松河煤礦復(fù)雜地質(zhì)條件下布置邊界石門的可行性探索

袁玉福

(貴州松河煤業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司，貴州 六盤水 553004)

0 引言

我國經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展離不開能源的開采開發(fā)和穩(wěn)定供給。2022 年，煤炭在我國能源一次消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比為56.2%，石油為17.9%?？梢钥闯?，煤炭仍是我國主要的能源來源，煤炭作為我國能源壓艙石的地位短期內(nèi)仍無法被替代。但隨著煤炭資源的高強(qiáng)度開采，煤炭資源日益減少，復(fù)雜地質(zhì)條件下的邊界煤炭資源也需要開采開發(fā)。同時(shí)，近十幾年來，煤礦綜采技術(shù)裝備得到了快速發(fā)展，但復(fù)雜地質(zhì)條件下的巷道掘進(jìn)技術(shù)裝備仍多采用效率較低的“懸臂式掘進(jìn)機(jī)+單體錨桿鉆機(jī)”的方式，導(dǎo)致生產(chǎn)工作面采掘接替緊張的問題進(jìn)一步突出。因此，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，確定合理的井田開拓方案和采區(qū)巷道布置方式成為煤礦生產(chǎn)規(guī)劃和設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，合理的規(guī)劃不僅能夠緩解采掘接替緊張的難題，提高煤礦的安全和提升開采效率，也能降低礦區(qū)生產(chǎn)成本[1-3]。因此，根據(jù)具體地質(zhì)條件選擇適當(dāng)?shù)牟贾梅绞綄?duì)煤礦后期生產(chǎn)和安全至關(guān)重要[4-6]。本文針對(duì)松河煤礦采三區(qū)的工程煤層傾角大、瓦斯含量高的復(fù)雜地質(zhì)條件，綜合考慮煤層資源條件、地形地質(zhì)條件、資源儲(chǔ)量和價(jià)值、原有井巷工程存在狀態(tài)等因素，探索了邊界石門的布置方式，對(duì)采區(qū)巷道布置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為松河煤礦制定生產(chǎn)發(fā)展規(guī)劃和技術(shù)改造等提供保障，助力礦井的高質(zhì)量發(fā)展。

1 礦井概況

松河煤礦位于貴州省六盤水市盤州市北部的土城向斜北翼中段，分屬雞場坪鎮(zhèn)管轄，地理坐標(biāo)為東經(jīng)104°35′38″～104°45′5″，北緯25°57′45″～26°2′30″。井田范圍，西以35 號(hào)斷層與土城礦井分界，東至淤泥河，北以峨嵋山玄武巖組第一段頂界露頭線為界，南以1+3 號(hào)煤層+1 200 m標(biāo)高為界。礦區(qū)面積32.652 5 km2，可采煤層共18 層，其中全區(qū)可采煤層3 層，分別為3、12、17 號(hào)煤層；大部分可采煤層11 層，分別為4、51、62、15、16、18、272、291、292、293、32 號(hào)煤層，局部可采煤層4 層，分別為9、10、11、271號(hào)煤層。煤層總厚度為23.5 m，屬近距離煤層群開采。煤層傾角為25°～35°。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力240 萬 t/a，核定生產(chǎn)能力240 萬 t/a。屬煤與瓦斯突出礦井，煤層為自燃煤層，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。斷層較發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜程度為第二類中等構(gòu)造類型。

礦井采用斜井開拓，分區(qū)抽出式通風(fēng)，現(xiàn)布置了三個(gè)生產(chǎn)采區(qū)，分別為采一區(qū)、采二區(qū)、采三區(qū)，采用+1 380 m 單水平上下山開采。其中采三區(qū)主要井筒有13 進(jìn)風(fēng)行人斜井、13 軌道斜井、13 回風(fēng)斜井，布置為雙翼開采，劃分為4 個(gè)區(qū)段，區(qū)段垂高90～100 m。生產(chǎn)位于1～2 區(qū)段，布置有1 個(gè)采煤工作面和4 個(gè)掘進(jìn)工作面。

2 采三區(qū)布置邊界石門的必要性及考慮因素

2.1 采三區(qū)布置邊界石門的必要性

采三區(qū)131504 采煤工作面已進(jìn)入回收階段，需盡快布置新的采煤工作面確保生產(chǎn)計(jì)劃的正常延續(xù)。但松河煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層傾角大、瓦斯含量高、煤層為自燃煤層、煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，且斷層較發(fā)育，巷道掘進(jìn)采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)+單體錨桿鉆機(jī)，掘進(jìn)效率比較低，隨著采煤工作面機(jī)械化水平不斷提升，采掘接替緊張的問題日益突出。急需優(yōu)化巷道開拓布置方式，縮短采煤工作面的準(zhǔn)備時(shí)間。

