松河煤礦復雜地質條件下布置邊界石門的可行性探索

袁玉福

(貴州松河煤業發展有限責任公司，貴州 六盤水 553004)

0 引言

我國經濟的高質量發展離不開能源的開采開發和穩定供給。2022 年，煤炭在我國能源一次消費結構中占比為56.2%，石油為17.9%?？梢钥闯?，煤炭仍是我國主要的能源來源，煤炭作為我國能源壓艙石的地位短期內仍無法被替代。但隨著煤炭資源的高強度開采，煤炭資源日益減少，復雜地質條件下的邊界煤炭資源也需要開采開發。同時，近十幾年來，煤礦綜采技術裝備得到了快速發展，但復雜地質條件下的巷道掘進技術裝備仍多采用效率較低的“懸臂式掘進機+單體錨桿鉆機”的方式，導致生產工作面采掘接替緊張的問題進一步突出。因此，在復雜地質條件下，確定合理的井田開拓方案和采區巷道布置方式成為煤礦生產規劃和設計的重要環節，合理的規劃不僅能夠緩解采掘接替緊張的難題，提高煤礦的安全和提升開采效率，也能降低礦區生產成本[1-3]。因此，根據具體地質條件選擇適當的布置方式對煤礦后期生產和安全至關重要[4-6]。本文針對松河煤礦采三區的工程煤層傾角大、瓦斯含量高的復雜地質條件，綜合考慮煤層資源條件、地形地質條件、資源儲量和價值、原有井巷工程存在狀態等因素，探索了邊界石門的布置方式，對采區巷道布置進行了優化設計，為松河煤礦制定生產發展規劃和技術改造等提供保障，助力礦井的高質量發展。

1 礦井概況

松河煤礦位于貴州省六盤水市盤州市北部的土城向斜北翼中段，分屬雞場坪鎮管轄，地理坐標為東經104°35′38″～104°45′5″，北緯25°57′45″～26°2′30″。井田范圍，西以35 號斷層與土城礦井分界，東至淤泥河，北以峨嵋山玄武巖組第一段頂界露頭線為界，南以1+3 號煤層+1 200 m標高為界。礦區面積32.652 5 km2，可采煤層共18 層，其中全區可采煤層3 層，分別為3、12、17 號煤層；大部分可采煤層11 層，分別為4、51、62、15、16、18、272、291、292、293、32 號煤層，局部可采煤層4 層，分別為9、10、11、271號煤層。煤層總厚度為23.5 m，屬近距離煤層群開采。煤層傾角為25°～35°。礦井設計生產能力240 萬 t/a，核定生產能力240 萬 t/a。屬煤與瓦斯突出礦井，煤層為自燃煤層，煤塵具有爆炸危險性。斷層較發育，構造復雜程度為第二類中等構造類型。

礦井采用斜井開拓，分區抽出式通風，現布置了三個生產采區，分別為采一區、采二區、采三區，采用+1 380 m 單水平上下山開采。其中采三區主要井筒有13 進風行人斜井、13 軌道斜井、13 回風斜井，布置為雙翼開采，劃分為4 個區段，區段垂高90～100 m。生產位于1～2 區段，布置有1 個采煤工作面和4 個掘進工作面。

2 采三區布置邊界石門的必要性及考慮因素

2.1 采三區布置邊界石門的必要性

采三區131504 采煤工作面已進入回收階段，需盡快布置新的采煤工作面確保生產計劃的正常延續。但松河煤礦地質條件復雜，煤層傾角大、瓦斯含量高、煤層為自燃煤層、煤塵具有爆炸危險性，且斷層較發育，巷道掘進采用懸臂式掘進機+單體錨桿鉆機，掘進效率比較低，隨著采煤工作面機械化水平不斷提升，采掘接替緊張的問題日益突出。急需優化巷道開拓布置方式，縮短采煤工作面的準備時間。

同時，受F15 號大斷層影響，采三區F15 號大斷層(落差30 m)往東一直未進行采掘布置。此塊段可采煤層包括1+3、4、9、12、15、16、17、18、27-1、27-2、32 號煤層共11 層煤層，可采地質儲量約355.4 萬t，可布置采煤工作面約11 個。因此，在煤炭資源趨于緊張的情況下，需要探索設計布置采三區復雜地質條件下的邊界石門工程，使采三區的采掘工程布局更加充分、合理，從空間上解決礦井采掘接續緊張的問題。

2.2 采區邊界石門布置需考慮的因素

為了保持采區的正常連續和均衡生產，在生產水平減產前必須完成大巷、石門延伸和新水平的開拓準備。在布置邊界石門設計時，必須充分考慮以下因素。

(1)煤層資源條件

煤層厚度、埋深、傾角和走向長度等地質條件都會影響煤礦采區開拓延伸的方案選擇和開采效率。例如，煤層厚度較大時，需要選擇合適的開采方法以減少資源浪費和提高生產效率；煤層埋深過淺時，開拓延伸時需要重點考慮采場安全和環境保護；傾角過大的煤層可能會導致采煤和運輸困難，需選擇適合的采煤工藝和設備；走向長度過短則需要進行頻繁的開采轉移，增加了生產成本和管理難度。

(2)地形地質條件

地形地質條件包括地層、構造、巖性等因素，這些因素會影響開拓延伸的工程布置和施工難度。例如，在斷裂帶、破裂帶等地質構造破壞較嚴重的地區，開拓延伸需要進行加固和維護工程；在巖性較差的地層，需要考慮對井巷工程的支護和維護。煤層賦存條件決定了采區開拓延伸巷道的位置，會影響開采方案的選擇和經濟效益。例如，煤層較分散或賦存深度較淺時，開采方案可能需要進行調整或采取特殊的采煤方法。

