李 誠，王靖燾，黃守章，夏婷婷

(1.中國機械進出口(集團)有限公司，北京 100037；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083；3.中國新興建筑工程有限責(zé)任公司，北京 100009)

印度尼西亞是是世界上非常重要的煤炭生產(chǎn)國，2020年煤炭產(chǎn)量為5.63億t，位居世界第三。印尼煤炭生產(chǎn)99%為露天生產(chǎn)，主要分布在加里曼丹島和蘇門答臘島2個地區(qū)[1-3]。印尼的煤炭生產(chǎn)始于20世紀(jì)80年代[4]，2002年產(chǎn)量首次突破100Mt，2007年突破200Mt，2011年突破300Mt，2013年突破400Mt，經(jīng)過近20年的高強度開采，埋藏淺、運輸條件好、發(fā)熱量高、適合露天開采的煤炭資源大幅減少，井工開采深部資源是未來發(fā)展方向。根據(jù)中國類似項目經(jīng)驗，井工開采成本每噸可降低30～40元[5]。由于當(dāng)?shù)厝狈ら_采經(jīng)驗、也沒有統(tǒng)一規(guī)劃，淺部煤層完全開采后，導(dǎo)致井工開采工業(yè)場地選擇困難，加上當(dāng)?shù)貙Ｓ迷O(shè)備和專業(yè)人員匱乏，立井施工和裝備難度很大。可見，如何在印尼現(xiàn)有條件下建設(shè)現(xiàn)代化大型煤礦，改變當(dāng)?shù)厝藢ら_采落后、不安全的印象，推廣井工開采技術(shù)，首先要解決的就是優(yōu)選開拓設(shè)計。井田開拓設(shè)計是礦井設(shè)計和建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[6]，是決定一個煤礦項目投資收益效果乃至成敗的重要因素[8-13]。印尼督巴印多煤礦露天轉(zhuǎn)井工開采開拓方式選擇可以為印尼“三軟”煤層露天轉(zhuǎn)井工開采設(shè)計和建設(shè)提供參考。

1 工程概況

督巴印多煤礦是印尼一座大型露天開采煤礦。該井田共分為三個區(qū)塊，分別為南區(qū)、北區(qū)、東區(qū)，合計面積236.50km2。主采3000煤層位于帕馬盧安組上段，煤層厚度4.65～6.55m，平均5.31m。為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。煤層埋藏平緩，傾角一般9°～18°，平均13°。煤層結(jié)構(gòu)簡單，一般含0～1層夾石。頂?shù)装逡蕴抠|(zhì)泥巖、粉砂巖為主。露天最大開采深度80～100m，隨著剝采比增大，適合露天開采的區(qū)域即將開采完畢。井工開采范圍位于南區(qū)東北部，面積約6.19km2，開采標(biāo)高深度100～530m。

該井田開采范圍內(nèi)原始地形較平坦，地面標(biāo)高一般在+46m至+91m之間，地形起伏不大，但隨著露天礦開采，地面形成了低洼的礦坑和剝離土堆積的排土場?，F(xiàn)有地形總體上南高北低，東高西低[14，15]。排土場最高點+130m，礦坑最低點-50m。地面植被繁茂，沒有大面積的平坦區(qū)域。

兩條馬哈坎河小支流河流自南向北從井田東、北邊界附近流過，最后在東北方向匯合。河床寬0.5～2m，雨季暴漲旱季無水。開采范圍附近河流標(biāo)高從東南角標(biāo)高+50m，西北角標(biāo)高+44m，匯集處標(biāo)高+36m，向北逐漸降低至+30m。

井田范圍內(nèi)地面東部、北部均為煤層露天開采區(qū)域，形成了露天礦坑。地下水流向由東北流向西南，該區(qū)常年濕熱多雨，雨季易形成暫時性地表水流，在順地形坡度或沖溝向下游流動的同時，可通過礦井東北部基巖露頭處補給地下水。另外露天礦坑常年積水，積水沿基巖裂隙入滲補給地下水，形成東北部補給邊界。

