資源枯竭型礦井衰退期開采方案設(shè)計：以山西云岡礦為例

馬秀春

(大同煤礦集團有限責(zé)任公司云岡礦)

根據(jù)第三次全國煤炭資源預(yù)測與評價結(jié)果，我國煤炭資源總量約5.57萬億t，探明儲量10 202億t，其中可開采儲量1 891億t。2015年，我國煤炭產(chǎn)量達37.5億t，為2005年產(chǎn)量的1.76倍，占世界煤炭產(chǎn)量的47%，2016年1—11月全國煤炭產(chǎn)量為30.5億t。我國煤炭在一次能源消費中約占71%，截至2015年底，全國煤礦數(shù)量達1.08萬處，其中年產(chǎn)120萬t以上的大型煤礦1 050 座，較2010年增加400 座，產(chǎn)量比重由58%提高至68%；年產(chǎn)30萬t以下的小型煤礦有7 000多座。由于長期受到計劃經(jīng)濟體制的影響，我國煤炭企業(yè)面臨很多問題，大量資源枯竭型城市相繼出現(xiàn)?，F(xiàn)階段，我國資源枯竭型礦業(yè)城市數(shù)量約占全國資源型城市的1/10。

山西煤炭資源豐富，累計查明煤炭保有資源量2 674億t，約占全國查明煤炭資源儲量的25%。山西煤炭資源開采具有開采歷史久、開采強度大的特點。截至2016年3月31日，全省6大煤田中，共有生產(chǎn)礦井562座。山西煤炭資源的開采強度達到23.3%，與陜、蒙兩省(區(qū))相比，高出陜西14.3%、內(nèi)蒙14.7%。該省許多煤礦已進入資源嚴重匱乏期，如大同煤礦集團云岡礦自1973年3月投產(chǎn)至今，已開采40多年，礦井已進入衰竭期，礦井剩余儲量460萬t[1-2]。本研究以該礦為例，對資源枯竭型礦井衰退期的開采方案進行設(shè)計，以有效提高剩余煤炭資源的開采效率，延長礦井服務(wù)年限。

1 礦井概況

云岡礦于1966年10月開工建設(shè)，1973年3月投產(chǎn)，設(shè)計生產(chǎn)能力為270萬t/a。該礦于1985年10月由山西省煤礦設(shè)計院完成改擴建設(shè)計，設(shè)計生產(chǎn)能力為500萬t/a，于1991年4月完成修改設(shè)計，設(shè)計生產(chǎn)能力達到600萬t/a，2005年礦井核定生產(chǎn)能力為480萬t/a。井田位于大同市西18 km、云岡鎮(zhèn)西，地處大同煤田東北部、侏羅系賦煤區(qū)北端，大同向斜西翼(圖1)。井田東鄰青磁窯逆沖斷層，地層總體走向NW，傾向NE，發(fā)育有較多的短軸褶曲，地層傾角一般為2°～6°，較大斷層及褶曲附近地層較陡，傾角達11°～30°[3-4]。井田面積為59.000 3 km2，可劃分為南北兩翼共11個盤區(qū)，礦井主要開采侏羅系中統(tǒng)大同組煤層。該礦1966年建井時批復(fù)的儲量為99 122萬t，保有儲量99 054萬t。截至2014年12月31日，該礦累計查明儲量106 000萬t，1973年投產(chǎn)時累計探明的資源儲量為61 149.9萬t，保有儲量41 429.2萬t，其中111b資源量6 458.4萬t，122b資源量15 589.8萬t，333資源量19 381 萬t。

