资源枯竭型矿井衰退期开采方案设计：以山西云冈矿为例

马秀春

(大同煤矿集团有限责任公司云冈矿)

根据第三次全国煤炭资源预测与评价结果，我国煤炭资源总量约5.57万亿t，探明储量10 202亿t，其中可开采储量1 891亿t。2015年，我国煤炭产量达37.5亿t，为2005年产量的1.76倍，占世界煤炭产量的47%，2016年1—11月全国煤炭产量为30.5亿t。我国煤炭在一次能源消费中约占71%，截至2015年底，全国煤矿数量达1.08万处，其中年产120万t以上的大型煤矿1 050 座，较2010年增加400 座，产量比重由58%提高至68%；年产30万t以下的小型煤矿有7 000多座。由于长期受到计划经济体制的影响，我国煤炭企业面临很多问题，大量资源枯竭型城市相继出现。现阶段，我国资源枯竭型矿业城市数量约占全国资源型城市的1/10。

山西煤炭资源丰富，累计查明煤炭保有资源量2 674亿t，约占全国查明煤炭资源储量的25%。山西煤炭资源开采具有开采历史久、开采强度大的特点。截至2016年3月31日，全省6大煤田中，共有生产矿井562座。山西煤炭资源的开采强度达到23.3%，与陕、蒙两省(区)相比，高出陕西14.3%、内蒙14.7%。该省许多煤矿已进入资源严重匮乏期，如大同煤矿集团云冈矿自1973年3月投产至今，已开采40多年，矿井已进入衰竭期，矿井剩余储量460万t[1-2]。本研究以该矿为例，对资源枯竭型矿井衰退期的开采方案进行设计，以有效提高剩余煤炭资源的开采效率，延长矿井服务年限。

1 矿井概况

云冈矿于1966年10月开工建设，1973年3月投产，设计生产能力为270万t/a。该矿于1985年10月由山西省煤矿设计院完成改扩建设计，设计生产能力为500万t/a，于1991年4月完成修改设计，设计生产能力达到600万t/a，2005年矿井核定生产能力为480万t/a。井田位于大同市西18 km、云冈镇西，地处大同煤田东北部、侏罗系赋煤区北端，大同向斜西翼(图1)。井田东邻青磁窑逆冲断层，地层总体走向NW，倾向NE，发育有较多的短轴褶曲，地层倾角一般为2°～6°，较大断层及褶曲附近地层较陡，倾角达11°～30°[3-4]。井田面积为59.000 3 km2，可划分为南北两翼共11个盘区，矿井主要开采侏罗系中统大同组煤层。该矿1966年建井时批复的储量为99 122万t，保有储量99 054万t。截至2014年12月31日，该矿累计查明储量106 000万t，1973年投产时累计探明的资源储量为61 149.9万t，保有储量41 429.2万t，其中111b资源量6 458.4万t，122b资源量15 589.8万t，333资源量19 381 万t。

2 矿井末期面临的问题

2.1 矿井剩余可采储量匮乏

云冈井田赋存有侏罗系含煤建造，侏罗系地层共含煤12层，自上而下依次为2#、3#、4#、5#、7#、8#、9#、10#、11#、12#、14#、15#煤层，其中，4#、5#、9#、10#、15#煤层不可采。经过40多年开采，云冈矿累计生产煤炭1.6亿t，其中2#、3#、7#煤层已开采完毕，目前正在开采8#、11#、12#煤层，截止到2016年，8#、11#煤层的剩余可采储量仅为100万t左右(表1)。自2007年以来，云冈矿连续7次年产原煤超过500万t，高强度的开采导致剩余可采储量逐渐减少。相较于2010年、2011年，云冈矿2012—2015年原煤产量略有减少，但减少幅度不大，2016年原煤产量为217.3万t，较2010年、2015年分别降低了61.6%、57.6%，可见从2016年起，该矿已开始进入开采末期(表2)，矿井剩余可采煤量仅为460万t。由于开采煤层资源枯竭，原煤产量呈现下滑趋势，矿井剩余动用储量逐渐减少，2017年全年计划动用储量138万t，2018年计划动用118万t。