2 開拓方式及比選

2.1 井口位置選擇影響因素

1)運輸方向。煤炭向北運輸，井田北側(cè)沿煤層露頭有露天開采的運煤公路可以利用，井口位置宜布置在北側(cè)。

2)露天開采。煤層淺部已經(jīng)全部露天開采，最大開采深度100m左右。露天開采形成礦坑，匯水面積大，不滿足防洪要求無法使用。露天開采后沒有回填的區(qū)域已經(jīng)形成7處積水區(qū)，編號No.1—No.7，北側(cè)3處，南側(cè)4處。積水排干后雨季會很快恢復(fù)積水，無法使用。

3)回填區(qū)。露天開采形成礦坑的中部和東南部已回填，最大回填深度100m左右，回填土經(jīng)過破碎、風(fēng)化，成為松散體。雖然有采用“架U型棚+超前鋼管棚”支護過回填土工程實例，但穿過的回填土深度約20m[16]。所以巷道應(yīng)避開回填土區(qū)域，從回填土以外或回填土下部穿過較好。

4)露天排土。原有地形較平坦，露天開采后部分排土堆積地面，形成小范圍較高的排土場和較低的礦坑。露天排土未經(jīng)壓實，承載能力差，井筒和地面建筑應(yīng)避免布置在回填土較厚的區(qū)域。

5)減少壓煤。北部有煤層露頭，向南逐漸加深。井口位置應(yīng)盡量布置在北部，以減少斜井工程量和工業(yè)場地保護煤柱。布置在煤層露頭線以北，工業(yè)場地不留保護煤柱。

6)河流影響。開采區(qū)域附近有兩條季節(jié)性小河。兩條支流會合處標(biāo)高+36m，所以工業(yè)場地標(biāo)高應(yīng)該在+36m以上，并留一定的防洪高度。根據(jù)當(dāng)?shù)卣?guī)定，河流兩側(cè)100m范圍內(nèi)嚴(yán)禁有建筑。

7)方便井下運輸。開采區(qū)域東西長約4.3km，南北寬0.8～1.8km，有向深部延伸的可能。布置一個采區(qū)兩翼開采即可完成整個區(qū)域開采，所以井口位置應(yīng)選擇在中部附近。井筒應(yīng)盡量接近儲量中心，有利于生產(chǎn)期間井下開采，降低生產(chǎn)運營費用。

8)埋深影響。印尼沒有“三軟”煤層開采經(jīng)驗，認(rèn)為埋深超過400m支護難度很大，不計為可采儲量，本次暫不布置開拓巷道。按中國類似礦井支護經(jīng)驗沒有問題[17-20]。

2.2 開拓方式初選

受強降水影響，露天礦坑匯水現(xiàn)象明顯，干旱地區(qū)常見的露天端幫開采安全性差，不宜采用。該項目可能采用的開拓方式：斜井、立井、混合開拓。

由于立井施工需要專用設(shè)備和專業(yè)人員；提升系統(tǒng)增加兩次轉(zhuǎn)載、系統(tǒng)復(fù)雜、不連續(xù)運輸；埋深100m左右布置立井提升設(shè)備較困難，基于以上原因，主井、副井不采用立井?；仫L(fēng)立井有斷面大、通風(fēng)阻力小、井筒裝備簡單，可以選用。

2.3 井筒數(shù)量

根據(jù)安全生產(chǎn)經(jīng)驗，由于回風(fēng)流內(nèi)含有瓦斯，所以回風(fēng)井一般不布置電氣設(shè)備，必須設(shè)置專用回風(fēng)井，設(shè)計對井筒數(shù)量提出兩個方案：

1)方案一(推薦方案)：3個井筒。主、副斜井和專用回風(fēng)井。主斜井一側(cè)安裝帶式輸送機，運輸煤炭；另一側(cè)裝備架空乘人裝置，運送人員[21]；少量進風(fēng)。副斜井安裝單軌吊車運輸設(shè)備材料。專用回風(fēng)可以采用斜井，也可以采用立井。

