松河煤矿复杂地质条件下布置边界石门的可行性探索

袁玉福

(贵州松河煤业发展有限责任公司，贵州 六盘水 553004)

0 引言

我国经济的高质量发展离不开能源的开采开发和稳定供给。2022 年，煤炭在我国能源一次消费结构中占比为56.2%，石油为17.9%。可以看出，煤炭仍是我国主要的能源来源，煤炭作为我国能源压舱石的地位短期内仍无法被替代。但随着煤炭资源的高强度开采，煤炭资源日益减少，复杂地质条件下的边界煤炭资源也需要开采开发。同时，近十几年来，煤矿综采技术装备得到了快速发展，但复杂地质条件下的巷道掘进技术装备仍多采用效率较低的“悬臂式掘进机+单体锚杆钻机”的方式，导致生产工作面采掘接替紧张的问题进一步突出。因此，在复杂地质条件下，确定合理的井田开拓方案和采区巷道布置方式成为煤矿生产规划和设计的重要环节，合理的规划不仅能够缓解采掘接替紧张的难题，提高煤矿的安全和提升开采效率，也能降低矿区生产成本[1-3]。因此，根据具体地质条件选择适当的布置方式对煤矿后期生产和安全至关重要[4-6]。本文针对松河煤矿采三区的工程煤层倾角大、瓦斯含量高的复杂地质条件，综合考虑煤层资源条件、地形地质条件、资源储量和价值、原有井巷工程存在状态等因素，探索了边界石门的布置方式，对采区巷道布置进行了优化设计，为松河煤矿制定生产发展规划和技术改造等提供保障，助力矿井的高质量发展。

1 矿井概况

松河煤矿位于贵州省六盘水市盘州市北部的土城向斜北翼中段，分属鸡场坪镇管辖，地理坐标为东经104°35′38″～104°45′5″，北纬25°57′45″～26°2′30″。井田范围，西以35 号断层与土城矿井分界，东至淤泥河，北以峨嵋山玄武岩组第一段顶界露头线为界，南以1+3 号煤层+1 200 m标高为界。矿区面积32.652 5 km2，可采煤层共18 层，其中全区可采煤层3 层，分别为3、12、17 号煤层；大部分可采煤层11 层，分别为4、51、62、15、16、18、272、291、292、293、32 号煤层，局部可采煤层4 层，分别为9、10、11、271号煤层。煤层总厚度为23.5 m，属近距离煤层群开采。煤层倾角为25°～35°。矿井设计生产能力240 万 t/a，核定生产能力240 万 t/a。属煤与瓦斯突出矿井，煤层为自燃煤层，煤尘具有爆炸危险性。断层较发育，构造复杂程度为第二类中等构造类型。

矿井采用斜井开拓，分区抽出式通风，现布置了三个生产采区，分别为采一区、采二区、采三区，采用+1 380 m 单水平上下山开采。其中采三区主要井筒有13 进风行人斜井、13 轨道斜井、13 回风斜井，布置为双翼开采，划分为4 个区段，区段垂高90～100 m。生产位于1～2 区段，布置有1 个采煤工作面和4 个掘进工作面。

2 采三区布置边界石门的必要性及考虑因素

2.1 采三区布置边界石门的必要性

采三区131504 采煤工作面已进入回收阶段，需尽快布置新的采煤工作面确保生产计划的正常延续。但松河煤矿地质条件复杂，煤层倾角大、瓦斯含量高、煤层为自燃煤层、煤尘具有爆炸危险性，且断层较发育，巷道掘进采用悬臂式掘进机+单体锚杆钻机，掘进效率比较低，随着采煤工作面机械化水平不断提升，采掘接替紧张的问题日益突出。急需优化巷道开拓布置方式，缩短采煤工作面的准备时间。

同时，受F15 号大断层影响，采三区F15 号大断层(落差30 m)往东一直未进行采掘布置。此块段可采煤层包括1+3、4、9、12、15、16、17、18、27-1、27-2、32 号煤层共11 层煤层，可采地质储量约355.4 万t，可布置采煤工作面约11 个。因此，在煤炭资源趋于紧张的情况下，需要探索设计布置采三区复杂地质条件下的边界石门工程，使采三区的采掘工程布局更加充分、合理，从空间上解决矿井采掘接续紧张的问题。

2.2 采区边界石门布置需考虑的因素

为了保持采区的正常连续和均衡生产，在生产水平减产前必须完成大巷、石门延伸和新水平的开拓准备。在布置边界石门设计时，必须充分考虑以下因素。

(1)煤层资源条件

煤层厚度、埋深、倾角和走向长度等地质条件都会影响煤矿采区开拓延伸的方案选择和开采效率。例如，煤层厚度较大时，需要选择合适的开采方法以减少资源浪费和提高生产效率；煤层埋深过浅时，开拓延伸时需要重点考虑采场安全和环境保护；倾角过大的煤层可能会导致采煤和运输困难，需选择适合的采煤工艺和设备；走向长度过短则需要进行频繁的开采转移，增加了生产成本和管理难度。

(2)地形地质条件

地形地质条件包括地层、构造、岩性等因素，这些因素会影响开拓延伸的工程布置和施工难度。例如，在断裂带、破裂带等地质构造破坏较严重的地区，开拓延伸需要进行加固和维护工程；在岩性较差的地层，需要考虑对井巷工程的支护和维护。煤层赋存条件决定了采区开拓延伸巷道的位置，会影响开采方案的选择和经济效益。例如，煤层较分散或赋存深度较浅时，开采方案可能需要进行调整或采取特殊的采煤方法。

