夏文營，王成功，蘇利國，褚夫堯，王自波，初立新

（臨礦集團東山礦業(yè)有限責任公司株柏煤礦，山東 臨沂 276112）

0 引言

煤炭是我國能源領(lǐng)域重要組成部分，一直以來都占據(jù)一次性能源消費結(jié)構(gòu)中50%以上比例[1-3]，對于推動我國經(jīng)濟社會發(fā)展、保障民眾的基本能源需求具有重要的支撐作用。當前，我國常規(guī)地質(zhì)條件下的煤炭資源經(jīng)過多年高強度的開發(fā)已趨近枯竭，同時，隨著我國經(jīng)濟社會的持續(xù)強勁發(fā)展，對煤炭需求量整體呈現(xiàn)動態(tài)上升趨勢，近年來煤炭產(chǎn)量雖在2014年前后均出現(xiàn)過小波谷[4-5]，但為保證我國能源的供需平衡，在以政府主導、市場為抓手的體制機制的驅(qū)動作用下，其整體發(fā)展趨勢同需求量發(fā)展趨勢相近，近似呈“小范圍內(nèi)波動起伏、大范圍內(nèi)動態(tài)上升”的趨勢，并在2021年達到歷史最高水平的41.3億t。

基于當前煤炭領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀，對特殊賦存條件下的煤炭資源如急傾斜煤層等進行綠色安全的回采便成為了緩解能源供需平衡、高效充分開發(fā)利用煤炭資源的重要途徑，但由于急傾斜煤層的特殊賦存狀態(tài)（大傾角、高應(yīng)力集中等），使得對其開采更易引發(fā)次生災害，導致急傾斜煤層開采成為我國煤炭領(lǐng)域的難點之一。據(jù)統(tǒng)計，急傾斜煤層煤炭資源儲量和年產(chǎn)量占我國煤炭資源總儲量和總年產(chǎn)的約5 %，且礦井數(shù)量眾多[6]。在急傾斜煤層的開采條件下，由于煤層傾角較大，煤層頂板覆巖自重作用方向在平行巖層層面方向的分力較大，巖層在切向應(yīng)力作用下會產(chǎn)生同方向運動趨勢，巖層受到擠壓作用產(chǎn)生變形，同時，在構(gòu)造應(yīng)力和采動應(yīng)力等多應(yīng)力場耦合作用下，擠壓變形的巖體產(chǎn)生更高應(yīng)力集中區(qū)[7-8]，當集中應(yīng)力超過巖層極限強度時，極易誘發(fā)煤礦事故，故而，需對急傾斜煤層的巷道開拓布置及工作面布置等環(huán)節(jié)進行更加精細的研究分析，明確回采過程中潛在的事故誘因，針對開采實際設(shè)計切實可行的開拓布置思路，提出更為有效的工程設(shè)計方案以規(guī)避或消除礦井可能發(fā)生的災害事故。

本文針對東山礦業(yè)有限責任公司株柏煤礦十三采區(qū)大傾角煤層的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)現(xiàn)況，結(jié)合該礦十三采區(qū)上區(qū)段煤層開采現(xiàn)狀，對十三采區(qū)下區(qū)段煤炭資源的回采進行延深優(yōu)化設(shè)計，合理布設(shè)適應(yīng)對大傾角煤層開采的不同功能的巷道及硐室，最大化消除地質(zhì)條件和避免技術(shù)條件所造成的安全隱患，以期達到合理安全回采十三采區(qū)下部區(qū)段煤炭資源的目的，并可為同類型采區(qū)的安全回采提供技術(shù)參考。

1 礦區(qū)條件概述

1.1 水文地質(zhì)條件概況

株柏煤礦位于山東省臨沂市郯城縣城北約25 km處，行政區(qū)劃隸屬郯城縣李莊鎮(zhèn)，地理坐標為東經(jīng)118°20′19″～118°22′02″、北緯34°47′42″～34°50′25″，地理區(qū)域北起F10斷層，南至F23斷層，西自采礦許可證規(guī)定的西界，東止于郯廬深大斷裂西側(cè)的鄌郚-葛溝大斷裂，南北長約4.20 km，東西寬0.36～2.60 km，面積5.370 km2。

本區(qū)為一單斜構(gòu)造，走向近南北，傾向東，煤層傾角為25°～65°，平均45°，礦井開采煤層為二疊系山西組2煤、3煤，以3煤為主，礦井開采受郯廬斷裂帶活動影響導致本區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復雜。區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)類型為中等類型，屬于水文地質(zhì)條件中等的裂隙充水礦床。本區(qū)預計正常涌水量為233.73m3/h，最大涌水量為278.14 m3/h。礦井為低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸性。