同時(shí)，受F15 號(hào)大斷層影響，采三區(qū)F15 號(hào)大斷層(落差30 m)往東一直未進(jìn)行采掘布置。此塊段可采煤層包括1+3、4、9、12、15、16、17、18、27-1、27-2、32 號(hào)煤層共11 層煤層，可采地質(zhì)儲(chǔ)量約355.4 萬t，可布置采煤工作面約11 個(gè)。因此，在煤炭資源趨于緊張的情況下，需要探索設(shè)計(jì)布置采三區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下的邊界石門工程，使采三區(qū)的采掘工程布局更加充分、合理，從空間上解決礦井采掘接續(xù)緊張的問題。

2.2 采區(qū)邊界石門布置需考慮的因素

為了保持采區(qū)的正常連續(xù)和均衡生產(chǎn)，在生產(chǎn)水平減產(chǎn)前必須完成大巷、石門延伸和新水平的開拓準(zhǔn)備。在布置邊界石門設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮以下因素。

(1)煤層資源條件

煤層厚度、埋深、傾角和走向長度等地質(zhì)條件都會(huì)影響煤礦采區(qū)開拓延伸的方案選擇和開采效率。例如，煤層厚度較大時(shí)，需要選擇合適的開采方法以減少資源浪費(fèi)和提高生產(chǎn)效率；煤層埋深過淺時(shí)，開拓延伸時(shí)需要重點(diǎn)考慮采場安全和環(huán)境保護(hù)；傾角過大的煤層可能會(huì)導(dǎo)致采煤和運(yùn)輸困難，需選擇適合的采煤工藝和設(shè)備；走向長度過短則需要進(jìn)行頻繁的開采轉(zhuǎn)移，增加了生產(chǎn)成本和管理難度。

(2)地形地質(zhì)條件

地形地質(zhì)條件包括地層、構(gòu)造、巖性等因素，這些因素會(huì)影響開拓延伸的工程布置和施工難度。例如，在斷裂帶、破裂帶等地質(zhì)構(gòu)造破壞較嚴(yán)重的地區(qū)，開拓延伸需要進(jìn)行加固和維護(hù)工程；在巖性較差的地層，需要考慮對(duì)井巷工程的支護(hù)和維護(hù)。煤層賦存條件決定了采區(qū)開拓延伸巷道的位置，會(huì)影響開采方案的選擇和經(jīng)濟(jì)效益。例如，煤層較分散或賦存深度較淺時(shí)，開采方案可能需要進(jìn)行調(diào)整或采取特殊的采煤方法。

(3)資源儲(chǔ)量和價(jià)值

資源儲(chǔ)量是指經(jīng)過地質(zhì)勘查確定的煤層儲(chǔ)量，包括可采儲(chǔ)量和不可采儲(chǔ)量。工業(yè)價(jià)值是指煤層的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，需要考慮煤質(zhì)、煤種、市場需求等因素。工業(yè)儲(chǔ)量和工業(yè)價(jià)值都會(huì)影響煤礦采區(qū)開拓延伸的規(guī)模和開采計(jì)劃。例如，工業(yè)儲(chǔ)量較小或工業(yè)價(jià)值較低時(shí)，可能需要采取靈活的開采方案以節(jié)約成本和提高經(jīng)濟(jì)效益；反之，則需要考慮擴(kuò)大開拓延伸范圍或增加開采深度以增加資源儲(chǔ)備。

(4)原有井巷工程存在狀態(tài)

原有井巷工程存在狀態(tài)會(huì)影響開拓延伸的工程量和成本。如果原有井巷工程存在較多的問題，如結(jié)構(gòu)老化、損壞嚴(yán)重等，開拓延伸需要進(jìn)行改造、升級(jí)或擴(kuò)建工程，增加了投資成本和管理難度。因此，在開拓延伸前需要對(duì)原有井巷工程進(jìn)行全面調(diào)查和評(píng)估，制定合理的改造方案以降低成本和提高效率。

3 采三區(qū)邊界石門設(shè)計(jì)方案

3.1 邊界石門整體布置方案

綜合考慮采三區(qū)現(xiàn)有井巷工程狀態(tài)、煤層可采儲(chǔ)量和后續(xù)生產(chǎn)計(jì)劃等因素，設(shè)計(jì)從采三區(qū)130 軌道石門沿27-1# 煤層頂板巖層施工一條130 集中回風(fēng)大巷，穿過F15 號(hào)大斷層后布置130 邊界回風(fēng)石門；從采三區(qū)131 運(yùn)輸石門沿27-1# 煤層頂板巖層施工一條131 集中運(yùn)輸大巷，標(biāo)高+1 600 m，穿過F15 號(hào)大斷層后布置131 邊界運(yùn)輸石門。130 邊界回風(fēng)石門和131 邊界運(yùn)輸石門通過13 集中回風(fēng)上山、13 集中回風(fēng)斜巷聯(lián)通?？偣こ塘考s4 209 m，巷道布置平面圖和剖面圖如圖1 所示。

