帶壓開采煤層煤倉的層位選擇及設計

王熙凌

1 工程概況

同煤集團四臺礦井侏羅系煤層資源已近枯竭，暫無后續接替礦井，為保證石炭二疊系水平煤層延深開采，需要組織實施礦井石炭系延深改造工程。石炭系井田只有8#煤層一層可采煤層，局部受上部侏羅系采空區水和下部寒武系灰巖承壓水影響。礦井石炭系延深工程設計生產能力1.20 Mt/a，利用礦井現有主、副斜井和副立井系統，采用暗斜井延深形成主要運輸系統，煤炭采用帶式輸送機運輸，布置主暗斜井和帶式輸送機大巷。由于石炭系井田采區距離井底煤倉較遠，需設置采區煤倉實現采區煤炭的儲存與中轉。

本文通過對煤層頂底板地層地質及其灰巖含（隔）水層的分析，計算得出采區煤倉位置的安全隔水層厚度;確定采區煤倉的布置層位、有效容量、尺寸等數據，并提出針對性煤倉支護措施。

2 采區煤倉層位確定

2.1 石炭系煤層（8號煤）頂底板地質概況

8#煤層是井田主要可采煤層，大部分可采，位于太原組下部，厚度0～8.10 m，平均3.52 m左右。侏羅系底部可采煤層至8號煤層間距55.72 m～170.63 m，平均間距109.69 m，從南到北逐漸變小。8#煤層至侏羅系底部可采煤層之間，巖性主要為砂礫巖、砂巖、泥巖及砂質泥巖。巖石抗壓強度20.8 MPa～35.3 MPa，多屬半堅硬巖類。

根據礦井地質資料，8#煤層是井田內賦存穩定的煤層，其下伏寒武系灰巖含水層是煤系下伏間接充水含水層，井田內寒武系灰巖巖溶裂隙不甚發育，地下水的補給條件差，含水性弱，其止水位埋深+248.38 m～308.15 m，水位標高+1007.63 m～1080.68 m，水位降深+3.10 m～+155.86 m，涌水量0.0259 L/s～0.2513 L/s，單位涌水量0.000166 L/s·m～0.081 L/s·m。

據鉆孔資料，8#煤層與灰巖間為本溪組隔水層，該地層在井田內分布穩定，是寒武系灰巖與上部煤系地層良好的隔水層，石炭系采區煤倉附近8#煤層底板標高+908 m，寒武系灰巖標高+860 m，8#煤與寒武系灰巖頂面之間的距離為48 m，其煤層底板隔水層承受的水頭壓力在1.68 MPa。

圖1 8號煤層底板至寒武系灰巖頂面間距及突水系數等值線圖

2.2 采區煤倉層位確定

先由斯列薩列夫公式[1-2]確定安全隔水層厚度：

式中：t—安全隔水層厚度，m；

L—巷道底板寬度，取采區煤倉下部給煤機硐室寬度6.5 m；

γ —底板隔水層平均容重，取23.5 kN/m3，即0.0235 MN/m3；

Kp—底板隔水層平均抗拉強度，取0.8 MPa；

P—底板隔水層承受的水頭壓力，取1.68 MPa。

可得，t=6.4 m。

根據采區煤倉附加8#煤層鉆孔數據，考慮數據誤差及安全隔水層厚度，將采區煤倉下部給煤機硐室底板標高設定為+895.0 m，這樣采區煤倉及相關硐室均布置在圍巖穩定、無地質構造的非含水層層位中。

3 采區煤倉容量確定

因礦井石炭系僅布置一個采煤工作面，則工作面生產能力即為采區生產能力、也是后期礦井的生產能力，則設計的采區煤倉可參照井底煤倉設計。

（1）由《采礦工程設計手冊》[3]井底煤倉的有效容量Qmc可按公式(2)計算：

式中：Qmc--井底煤倉有效容積，t；

Amc--礦井設計日產量，t；

（0.15～0.25）--系數，取0.20.