2)方案二：混合井、回風(fēng)井2個斜井?；旌暇粋?cè)裝備帶式輸送機，運輸煤炭；另一側(cè)下部鋪設(shè)軌道，使用絞車牽引礦車運輸設(shè)備和材料，上部裝備架空乘人裝置，架空乘人裝置采用活動吊椅，無人時井筒不掛吊椅，運輸人員時掛吊椅，絞車嚴(yán)禁運輸材料設(shè)備?；仫L(fēng)斜井專用回風(fēng)。

經(jīng)比選推薦方案一，具有以下優(yōu)點：運輸設(shè)備布置在兩個斜井，相互影響小，使用方便，安全性能好；混合井的功能較多，斷面大，施工難度大；兩個井筒進風(fēng)，通風(fēng)阻力大。

2.4 工業(yè)場地及開拓方案選擇

根據(jù)上述比選，初選2個工業(yè)場地，如圖1所示。

圖1 井口位置方案

方案Ⅰ：工業(yè)場地煤層露頭線以北，回填區(qū)域北側(cè)，三條斜井開拓全井田。河流的南側(cè)100m以上距離。工業(yè)場地全部位于原生地層。地面標(biāo)高+50～+70m，井口標(biāo)高+56m。布置主、副、風(fēng)3個斜井。斜井沿南偏西28°方向，從煤層底板下部30m向下施工，傾角16°，斜長505m，過回填土區(qū)后調(diào)整為主斜井、副斜井以10°斜長312m進入煤層底板；回風(fēng)斜井以8°斜長313m進入3000煤層，沿煤層至-340m標(biāo)高，后期可繼續(xù)向下延伸。斜井兩側(cè)布置回采工作面，工作面推進長度大部分在1600m至2300m范圍內(nèi)，兩側(cè)長度較均衡。井口位置方案如圖2所示。

圖2 方案Ⅰ巷道布置

方案Ⅱ：兩斜井一立井，兩處工業(yè)場地。主副斜井工業(yè)場地同方案Ⅰ，回風(fēng)立井工業(yè)場地位于現(xiàn)有工業(yè)場地外，南側(cè)約500m。井口標(biāo)高+68m，井底標(biāo)高-110m，凈直徑5.5m，凈斷面23.76m2。場地內(nèi)布置通風(fēng)機房、通風(fēng)機房配電室，無其他建筑。與方案Ⅰ相比，減少斜井工程量730m，增加立井工程176m。風(fēng)井工業(yè)場地煤柱與斜井煤柱結(jié)合，盡量減少壓煤。新增壓煤面積17815m2，新增壓煤12.3萬t。開拓方案Ⅱ巷道布置如圖3所示。

圖3 開拓方案Ⅱ巷道布置(m)

方案Ⅰ、Ⅱ井口位置及開拓方式見表1，綜合比較推薦方案Ⅰ，具體優(yōu)點如下：①工業(yè)場地全部在煤層露頭外，不壓煤；②工業(yè)場地及井口位置原始標(biāo)高較高，不受洪水威脅；③井筒在平面上不轉(zhuǎn)彎，減少轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)，提高運輸系統(tǒng)可靠性；④工業(yè)場地靠近現(xiàn)有公路，運輸較方便；⑤不穿過上部含水層，施工過程受涌水影響小。

表1 方案Ⅰ、Ⅱ井口位置及開拓方式

3 斜井層位選擇

3.1 工程地質(zhì)

煤層抗壓強度平均值為4.94MPa，抗拉強度為0.14MPa，為受力易變形煤層。

煤層直接頂板巖性以粉砂巖為主，次為泥巖、砂質(zhì)泥巖?？箟簭姸绕骄禐?.56～13.47MPa，抗拉強度平均值為1.24～2.15MPa。大部分樣品的耐崩解性系數(shù)為30～60。礦物相對含量分析其為伊蒙混層，混層比為20%。為軟弱巖體，抗拉、抗剪破壞能力低，為不穩(wěn)定頂板。

煤層直接底板巖性以粉砂巖為主，次為砂質(zhì)泥巖、泥巖?？箟簭姸绕骄禐?.53～15.48MPa，抗拉強度平均值為0.79～1.52MPa。大部分樣品的耐崩解性系數(shù)為30～60。礦物相對含量分析其為伊蒙混層，混層比為20%。為軟弱巖體，抗拉、抗剪破壞能力低，為軟弱底板。

