株柏煤礦急傾斜煤層十三采區(qū)延深優(yōu)化設(shè)計

夏文營，王成功，蘇利國，褚夫堯，王自波，初立新

（臨礦集團東山礦業(yè)有限責(zé)任公司株柏煤礦，山東 臨沂 276112）

0 引言

煤炭是我國能源領(lǐng)域重要組成部分，一直以來都占據(jù)一次性能源消費結(jié)構(gòu)中50%以上比例[1-3]，對于推動我國經(jīng)濟社會發(fā)展、保障民眾的基本能源需求具有重要的支撐作用。當(dāng)前，我國常規(guī)地質(zhì)條件下的煤炭資源經(jīng)過多年高強度的開發(fā)已趨近枯竭，同時，隨著我國經(jīng)濟社會的持續(xù)強勁發(fā)展，對煤炭需求量整體呈現(xiàn)動態(tài)上升趨勢，近年來煤炭產(chǎn)量雖在2014年前后均出現(xiàn)過小波谷[4-5]，但為保證我國能源的供需平衡，在以政府主導(dǎo)、市場為抓手的體制機制的驅(qū)動作用下，其整體發(fā)展趨勢同需求量發(fā)展趨勢相近，近似呈“小范圍內(nèi)波動起伏、大范圍內(nèi)動態(tài)上升”的趨勢，并在2021年達(dá)到歷史最高水平的41.3億t。

基于當(dāng)前煤炭領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀，對特殊賦存條件下的煤炭資源如急傾斜煤層等進(jìn)行綠色安全的回采便成為了緩解能源供需平衡、高效充分開發(fā)利用煤炭資源的重要途徑，但由于急傾斜煤層的特殊賦存狀態(tài)（大傾角、高應(yīng)力集中等），使得對其開采更易引發(fā)次生災(zāi)害，導(dǎo)致急傾斜煤層開采成為我國煤炭領(lǐng)域的難點之一。據(jù)統(tǒng)計，急傾斜煤層煤炭資源儲量和年產(chǎn)量占我國煤炭資源總儲量和總年產(chǎn)的約5 %，且礦井?dāng)?shù)量眾多[6]。在急傾斜煤層的開采條件下，由于煤層傾角較大，煤層頂板覆巖自重作用方向在平行巖層層面方向的分力較大，巖層在切向應(yīng)力作用下會產(chǎn)生同方向運動趨勢，巖層受到擠壓作用產(chǎn)生變形，同時，在構(gòu)造應(yīng)力和采動應(yīng)力等多應(yīng)力場耦合作用下，擠壓變形的巖體產(chǎn)生更高應(yīng)力集中區(qū)[7-8]，當(dāng)集中應(yīng)力超過巖層極限強度時，極易誘發(fā)煤礦事故，故而，需對急傾斜煤層的巷道開拓布置及工作面布置等環(huán)節(jié)進(jìn)行更加精細(xì)的研究分析，明確回采過程中潛在的事故誘因，針對開采實際設(shè)計切實可行的開拓布置思路，提出更為有效的工程設(shè)計方案以規(guī)避或消除礦井可能發(fā)生的災(zāi)害事故。

本文針對東山礦業(yè)有限責(zé)任公司株柏煤礦十三采區(qū)大傾角煤層的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)現(xiàn)況，結(jié)合該礦十三采區(qū)上區(qū)段煤層開采現(xiàn)狀，對十三采區(qū)下區(qū)段煤炭資源的回采進(jìn)行延深優(yōu)化設(shè)計，合理布設(shè)適應(yīng)對大傾角煤層開采的不同功能的巷道及硐室，最大化消除地質(zhì)條件和避免技術(shù)條件所造成的安全隱患，以期達(dá)到合理安全回采十三采區(qū)下部區(qū)段煤炭資源的目的，并可為同類型采區(qū)的安全回采提供技術(shù)參考。

