印尼督巴印多煤矿露天转井工开采开拓方式比选研究

李 诚，王靖焘，黄守章，夏婷婷

(1.中国机械进出口(集团)有限公司，北京 100037；2.中国矿业大学(北京)，北京 100083；3.中国新兴建筑工程有限责任公司，北京 100009)

印度尼西亚是是世界上非常重要的煤炭生产国，2020年煤炭产量为5.63亿t，位居世界第三。印尼煤炭生产99%为露天生产，主要分布在加里曼丹岛和苏门答腊岛2个地区[1-3]。印尼的煤炭生产始于20世纪80年代[4]，2002年产量首次突破100Mt，2007年突破200Mt，2011年突破300Mt，2013年突破400Mt，经过近20年的高强度开采，埋藏浅、运输条件好、发热量高、适合露天开采的煤炭资源大幅减少，井工开采深部资源是未来发展方向。根据中国类似项目经验，井工开采成本每吨可降低30～40元[5]。由于当地缺乏井工开采经验、也没有统一规划，浅部煤层完全开采后，导致井工开采工业场地选择困难，加上当地专用设备和专业人员匮乏，立井施工和装备难度很大。可见，如何在印尼现有条件下建设现代化大型煤矿，改变当地人对井工开采落后、不安全的印象，推广井工开采技术，首先要解决的就是优选开拓设计。井田开拓设计是矿井设计和建设的关键环节[6]，是决定一个煤矿项目投资收益效果乃至成败的重要因素[8-13]。印尼督巴印多煤矿露天转井工开采开拓方式选择可以为印尼“三软”煤层露天转井工开采设计和建设提供参考。

1 工程概况

督巴印多煤矿是印尼一座大型露天开采煤矿。该井田共分为三个区块，分别为南区、北区、东区，合计面积236.50km2。主采3000煤层位于帕马卢安组上段，煤层厚度4.65～6.55m，平均5.31m。为全区可采的稳定煤层。煤层埋藏平缓，倾角一般9°～18°，平均13°。煤层结构简单，一般含0～1层夹石。顶底板以炭质泥岩、粉砂岩为主。露天最大开采深度80～100m，随着剥采比增大，适合露天开采的区域即将开采完毕。井工开采范围位于南区东北部，面积约6.19km2，开采标高深度100～530m。

该井田开采范围内原始地形较平坦，地面标高一般在+46m至+91m之间，地形起伏不大，但随着露天矿开采，地面形成了低洼的矿坑和剥离土堆积的排土场。现有地形总体上南高北低，东高西低[14，15]。排土场最高点+130m，矿坑最低点-50m。地面植被繁茂，没有大面积的平坦区域。

两条马哈坎河小支流河流自南向北从井田东、北边界附近流过，最后在东北方向汇合。河床宽0.5～2m，雨季暴涨旱季无水。开采范围附近河流标高从东南角标高+50m，西北角标高+44m，汇集处标高+36m，向北逐渐降低至+30m。

井田范围内地面东部、北部均为煤层露天开采区域，形成了露天矿坑。地下水流向由东北流向西南，该区常年湿热多雨，雨季易形成暂时性地表水流，在顺地形坡度或冲沟向下游流动的同时，可通过矿井东北部基岩露头处补给地下水。另外露天矿坑常年积水，积水沿基岩裂隙入渗补给地下水，形成东北部补给边界。

2 开拓方式及比选

2.1 井口位置选择影响因素

1)运输方向。煤炭向北运输，井田北侧沿煤层露头有露天开采的运煤公路可以利用，井口位置宜布置在北侧。

2)露天开采。煤层浅部已经全部露天开采，最大开采深度100m左右。露天开采形成矿坑，汇水面积大，不满足防洪要求无法使用。露天开采后没有回填的区域已经形成7处积水区，编号No.1—No.7，北侧3处，南侧4处。积水排干后雨季会很快恢复积水，无法使用。

3)回填区。露天开采形成矿坑的中部和东南部已回填，最大回填深度100m左右，回填土经过破碎、风化，成为松散体。虽然有采用“架U型棚+超前钢管棚”支护过回填土工程实例，但穿过的回填土深度约20m[16]。所以巷道应避开回填土区域，从回填土以外或回填土下部穿过较好。

4)露天排土。原有地形较平坦，露天开采后部分排土堆积地面，形成小范围较高的排土场和较低的矿坑。露天排土未经压实，承载能力差，井筒和地面建筑应避免布置在回填土较厚的区域。