2 礦井末期面臨的問題

2.1 礦井剩余可采儲量匱乏

云岡井田賦存有侏羅系含煤建造，侏羅系地層共含煤12層，自上而下依次為2#、3#、4#、5#、7#、8#、9#、10#、11#、12#、14#、15#煤層，其中，4#、5#、9#、10#、15#煤層不可采。經(jīng)過40多年開采，云岡礦累計生產(chǎn)煤炭1.6億t，其中2#、3#、7#煤層已開采完畢，目前正在開采8#、11#、12#煤層，截止到2016年，8#、11#煤層的剩余可采儲量僅為100萬t左右(表1)。自2007年以來，云岡礦連續(xù)7次年產(chǎn)原煤超過500萬t，高強度的開采導(dǎo)致剩余可采儲量逐漸減少。相較于2010年、2011年，云岡礦2012—2015年原煤產(chǎn)量略有減少，但減少幅度不大，2016年原煤產(chǎn)量為217.3萬t，較2010年、2015年分別降低了61.6%、57.6%，可見從2016年起，該礦已開始進入開采末期(表2)，礦井剩余可采煤量僅為460萬t。由于開采煤層資源枯竭，原煤產(chǎn)量呈現(xiàn)下滑趨勢，礦井剩余動用儲量逐漸減少，2017年全年計劃動用儲量138萬t，2018年計劃動用118萬t。

圖1 云岡礦區(qū)域構(gòu)造特征

表1 云岡礦8#、11#、12#煤層剩余可采煤量 萬t

煤層編號盤區(qū)儲量8#40438.6811-2#31161.9412#40442.85406281.6541036.01

表2 2010—2016年云岡礦原煤產(chǎn)量 萬t

2.2 礦井剩余資源地質(zhì)條件差

云岡礦剩余可采資源地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，根據(jù)鉆孔及生產(chǎn)揭露，井田內(nèi)共有斷層202條，其中140條斷層集中位于404、406盤區(qū)，其中斷距大于10m的斷層有11條，5 ～10m斷距的斷層有10條，斷層走向以NE、NW向為主，少量為SN向，斷層以正斷層為主。除斷裂構(gòu)造外，井田褶曲也較發(fā)育，共有褶曲和穹隆構(gòu)造9個，軸向為NE、NW。井下揭露了40個陷落柱，形態(tài)各異，軸向多為NE、NW向，長軸長度為35～250m，平均75.3m，短軸長度為20～140m，平均43.5m，主要分布于410盤區(qū)。

2.3 礦井剩余資源水文地質(zhì)條件差

隨著開采由簡單區(qū)域向復(fù)雜區(qū)域轉(zhuǎn)移，礦井面臨的水文地質(zhì)條件也日趨復(fù)雜。目前，云岡礦開采8#煤層404盤區(qū)，上覆存在著該礦2#、3#、7#煤層采空區(qū)，且靠近十里河河床，充水和補給條件良好。11-2#煤層311盤區(qū)西南部附近存在上深澗、花園屯和破魯老窯溝煤礦小窯破壞區(qū)，影響著81123、81125、81127工作面安全掘進。12#煤層406盤區(qū)上覆有馬營洼、劉官莊、宏達小窯采空區(qū)，影響著406盤區(qū)8633、8615等工作面回采；12#煤層410盤區(qū)附近同層和上覆有黨家洼、五臺灣、瑞豐煤礦小窯破壞區(qū)，影響著410盤區(qū)西部81041、81043、81033工作面安全掘進和回采。目前礦井的積水分布情況如圖2所示。礦井防治水工作除考慮礦井周邊小煤礦采空區(qū)積水和上覆老窯、小窯破壞區(qū)積水外，還應(yīng)考慮該礦上覆煤層采空積水[5-6]。

3 礦井末期開采方案設(shè)計

3.1 方案I(精采細采，合理配采)

云岡井田以十里河為界限可劃分為南翼和北翼，共11個盤區(qū)，其中北翼分為301、303、305、307、309、311 6個盤區(qū)，南翼分為402、404、406、408、410 5個盤區(qū)(圖3)。

目前，云岡礦正在生產(chǎn)的盤區(qū)有8#煤層404盤區(qū)，11-2#煤層311盤區(qū)，12#煤層404、406、410盤區(qū)。云岡礦剩余盤區(qū)較少，其中11-1#煤層311盤區(qū)已進入回收煤柱階段，可采儲量進一步減少。因此，精采細采剩余煤炭資源、合理調(diào)配生產(chǎn)，是減少煤炭資源損失、實現(xiàn)平穩(wěn)過度和延長礦井壽命的主要技術(shù)手段[7-8]。

