場(chǎng)地標(biāo)高應(yīng)該在+36m以上，并留一定的防洪高度。根據(jù)當(dāng)?shù)卣?guī)定，河流兩側(cè)100m范圍內(nèi)嚴(yán)禁有建筑。

7)方便井下運(yùn)輸。開(kāi)采區(qū)域東西長(zhǎng)約4.3km，南北寬0.8～1.8km，有向深部延伸的可能。布置一個(gè)采區(qū)兩翼開(kāi)采即可完成整個(gè)區(qū)域開(kāi)采，所以井口位置應(yīng)選擇在中部附近。井筒應(yīng)盡量接近儲(chǔ)量中心，有利于生產(chǎn)期間井下開(kāi)采，降低生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。

8)埋深影響。印尼沒(méi)有“三軟”煤層開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為埋深超過(guò)400m支護(hù)難度很大，不計(jì)為可采儲(chǔ)量，本次暫不布置開(kāi)拓巷道。按中國(guó)類似礦井支護(hù)經(jīng)驗(yàn)沒(méi)有問(wèn)題[17-20]。

2.2 開(kāi)拓方式初選

受強(qiáng)降水影響，露天礦坑匯水現(xiàn)象明顯，干旱地區(qū)常見(jiàn)的露天端幫開(kāi)采安全性差，不宜采用。該項(xiàng)目可能采用的開(kāi)拓方式：斜井、立井、混合開(kāi)拓。

由于立井施工需要專用設(shè)備和專業(yè)人員；提升系統(tǒng)增加兩次轉(zhuǎn)載、系統(tǒng)復(fù)雜、不連續(xù)運(yùn)輸；埋深100m左右布置立井提升設(shè)備較困難，基于以上原因，主井、副井不采用立井?；仫L(fēng)立井有斷面大、通風(fēng)阻力小、井筒裝備簡(jiǎn)單，可以選用。

2.3 井筒數(shù)量

根據(jù)安全生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，由于回風(fēng)流內(nèi)含有瓦斯，所以回風(fēng)井一般不布置電氣設(shè)備，必須設(shè)置專用回風(fēng)井，設(shè)計(jì)對(duì)井筒數(shù)量提出兩個(gè)方案：

1)方案一(推薦方案)：3個(gè)井筒。主、副斜井和專用回風(fēng)井。主斜井一側(cè)安裝帶式輸送機(jī)，運(yùn)輸煤炭；另一側(cè)裝備架空乘人裝置，運(yùn)送人員[21]；少量進(jìn)風(fēng)。副斜井安裝單軌吊車運(yùn)輸設(shè)備材料。專用回風(fēng)可以采用斜井，也可以采用立井。

2)方案二：混合井、回風(fēng)井2個(gè)斜井。混合井一側(cè)裝備帶式輸送機(jī)，運(yùn)輸煤炭；另一側(cè)下部鋪設(shè)軌道，使用絞車牽引礦車運(yùn)輸設(shè)備和材料，上部裝備架空乘人裝置，架空乘人裝置采用活動(dòng)吊椅，無(wú)人時(shí)井筒不掛吊椅，運(yùn)輸人員時(shí)掛吊椅，絞車嚴(yán)禁運(yùn)輸材料設(shè)備?；仫L(fēng)斜井專用回風(fēng)。

經(jīng)比選推薦方案一，具有以下優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)輸設(shè)備布置在兩個(gè)斜井，相互影響小，使用方便，安全性能好；混合井的功能較多，斷面大，施工難度大；兩個(gè)井筒進(jìn)風(fēng)，通風(fēng)阻力大。

