株柏煤礦急傾斜煤層十三采區延深優化設計

夏文營，王成功，蘇利國，褚夫堯，王自波，初立新

（臨礦集團東山礦業有限責任公司株柏煤礦，山東 臨沂 276112）

0 引言

煤炭是我國能源領域重要組成部分，一直以來都占據一次性能源消費結構中50%以上比例[1-3]，對于推動我國經濟社會發展、保障民眾的基本能源需求具有重要的支撐作用。當前，我國常規地質條件下的煤炭資源經過多年高強度的開發已趨近枯竭，同時，隨著我國經濟社會的持續強勁發展，對煤炭需求量整體呈現動態上升趨勢，近年來煤炭產量雖在2014年前后均出現過小波谷[4-5]，但為保證我國能源的供需平衡，在以政府主導、市場為抓手的體制機制的驅動作用下，其整體發展趨勢同需求量發展趨勢相近，近似呈“小范圍內波動起伏、大范圍內動態上升”的趨勢，并在2021年達到歷史最高水平的41.3億t。

基于當前煤炭領域發展現狀，對特殊賦存條件下的煤炭資源如急傾斜煤層等進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（大傾角、高應力集中等），使得對其開采更易引發次生災害，導致急傾斜煤層開采成為我國煤炭領域的難點之一。據統計，急傾斜煤層煤炭資源儲量和年產量占我國煤炭資源總儲量和總年產的約5 %，且礦井數量眾多[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，巖層在切向應力作用下會產生同方向運動趨勢，巖層受到擠壓作用產生變形，同時，在構造應力和采動應力等多應力場耦合作用下，擠壓變形的巖體產生更高應力集中區[7-8]，當集中應力超過巖層極限強度時，極易誘發煤礦事故，故而，需對急傾斜煤層的巷道開拓布置及工作面布置等環節進行更加精細的研究分析，明確回采過程中潛在的事故誘因，針對開采實際設計切實可行的開拓布置思路，提出更為有效的工程設計方案以規避或消除礦井可能發生的災害事故。

本文針對東山礦業有限責任公司株柏煤礦十三采區大傾角煤層的水文地質和工程地質現況，結合該礦十三采區上區段煤層開采現狀，對十三采區下區段煤炭資源的回采進行延深優化設計，合理布設適應對大傾角煤層開采的不同功能的巷道及硐室，最大化消除地質條件和避免技術條件所造成的安全隱患，以期達到合理安全回采十三采區下部區段煤炭資源的目的，并可為同類型采區的安全回采提供技術參考。

1 礦區條件概述

1.1 水文地質條件概況

株柏煤礦位于山東省臨沂市郯城縣城北約25 km處，行政區劃隸屬郯城縣李莊鎮，地理坐標為東經118°20′19″～118°22′02″、北緯34°47′42″～34°50′25″，地理區域北起F10斷層，南至F23斷層，西自采礦許可證規定的西界，東止于郯廬深大斷裂西側的鄌郚-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。

本區為一單斜構造，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致本區內地質構造復雜。區域內水文地質類型為中等類型，屬于水文地質條件中等的裂隙充水礦床。本區預計正常涌水量為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砂巖，厚8.39 m，硬度較大，f=6～7，水平層理發育，夾泥質線條。偽底為炭質頁巖，局部炭質泥巖，厚0.47 m；直接底為砂質泥巖，黑灰色，夾線條狀粉細砂巖，富含植物根部化石，平均厚度10.72 m，f=3～5。3煤偽底為黑色炭質頁巖，平均厚度0.4 m，質輕、性脆易脫落；直接底為淺灰-灰色砂巖，f=2～5，石英為主，砂泥質膠結，局部含泥礫，含植物根部化石及FeS2薄膜。

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

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

采區范圍內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。奧陶紀中期地層隆起剝蝕，與石炭紀地層呈假整合接觸，從中石炭紀開始地層接受連續沉積，到二疊紀晚期重又遭受風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含煤地層。

1.2 工程地質條件概況

株柏煤礦現通風方式為中央邊界式、抽出式通風，東立井進風，西立井少量進風，風井回風。掘進作業采用風鉆濕式打眼，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。

礦井均按相關規定進行瓦斯等級鑒定工作，十三采區位于十采區下部，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 采區瓦斯鑒定情況表

2018年11月29日山東鼎安檢測技術有限公司對我礦煤塵爆炸性進行了鑒定，結果如下：2煤為23.44 %，3煤為34.78 %，均具有爆炸性；根據煤層自燃傾向性鑒定結果，十三采區煤層屬Ⅱ類自然發火煤層，自然發火期2煤90 d，3煤101 d；根據《株柏煤礦擴界區開采初步設計》可知，地層地溫梯度為2.1℃/100 m，由此推算，十三采區區段地溫正常，無高溫熱現象；根據《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 采區原設計開采情況