(3)資源儲量和價值

資源儲量是指經過地質勘查確定的煤層儲量，包括可采儲量和不可采儲量。工業價值是指煤層的經濟價值，需要考慮煤質、煤種、市場需求等因素。工業儲量和工業價值都會影響煤礦采區開拓延伸的規模和開采計劃。例如，工業儲量較小或工業價值較低時，可能需要采取靈活的開采方案以節約成本和提高經濟效益；反之，則需要考慮擴大開拓延伸范圍或增加開采深度以增加資源儲備。

(4)原有井巷工程存在狀態

原有井巷工程存在狀態會影響開拓延伸的工程量和成本。如果原有井巷工程存在較多的問題，如結構老化、損壞嚴重等，開拓延伸需要進行改造、升級或擴建工程，增加了投資成本和管理難度。因此，在開拓延伸前需要對原有井巷工程進行全面調查和評估，制定合理的改造方案以降低成本和提高效率。

3 采三區邊界石門設計方案

3.1 邊界石門整體布置方案

綜合考慮采三區現有井巷工程狀態、煤層可采儲量和后續生產計劃等因素，設計從采三區130 軌道石門沿27-1# 煤層頂板巖層施工一條130 集中回風大巷，穿過F15 號大斷層后布置130 邊界回風石門；從采三區131 運輸石門沿27-1# 煤層頂板巖層施工一條131 集中運輸大巷，標高+1 600 m，穿過F15 號大斷層后布置131 邊界運輸石門。130 邊界回風石門和131 邊界運輸石門通過13 集中回風上山、13 集中回風斜巷聯通?？偣こ塘考s4 209 m，巷道布置平面圖和剖面圖如圖1 所示。

圖1 邊界石門開拓延伸巷道布置圖

130 集中回風大巷標高+1 695 m，設計從130 軌道石門開口，方位角119°，巷道坡度+3‰，總工程量約1 472 m，為全巖層掘進；130 邊界回風石門設計從130 集中回風大巷開口，標高+1 695 m，方位角237°22' 44'' ，巷道坡度+3‰，總工程量約495 m，穿煤層掘進，掘進過程中揭露18#、17#、16#、15#、12#、9#、6-2#、4#、3#共9 個煤層。131 集中運輸大巷標高1 600 m，設計從131 運輸石門開口，總工程量約1 360 m，方位角119°，巷道坡度+3‰。131 邊界運輸石門設計從131 集中運輸大巷開口，標高+1 600 m，方位角237°22' 44'' ，巷道坡度+3‰，總工程量約515 m。

前期將130 邊界回風石門掘進至16# 煤層，利用130 集中回風大巷和130 邊界回風石門可布置131604、131702、131802、131705、131804 采煤工作面巷道，以此縮短采煤工作面的布置時間。后期可作為F15 號大斷層(落差30 m)往東18#、17#、16#、15#、12#、9#、6-2#、4#、3# 煤層的回風系統，實現一巷多用。

3.2 邊界石門斷面及支護設計

(1)巷道斷面形狀的選擇

巷道布置均處于煤系地層，圍巖中等穩定，巷道服務年限10～15 年，主要服務開采18、17、16、15、12、9、6-2、4、3# 煤層，斷面形狀選擇為拱形，采用錨網索噴支護。

根據安全距離要求，確定巷道凈寬度：

130 集中回風大巷：

130 邊界回風石門：

130 里塊集中回風聯巷：

式(1)～式(3)中：B為巷道凈寬度(mm)；a1、c1分別為非人行側(瓦斯管路)和人行側中線到巷道墻之間的距離(mm)。

根據通風、瓦斯管路安裝(維護)及安全距離要求，確定巷道凈高度：

130 集中回風大巷、130 邊界回風石門：

130 里塊集中回風聯巷：

式(4)～式(5)中：H為巷道凈高度(mm)；h3為墻高(mm)；h0為拱高(mm)；hb為從巷道底板到道碴面的高度(mm)。

(2)巷道支護方式

該工程設計在二疊系上統龍潭煤系地層中，揭露的巖性有細砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖煤層組成。地層產狀119°∠31°～∠33°。工作面垂直埋深230～324 m。煤層頂底板情況如表1 所示。

表1 煤層頂底板情況表

根據巷道圍巖性質、礦山壓力，結合實際工程經驗，確定巷道支護形式：130 集中回風大巷、130 邊界回風石門采用錨網噴支護，凈斷面15.09 m2，掘進斷面16.09 m2。頂板破碎帶、過煤層帶根據實際情況采用U 型棚或錨索噴漿+ 注漿錨索進行聯合支護。130 里塊集中回風聯巷采用錨網噴支護，凈斷面12.41 m2，掘進斷面13.82 m2。頂板破碎帶、過煤層帶根據實際情況采用U 型棚或錨索噴漿進行聯合支護。

4 效益分析

通過布置130 邊界回風石門和131 邊界運輸石門，松河煤礦采三區F15 號斷層以東的272.4 萬t 煤炭資源能夠得以回采，避免了資源浪費。同時，前期利用130 集中回風大巷、130 邊界回風石門，能夠布置131604、131702 等5 個采煤工作面，大大縮短采煤工作面的布置時間，緩解采掘接替的難題，使礦井產能更有保障。此外，通過合理確定巷道層位，有效避開了地質構造段，降低巷道頂板冒落、煤層煤與瓦斯突出的危險性，經濟效益和社會效益顯著。