2煤頂板主要為灰色細砂巖，厚8.39 m，硬度較大，f=6～7，水平層理發(fā)育，夾泥質(zhì)線條。偽底為炭質(zhì)頁巖，局部炭質(zhì)泥巖，厚0.47 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，黑灰色，夾線條狀粉細砂巖，富含植物根部化石，平均厚度10.72 m，f=3～5。3煤偽底為黑色炭質(zhì)頁巖，平均厚度0.4 m，質(zhì)輕、性脆易脫落；直接底為淺灰-灰色砂巖，f=2～5，石英為主，砂泥質(zhì)膠結(jié)，局部含泥礫，含植物根部化石及FeS2薄膜。

3煤直接頂為砂質(zhì)泥頁巖，平均厚度8 m，f=3～6，黑灰色，水平層理極發(fā)育，富含植物葉片化石。3煤偽底為黑色炭質(zhì)頁巖，平均厚度0.4 m，質(zhì)輕、性脆易脫落；直接底為淺灰-灰色砂巖，f=2～5，石英為主，砂泥質(zhì)膠結(jié)，局部含泥礫，含植物根部化石及FeS2薄膜。3煤層位發(fā)育了一層灰綠色巖漿巖，將煤穿插分為若干層，該巖漿巖層位穩(wěn)定，3煤之下與一灰之間發(fā)育一層灰色中～細粒砂巖，靠近底板處為砂、泥巖互層狀，層面含大量泥炭質(zhì)及泥礫，厚度0～41.70 m，平均21.54 m，賦存狀態(tài)穩(wěn)定。

十三采區(qū)位于井田中東部，采區(qū)分布范圍為：南至F18斷層，北至DF17斷層與九采區(qū)相鄰，西至F26斷層與十采區(qū)相鄰，東至井田邊界。開采界限：標高水平為-650～-948 m，走向長450～550 m，平均500 m，傾斜寬約420 m，面積210 000 m2。該區(qū)地表平坦，為第四系表土層覆蓋，地面標高為+50 m，地面水系為沂河水系，流經(jīng)礦區(qū)北部，對礦井生產(chǎn)影響不大。

采區(qū)范圍內(nèi)揭露的地層層序由老到新依次為奧陶系、石炭系、二疊系、白堊系、第四系。奧陶紀中期地層隆起剝蝕，與石炭紀地層呈假整合接觸，從中石炭紀開始地層接受連續(xù)沉積，到二疊紀晚期重又遭受風化剝蝕與上覆白堊系地層呈角度不整合接觸。其中，石炭系太原組、二疊系山西組和石盒子組是本區(qū)含煤地層。

1.2 工程地質(zhì)條件概況

株柏煤礦現(xiàn)通風方式為中央邊界式、抽出式通風，東立井進風，西立井少量進風，風井回風。掘進作業(yè)采用風鉆濕式打眼，爆破落煤、巖，挖掘式裝載機裝巖，運輸采用1t礦車，上山采用串車提升，平巷采用電瓶車牽引。井田開拓方式為立井開拓，集中運輸大巷、暗斜井延深。選用柔性掩護支架采煤法。

礦井均按相關(guān)規(guī)定進行瓦斯等級鑒定工作，十三采區(qū)位于十采區(qū)下部，2018年礦井瓦斯等級鑒定，礦井相對瓦斯涌出量為1.78 m3/t，絕對瓦斯涌出量為0.9 m3/min，相對二氧化碳涌出量為2.54 m3/min，絕對二氧化碳涌出量為1.29 m3/min，屬低瓦斯礦井。近3次的瓦斯等級鑒定情況見表1。

表1 采區(qū)瓦斯鑒定情況表

2018年11月29日山東鼎安檢測技術(shù)有限公司對我礦煤塵爆炸性進行了鑒定，結(jié)果如下：2煤為23.44 %，3煤為34.78 %，均具有爆炸性；根據(jù)煤層自燃傾向性鑒定結(jié)果，十三采區(qū)煤層屬Ⅱ類自然發(fā)火煤層，自然發(fā)火期2煤90 d，3煤101 d；根據(jù)《株柏煤礦擴界區(qū)開采初步設(shè)計》可知，地層地溫梯度為2.1℃/100 m，由此推算，十三采區(qū)區(qū)段地溫正常，無高溫熱現(xiàn)象；根據(jù)《株柏煤礦2、3煤及頂、底板沖擊傾向性鑒定報告》，2、3煤及底板屬于Ⅰ類，為無沖擊傾向性煤層，頂板無沖擊傾向。