斜井布置在煤層或頂?shù)装逯ёo有一定難度。

3.2 層位對比分析

3.2.1 關(guān)鍵層分析

井工區(qū)內(nèi)部分區(qū)域直接頂上部發(fā)育有較為堅硬的中砂巖，基本頂抗壓強度為21.39～98.74MPa。3000煤層直接底板下部發(fā)育有較為堅硬的中砂巖，抗壓強度為14.95～75.18MPa，平均44.27MPa。以這兩層中砂巖作為關(guān)鍵層布置巷道是首選。根據(jù)5個鉆孔分析，頂板砂巖僅局部賦存，厚度較小，與煤層頂板間距不穩(wěn)定，不適合作為關(guān)鍵層布置巷道。砂巖賦存不是很穩(wěn)定，厚度較小，距離3000煤層較遠，不適合作為關(guān)鍵層布置巷道。

3.2.2 煤層及頂?shù)装鍖Ρ确治?/p>

3000煤層抗壓強度、抗拉強度偏低，甚至低于頂?shù)装迥鄮r強度。但根據(jù)中國類似礦井經(jīng)驗，煤層泥化程度低，無膨脹性。開挖后及時噴漿封閉圍巖，可有效預(yù)防軟巖風(fēng)化，巷道布置在煤層中支護較容易[19-21]。特別是工作面巷道留0.5m厚的頂煤，將明顯改善頂板支護情況。

底板粉砂巖平均抗壓強度最高，平均耐崩解性系數(shù)最高，可作為主要巷道布置層位。頂板砂質(zhì)泥巖抗壓強度最低，平均耐崩解性系數(shù)最低，應(yīng)盡量避免。

3.2.3 鉆孔統(tǒng)計分析

由于露天開采不采動底板，所以底板資料較少。統(tǒng)計斜井附近有10個鉆孔揭露煤層。其中3個鉆孔穿過煤層底板10m左右，2個鉆孔進入煤層底板50m左右，2個鉆孔進入煤層底板100m。鉆孔資料沒有力學(xué)測試結(jié)果，只能按照巖性和巖心照片分析，見表2。從鉆孔資料分析，斜井應(yīng)布置在距離煤層5m以下的底板中，而且應(yīng)避開24～25m深的煤與炭質(zhì)泥巖互層。

表2 斜井附近鉆孔底板巖性統(tǒng)計

3.2.4 回填區(qū)底板層位分析

根據(jù)補充鉆探，回填區(qū)底板以下10～15m范圍內(nèi)巖石泥化現(xiàn)象明顯。巷道支護擾動高度10～12m，所以斜井底板距離煤層底板不應(yīng)小于20～27m。為避開24～25m深的煤與炭質(zhì)泥巖互層，確定斜井距離底板30～31m。

3.3 確定層位

綜上所述，斜井應(yīng)盡量布置在底板粉砂巖中，至少應(yīng)有一條巷道布置在煤層中。實際比較兩個地層的施工和支護效果，同時查明煤層賦存條件?；仫L(fēng)斜井沒有運輸設(shè)備，可以適應(yīng)一定的巷道變形，宜略高于其它巷道，應(yīng)沿煤層布置。主斜井為方便煤流轉(zhuǎn)載，應(yīng)布置在煤層底板。副斜井位于煤層底板有利于工作面巷道與斜井立交。

4 結(jié) 論

1)露天開采后形成排土層和積水礦坑，影響井口位置選擇和斜井布置，研究決定在露天開采區(qū)北部原生地層上布置工業(yè)場地，斜井沿煤層底板下30～31m穿過回填區(qū)。進入未擾動地層后，回風(fēng)斜井沿煤層布置。主、副斜井位于煤層底板有利于工作面巷道與斜井立交。

2)主、副井采用斜井，可實現(xiàn)煤炭連續(xù)運輸，減少輔助運輸環(huán)節(jié)?；仫L(fēng)立井施工需要從中國運送專用設(shè)備，成本較高，所以推薦回風(fēng)斜井。