株柏煤矿急倾斜煤层十三采区延深优化设计

夏文营，王成功，苏利国，褚夫尧，王自波，初立新

（临矿集团东山矿业有限责任公司株柏煤矿，山东 临沂 276112）

0 引言

煤炭是我国能源领域重要组成部分，一直以来都占据一次性能源消费结构中50%以上比例[1-3]，对于推动我国经济社会发展、保障民众的基本能源需求具有重要的支撑作用。当前，我国常规地质条件下的煤炭资源经过多年高强度的开发已趋近枯竭，同时，随着我国经济社会的持续强劲发展，对煤炭需求量整体呈现动态上升趋势，近年来煤炭产量虽在2014年前后均出现过小波谷[4-5]，但为保证我国能源的供需平衡，在以政府主导、市场为抓手的体制机制的驱动作用下，其整体发展趋势同需求量发展趋势相近，近似呈“小范围内波动起伏、大范围内动态上升”的趋势，并在2021年达到历史最高水平的41.3亿t。

基于当前煤炭领域发展现状，对特殊赋存条件下的煤炭资源如急倾斜煤层等进行绿色安全的回采便成为了缓解能源供需平衡、高效充分开发利用煤炭资源的重要途径，但由于急倾斜煤层的特殊赋存状态（大倾角、高应力集中等），使得对其开采更易引发次生灾害，导致急倾斜煤层开采成为我国煤炭领域的难点之一。据统计，急倾斜煤层煤炭资源储量和年产量占我国煤炭资源总储量和总年产的约5 %，且矿井数量众多[6]。在急倾斜煤层的开采条件下，由于煤层倾角较大，煤层顶板覆岩自重作用方向在平行岩层层面方向的分力较大，岩层在切向应力作用下会产生同方向运动趋势，岩层受到挤压作用产生变形，同时，在构造应力和采动应力等多应力场耦合作用下，挤压变形的岩体产生更高应力集中区[7-8]，当集中应力超过岩层极限强度时，极易诱发煤矿事故，故而，需对急倾斜煤层的巷道开拓布置及工作面布置等环节进行更加精细的研究分析，明确回采过程中潜在的事故诱因，针对开采实际设计切实可行的开拓布置思路，提出更为有效的工程设计方案以规避或消除矿井可能发生的灾害事故。

本文针对东山矿业有限责任公司株柏煤矿十三采区大倾角煤层的水文地质和工程地质现况，结合该矿十三采区上区段煤层开采现状，对十三采区下区段煤炭资源的回采进行延深优化设计，合理布设适应对大倾角煤层开采的不同功能的巷道及硐室，最大化消除地质条件和避免技术条件所造成的安全隐患，以期达到合理安全回采十三采区下部区段煤炭资源的目的，并可为同类型采区的安全回采提供技术参考。

1 矿区条件概述

1.1 水文地质条件概况

株柏煤矿位于山东省临沂市郯城县城北约25 km处，行政区划隶属郯城县李庄镇，地理坐标为东经118°20′19″～118°22′02″、北纬34°47′42″～34°50′25″，地理区域北起F10断层，南至F23断层，西自采矿许可证规定的西界，东止于郯庐深大断裂西侧的鄌郚-葛沟大断裂，南北长约4.20 km，东西宽0.36～2.60 km，面积5.370 km2。

本区为一单斜构造，走向近南北，倾向东，煤层倾角为25°～65°，平均45°，矿井开采煤层为二叠系山西组2煤、3煤，以3煤为主，矿井开采受郯庐断裂带活动影响导致本区内地质构造复杂。区域内水文地质类型为中等类型，属于水文地质条件中等的裂隙充水矿床。本区预计正常涌水量为233.73m3/h，最大涌水量为278.14 m3/h。矿井为低瓦斯矿井，煤尘具有爆炸性。

2煤顶板主要为灰色细砂岩，厚8.39 m，硬度较大，f=6～7，水平层理发育，夹泥质线条。伪底为炭质页岩，局部炭质泥岩，厚0.47 m；直接底为砂质泥岩，黑灰色，夹线条状粉细砂岩，富含植物根部化石，平均厚度10.72 m，f=3～5。3煤伪底为黑色炭质页岩，平均厚度0.4 m，质轻、性脆易脱落；直接底为浅灰-灰色砂岩，f=2～5，石英为主，砂泥质胶结，局部含泥砾，含植物根部化石及FeS2薄膜。

3煤直接顶为砂质泥页岩，平均厚度8 m，f=3～6，黑灰色，水平层理极发育，富含植物叶片化石。3煤伪底为黑色炭质页岩，平均厚度0.4 m，质轻、性脆易脱落；直接底为浅灰-灰色砂岩，f=2～5，石英为主，砂泥质胶结，局部含泥砾，含植物根部化石及FeS2薄膜。3煤层位发育了一层灰绿色岩浆岩，将煤穿插分为若干层，该岩浆岩层位稳定，3煤之下与一灰之间发育一层灰色中～细粒砂岩，靠近底板处为砂、泥岩互层状，层面含大量泥炭质及泥砾，厚度0～41.70 m，平均21.54 m，赋存状态稳定。