(1)廣泛使用一次采全高單一長臂采煤法。8#煤層404盤區(qū)煤層厚度為2.80m，煤層傾角為2°，直接頂巖性為粉砂巖、細砂巖及少量中砂巖、泥巖；11#煤層311盤區(qū)已進入回收煤柱階段，煤層厚度為2.08m，煤層傾角平均達3.9°，直接頂巖性為中—粗砂巖，厚0.6～8.54m。8#、11#煤層厚度變化小，煤層賦存穩(wěn)定，屬中厚煤層，頂板條件好，宜采用一次采全高單一長臂采煤法生產(chǎn)。一般采用走向長壁綜合機械化采煤法開采，采用全部垮落法管理頂板。

圖2 礦井積水位置分布

圖3 云岡礦盤區(qū)劃分

采煤機可選用雞西煤礦機械廠研發(fā)的MG300W型雙滾筒采煤機，采高2～4.5m；支架可選用鄭州煤機廠生產(chǎn)的ZFQ-2400-16/24型輕放支架，支撐高度達1.8～4.2m?；夭蛇^程中須控制采高、頂煤及底板，時刻關(guān)注煤層厚度變化，及時調(diào)節(jié)支架高度，減少因煤層高度變化而造成的頂?shù)装迕禾抠Y源損失[9]。

(2)合理應(yīng)用傾斜長壁后退式低位綜采放頂煤工藝。12#煤層厚度為0～13.83m，平均7.08m，煤層厚度變化大。大采高綜采工藝對煤層厚度、穩(wěn)定性要求較高，適用于煤厚變化較小、賦存穩(wěn)定的厚煤層，一般最大厚度小于6m，平均厚度約4.5m。放頂煤綜采工藝對厚度變化較大的厚煤層適應(yīng)性強，不會因煤層厚薄不均甚至局部不可采而丟失大量煤炭，有利于提高資源采出率。因此12#煤層宜采用綜采低位放頂煤工藝生產(chǎn)。為提高放頂煤回收率，放頂煤工作面可根據(jù)放煤量適當(dāng)加寬后部刮板輸送機的寬度，優(yōu)化放煤工藝，選定合理的循環(huán)進度和放煤步距、放煤方式，確保足夠的放煤時間，見矸關(guān)窗。云岡礦放頂煤工作面宜采用低位、間隔、多輪往復(fù)均勻放煤方式，放煤口高度距工作面底板為0.2～0.5m。該放煤方式丟煤少，混矸少，易實現(xiàn)高產(chǎn)高效。

(3)調(diào)配生產(chǎn)，實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)。礦井設(shè)計部門需根據(jù)采掘部署合理安排采掘銜接，對待采區(qū)域按煤層厚度、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度、開采難易程度、煤柱等要素進行劃分，實現(xiàn)薄煤區(qū)與厚煤區(qū)相互搭配，地質(zhì)構(gòu)造簡單塊段與復(fù)雜塊段相互搭配，優(yōu)劣煤質(zhì)相互搭配，確保礦井有序開采，實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)。

(4)推廣小煤柱、無煤柱化開采方式[10-15]。云岡礦以往開采的綜采工作面之間多留設(shè)20m厚區(qū)段煤柱，嚴重影響了采區(qū)回采率，且因臨空巷道布置于采空區(qū)頂板側(cè)向應(yīng)力集中區(qū)，致使臨空巷壓力顯現(xiàn)大。實施沿空掘巷或留設(shè)小煤柱，可使得臨空巷道布置于應(yīng)力降低區(qū)，減小臨空巷道壓力顯現(xiàn)，不僅可實現(xiàn)安全開采，而且有助于提高采區(qū)回采率。因此，應(yīng)在該礦大力推廣沿空掘巷技術(shù)，確保放頂煤開采無區(qū)段煤柱，或采用留設(shè)5～8m厚小煤柱的方式開采。實踐證明，因地制宜的實現(xiàn)工作面運輸巷、回風(fēng)巷的錯位布置，實現(xiàn)小煤柱回采，同時對于一些落差較小的斷層實行跨斷層跳采[16-20]，可最大限度地回收煤炭資源。