2 采區(qū)原設(shè)計開采情況

按十三采區(qū)原回采設(shè)計方案，目前該區(qū)已開采至原設(shè)計的下限標高（-850 m水平），在正常開拓開采過程中揭露發(fā)現(xiàn)該采區(qū)受走向斷裂牽引影響，致使煤層底板等高線向東逐步下移，最終導致十三采區(qū)下部（-850 m水平）至東部邊界保護煤柱線范圍內(nèi)開采面積逐步縮減，根據(jù)當前所揭露煤層的賦存情況推斷，-948 m水平以下煤層受巖漿巖侵蝕嚴重，因十三采區(qū)下部剩余階段標高較?。s100 m），且下部資源開拓開采均需使用十三采區(qū)原有采掘、通風、排水、供電、運輸?shù)戎饕到y(tǒng)，根據(jù)采區(qū)實際情況，在符合國家有關(guān)規(guī)定的前提下，對株柏煤礦十三采區(qū)延深后的巷道開拓布置方案進行優(yōu)化設(shè)計。

3 采區(qū)優(yōu)化設(shè)計

本次采區(qū)延深優(yōu)化設(shè)計的目的主要是對十三采區(qū)下部區(qū)段煤炭資源進行合理開發(fā)利用，在繼續(xù)使用上部區(qū)段主要生產(chǎn)系統(tǒng)的同時滿足下部區(qū)段回采對巷道開拓及生產(chǎn)系統(tǒng)的基本需求，根據(jù)實際煤層賦存條件和水文工程地質(zhì)條件對下部區(qū)段進行重新設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計后將在階段煤倉、皮帶提升、工作面走向長度等方面提高開采條件和工作面回采效率，保障基本生產(chǎn)需求的同時精簡生產(chǎn)系統(tǒng)布置，提高運行效率，節(jié)約開拓成本，更好的服務(wù)采區(qū)生產(chǎn)作業(yè)。

3.1 采區(qū)優(yōu)化原則

本次優(yōu)化設(shè)計以不改變上部區(qū)段原有各生產(chǎn)系統(tǒng)為原則，綜合十三采區(qū)-850 m水平實際煤層揭露情況確定具體巷道布置方案。根據(jù)-850 m及以上煤層揭露情況推斷，采區(qū)南翼2煤和3煤受巖漿巖侵蝕嚴重，加之采區(qū)下部南北走向長度小于500 m，為節(jié)省雙翼開采工程量、簡化運輸通風系統(tǒng)布置，故本次優(yōu)化設(shè)計將下山布置在南翼。

3.2 開拓布置方案比選

基于十三采區(qū)內(nèi)大傾角煤層賦存環(huán)境的地質(zhì)構(gòu)造狀況，受采區(qū)主要提升絞車、煤層底板等高線位置、礦井邊界等條件限制，十三采區(qū)延深優(yōu)化設(shè)計不能通過上部-650～-850 m下山直接延深開拓布局，需在十三采區(qū)原有-650～-850 m標高水平范圍內(nèi)開拓階段基礎(chǔ)上，重新設(shè)計布置-850～-948 m階段的開拓方案，其中第一階段（-650～-850 m）沿用原十三采區(qū)上區(qū)段的設(shè)計；第二階段（-650～-948 m）延深下山布置經(jīng)方案比較法[9-10]選出2個較優(yōu)方案，再進行具體的分析計算，進而確定最終方案。方案一和方案二的具體內(nèi)容如下：

方案一：偽傾斜北部單翼開采為主的雙巖石下山延深系統(tǒng)：

在-850 m水平繞道布置斜石門進入3煤底板，并布置裝載車場、煤倉、絞車房、上倉巷等相關(guān)硐室，布置煤倉、裝載車場等相關(guān)硐室后，按-25°傾角，偽傾斜布置延深軌道下山、延深膠帶下山至-948 m水平，期間按高差32 m分做片盤車場，在-948 m水平布置車場、繞道及泵房，在-952 m水平和-959 m水平布置水倉及清理巷，形成相關(guān)生產(chǎn)系統(tǒng)，該方案巷道開拓布置示意圖如圖1所示。

圖1 偽傾斜北部單翼開采為主的雙巖石下山延深系統(tǒng)示意圖

方案二：正傾斜雙翼開采雙巖石下山延深系統(tǒng)：

在-850 m水平繞道布置斜石門進入3煤底板，并布置裝載車場、煤倉、絞車房、上倉巷等相關(guān)硐室，布置煤倉、裝載車場等相關(guān)硐室后，按-25°傾角，正傾斜布置延深軌道下山、延深膠帶下山至-948 m水平，期間按高差32 m分做片盤車場，在-948 m水平布置車場繞道及泵房，在-952 m水平和-959 m水平布置水倉及清理巷，形成相關(guān)生產(chǎn)系統(tǒng)，該方案巷道開拓布置示意圖如圖2所示。