(3)资源储量和价值

资源储量是指经过地质勘查确定的煤层储量，包括可采储量和不可采储量。工业价值是指煤层的经济价值，需要考虑煤质、煤种、市场需求等因素。工业储量和工业价值都会影响煤矿采区开拓延伸的规模和开采计划。例如，工业储量较小或工业价值较低时，可能需要采取灵活的开采方案以节约成本和提高经济效益；反之，则需要考虑扩大开拓延伸范围或增加开采深度以增加资源储备。

(4)原有井巷工程存在状态

原有井巷工程存在状态会影响开拓延伸的工程量和成本。如果原有井巷工程存在较多的问题，如结构老化、损坏严重等，开拓延伸需要进行改造、升级或扩建工程，增加了投资成本和管理难度。因此，在开拓延伸前需要对原有井巷工程进行全面调查和评估，制定合理的改造方案以降低成本和提高效率。

3 采三区边界石门设计方案

3.1 边界石门整体布置方案

综合考虑采三区现有井巷工程状态、煤层可采储量和后续生产计划等因素，设计从采三区130 轨道石门沿27-1# 煤层顶板岩层施工一条130 集中回风大巷，穿过F15 号大断层后布置130 边界回风石门；从采三区131 运输石门沿27-1# 煤层顶板岩层施工一条131 集中运输大巷，标高+1 600 m，穿过F15 号大断层后布置131 边界运输石门。130 边界回风石门和131 边界运输石门通过13 集中回风上山、13 集中回风斜巷联通。总工程量约4 209 m，巷道布置平面图和剖面图如图1 所示。

图1 边界石门开拓延伸巷道布置图

130 集中回风大巷标高+1 695 m，设计从130 轨道石门开口，方位角119°，巷道坡度+3‰，总工程量约1 472 m，为全岩层掘进；130 边界回风石门设计从130 集中回风大巷开口，标高+1 695 m，方位角237°22' 44'' ，巷道坡度+3‰，总工程量约495 m，穿煤层掘进，掘进过程中揭露18#、17#、16#、15#、12#、9#、6-2#、4#、3#共9 个煤层。131 集中运输大巷标高1 600 m，设计从131 运输石门开口，总工程量约1 360 m，方位角119°，巷道坡度+3‰。131 边界运输石门设计从131 集中运输大巷开口，标高+1 600 m，方位角237°22' 44'' ，巷道坡度+3‰，总工程量约515 m。

前期将130 边界回风石门掘进至16# 煤层，利用130 集中回风大巷和130 边界回风石门可布置131604、131702、131802、131705、131804 采煤工作面巷道，以此缩短采煤工作面的布置时间。后期可作为F15 号大断层(落差30 m)往东18#、17#、16#、15#、12#、9#、6-2#、4#、3# 煤层的回风系统，实现一巷多用。

3.2 边界石门断面及支护设计

(1)巷道断面形状的选择

巷道布置均处于煤系地层，围岩中等稳定，巷道服务年限10～15 年，主要服务开采18、17、16、15、12、9、6-2、4、3# 煤层，断面形状选择为拱形，采用锚网索喷支护。

根据安全距离要求，确定巷道净宽度：

130 集中回风大巷：

130 边界回风石门：

130 里块集中回风联巷：

式(1)～式(3)中：B为巷道净宽度(mm)；a1、c1分别为非人行侧(瓦斯管路)和人行侧中线到巷道墙之间的距离(mm)。

根据通风、瓦斯管路安装(维护)及安全距离要求，确定巷道净高度：

130 集中回风大巷、130 边界回风石门：

130 里块集中回风联巷：

式(4)～式(5)中：H为巷道净高度(mm)；h3为墙高(mm)；h0为拱高(mm)；hb为从巷道底板到道碴面的高度(mm)。

(2)巷道支护方式

该工程设计在二叠系上统龙潭煤系地层中，揭露的岩性有细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩煤层组成。地层产状119°∠31°～∠33°。工作面垂直埋深230～324 m。煤层顶底板情况如表1 所示。

表1 煤层顶底板情况表

根据巷道围岩性质、矿山压力，结合实际工程经验，确定巷道支护形式：130 集中回风大巷、130 边界回风石门采用锚网喷支护，净断面15.09 m2，掘进断面16.09 m2。顶板破碎带、过煤层带根据实际情况采用U 型棚或锚索喷浆+ 注浆锚索进行联合支护。130 里块集中回风联巷采用锚网喷支护，净断面12.41 m2，掘进断面13.82 m2。顶板破碎带、过煤层带根据实际情况采用U 型棚或锚索喷浆进行联合支护。

4 效益分析

通过布置130 边界回风石门和131 边界运输石门，松河煤矿采三区F15 号断层以东的272.4 万t 煤炭资源能够得以回采，避免了资源浪费。同时，前期利用130 集中回风大巷、130 边界回风石门，能够布置131604、131702 等5 个采煤工作面，大大缩短采煤工作面的布置时间，缓解采掘接替的难题，使矿井产能更有保障。此外，通过合理确定巷道层位，有效避开了地质构造段，降低巷道顶板冒落、煤层煤与瓦斯突出的危险性，经济效益和社会效益显著。