圖1 邊界石門開拓延伸巷道布置圖

130 集中回風(fēng)大巷標(biāo)高+1 695 m，設(shè)計(jì)從130 軌道石門開口，方位角119°，巷道坡度+3‰，總工程量約1 472 m，為全巖層掘進(jìn)；130 邊界回風(fēng)石門設(shè)計(jì)從130 集中回風(fēng)大巷開口，標(biāo)高+1 695 m，方位角237°22' 44'' ，巷道坡度+3‰，總工程量約495 m，穿煤層掘進(jìn)，掘進(jìn)過程中揭露18#、17#、16#、15#、12#、9#、6-2#、4#、3#共9 個(gè)煤層。131 集中運(yùn)輸大巷標(biāo)高1 600 m，設(shè)計(jì)從131 運(yùn)輸石門開口，總工程量約1 360 m，方位角119°，巷道坡度+3‰。131 邊界運(yùn)輸石門設(shè)計(jì)從131 集中運(yùn)輸大巷開口，標(biāo)高+1 600 m，方位角237°22' 44'' ，巷道坡度+3‰，總工程量約515 m。

前期將130 邊界回風(fēng)石門掘進(jìn)至16# 煤層，利用130 集中回風(fēng)大巷和130 邊界回風(fēng)石門可布置131604、131702、131802、131705、131804 采煤工作面巷道，以此縮短采煤工作面的布置時(shí)間。后期可作為F15 號(hào)大斷層(落差30 m)往東18#、17#、16#、15#、12#、9#、6-2#、4#、3# 煤層的回風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一巷多用。

3.2 邊界石門斷面及支護(hù)設(shè)計(jì)

(1)巷道斷面形狀的選擇

巷道布置均處于煤系地層，圍巖中等穩(wěn)定，巷道服務(wù)年限10～15 年，主要服務(wù)開采18、17、16、15、12、9、6-2、4、3# 煤層，斷面形狀選擇為拱形，采用錨網(wǎng)索噴支護(hù)。

根據(jù)安全距離要求，確定巷道凈寬度：

130 集中回風(fēng)大巷：

130 邊界回風(fēng)石門：

130 里塊集中回風(fēng)聯(lián)巷：

式(1)～式(3)中：B為巷道凈寬度(mm)；a1、c1分別為非人行側(cè)(瓦斯管路)和人行側(cè)中線到巷道墻之間的距離(mm)。

根據(jù)通風(fēng)、瓦斯管路安裝(維護(hù))及安全距離要求，確定巷道凈高度：

130 集中回風(fēng)大巷、130 邊界回風(fēng)石門：

130 里塊集中回風(fēng)聯(lián)巷：

式(4)～式(5)中：H為巷道凈高度(mm)；h3為墻高(mm)；h0為拱高(mm)；hb為從巷道底板到道碴面的高度(mm)。

(2)巷道支護(hù)方式

該工程設(shè)計(jì)在二疊系上統(tǒng)龍?zhí)睹合档貙又?，揭露的巖性有細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖煤層組成。地層產(chǎn)狀119°∠31°～∠33°。工作面垂直埋深230～324 m。煤層頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

根據(jù)巷道圍巖性質(zhì)、礦山壓力，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，確定巷道支護(hù)形式：130 集中回風(fēng)大巷、130 邊界回風(fēng)石門采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，凈斷面15.09 m2，掘進(jìn)斷面16.09 m2。頂板破碎帶、過煤層帶根據(jù)實(shí)際情況采用U 型棚或錨索噴漿+ 注漿錨索進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。130 里塊集中回風(fēng)聯(lián)巷采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，凈斷面12.41 m2，掘進(jìn)斷面13.82 m2。頂板破碎帶、過煤層帶根據(jù)實(shí)際情況采用U 型棚或錨索噴漿進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。

4 效益分析

通過布置130 邊界回風(fēng)石門和131 邊界運(yùn)輸石門，松河煤礦采三區(qū)F15 號(hào)斷層以東的272.4 萬t 煤炭資源能夠得以回采，避免了資源浪費(fèi)。同時(shí)，前期利用130 集中回風(fēng)大巷、130 邊界回風(fēng)石門，能夠布置131604、131702 等5 個(gè)采煤工作面，大大縮短采煤工作面的布置時(shí)間，緩解采掘接替的難題，使礦井產(chǎn)能更有保障。此外，通過合理確定巷道層位，有效避開了地質(zhì)構(gòu)造段，降低巷道頂板冒落、煤層煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。