2.4 工業(yè)場(chǎng)地及開(kāi)拓方案選擇

根據(jù)上述比選，初選2個(gè)工業(yè)場(chǎng)地，如圖1所示。

圖1 井口位置方案

方案Ⅰ：工業(yè)場(chǎng)地煤層露頭線以北，回填區(qū)域北側(cè)，三條斜井開(kāi)拓全井田。河流的南側(cè)100m以上距離。工業(yè)場(chǎng)地全部位于原生地層。地面標(biāo)高+50～+70m，井口標(biāo)高+56m。布置主、副、風(fēng)3個(gè)斜井。斜井沿南偏西28°方向，從煤層底板下部30m向下施工，傾角16°，斜長(zhǎng)505m，過(guò)回填土區(qū)后調(diào)整為主斜井、副斜井以10°斜長(zhǎng)312m進(jìn)入煤層底板；回風(fēng)斜井以8°斜長(zhǎng)313m進(jìn)入3000煤層，沿煤層至-340m標(biāo)高，后期可繼續(xù)向下延伸。斜井兩側(cè)布置回采工作面，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度大部分在1600m至2300m范圍內(nèi)，兩側(cè)長(zhǎng)度較均衡。井口位置方案如圖2所示。

圖2 方案Ⅰ巷道布置

方案Ⅱ：兩斜井一立井，兩處工業(yè)場(chǎng)地。主副斜井工業(yè)場(chǎng)地同方案Ⅰ，回風(fēng)立井工業(yè)場(chǎng)地位于現(xiàn)有工業(yè)場(chǎng)地外，南側(cè)約500m。井口標(biāo)高+68m，井底標(biāo)高-110m，凈直徑5.5m，凈斷面23.76m2。場(chǎng)地內(nèi)布置通風(fēng)機(jī)房、通風(fēng)機(jī)房配電室，無(wú)其他建筑。與方案Ⅰ相比，減少斜井工程量730m，增加立井工程176m。風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地煤柱與斜井煤柱結(jié)合，盡量減少壓煤。新增壓煤面積17815m2，新增壓煤12.3萬(wàn)t。開(kāi)拓方案Ⅱ巷道布置如圖3所示。

圖3 開(kāi)拓方案Ⅱ巷道布置(m)

方案Ⅰ、Ⅱ井口位置及開(kāi)拓方式見(jiàn)表1，綜合比較推薦方案Ⅰ，具體優(yōu)點(diǎn)如下：①工業(yè)場(chǎng)地全部在煤層露頭外，不壓煤；②工業(yè)場(chǎng)地及井口位置原始標(biāo)高較高，不受洪水威脅；③井筒在平面上不轉(zhuǎn)彎，減少轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)，提高運(yùn)輸系統(tǒng)可靠性；④工業(yè)場(chǎng)地靠近現(xiàn)有公路，運(yùn)輸較方便；⑤不穿過(guò)上部含水層，施工過(guò)程受涌水影響小。

表1 方案Ⅰ、Ⅱ井口位置及開(kāi)拓方式

3 斜井層位選擇

3.1 工程地質(zhì)

煤層抗壓強(qiáng)度平均值為4.94MPa，抗拉強(qiáng)度為0.14MPa，為受力易變形煤層。

煤層直接頂板巖性以粉砂巖為主，次為泥巖、砂質(zhì)泥巖?？箟簭?qiáng)度平均值為9.56～13.47MPa，抗拉強(qiáng)度平均值為1.24～2.15MPa。大部分樣品的耐崩解性系數(shù)為30～60。礦物相對(duì)含量分析其為伊蒙混層，混層比為20%。為軟弱巖體，抗拉、抗剪破壞能力低，為不穩(wěn)定頂板。

煤層直接底板巖性以粉砂巖為主，次為砂質(zhì)泥巖、泥巖?？箟簭?qiáng)度平均值為5.53～15.48MPa，抗拉強(qiáng)度平均值為0.79～1.52MPa。大部分樣品的耐崩解性系數(shù)為30～60。礦物相對(duì)含量分析其為伊蒙混層，混層比為20%。為軟弱巖體，抗拉、抗剪破壞能力低，為軟弱底板。