1 礦區(qū)條件概述

1.1 水文地質(zhì)條件概況

株柏煤礦位于山東省臨沂市郯城縣城北約25 km處，行政區(qū)劃隸屬郯城縣李莊鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)118°20′19″～118°22′02″、北緯34°47′42″～34°50′25″，地理區(qū)域北起F10斷層，南至F23斷層，西自采礦許可證規(guī)定的西界，東止于郯廬深大斷裂西側(cè)的鄌郚-葛溝大斷裂，南北長約4.20 km，東西寬0.36～2.60 km，面積5.370 km2。

本區(qū)為一單斜構(gòu)造，走向近南北，傾向東，煤層傾角為25°～65°，平均45°，礦井開采煤層為二疊系山西組2煤、3煤，以3煤為主，礦井開采受郯廬斷裂帶活動影響導(dǎo)致本區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)類型為中等類型，屬于水文地質(zhì)條件中等的裂隙充水礦床。本區(qū)預(yù)計正常涌水量為233.73m3/h，最大涌水量為278.14 m3/h。礦井為低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸性。

2煤頂板主要為灰色細(xì)砂巖，厚8.39 m，硬度較大，f=6～7，水平層理發(fā)育，夾泥質(zhì)線條。偽底為炭質(zhì)頁巖，局部炭質(zhì)泥巖，厚0.47 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，黑灰色，夾線條狀粉細(xì)砂巖，富含植物根部化石，平均厚度10.72 m，f=3～5。3煤偽底為黑色炭質(zhì)頁巖，平均厚度0.4 m，質(zhì)輕、性脆易脫落；直接底為淺灰-灰色砂巖，f=2～5，石英為主，砂泥質(zhì)膠結(jié)，局部含泥礫，含植物根部化石及FeS2薄膜。

3煤直接頂為砂質(zhì)泥頁巖，平均厚度8 m，f=3～6，黑灰色，水平層理極發(fā)育，富含植物葉片化石。3煤偽底為黑色炭質(zhì)頁巖，平均厚度0.4 m，質(zhì)輕、性脆易脫落；直接底為淺灰-灰色砂巖，f=2～5，石英為主，砂泥質(zhì)膠結(jié)，局部含泥礫，含植物根部化石及FeS2薄膜。3煤層位發(fā)育了一層灰綠色巖漿巖，將煤穿插分為若干層，該巖漿巖層位穩(wěn)定，3煤之下與一灰之間發(fā)育一層灰色中～細(xì)粒砂巖，靠近底板處為砂、泥巖互層狀，層面含大量泥炭質(zhì)及泥礫，厚度0～41.70 m，平均21.54 m，賦存狀態(tài)穩(wěn)定。

十三采區(qū)位于井田中東部，采區(qū)分布范圍為：南至F18斷層，北至DF17斷層與九采區(qū)相鄰，西至F26斷層與十采區(qū)相鄰，東至井田邊界。開采界限：標(biāo)高水平為-650～-948 m，走向長450～550 m，平均500 m，傾斜寬約420 m，面積210 000 m2。該區(qū)地表平坦，為第四系表土層覆蓋，地面標(biāo)高為+50 m，地面水系為沂河水系，流經(jīng)礦區(qū)北部，對礦井生產(chǎn)影響不大。

采區(qū)范圍內(nèi)揭露的地層層序由老到新依次為奧陶系、石炭系、二疊系、白堊系、第四系。奧陶紀(jì)中期地層隆起剝蝕，與石炭紀(jì)地層呈假整合接觸，從中石炭紀(jì)開始地層接受連續(xù)沉積，到二疊紀(jì)晚期重又遭受風(fēng)化剝蝕與上覆白堊系地層呈角度不整合接觸。其中，石炭系太原組、二疊系山西組和石盒子組是本區(qū)含煤地層。

