大型露天礦過(guò)陷落柱開采方案優(yōu)化

陳德付

（中煤平朔集團(tuán)有限公司安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036006）

大型露天礦過(guò)陷落柱開采方案優(yōu)化

陳德付

（中煤平朔集團(tuán)有限公司安家?guī)X露天礦，山西 朔州 036006）

針對(duì)露天煤礦過(guò)陷落柱期間生產(chǎn)剝采比增大、經(jīng)濟(jì)效益下降、邊坡失穩(wěn)等問(wèn)題，根據(jù)陷落柱所處的不同位置，概括總結(jié)了相應(yīng)的過(guò)渡陷落柱優(yōu)化開采方案，并給出了各優(yōu)化開采方案的應(yīng)用實(shí)例。

露天礦；陷落柱；開采方案

0 引 言

陷落柱是喀斯特塌陷的一種類型，由于煤層下伏碳酸鹽巖等可溶巖層，經(jīng)地下水強(qiáng)烈溶蝕，形成空洞，從而引起上覆巖層失穩(wěn)，向溶蝕空間冒落、塌陷，形成的筒狀或似錐狀柱體。一般情況下，陷落柱區(qū)域內(nèi)煤層均遭受不同程度的破壞，甚至形成無(wú)煤區(qū)[1-2]。

當(dāng)陷落柱位于露天礦采場(chǎng)工作幫上，若采取將陷落柱區(qū)域物料采走、即直接過(guò)渡的方式，雖然生產(chǎn)組織管理相對(duì)簡(jiǎn)單，但由于陷落柱區(qū)域無(wú)煤，此部分剝離工程量不產(chǎn)生露煤，屬于無(wú)效剝離，這就造成某個(gè)階段或時(shí)期生產(chǎn)剝采比驟然增大，生產(chǎn)成本急劇上升，經(jīng)濟(jì)效益顯著下降[2]；當(dāng)陷落柱位于露天礦邊幫上，原設(shè)計(jì)的開采境界勢(shì)必發(fā)生改變，涉及到開采程序的調(diào)整，此項(xiàng)工程需綜合考慮提前征地、邊坡穩(wěn)定等各種因素，從設(shè)計(jì)到組織實(shí)施，耗時(shí)較長(zhǎng)，且難度較大[3]。由于陷落柱范圍大小不一，影響范圍較小的陷落柱既不會(huì)影響邊坡穩(wěn)定，又不會(huì)產(chǎn)生較大的無(wú)效剝離工程量，針對(duì)給露天礦生產(chǎn)組織管理帶來(lái)較大困難、影響邊坡穩(wěn)定的陷落柱，開展過(guò)渡方案優(yōu)化研究。

1 陷落柱對(duì)露天開采的影響

1.1 破壞可采煤層，減少煤炭資源量

由于陷落柱是由煤層下部溶洞發(fā)育坍塌、煤層陷落所形成的。因此，陷落柱區(qū)域內(nèi)煤層通常會(huì)遭到破壞或整體下降而不具備可采性，失去可采價(jià)值，造成露天礦開采境界內(nèi)的煤炭資源量減少。

1.2采場(chǎng)采剝作業(yè)空間減小，設(shè)備效率下降、運(yùn)輸系統(tǒng)布置困難

若開采境界內(nèi)陷落柱范圍較大，為了避免大產(chǎn)生大量無(wú)效剝離工程量，一般采取陷落柱區(qū)域不采、留島的過(guò)渡方式。這樣勢(shì)必造成露天礦采剝工作線長(zhǎng)度縮短，礦坑采剝作業(yè)空間減小，主要采、運(yùn)設(shè)備效率下降，運(yùn)輸坑線布置將因采剝空間減小而變得相對(duì)困難[3]。

1.3 造成邊坡失穩(wěn)，影響生產(chǎn)安全

陷落柱區(qū)域巖體一般較為破碎，巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，節(jié)理裂隙發(fā)育，并伴有大量的高角度、小落差斷層和一定數(shù)量的含水空洞，這就導(dǎo)致邊坡巖體物理力學(xué)指標(biāo)下降、強(qiáng)度降低，陷落柱區(qū)域邊坡不穩(wěn)定，可能發(fā)生片幫、滑坡等情況，影響露天礦正常生產(chǎn)安全[4]。