十三采区位于井田中东部，采区分布范围为：南至F18断层，北至DF17断层与九采区相邻，西至F26断层与十采区相邻，东至井田边界。开采界限：标高水平为-650～-948 m，走向长450～550 m，平均500 m，倾斜宽约420 m，面积210 000 m2。该区地表平坦，为第四系表土层覆盖，地面标高为+50 m，地面水系为沂河水系，流经矿区北部，对矿井生产影响不大。

采区范围内揭露的地层层序由老到新依次为奥陶系、石炭系、二叠系、白垩系、第四系。奥陶纪中期地层隆起剥蚀，与石炭纪地层呈假整合接触，从中石炭纪开始地层接受连续沉积，到二叠纪晚期重又遭受风化剥蚀与上覆白垩系地层呈角度不整合接触。其中，石炭系太原组、二叠系山西组和石盒子组是本区含煤地层。

1.2 工程地质条件概况

株柏煤矿现通风方式为中央边界式、抽出式通风，东立井进风，西立井少量进风，风井回风。掘进作业采用风钻湿式打眼，爆破落煤、岩，挖掘式装载机装岩，运输采用1t矿车，上山采用串车提升，平巷采用电瓶车牵引。井田开拓方式为立井开拓，集中运输大巷、暗斜井延深。选用柔性掩护支架采煤法。

矿井均按相关规定进行瓦斯等级鉴定工作，十三采区位于十采区下部，2018年矿井瓦斯等级鉴定，矿井相对瓦斯涌出量为1.78 m3/t，绝对瓦斯涌出量为0.9 m3/min，相对二氧化碳涌出量为2.54 m3/min，绝对二氧化碳涌出量为1.29 m3/min，属低瓦斯矿井。近3次的瓦斯等级鉴定情况见表1。

表1 采区瓦斯鉴定情况表

2018年11月29日山东鼎安检测技术有限公司对我矿煤尘爆炸性进行了鉴定，结果如下：2煤为23.44 %，3煤为34.78 %，均具有爆炸性；根据煤层自燃倾向性鉴定结果，十三采区煤层属Ⅱ类自然发火煤层，自然发火期2煤90 d，3煤101 d；根据《株柏煤矿扩界区开采初步设计》可知，地层地温梯度为2.1℃/100 m，由此推算，十三采区区段地温正常，无高温热现象；根据《株柏煤矿2、3煤及顶、底板冲击倾向性鉴定报告》，2、3煤及底板属于Ⅰ类，为无冲击倾向性煤层，顶板无冲击倾向。

2 采区原设计开采情况

按十三采区原回采设计方案，目前该区已开采至原设计的下限标高（-850 m水平），在正常开拓开采过程中揭露发现该采区受走向断裂牵引影响，致使煤层底板等高线向东逐步下移，最终导致十三采区下部（-850 m水平）至东部边界保护煤柱线范围内开采面积逐步缩减，根据当前所揭露煤层的赋存情况推断，-948 m水平以下煤层受岩浆岩侵蚀严重，因十三采区下部剩余阶段标高较小（约100 m），且下部资源开拓开采均需使用十三采区原有采掘、通风、排水、供电、运输等主要系统，根据采区实际情况，在符合国家有关规定的前提下，对株柏煤矿十三采区延深后的巷道开拓布置方案进行优化设计。

3 采区优化设计

本次采区延深优化设计的目的主要是对十三采区下部区段煤炭资源进行合理开发利用，在继续使用上部区段主要生产系统的同时满足下部区段回采对巷道开拓及生产系统的基本需求，根据实际煤层赋存条件和水文工程地质条件对下部区段进行重新设计，优化设计后将在阶段煤仓、皮带提升、工作面走向长度等方面提高开采条件和工作面回采效率，保障基本生产需求的同时精简生产系统布置，提高运行效率，节约开拓成本，更好的服务采区生产作业。

3.1 采区优化原则

本次优化设计以不改变上部区段原有各生产系统为原则，综合十三采区-850 m水平实际煤层揭露情况确定具体巷道布置方案。根据-850 m及以上煤层揭露情况推断，采区南翼2煤和3煤受岩浆岩侵蚀严重，加之采区下部南北走向长度小于500 m，为节省双翼开采工程量、简化运输通风系统布置，故本次优化设计将下山布置在南翼。

3.2 开拓布置方案比选

基于十三采区内大倾角煤层赋存环境的地质构造状况，受采区主要提升绞车、煤层底板等高线位置、矿井边界等条件限制，十三采区延深优化设计不能通过上部-650～-850 m下山直接延深开拓布局，需在十三采区原有-650～-850 m标高水平范围内开拓阶段基础上，重新设计布置-850～-948 m阶段的开拓方案，其中第一阶段（-650～-850 m）沿用原十三采区上区段的设计；第二阶段（-650～-948 m）延深下山布置经方案比较法[9-10]选出2个较优方案，再进行具体的分析计算，进而确定最终方案。方案一和方案二的具体内容如下：