根據(jù)上述方案一和方案二的具體內(nèi)容可知各方案工程及經(jīng)濟方面的優(yōu)缺點：

方案一優(yōu)點：

1）沿偽傾斜方向布置下山于3煤底板中，使各片盤距煤層距離平均適中，可減少石門的掘進工程量；

2）主要巷道開拓工程量小，建設(shè)工期短，有利于礦井生產(chǎn)接續(xù)；

3）-850 m水平石門施工距離短，距3煤底板近，施工不受3煤下部三灰水的影響。

4）水倉、泵房可布置在煤層底板中，減輕采動對水倉泵房的影響。

圖2 正傾斜雙翼開采雙巖石下山延深系統(tǒng)

方案一缺點：

1）采區(qū)兩翼不等長，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。

方案二優(yōu)點：

1）兩翼工作面等長，便于回采工作面布置，提高工作效率。

2）正傾斜布置保護煤柱留設(shè)較少，煤炭資源的采出率高。

方案二缺點：

1）若為減少壓煤將水倉布置在底板中，則上部-850 m繞道可能進入三灰，巷道安全性會受到三灰水的影響。

2）若將水倉布置在頂板中，則延深下山穿過煤層，不利于各片盤巷道布置。

3）石門長短不一，且施工工程量大，各階段煤倉繞道工程量大。

4）建設(shè)工期長，不利于礦井接續(xù)。

根據(jù)方案一和方案二的開拓布置設(shè)計，結(jié)合礦井實際資料，經(jīng)計算，可得方案一和方案二的工程量及經(jīng)濟預算比較見表2。

根據(jù)上述方案綜合比較分析，方案一具有工程量少（主要開拓工程212 m，水平石門80 m）、投資費用低、施工工期短、巷道布置合理、安全風險低等優(yōu)點，因此選用方案一。

3.3 采區(qū)延深優(yōu)化設(shè)計特點

1）設(shè)計在十三采區(qū)-850 m水平以西布置2條延深下山至-948 m水平，然后分別在-883、-915、-948 m水平布置片盤石門，沿煤層布置運輸順槽、工作面切眼等巷道，形成工作面。

表2 工程量及經(jīng)濟預算比較表

2）2條下山分別為十三采區(qū)延深軌道下山、十三采區(qū)延深膠帶下山，均布置在3煤底板巖石中。

3）采區(qū)軌道下山運輸采用JYB-40×1.25運輸絞車提升；行人使用RJKY37-25/1000型架空乘人裝置；同時敷設(shè)風水管路和電纜，擔負采區(qū)進風、輔助提升、行人任務(wù)。

4）采區(qū)膠帶下山安設(shè)DTL80/10/2×110型膠帶輸送機，同時敷設(shè)兩趟公稱壓力1.6 MPa，φ110PE管作為2路排水管路，擔負采區(qū)回風、煤流運輸、排水任務(wù)。

5）采區(qū)延深軌道下山深部達到-948 m位置時設(shè)置采區(qū)下部車場，布置采區(qū)水倉、泵房等。

4 結(jié)論

在當前煤炭行業(yè)發(fā)展的大環(huán)境下，對煤炭資源的綠色安全高效回采以及充分利用成為了當前煤炭領(lǐng)域的重要發(fā)展理念之一，基于此，對急傾斜煤層等煤炭資源的延深優(yōu)化設(shè)計開采成為了緩解淺部煤炭資源枯竭的重要手段之一。特殊賦存條件下的煤炭資源在開采技術(shù)和工程水文地質(zhì)條件等方面具有區(qū)別于一般開采條件下煤炭資源的顯著特征，需在巷道開拓布置等環(huán)節(jié)進行更加細致的設(shè)計研究，提出更具針對性和適用性的采區(qū)開拓布置方案，以實現(xiàn)對急傾斜煤層等特殊賦存條件下煤炭資源的綠色安全高效開采，本文結(jié)論如下：

1）對株柏煤礦十三采區(qū)上區(qū)段巷道系統(tǒng)開拓布置及開采現(xiàn)況進行了闡述，明確了對下部區(qū)段煤炭資源進行延深設(shè)計開采的必要性。

2）通過方案比較法從工程和經(jīng)濟方面對十三采區(qū)下區(qū)段延深設(shè)計方案進行了比選，確定了最優(yōu)方案，為該礦延深設(shè)計提供了工程指導。

3）分析了十三采區(qū)下區(qū)段最優(yōu)延深設(shè)計方案的特點，提出了對延深及回采過程中安全建設(shè)的建議。