5)减少压煤。北部有煤层露头，向南逐渐加深。井口位置应尽量布置在北部，以减少斜井工程量和工业场地保护煤柱。布置在煤层露头线以北，工业场地不留保护煤柱。

6)河流影响。开采区域附近有两条季节性小河。两条支流会合处标高+36m，所以工业场地标高应该在+36m以上，并留一定的防洪高度。根据当地政府规定，河流两侧100m范围内严禁有建筑。

7)方便井下运输。开采区域东西长约4.3km，南北宽0.8～1.8km，有向深部延伸的可能。布置一个采区两翼开采即可完成整个区域开采，所以井口位置应选择在中部附近。井筒应尽量接近储量中心，有利于生产期间井下开采，降低生产运营费用。

8)埋深影响。印尼没有“三软”煤层开采经验，认为埋深超过400m支护难度很大，不计为可采储量，本次暂不布置开拓巷道。按中国类似矿井支护经验没有问题[17-20]。

2.2 开拓方式初选

受强降水影响，露天矿坑汇水现象明显，干旱地区常见的露天端帮开采安全性差，不宜采用。该项目可能采用的开拓方式：斜井、立井、混合开拓。

由于立井施工需要专用设备和专业人员；提升系统增加两次转载、系统复杂、不连续运输；埋深100m左右布置立井提升设备较困难，基于以上原因，主井、副井不采用立井。回风立井有断面大、通风阻力小、井筒装备简单，可以选用。

2.3 井筒数量

根据安全生产经验，由于回风流内含有瓦斯，所以回风井一般不布置电气设备，必须设置专用回风井，设计对井筒数量提出两个方案：

1)方案一(推荐方案)：3个井筒。主、副斜井和专用回风井。主斜井一侧安装带式输送机，运输煤炭；另一侧装备架空乘人装置，运送人员[21]；少量进风。副斜井安装单轨吊车运输设备材料。专用回风可以采用斜井，也可以采用立井。

2)方案二：混合井、回风井2个斜井。混合井一侧装备带式输送机，运输煤炭；另一侧下部铺设轨道，使用绞车牵引矿车运输设备和材料，上部装备架空乘人装置，架空乘人装置采用活动吊椅，无人时井筒不挂吊椅，运输人员时挂吊椅，绞车严禁运输材料设备。回风斜井专用回风。

经比选推荐方案一，具有以下优点：运输设备布置在两个斜井，相互影响小，使用方便，安全性能好；混合井的功能较多，断面大，施工难度大；两个井筒进风，通风阻力大。

2.4 工业场地及开拓方案选择

根据上述比选，初选2个工业场地，如图1所示。

图1 井口位置方案

方案Ⅰ：工业场地煤层露头线以北，回填区域北侧，三条斜井开拓全井田。河流的南侧100m以上距离。工业场地全部位于原生地层。地面标高+50～+70m，井口标高+56m。布置主、副、风3个斜井。斜井沿南偏西28°方向，从煤层底板下部30m向下施工，倾角16°，斜长505m，过回填土区后调整为主斜井、副斜井以10°斜长312m进入煤层底板；回风斜井以8°斜长313m进入3000煤层，沿煤层至-340m标高，后期可继续向下延伸。斜井两侧布置回采工作面，工作面推进长度大部分在1600m至2300m范围内，两侧长度较均衡。井口位置方案如图2所示。

图2 方案Ⅰ巷道布置

方案Ⅱ：两斜井一立井，两处工业场地。主副斜井工业场地同方案Ⅰ，回风立井工业场地位于现有工业场地外，南侧约500m。井口标高+68m，井底标高-110m，净直径5.5m，净断面23.76m2。场地内布置通风机房、通风机房配电室，无其他建筑。与方案Ⅰ相比，减少斜井工程量730m，增加立井工程176m。风井工业场地煤柱与斜井煤柱结合，尽量减少压煤。新增压煤面积17815m2，新增压煤12.3万t。开拓方案Ⅱ巷道布置如图3所示。

图3 开拓方案Ⅱ巷道布置(m)

方案Ⅰ、Ⅱ井口位置及开拓方式见表1，综合比较推荐方案Ⅰ，具体优点如下：①工业场地全部在煤层露头外，不压煤；②工业场地及井口位置原始标高较高，不受洪水威胁；③井筒在平面上不转弯，减少转运环节，提高运输系统可靠性；④工业场地靠近现有公路，运输较方便；⑤不穿过上部含水层，施工过程受涌水影响小。

