带压开采煤层煤仓的层位选择及设计

王熙凌

1 工程概况

同煤集团四台矿井侏罗系煤层资源已近枯竭，暂无后续接替矿井，为保证石炭二叠系水平煤层延深开采，需要组织实施矿井石炭系延深改造工程。石炭系井田只有8#煤层一层可采煤层，局部受上部侏罗系采空区水和下部寒武系灰岩承压水影响。矿井石炭系延深工程设计生产能力1.20 Mt/a，利用矿井现有主、副斜井和副立井系统，采用暗斜井延深形成主要运输系统，煤炭采用带式输送机运输，布置主暗斜井和带式输送机大巷。由于石炭系井田采区距离井底煤仓较远，需设置采区煤仓实现采区煤炭的储存与中转。

本文通过对煤层顶底板地层地质及其灰岩含（隔）水层的分析，计算得出采区煤仓位置的安全隔水层厚度;确定采区煤仓的布置层位、有效容量、尺寸等数据，并提出针对性煤仓支护措施。

2 采区煤仓层位确定

2.1 石炭系煤层（8号煤）顶底板地质概况

8#煤层是井田主要可采煤层，大部分可采，位于太原组下部，厚度0～8.10 m，平均3.52 m左右。侏罗系底部可采煤层至8号煤层间距55.72 m～170.63 m，平均间距109.69 m，从南到北逐渐变小。8#煤层至侏罗系底部可采煤层之间，岩性主要为砂砾岩、砂岩、泥岩及砂质泥岩。岩石抗压强度20.8 MPa～35.3 MPa，多属半坚硬岩类。

根据矿井地质资料，8#煤层是井田内赋存稳定的煤层，其下伏寒武系灰岩含水层是煤系下伏间接充水含水层，井田内寒武系灰岩岩溶裂隙不甚发育，地下水的补给条件差，含水性弱，其止水位埋深+248.38 m～308.15 m，水位标高+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，单位涌水量0.000166 L/s·m～0.081 L/s·m。

据钻孔资料，8#煤层与灰岩间为本溪组隔水层，该地层在井田内分布稳定，是寒武系灰岩与上部煤系地层良好的隔水层，石炭系采区煤仓附近8#煤层底板标高+908 m，寒武系灰岩标高+860 m，8#煤与寒武系灰岩顶面之间的距离为48 m，其煤层底板隔水层承受的水头压力在1.68 MPa。

图1 8号煤层底板至寒武系灰岩顶面间距及突水系数等值线图

2.2 采区煤仓层位确定

先由斯列萨列夫公式[1-2]确定安全隔水层厚度：

式中：t—安全隔水层厚度，m；

L—巷道底板宽度，取采区煤仓下部给煤机硐室宽度6.5 m；

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

Kp—底板隔水层平均抗拉强度，取0.8 MPa；

P—底板隔水层承受的水头压力，取1.68 MPa。

可得，t=6.4 m。

根据采区煤仓附加8#煤层钻孔数据，考虑数据误差及安全隔水层厚度，将采区煤仓下部给煤机硐室底板标高设定为+895.0 m，这样采区煤仓及相关硐室均布置在围岩稳定、无地质构造的非含水层层位中。

3 采区煤仓容量确定

因矿井石炭系仅布置一个采煤工作面，则工作面生产能力即为采区生产能力、也是后期矿井的生产能力，则设计的采区煤仓可参照井底煤仓设计。

（1）由《采矿工程设计手册》[3]井底煤仓的有效容量Qmc可按公式(2)计算：

式中：Qmc--井底煤仓有效容积，t；

Amc--矿井设计日产量，t；

（0.15～0.25）--系数，取0.20.

则，Qmc=0.20×(1.2 Mt/330)=727 t。

（2）《采区车场及硐室设计规范》规定“当采区上、下山和运输大巷均采用带式输送机运输时，采区煤仓容量宜采用带式输送机额定小时运量的0.5倍”。

由矿井初步设计资料可知，矿井运输顺槽选用SSJ1200/250×2 型可伸缩带式输送机，输送能力为1500 t/h，则采区煤仓容量Qm=1500 t/h×0.5 h=750 t

设计取以上两种计算结果的最大值，采区煤仓设计容量取750 t。

4 采区煤仓布置方式及尺寸

4.1 采区煤仓布置方式及断面形状

矿井采区煤仓主要有垂直式、倾斜式、混合式和水平式，考虑垂直式煤仓的布置及施工特点，垂直式煤仓施工机械化程度高，施工简单、隐蔽工程少、安全性好，结合矿井采区布置情况，设计采用垂直式煤仓。

与垂直式大容量煤仓相对应，考虑到圆形煤仓断面受力性能好、断面利用率高、施工方便、便于维护和不易堵仓的优点，故采区煤仓采用圆形断面。

综上，采区煤仓设计为直立圆形煤仓。

4.2 煤仓高度确定

石炭系东翼胶带输送机大巷整体沿8号煤层底板布置，至采区煤仓200 m位置处开始上山，于70 m处落平，此处大巷标高即采区煤仓上口标高为+930.0 m，则煤仓上口与煤仓下口给煤机硐室底板的距离为H1=930.0 m-895.0 m=35.0 m，煤仓具体布置层位见图2。

煤仓上口采用缩口式布置，支护同煤仓主体，其上口加盖11#矿用工字钢，制作成300 mm×300 mm 铁篦子，收口处直径3.0 m、倾角取45°、高度H2=4.5 m。煤仓下口给煤机硐室掘进尺寸：长×宽×高=10.90 m×6.50 m×8.55 m，其掘进高度为H3=8.55 m。

为降低煤仓下口施工难度，煤仓下口设计为直桶式，内侧浇筑混凝土，形成约45°的漏斗斜面，下锁口采用钢筋混凝土与煤仓壁及给煤机硐室一体浇筑，漏斗斜面采用22 kg/m 钢轨正反交替布置，其上覆200 mm 厚度石英砂砼面做为耐磨层，耐磨层高度约H4=5.5 m。

图2 采区煤仓布置平剖面图

5 支护

由于该煤仓直径大、断面大，因此，必须根据煤仓所受荷载确定比较可靠的支护型式。

煤仓贯穿8#煤层，给煤机硐室布置在8 煤底板岩层中，煤仓及给煤机硐室所处岩性主要为粉砂岩、细砂岩和粗砂岩，局部有泥岩。煤仓中部采用砼碹支护，砌砼厚度450 mm，砌砼强度等级为C30；上下收口处及给煤机硐室采用双层钢筋混凝土联合支护方式，锚网喷厚度50 mm，钢筋采用φ20 mm和φ25 mm二级钢，锚杆采用φ22×2 400 mm螺纹钢树脂锚杆半长锚固，间排距为800 mm×800 mm；金属网采用φ6.0 mm 的钢筋交错编制成1 000 mm×2 000 mm 的网片，施工过程中临时支护采用锚网喷支护，喷砼强度等级C20。

6 结论

通过对8#煤层顶底板地质情况分析，在计算8#煤仓底板隔水层厚度的基础上，考虑岩层的稳定性及安全性，确定煤仓下口给煤机硐室布置在距离底板灰岩含水层30 m～35 m以上的位置。

根据矿井初步设计资料及《采区车场及硐室设计规范》的规定，确定采区煤仓的设计容量为750 t；采区煤仓采用直立式布置，断面为圆形，直径为8.0 m，高度35 m，满足矿井生产要求；由于煤仓贯穿8#煤层，故煤仓支护采用砼碹支护，煤仓上下收口处及给煤机硐室采用双层钢筋混凝土联合支护方式，以保证煤仓的整体稳定性。