图1 云冈矿区域构造特征

表1 云冈矿8#、11#、12#煤层剩余可采煤量 万t

煤层编号盘区储量8#40438.6811-2#31161.9412#40442.85406281.6541036.01

表2 2010—2016年云冈矿原煤产量 万t

2.2 矿井剩余资源地质条件差

云冈矿剩余可采资源地质构造发育，根据钻孔及生产揭露，井田内共有断层202条，其中140条断层集中位于404、406盘区，其中断距大于10m的断层有11条，5 ～10m断距的断层有10条，断层走向以NE、NW向为主，少量为SN向，断层以正断层为主。除断裂构造外，井田褶曲也较发育，共有褶曲和穹隆构造9个，轴向为NE、NW。井下揭露了40个陷落柱，形态各异，轴向多为NE、NW向，长轴长度为35～250m，平均75.3m，短轴长度为20～140m，平均43.5m，主要分布于410盘区。

2.3 矿井剩余资源水文地质条件差

随着开采由简单区域向复杂区域转移，矿井面临的水文地质条件也日趋复杂。目前，云冈矿开采8#煤层404盘区，上覆存在着该矿2#、3#、7#煤层采空区，且靠近十里河河床，充水和补给条件良好。11-2#煤层311盘区西南部附近存在上深涧、花园屯和破鲁老窑沟煤矿小窑破坏区，影响着81123、81125、81127工作面安全掘进。12#煤层406盘区上覆有马营洼、刘官庄、宏达小窑采空区，影响着406盘区8633、8615等工作面回采；12#煤层410盘区附近同层和上覆有党家洼、五台湾、瑞丰煤矿小窑破坏区，影响着410盘区西部81041、81043、81033工作面安全掘进和回采。目前矿井的积水分布情况如图2所示。矿井防治水工作除考虑矿井周边小煤矿采空区积水和上覆老窑、小窑破坏区积水外，还应考虑该矿上覆煤层采空积水[5-6]。

3 矿井末期开采方案设计

3.1 方案I(精采细采，合理配采)

云冈井田以十里河为界限可划分为南翼和北翼，共11个盘区，其中北翼分为301、303、305、307、309、311 6个盘区，南翼分为402、404、406、408、410 5个盘区(图3)。

目前，云冈矿正在生产的盘区有8#煤层404盘区，11-2#煤层311盘区，12#煤层404、406、410盘区。云冈矿剩余盘区较少，其中11-1#煤层311盘区已进入回收煤柱阶段，可采储量进一步减少。因此，精采细采剩余煤炭资源、合理调配生产，是减少煤炭资源损失、实现平稳过度和延长矿井寿命的主要技术手段[7-8]。

(1)广泛使用一次采全高单一长臂采煤法。8#煤层404盘区煤层厚度为2.80m，煤层倾角为2°，直接顶岩性为粉砂岩、细砂岩及少量中砂岩、泥岩；11#煤层311盘区已进入回收煤柱阶段，煤层厚度为2.08m，煤层倾角平均达3.9°，直接顶岩性为中—粗砂岩，厚0.6～8.54m。8#、11#煤层厚度变化小，煤层赋存稳定，属中厚煤层，顶板条件好，宜采用一次采全高单一长臂采煤法生产。一般采用走向长壁综合机械化采煤法开采，采用全部垮落法管理顶板。

图2 矿井积水位置分布

图3 云冈矿盘区划分

采煤机可选用鸡西煤矿机械厂研发的MG300W型双滚筒采煤机，采高2～4.5m；支架可选用郑州煤机厂生产的ZFQ-2400-16/24型轻放支架，支撑高度达1.8～4.2m。回采过程中须控制采高、顶煤及底板，时刻关注煤层厚度变化，及时调节支架高度，减少因煤层高度变化而造成的顶底板煤炭资源损失[9]。

(2)合理应用倾斜长壁后退式低位综采放顶煤工艺。12#煤层厚度为0～13.83m，平均7.08m，煤层厚度变化大。大采高综采工艺对煤层厚度、稳定性要求较高，适用于煤厚变化较小、赋存稳定的厚煤层，一般最大厚度小于6m，平均厚度约4.5m。放顶煤综采工艺对厚度变化较大的厚煤层适应性强，不会因煤层厚薄不均甚至局部不可采而丢失大量煤炭，有利于提高资源采出率。因此12#煤层宜采用综采低位放顶煤工艺生产。为提高放顶煤回收率，放顶煤工作面可根据放煤量适当加宽后部刮板输送机的宽度，优化放煤工艺，选定合理的循环进度和放煤步距、放煤方式，确保足够的放煤时间，见矸关窗。云冈矿放顶煤工作面宜采用低位、间隔、多轮往复均匀放煤方式，放煤口高度距工作面底板为0.2～0.5m。该放煤方式丢煤少，混矸少，易实现高产高效。