表1 方案Ⅰ、Ⅱ井口位置及开拓方式

3 斜井层位选择

3.1 工程地质

煤层抗压强度平均值为4.94MPa，抗拉强度为0.14MPa，为受力易变形煤层。

煤层直接顶板岩性以粉砂岩为主，次为泥岩、砂质泥岩。抗压强度平均值为9.56～13.47MPa，抗拉强度平均值为1.24～2.15MPa。大部分样品的耐崩解性系数为30～60。矿物相对含量分析其为伊蒙混层，混层比为20%。为软弱岩体，抗拉、抗剪破坏能力低，为不稳定顶板。

煤层直接底板岩性以粉砂岩为主，次为砂质泥岩、泥岩。抗压强度平均值为5.53～15.48MPa，抗拉强度平均值为0.79～1.52MPa。大部分样品的耐崩解性系数为30～60。矿物相对含量分析其为伊蒙混层，混层比为20%。为软弱岩体，抗拉、抗剪破坏能力低，为软弱底板。

斜井布置在煤层或顶底板支护有一定难度。

3.2 层位对比分析

3.2.1 关键层分析

井工区内部分区域直接顶上部发育有较为坚硬的中砂岩，基本顶抗压强度为21.39～98.74MPa。3000煤层直接底板下部发育有较为坚硬的中砂岩，抗压强度为14.95～75.18MPa，平均44.27MPa。以这两层中砂岩作为关键层布置巷道是首选。根据5个钻孔分析，顶板砂岩仅局部赋存，厚度较小，与煤层顶板间距不稳定，不适合作为关键层布置巷道。砂岩赋存不是很稳定，厚度较小，距离3000煤层较远，不适合作为关键层布置巷道。

3.2.2 煤层及顶底板对比分析

3000煤层抗压强度、抗拉强度偏低，甚至低于顶底板泥岩强度。但根据中国类似矿井经验，煤层泥化程度低，无膨胀性。开挖后及时喷浆封闭围岩，可有效预防软岩风化，巷道布置在煤层中支护较容易[19-21]。特别是工作面巷道留0.5m厚的顶煤，将明显改善顶板支护情况。

底板粉砂岩平均抗压强度最高，平均耐崩解性系数最高，可作为主要巷道布置层位。顶板砂质泥岩抗压强度最低，平均耐崩解性系数最低，应尽量避免。

3.2.3 钻孔统计分析

由于露天开采不采动底板，所以底板资料较少。统计斜井附近有10个钻孔揭露煤层。其中3个钻孔穿过煤层底板10m左右，2个钻孔进入煤层底板50m左右，2个钻孔进入煤层底板100m。钻孔资料没有力学测试结果，只能按照岩性和岩心照片分析，见表2。从钻孔资料分析，斜井应布置在距离煤层5m以下的底板中，而且应避开24～25m深的煤与炭质泥岩互层。

表2 斜井附近钻孔底板岩性统计

3.2.4 回填区底板层位分析

根据补充钻探，回填区底板以下10～15m范围内岩石泥化现象明显。巷道支护扰动高度10～12m，所以斜井底板距离煤层底板不应小于20～27m。为避开24～25m深的煤与炭质泥岩互层，确定斜井距离底板30～31m。

3.3 确定层位

综上所述，斜井应尽量布置在底板粉砂岩中，至少应有一条巷道布置在煤层中。实际比较两个地层的施工和支护效果，同时查明煤层赋存条件。回风斜井没有运输设备，可以适应一定的巷道变形，宜略高于其它巷道，应沿煤层布置。主斜井为方便煤流转载，应布置在煤层底板。副斜井位于煤层底板有利于工作面巷道与斜井立交。

4 结 论

1)露天开采后形成排土层和积水矿坑，影响井口位置选择和斜井布置，研究决定在露天开采区北部原生地层上布置工业场地，斜井沿煤层底板下30～31m穿过回填区。进入未扰动地层后，回风斜井沿煤层布置。主、副斜井位于煤层底板有利于工作面巷道与斜井立交。

2)主、副井采用斜井，可实现煤炭连续运输，减少辅助运输环节。回风立井施工需要从中国运送专用设备，成本较高，所以推荐回风斜井。