3.2 方案II(優(yōu)化工作面布置)

在礦井剩余資源開采方案設(shè)計中，針對煤層賦存情況以及盤區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征，合理設(shè)計部署中厚煤層工作面、薄煤層工作面，在邊角煤、殘采盤區(qū)、村莊下壓煤和小窯破壞區(qū)開采時，應(yīng)通過科學(xué)設(shè)計、合理布置工作面，有效克服綜采工作面遭遇斷層、陷落柱的問題。

工作面布置應(yīng)以走向長臂工作面為主，局部邊界和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地帶采用短臂工作面、可變采長的工作面。云岡礦404、410盤區(qū)斷層構(gòu)造發(fā)育，考慮到斷層位置、落差以及被切割塊體的大小、形態(tài)等，對于一些落差大于采高的走向斷層，應(yīng)將其留設(shè)于采面之間的區(qū)段煤柱內(nèi)；對于長度較小的斜交斷層，通過調(diào)節(jié)工作面長度，可實現(xiàn)高效回采；將傾向斷層作為回采邊界，減少回采過程中煤炭資源損失；對于一些落差較小的斷層，可以采取強行通過方式。此外，煤層被傾向或斜交斷層切割時，可布置傾向長壁工作面。走向長臂工作面一般設(shè)計長為200m，順槽巷道、切眼布置位置可根據(jù)斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造影響因素進行適當(dāng)調(diào)整。如在布置12#煤層81005工作面時，由于受到一條走向NNE、落差4.7～5.1m正斷層的影響，可將該斷層作為51005回風(fēng)巷道的邊界，將一條走向NNW、落差1.3～2.1m的正斷層留設(shè)于采面之間的煤柱內(nèi)；對于走向EW、落差0.6m的小斷層，可采取強行通過方案，將X2陷落柱作為采面邊界(圖4)。

圖4 12#煤層81005工作面布置示意

3.3 方案III(開采回收邊角煤柱)

云岡礦經(jīng)過多年開采，礦井資源逐步枯竭，據(jù)統(tǒng)

計，剩余能夠圈出工作面的可采儲量僅為240萬t。11-1#煤層309盤區(qū)受破魯老窯溝煤礦小窯破壞區(qū)的影響，加之西部2條走向NNW、落差大于5m正斷層的控制，使得309盤區(qū)被切割形成暫時無法開采的區(qū)域，云岡礦該類情形較多(圖5)。11-2#煤層311盤區(qū)西南部附近存在上深澗、花園屯煤礦小窯破壞區(qū)，12#煤層406盤區(qū)上覆存在馬營洼、劉官莊、宏達小窯采空區(qū)等。此外，由于煤層賦存條件、地質(zhì)條件、構(gòu)造復(fù)雜程度的變化，使得正規(guī)開采、切塊布置方式遺留下大量邊角煤，同時受到斷層等構(gòu)造切割留下了多處三角塊段或窄條段，合理回收該類邊角煤柱，能夠提高采區(qū)回收率，延長礦井服務(wù)年限。

圖5 11-1#層309盤區(qū)開拓平面

4 結(jié) 語

云岡礦歷經(jīng)40余年的開采，資源瀕臨枯竭，為延長礦井服務(wù)年限，實現(xiàn)礦井衰竭期間生產(chǎn)的平穩(wěn)過渡，本研究通過分析該礦井水文地質(zhì)條件，設(shè)計了3種開采方案，即通過合理選擇采煤工藝，精細化開采、合理配采以提高資源回收率；針對煤層賦存情況和地質(zhì)構(gòu)造特征，優(yōu)化工作面布置，降低邊角煤柱的損失率；有效回收各類殘存邊角煤柱，以延長礦井壽命。該類方案的成功實踐有效提高了礦區(qū)煤炭資源回收率，最大限度地挖掘了礦井的生產(chǎn)價值，為礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展積累了寶貴經(jīng)驗。

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