2 過(guò)渡陷落柱開采方案

陷落柱是影響露天礦安全生產(chǎn)的主要地質(zhì)構(gòu)造之一。露天礦在生產(chǎn)過(guò)程中如遭遇陷落柱，需在確保邊坡穩(wěn)定的前提下，綜合考慮減少無(wú)效剝離工程量和保證運(yùn)輸系統(tǒng)通暢等因素，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析，確定最佳的陷落柱過(guò)渡開采方案。就陷落柱所處位置與露天礦采場(chǎng)相對(duì)關(guān)系而言，一般可分為陷落柱位于采場(chǎng)工作幫上、位于端幫且靠近采場(chǎng)、位于采場(chǎng)靠界工作幫上和位于端幫上等4種情況；露天礦過(guò)渡陷落柱的開采方案通?？煞譃橹苯舆^(guò)渡、全留島、局部留島、避讓陷落柱等4種。一般說(shuō)來(lái)，陷落柱所處位置不同，其造成的影響程度亦不同，相應(yīng)所采取的過(guò)渡陷落柱開采方案也不盡相同。

2.1 陷落柱位于采場(chǎng)工作幫中間過(guò)渡開采方案

當(dāng)陷落柱位于采場(chǎng)工作幫中間時(shí)，為了最大限度的避免無(wú)效剝離，一般采用全留“島”開采方案，以島為界將采場(chǎng)分為兩部分；同時(shí)為縮短卡車排棄運(yùn)距，在留“島”的基礎(chǔ)上，通過(guò)內(nèi)排搭橋形成雙區(qū)雙環(huán)運(yùn)輸系統(tǒng)[2]。陷落柱位于采場(chǎng)工作幫中間過(guò)渡開采方案如圖1所示。

全留“島”方案的底部境界是以陷落柱影響范圍內(nèi)最下部煤層不可采邊界為界，從最大限度減少無(wú)效剝離角度出發(fā)，“島”體積當(dāng)然越大越好，這樣無(wú)效剝離量就越小，剝離成本亦最低。從縮短剝離物料排棄運(yùn)距角度出發(fā)，需在“島”體留設(shè)運(yùn)輸?shù)缆罚ㄟ^(guò)排土形成“島”體-內(nèi)排的聯(lián)絡(luò)通道，以實(shí)現(xiàn)雙區(qū)雙環(huán)運(yùn)輸系統(tǒng)，縮短排棄運(yùn)距，降低運(yùn)輸費(fèi)用；但這樣“島”體邊坡因留設(shè)運(yùn)輸?shù)缆范兙?、“島”體積將變小，不可避免地產(chǎn)生了部分無(wú)效剝離量，剝離成本增加。因此，需在綜合考慮剝離成本增加和運(yùn)輸費(fèi)用降低的基礎(chǔ)上，尋求二者最佳結(jié)合點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

以SHBD露天煤礦為例，該礦首采區(qū)境界內(nèi)主采煤層從上至下分別為5#煤、6#煤，平均厚度分別約為16、31 m。礦坑在推進(jìn)過(guò)程中，采場(chǎng)工作幫中央出現(xiàn)面積為10.5萬(wàn)m2的陷落柱，陷落柱貫通5#煤和6#煤，且2層煤均不開采。經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析，決定采用“采場(chǎng)中央陷落柱區(qū)域全留島+內(nèi)排搭橋”開采方案，即陷落柱區(qū)域剝離物料部分采掘、并在其上留設(shè)運(yùn)輸通道，靠近島體兩側(cè)的采場(chǎng)剝離物料經(jīng)內(nèi)排搭橋就近排棄至內(nèi)排，當(dāng)內(nèi)排土場(chǎng)推進(jìn)至島體，逐步廢棄工作幫與島體之間的運(yùn)輸通道橋，陷落柱過(guò)渡完畢后，恢復(fù)正常開采。