按十三采區原回采設計方案，目前該區已開采至原設計的下限標高（-850 m水平），在正常開拓開采過程中揭露發現該采區受走向斷裂牽引影響，致使煤層底板等高線向東逐步下移，最終導致十三采區下部（-850 m水平）至東部邊界保護煤柱線范圍內開采面積逐步縮減，根據當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重，因十三采區下部剩余階段標高較小（約100 m），且下部資源開拓開采均需使用十三采區原有采掘、通風、排水、供電、運輸等主要系統，根據采區實際情況，在符合國家有關規定的前提下，對株柏煤礦十三采區延深后的巷道開拓布置方案進行優化設計。

3 采區優化設計

本次采區延深優化設計的目的主要是對十三采區下部區段煤炭資源進行合理開發利用，在繼續使用上部區段主要生產系統的同時滿足下部區段回采對巷道開拓及生產系統的基本需求，根據實際煤層賦存條件和水文工程地質條件對下部區段進行重新設計，優化設計后將在階段煤倉、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，保障基本生產需求的同時精簡生產系統布置，提高運行效率，節約開拓成本，更好的服務采區生產作業。

3.1 采區優化原則

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

3.2 開拓布置方案比選

基于十三采區內大傾角煤層賦存環境的地質構造狀況，受采區主要提升絞車、煤層底板等高線位置、礦井邊界等條件限制，十三采區延深優化設計不能通過上部-650～-850 m下山直接延深開拓布局，需在十三采區原有-650～-850 m標高水平范圍內開拓階段基礎上，重新設計布置-850～-948 m階段的開拓方案，其中第一階段（-650～-850 m）沿用原十三采區上區段的設計；第二階段（-650～-948 m）延深下山布置經方案比較法[9-10]選出2個較優方案，再進行具體的分析計算，進而確定最終方案。方案一和方案二的具體內容如下：

方案一：偽傾斜北部單翼開采為主的雙巖石下山延深系統：

在-850 m水平繞道布置斜石門進入3煤底板，并布置裝載車場、煤倉、絞車房、上倉巷等相關硐室，布置煤倉、裝載車場等相關硐室后，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，形成相關生產系統，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示意圖

方案二：正傾斜雙翼開采雙巖石下山延深系統：

在-850 m水平繞道布置斜石門進入3煤底板，并布置裝載車場、煤倉、絞車房、上倉巷等相關硐室，布置煤倉、裝載車場等相關硐室后，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，形成相關生產系統，該方案巷道開拓布置示意圖如圖2所示。

根據上述方案一和方案二的具體內容可知各方案工程及經濟方面的優缺點：

方案一優點：

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，可減少石門的掘進工程量；

2）主要巷道開拓工程量小，建設工期短，有利于礦井生產接續；

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

方案一缺點：

1）采區兩翼不等長，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）建設工期長，不利于礦井接續。

根據方案一和方案二的開拓布置設計，結合礦井實際資料，經計算，可得方案一和方案二的工程量及經濟預算比較見表2。

根據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、安全風險低等優點，因此選用方案一。

3.3 采區延深優化設計特點

1）設計在十三采區-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 工程量及經濟預算比較表

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

3）采區軌道下山運輸采用JYB-40×1.25運輸絞車提升；行人使用RJKY37-25/1000型架空乘人裝置；同時敷設風水管路和電纜，擔負采區進風、輔助提升、行人任務。

4）采區膠帶下山安設DTL80/10/2×110型膠帶輸送機，同時敷設兩趟公稱壓力1.6 MPa，φ110PE管作為2路排水管路，擔負采區回風、煤流運輸、排水任務。

5）采區延深軌道下山深部達到-948 m位置時設置采區下部車場，布置采區水倉、泵房等。

4 結論

在當前煤炭行業發展的大環境下，對煤炭資源的綠色安全高效回采以及充分利用成為了當前煤炭領域的重要發展理念之一，基于此，對急傾斜煤層等煤炭資源的延深優化設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和工程水文地質條件等方面具有區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節進行更加細致的設計研究，提出更具針對性和適用性的采區開拓布置方案，以實現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，本文結論如下：

1）對株柏煤礦十三采區上區段巷道系統開拓布置及開采現況進行了闡述，明確了對下部區段煤炭資源進行延深設計開采的必要性。

2）通過方案比較法從工程和經濟方面對十三采區下區段延深設計方案進行了比選，確定了最優方案，為該礦延深設計提供了工程指導。

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