1.2 工程地質(zhì)條件概況

株柏煤礦現(xiàn)通風(fēng)方式為中央邊界式、抽出式通風(fēng)，東立井進(jìn)風(fēng)，西立井少量進(jìn)風(fēng)，風(fēng)井回風(fēng)。掘進(jìn)作業(yè)采用風(fēng)鉆濕式打眼，爆破落煤、巖，挖掘式裝載機裝巖，運輸采用1t礦車，上山采用串車提升，平巷采用電瓶車牽引。井田開拓方式為立井開拓，集中運輸大巷、暗斜井延深。選用柔性掩護支架采煤法。

礦井均按相關(guān)規(guī)定進(jìn)行瓦斯等級鑒定工作，十三采區(qū)位于十采區(qū)下部，2018年礦井瓦斯等級鑒定，礦井相對瓦斯涌出量為1.78 m3/t，絕對瓦斯涌出量為0.9 m3/min，相對二氧化碳涌出量為2.54 m3/min，絕對二氧化碳涌出量為1.29 m3/min，屬低瓦斯礦井。近3次的瓦斯等級鑒定情況見表1。

表1 采區(qū)瓦斯鑒定情況表

2018年11月29日山東鼎安檢測技術(shù)有限公司對我礦煤塵爆炸性進(jìn)行了鑒定，結(jié)果如下：2煤為23.44 %，3煤為34.78 %，均具有爆炸性；根據(jù)煤層自燃傾向性鑒定結(jié)果，十三采區(qū)煤層屬Ⅱ類自然發(fā)火煤層，自然發(fā)火期2煤90 d，3煤101 d；根據(jù)《株柏煤礦擴界區(qū)開采初步設(shè)計》可知，地層地溫梯度為2.1℃/100 m，由此推算，十三采區(qū)區(qū)段地溫正常，無高溫?zé)岈F(xiàn)象；根據(jù)《株柏煤礦2、3煤及頂、底板沖擊傾向性鑒定報告》，2、3煤及底板屬于Ⅰ類，為無沖擊傾向性煤層，頂板無沖擊傾向。

2 采區(qū)原設(shè)計開采情況

按十三采區(qū)原回采設(shè)計方案，目前該區(qū)已開采至原設(shè)計的下限標(biāo)高（-850 m水平），在正常開拓開采過程中揭露發(fā)現(xiàn)該采區(qū)受走向斷裂牽引影響，致使煤層底板等高線向東逐步下移，最終導(dǎo)致十三采區(qū)下部（-850 m水平）至東部邊界保護煤柱線范圍內(nèi)開采面積逐步縮減，根據(jù)當(dāng)前所揭露煤層的賦存情況推斷，-948 m水平以下煤層受巖漿巖侵蝕嚴(yán)重，因十三采區(qū)下部剩余階段標(biāo)高較?。s100 m），且下部資源開拓開采均需使用十三采區(qū)原有采掘、通風(fēng)、排水、供電、運輸?shù)戎饕到y(tǒng)，根據(jù)采區(qū)實際情況，在符合國家有關(guān)規(guī)定的前提下，對株柏煤礦十三采區(qū)延深后的巷道開拓布置方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3 采區(qū)優(yōu)化設(shè)計

本次采區(qū)延深優(yōu)化設(shè)計的目的主要是對十三采區(qū)下部區(qū)段煤炭資源進(jìn)行合理開發(fā)利用，在繼續(xù)使用上部區(qū)段主要生產(chǎn)系統(tǒng)的同時滿足下部區(qū)段回采對巷道開拓及生產(chǎn)系統(tǒng)的基本需求，根據(jù)實際煤層賦存條件和水文工程地質(zhì)條件對下部區(qū)段進(jìn)行重新設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計后將在階段煤倉、皮帶提升、工作面走向長度等方面提高開采條件和工作面回采效率，保障基本生產(chǎn)需求的同時精簡生產(chǎn)系統(tǒng)布置，提高運行效率，節(jié)約開拓成本，更好的服務(wù)采區(qū)生產(chǎn)作業(yè)。