(3)调配生产，实现稳产。矿井设计部门需根据采掘部署合理安排采掘衔接，对待采区域按煤层厚度、地质构造发育程度、开采难易程度、煤柱等要素进行划分，实现薄煤区与厚煤区相互搭配，地质构造简单块段与复杂块段相互搭配，优劣煤质相互搭配，确保矿井有序开采，实现稳产。

(4)推广小煤柱、无煤柱化开采方式[10-15]。云冈矿以往开采的综采工作面之间多留设20m厚区段煤柱，严重影响了采区回采率，且因临空巷道布置于采空区顶板侧向应力集中区，致使临空巷压力显现大。实施沿空掘巷或留设小煤柱，可使得临空巷道布置于应力降低区，减小临空巷道压力显现，不仅可实现安全开采，而且有助于提高采区回采率。因此，应在该矿大力推广沿空掘巷技术，确保放顶煤开采无区段煤柱，或采用留设5～8m厚小煤柱的方式开采。实践证明，因地制宜的实现工作面运输巷、回风巷的错位布置，实现小煤柱回采，同时对于一些落差较小的断层实行跨断层跳采[16-20]，可最大限度地回收煤炭资源。

3.2 方案II(优化工作面布置)

在矿井剩余资源开采方案设计中，针对煤层赋存情况以及盘区地质构造特征，合理设计部署中厚煤层工作面、薄煤层工作面，在边角煤、残采盘区、村庄下压煤和小窑破坏区开采时，应通过科学设计、合理布置工作面，有效克服综采工作面遭遇断层、陷落柱的问题。

工作面布置应以走向长臂工作面为主，局部边界和地质构造复杂地带采用短臂工作面、可变采长的工作面。云冈矿404、410盘区断层构造发育，考虑到断层位置、落差以及被切割块体的大小、形态等，对于一些落差大于采高的走向断层，应将其留设于采面之间的区段煤柱内；对于长度较小的斜交断层，通过调节工作面长度，可实现高效回采；将倾向断层作为回采边界，减少回采过程中煤炭资源损失；对于一些落差较小的断层，可以采取强行通过方式。此外，煤层被倾向或斜交断层切割时，可布置倾向长壁工作面。走向长臂工作面一般设计长为200m，顺槽巷道、切眼布置位置可根据断层、陷落柱等地质构造影响因素进行适当调整。如在布置12#煤层81005工作面时，由于受到一条走向NNE、落差4.7～5.1m正断层的影响，可将该断层作为51005回风巷道的边界，将一条走向NNW、落差1.3～2.1m的正断层留设于采面之间的煤柱内；对于走向EW、落差0.6m的小断层，可采取强行通过方案，将X2陷落柱作为采面边界(图4)。

图4 12#煤层81005工作面布置示意

3.3 方案III(开采回收边角煤柱)

云冈矿经过多年开采，矿井资源逐步枯竭，据统

计，剩余能够圈出工作面的可采储量仅为240万t。11-1#煤层309盘区受破鲁老窑沟煤矿小窑破坏区的影响，加之西部2条走向NNW、落差大于5m正断层的控制，使得309盘区被切割形成暂时无法开采的区域，云冈矿该类情形较多(图5)。11-2#煤层311盘区西南部附近存在上深涧、花园屯煤矿小窑破坏区，12#煤层406盘区上覆存在马营洼、刘官庄、宏达小窑采空区等。此外，由于煤层赋存条件、地质条件、构造复杂程度的变化，使得正规开采、切块布置方式遗留下大量边角煤，同时受到断层等构造切割留下了多处三角块段或窄条段，合理回收该类边角煤柱，能够提高采区回收率，延长矿井服务年限。

图5 11-1#层309盘区开拓平面

4 结 语

云冈矿历经40余年的开采，资源濒临枯竭，为延长矿井服务年限，实现矿井衰竭期间生产的平稳过渡，本研究通过分析该矿井水文地质条件，设计了3种开采方案，即通过合理选择采煤工艺，精细化开采、合理配采以提高资源回收率；针对煤层赋存情况和地质构造特征，优化工作面布置，降低边角煤柱的损失率；有效回收各类残存边角煤柱，以延长矿井寿命。该类方案的成功实践有效提高了矿区煤炭资源回收率，最大限度地挖掘了矿井的生产价值，为矿区可持续发展积累了宝贵经验。

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