方案一：伪倾斜北部单翼开采为主的双岩石下山延深系统：

在-850 m水平绕道布置斜石门进入3煤底板，并布置装载车场、煤仓、绞车房、上仓巷等相关硐室，布置煤仓、装载车场等相关硐室后，按-25°倾角，伪倾斜布置延深轨道下山、延深胶带下山至-948 m水平，期间按高差32 m分做片盘车场，在-948 m水平布置车场、绕道及泵房，在-952 m水平和-959 m水平布置水仓及清理巷，形成相关生产系统，该方案巷道开拓布置示意图如图1所示。

图1 伪倾斜北部单翼开采为主的双岩石下山延深系统示意图

方案二：正倾斜双翼开采双岩石下山延深系统：

在-850 m水平绕道布置斜石门进入3煤底板，并布置装载车场、煤仓、绞车房、上仓巷等相关硐室，布置煤仓、装载车场等相关硐室后，按-25°倾角，正倾斜布置延深轨道下山、延深胶带下山至-948 m水平，期间按高差32 m分做片盘车场，在-948 m水平布置车场绕道及泵房，在-952 m水平和-959 m水平布置水仓及清理巷，形成相关生产系统，该方案巷道开拓布置示意图如图2所示。

根据上述方案一和方案二的具体内容可知各方案工程及经济方面的优缺点：

方案一优点：

1）沿伪倾斜方向布置下山于3煤底板中，使各片盘距煤层距离平均适中，可减少石门的掘进工程量；

2）主要巷道开拓工程量小，建设工期短，有利于矿井生产接续；

3）-850 m水平石门施工距离短，距3煤底板近，施工不受3煤下部三灰水的影响。

4）水仓、泵房可布置在煤层底板中，减轻采动对水仓泵房的影响。

图2 正倾斜双翼开采双岩石下山延深系统

方案一缺点：

1）采区两翼不等长，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。

方案二优点：

1）两翼工作面等长，便于回采工作面布置，提高工作效率。

2）正倾斜布置保护煤柱留设较少，煤炭资源的采出率高。

方案二缺点：

1）若为减少压煤将水仓布置在底板中，则上部-850 m绕道可能进入三灰，巷道安全性会受到三灰水的影响。

2）若将水仓布置在顶板中，则延深下山穿过煤层，不利于各片盘巷道布置。

3）石门长短不一，且施工工程量大，各阶段煤仓绕道工程量大。

4）建设工期长，不利于矿井接续。

根据方案一和方案二的开拓布置设计，结合矿井实际资料，经计算，可得方案一和方案二的工程量及经济预算比较见表2。

根据上述方案综合比较分析，方案一具有工程量少（主要开拓工程212 m，水平石门80 m）、投资费用低、施工工期短、巷道布置合理、安全风险低等优点，因此选用方案一。

3.3 采区延深优化设计特点

1）设计在十三采区-850 m水平以西布置2条延深下山至-948 m水平，然后分别在-883、-915、-948 m水平布置片盘石门，沿煤层布置运输顺槽、工作面切眼等巷道，形成工作面。

表2 工程量及经济预算比较表

2）2条下山分别为十三采区延深轨道下山、十三采区延深胶带下山，均布置在3煤底板岩石中。

3）采区轨道下山运输采用JYB-40×1.25运输绞车提升；行人使用RJKY37-25/1000型架空乘人装置；同时敷设风水管路和电缆，担负采区进风、辅助提升、行人任务。

4）采区胶带下山安设DTL80/10/2×110型胶带输送机，同时敷设两趟公称压力1.6 MPa，φ110PE管作为2路排水管路，担负采区回风、煤流运输、排水任务。

5）采区延深轨道下山深部达到-948 m位置时设置采区下部车场，布置采区水仓、泵房等。

4 结论

在当前煤炭行业发展的大环境下，对煤炭资源的绿色安全高效回采以及充分利用成为了当前煤炭领域的重要发展理念之一，基于此，对急倾斜煤层等煤炭资源的延深优化设计开采成为了缓解浅部煤炭资源枯竭的重要手段之一。特殊赋存条件下的煤炭资源在开采技术和工程水文地质条件等方面具有区别于一般开采条件下煤炭资源的显著特征，需在巷道开拓布置等环节进行更加细致的设计研究，提出更具针对性和适用性的采区开拓布置方案，以实现对急倾斜煤层等特殊赋存条件下煤炭资源的绿色安全高效开采，本文结论如下：

1）对株柏煤矿十三采区上区段巷道系统开拓布置及开采现况进行了阐述，明确了对下部区段煤炭资源进行延深设计开采的必要性。

2）通过方案比较法从工程和经济方面对十三采区下区段延深设计方案进行了比选，确定了最优方案，为该矿延深设计提供了工程指导。

3）分析了十三采区下区段最优延深设计方案的特点，提出了对延深及回采过程中安全建设的建议。