3.1 采區(qū)優(yōu)化原則

本次優(yōu)化設(shè)計以不改變上部區(qū)段原有各生產(chǎn)系統(tǒng)為原則，綜合十三采區(qū)-850 m水平實際煤層揭露情況確定具體巷道布置方案。根據(jù)-850 m及以上煤層揭露情況推斷，采區(qū)南翼2煤和3煤受巖漿巖侵蝕嚴(yán)重，加之采區(qū)下部南北走向長度小于500 m，為節(jié)省雙翼開采工程量、簡化運輸通風(fēng)系統(tǒng)布置，故本次優(yōu)化設(shè)計將下山布置在南翼。

3.2 開拓布置方案比選

基于十三采區(qū)內(nèi)大傾角煤層賦存環(huán)境的地質(zhì)構(gòu)造狀況，受采區(qū)主要提升絞車、煤層底板等高線位置、礦井邊界等條件限制，十三采區(qū)延深優(yōu)化設(shè)計不能通過上部-650～-850 m下山直接延深開拓布局，需在十三采區(qū)原有-650～-850 m標(biāo)高水平范圍內(nèi)開拓階段基礎(chǔ)上，重新設(shè)計布置-850～-948 m階段的開拓方案，其中第一階段（-650～-850 m）沿用原十三采區(qū)上區(qū)段的設(shè)計；第二階段（-650～-948 m）延深下山布置經(jīng)方案比較法[9-10]選出2個較優(yōu)方案，再進(jìn)行具體的分析計算，進(jìn)而確定最終方案。方案一和方案二的具體內(nèi)容如下：

方案一：偽傾斜北部單翼開采為主的雙巖石下山延深系統(tǒng)：

在-850 m水平繞道布置斜石門進(jìn)入3煤底板，并布置裝載車場、煤倉、絞車房、上倉巷等相關(guān)硐室，布置煤倉、裝載車場等相關(guān)硐室后，按-25°傾角，偽傾斜布置延深軌道下山、延深膠帶下山至-948 m水平，期間按高差32 m分做片盤車場，在-948 m水平布置車場、繞道及泵房，在-952 m水平和-959 m水平布置水倉及清理巷，形成相關(guān)生產(chǎn)系統(tǒng)，該方案巷道開拓布置示意圖如圖1所示。

圖1 偽傾斜北部單翼開采為主的雙巖石下山延深系統(tǒng)示意圖

方案二：正傾斜雙翼開采雙巖石下山延深系統(tǒng)：

在-850 m水平繞道布置斜石門進(jìn)入3煤底板，并布置裝載車場、煤倉、絞車房、上倉巷等相關(guān)硐室，布置煤倉、裝載車場等相關(guān)硐室后，按-25°傾角，正傾斜布置延深軌道下山、延深膠帶下山至-948 m水平，期間按高差32 m分做片盤車場，在-948 m水平布置車場繞道及泵房，在-952 m水平和-959 m水平布置水倉及清理巷，形成相關(guān)生產(chǎn)系統(tǒng)，該方案巷道開拓布置示意圖如圖2所示。

根據(jù)上述方案一和方案二的具體內(nèi)容可知各方案工程及經(jīng)濟方面的優(yōu)缺點：

方案一優(yōu)點：

1）沿偽傾斜方向布置下山于3煤底板中，使各片盤距煤層距離平均適中，可減少石門的掘進(jìn)工程量；

2）主要巷道開拓工程量小，建設(shè)工期短，有利于礦井生產(chǎn)接續(xù)；

3）-850 m水平石門施工距離短，距3煤底板近，施工不受3煤下部三灰水的影響。

4）水倉、泵房可布置在煤層底板中，減輕采動對水倉泵房的影響。

圖2 正傾斜雙翼開采雙巖石下山延深系統(tǒng)