斜井布置在煤層或頂?shù)装逯ёo(hù)有一定難度。

3.2 層位對(duì)比分析

3.2.1 關(guān)鍵層分析

井工區(qū)內(nèi)部分區(qū)域直接頂上部發(fā)育有較為堅(jiān)硬的中砂巖，基本頂抗壓強(qiáng)度為21.39～98.74MPa。3000煤層直接底板下部發(fā)育有較為堅(jiān)硬的中砂巖，抗壓強(qiáng)度為14.95～75.18MPa，平均44.27MPa。以這兩層中砂巖作為關(guān)鍵層布置巷道是首選。根據(jù)5個(gè)鉆孔分析，頂板砂巖僅局部賦存，厚度較小，與煤層頂板間距不穩(wěn)定，不適合作為關(guān)鍵層布置巷道。砂巖賦存不是很穩(wěn)定，厚度較小，距離3000煤層較遠(yuǎn)，不適合作為關(guān)鍵層布置巷道。

3.2.2 煤層及頂?shù)装鍖?duì)比分析

3000煤層抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度偏低，甚至低于頂?shù)装迥鄮r強(qiáng)度。但根據(jù)中國(guó)類似礦井經(jīng)驗(yàn)，煤層泥化程度低，無(wú)膨脹性。開(kāi)挖后及時(shí)噴漿封閉圍巖，可有效預(yù)防軟巖風(fēng)化，巷道布置在煤層中支護(hù)較容易[19-21]。特別是工作面巷道留0.5m厚的頂煤，將明顯改善頂板支護(hù)情況。

底板粉砂巖平均抗壓強(qiáng)度最高，平均耐崩解性系數(shù)最高，可作為主要巷道布置層位。頂板砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度最低，平均耐崩解性系數(shù)最低，應(yīng)盡量避免。

3.2.3 鉆孔統(tǒng)計(jì)分析

由于露天開(kāi)采不采動(dòng)底板，所以底板資料較少。統(tǒng)計(jì)斜井附近有10個(gè)鉆孔揭露煤層。其中3個(gè)鉆孔穿過(guò)煤層底板10m左右，2個(gè)鉆孔進(jìn)入煤層底板50m左右，2個(gè)鉆孔進(jìn)入煤層底板100m。鉆孔資料沒(méi)有力學(xué)測(cè)試結(jié)果，只能按照巖性和巖心照片分析，見(jiàn)表2。從鉆孔資料分析，斜井應(yīng)布置在距離煤層5m以下的底板中，而且應(yīng)避開(kāi)24～25m深的煤與炭質(zhì)泥巖互層。

表2 斜井附近鉆孔底板巖性統(tǒng)計(jì)

3.2.4 回填區(qū)底板層位分析

根據(jù)補(bǔ)充鉆探，回填區(qū)底板以下10～15m范圍內(nèi)巖石泥化現(xiàn)象明顯。巷道支護(hù)擾動(dòng)高度10～12m，所以斜井底板距離煤層底板不應(yīng)小于20～27m。為避開(kāi)24～25m深的煤與炭質(zhì)泥巖互層，確定斜井距離底板30～31m。

3.3 確定層位

綜上所述，斜井應(yīng)盡量布置在底板粉砂巖中，至少應(yīng)有一條巷道布置在煤層中。實(shí)際比較兩個(gè)地層的施工和支護(hù)效果，同時(shí)查明煤層賦存條件?；仫L(fēng)斜井沒(méi)有運(yùn)輸設(shè)備，可以適應(yīng)一定的巷道變形，宜略高于其它巷道，應(yīng)沿煤層布置。主斜井為方便煤流轉(zhuǎn)載，應(yīng)布置在煤層底板。副斜井位于煤層底板有利于工作面巷道與斜井立交。

4 結(jié) 論

1)露天開(kāi)采后形成排土層和積水礦坑，影響井口位置選擇和斜井布置，研究決定在露天開(kāi)采區(qū)北部原生地層上布置工業(yè)場(chǎng)地，斜井沿煤層底板下30～31m穿過(guò)回填區(qū)。進(jìn)入未擾動(dòng)地層后，回風(fēng)斜井沿煤層布置。主、副斜井位于煤層底板有利于工作面巷道與斜井立交。

2)主、副井采用斜井，可實(shí)現(xiàn)煤炭連續(xù)運(yùn)輸，減少輔助運(yùn)輸環(huán)節(jié)?；仫L(fēng)立井施工需要從中國(guó)運(yùn)送專用設(shè)備，成本較高，所以推薦回風(fēng)斜井。