則，Qmc=0.20×(1.2 Mt/330)=727 t。

（2）《采區車場及硐室設計規范》規定“當采區上、下山和運輸大巷均采用帶式輸送機運輸時，采區煤倉容量宜采用帶式輸送機額定小時運量的0.5倍”。

由礦井初步設計資料可知，礦井運輸順槽選用SSJ1200/250×2 型可伸縮帶式輸送機，輸送能力為1500 t/h，則采區煤倉容量Qm=1500 t/h×0.5 h=750 t

設計取以上兩種計算結果的最大值，采區煤倉設計容量取750 t。

4 采區煤倉布置方式及尺寸

4.1 采區煤倉布置方式及斷面形狀

礦井采區煤倉主要有垂直式、傾斜式、混合式和水平式，考慮垂直式煤倉的布置及施工特點，垂直式煤倉施工機械化程度高，施工簡單、隱蔽工程少、安全性好，結合礦井采區布置情況，設計采用垂直式煤倉。

與垂直式大容量煤倉相對應，考慮到圓形煤倉斷面受力性能好、斷面利用率高、施工方便、便于維護和不易堵倉的優點，故采區煤倉采用圓形斷面。

綜上，采區煤倉設計為直立圓形煤倉。

4.2 煤倉高度確定

石炭系東翼膠帶輸送機大巷整體沿8號煤層底板布置，至采區煤倉200 m位置處開始上山，于70 m處落平，此處大巷標高即采區煤倉上口標高為+930.0 m，則煤倉上口與煤倉下口給煤機硐室底板的距離為H1=930.0 m-895.0 m=35.0 m，煤倉具體布置層位見圖2。

煤倉上口采用縮口式布置，支護同煤倉主體，其上口加蓋11#礦用工字鋼，制作成300 mm×300 mm 鐵篦子，收口處直徑3.0 m、傾角取45°、高度H2=4.5 m。煤倉下口給煤機硐室掘進尺寸：長×寬×高=10.90 m×6.50 m×8.55 m，其掘進高度為H3=8.55 m。

為降低煤倉下口施工難度，煤倉下口設計為直桶式，內側澆筑混凝土，形成約45°的漏斗斜面，下鎖口采用鋼筋混凝土與煤倉壁及給煤機硐室一體澆筑，漏斗斜面采用22 kg/m 鋼軌正反交替布置，其上覆200 mm 厚度石英砂砼面做為耐磨層，耐磨層高度約H4=5.5 m。

圖2 采區煤倉布置平剖面圖

5 支護

由于該煤倉直徑大、斷面大，因此，必須根據煤倉所受荷載確定比較可靠的支護型式。

煤倉貫穿8#煤層，給煤機硐室布置在8 煤底板巖層中，煤倉及給煤機硐室所處巖性主要為粉砂巖、細砂巖和粗砂巖，局部有泥巖。煤倉中部采用砼碹支護，砌砼厚度450 mm，砌砼強度等級為C30；上下收口處及給煤機硐室采用雙層鋼筋混凝土聯合支護方式，錨網噴厚度50 mm，鋼筋采用φ20 mm和φ25 mm二級鋼，錨桿采用φ22×2 400 mm螺紋鋼樹脂錨桿半長錨固，間排距為800 mm×800 mm；金屬網采用φ6.0 mm 的鋼筋交錯編制成1 000 mm×2 000 mm 的網片，施工過程中臨時支護采用錨網噴支護，噴砼強度等級C20。

6 結論

通過對8#煤層頂底板地質情況分析，在計算8#煤倉底板隔水層厚度的基礎上，考慮巖層的穩定性及安全性，確定煤倉下口給煤機硐室布置在距離底板灰巖含水層30 m～35 m以上的位置。

根據礦井初步設計資料及《采區車場及硐室設計規范》的規定，確定采區煤倉的設計容量為750 t；采區煤倉采用直立式布置，斷面為圓形，直徑為8.0 m，高度35 m，滿足礦井生產要求；由于煤倉貫穿8#煤層，故煤倉支護采用砼碹支護，煤倉上下收口處及給煤機硐室采用雙層鋼筋混凝土聯合支護方式，以保證煤倉的整體穩定性。