方案一缺點：

1）采區(qū)兩翼不等長，不利于回采工作面布置；

2）上部南翼有三角煤，不利于回采，采出率低。

方案二優(yōu)點：

1）兩翼工作面等長，便于回采工作面布置，提高工作效率。

2）正傾斜布置保護煤柱留設(shè)較少，煤炭資源的采出率高。

方案二缺點：

1）若為減少壓煤將水倉布置在底板中，則上部-850 m繞道可能進(jìn)入三灰，巷道安全性會受到三灰水的影響。

2）若將水倉布置在頂板中，則延深下山穿過煤層，不利于各片盤巷道布置。

3）石門長短不一，且施工工程量大，各階段煤倉繞道工程量大。

4）建設(shè)工期長，不利于礦井接續(xù)。

根據(jù)方案一和方案二的開拓布置設(shè)計，結(jié)合礦井實際資料，經(jīng)計算，可得方案一和方案二的工程量及經(jīng)濟預(yù)算比較見表2。

根據(jù)上述方案綜合比較分析，方案一具有工程量少（主要開拓工程212 m，水平石門80 m）、投資費用低、施工工期短、巷道布置合理、安全風(fēng)險低等優(yōu)點，因此選用方案一。

3.3 采區(qū)延深優(yōu)化設(shè)計特點

1）設(shè)計在十三采區(qū)-850 m水平以西布置2條延深下山至-948 m水平，然后分別在-883、-915、-948 m水平布置片盤石門，沿煤層布置運輸順槽、工作面切眼等巷道，形成工作面。

表2 工程量及經(jīng)濟預(yù)算比較表

2）2條下山分別為十三采區(qū)延深軌道下山、十三采區(qū)延深膠帶下山，均布置在3煤底板巖石中。

3）采區(qū)軌道下山運輸采用JYB-40×1.25運輸絞車提升；行人使用RJKY37-25/1000型架空乘人裝置；同時敷設(shè)風(fēng)水管路和電纜，擔(dān)負(fù)采區(qū)進(jìn)風(fēng)、輔助提升、行人任務(wù)。

4）采區(qū)膠帶下山安設(shè)DTL80/10/2×110型膠帶輸送機，同時敷設(shè)兩趟公稱壓力1.6 MPa，φ110PE管作為2路排水管路，擔(dān)負(fù)采區(qū)回風(fēng)、煤流運輸、排水任務(wù)。

5）采區(qū)延深軌道下山深部達(dá)到-948 m位置時設(shè)置采區(qū)下部車場，布置采區(qū)水倉、泵房等。

4 結(jié)論

在當(dāng)前煤炭行業(yè)發(fā)展的大環(huán)境下，對煤炭資源的綠色安全高效回采以及充分利用成為了當(dāng)前煤炭領(lǐng)域的重要發(fā)展理念之一，基于此，對急傾斜煤層等煤炭資源的延深優(yōu)化設(shè)計開采成為了緩解淺部煤炭資源枯竭的重要手段之一。特殊賦存條件下的煤炭資源在開采技術(shù)和工程水文地質(zhì)條件等方面具有區(qū)別于一般開采條件下煤炭資源的顯著特征，需在巷道開拓布置等環(huán)節(jié)進(jìn)行更加細(xì)致的設(shè)計研究，提出更具針對性和適用性的采區(qū)開拓布置方案，以實現(xiàn)對急傾斜煤層等特殊賦存條件下煤炭資源的綠色安全高效開采，本文結(jié)論如下：

1）對株柏煤礦十三采區(qū)上區(qū)段巷道系統(tǒng)開拓布置及開采現(xiàn)況進(jìn)行了闡述，明確了對下部區(qū)段煤炭資源進(jìn)行延深設(shè)計開采的必要性。

2）通過方案比較法從工程和經(jīng)濟方面對十三采區(qū)下區(qū)段延深設(shè)計方案進(jìn)行了比選，確定了最優(yōu)方案，為該礦延深設(shè)計提供了工程指導(dǎo)。

3）分析了十三采區(qū)下區(qū)段最優(yōu)延深設(shè)計方案的特點，提出了對延深及回采過程中安全建設(shè)的建議。