SHBD露天煤礦在過(guò)渡陷落柱時(shí)采用此開采方案，與全部采掘陷落柱方案相比減少剝離工程量1 012萬(wàn)m3，降低過(guò)陷落柱期間生產(chǎn)剝采比0.33 m3/t，降低剝離成本約1億元；通過(guò)架設(shè)留島-內(nèi)排之間的運(yùn)輸排土橋，實(shí)現(xiàn)了雙區(qū)雙環(huán)運(yùn)輸，縮短運(yùn)距約300 m，運(yùn)輸費(fèi)用大大降低，綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2.2 陷落柱位于端幫、且靠近采場(chǎng)過(guò)渡開采方案

當(dāng)陷落柱位于端幫、且靠近采場(chǎng)時(shí)（部分位于端幫，部分位于采場(chǎng)內(nèi)），為了保證該區(qū)域邊坡穩(wěn)定，并確保端幫運(yùn)輸系統(tǒng)暢通，一般采用“留島明塹溝”開采方案[5-6]。即在陷落柱區(qū)域，最上部煤層以上保留端幫運(yùn)輸干道，下部留“島”、不設(shè)運(yùn)輸通道，過(guò)渡開采方案如圖2所示。

圖2 陷落柱位于端幫、且靠近采場(chǎng)過(guò)渡開采方案

留島明塹溝方案的底部境界是以陷落柱影響范圍內(nèi)最下部煤層不可采邊界為界，過(guò)渡開采方案選擇依據(jù)：從保證端幫穩(wěn)定的角度出發(fā)，通過(guò)留島，降低陷落柱區(qū)域邊坡角度，使該區(qū)域邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求；從保證端幫運(yùn)輸系統(tǒng)通暢的角度出發(fā)，在最上部煤層以上保留原設(shè)計(jì)端幫運(yùn)輸干道，使采場(chǎng)剝離物料仍可通過(guò)此區(qū)域端幫干道至運(yùn)輸至內(nèi)排土場(chǎng)。

以PSAJL露天煤礦為例，該礦主采煤層從上至下分別為4#煤、9#煤、11#煤，平均厚度分別為10、15、3.5 m。隨著礦坑推進(jìn)，于2006年在采場(chǎng)北部端幫出現(xiàn)一約占工作線長(zhǎng)度1/3、面積約 10萬(wàn)m2的陷落柱，區(qū)域內(nèi)煤層平均下落50～60 m，而且不可采，屬無(wú)煤區(qū)。通過(guò)對(duì)比直接過(guò)渡、留全島、局部留島和留島明塹溝開采方案，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，采用4#煤以上保留端幫運(yùn)輸干道，下部留島的“留島明塹溝”開采方案。同時(shí)，兼顧到礦山生產(chǎn)組織與技術(shù)管理后，以“留島明塹溝”方案為基礎(chǔ)，將所留島形狀調(diào)整為梯形，便于現(xiàn)場(chǎng)施工。采用該開采方案后，減少無(wú)效剝離工程量約700萬(wàn)m3，生產(chǎn)組織更加容易，并能夠充分發(fā)揮大型設(shè)備效率。

2.3 陷落柱位于采場(chǎng)靠界工作幫上過(guò)渡開采方案

當(dāng)陷落柱位于采場(chǎng)靠界工作幫上時(shí)，由于邊坡暴露時(shí)間較短，基于邊坡時(shí)效性、最大限度減少無(wú)效剝離量考慮，一般采用避讓陷落柱過(guò)渡方案。即在保證陷落柱區(qū)域邊坡穩(wěn)定的情況下，不采掘陷落柱區(qū)域[7]。

避讓陷落柱方案的底部境界是以陷落柱影響范圍內(nèi)最下部煤層不可采邊界為界，過(guò)渡開采方案選擇依據(jù)：從保證靠界邊坡穩(wěn)定角度出發(fā)，雖然為工作幫靠界邊坡，由于從邊坡暴露到內(nèi)排壓幫歷時(shí)較短、約3個(gè)月，可將其看作工作幫臨時(shí)邊坡，此區(qū)域邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)只需大于1，就可保證邊坡穩(wěn)定；從最大限度減少無(wú)效剝離角度出發(fā)，“島”體積越大，無(wú)效剝離量就越小，剝離成本就越低。因此，需在保證陷落柱趨于邊坡穩(wěn)定的前提下，利用該區(qū)域邊坡暴露時(shí)間短的特點(diǎn)，基于邊坡時(shí)效性規(guī)律，最大限度減少無(wú)效剝離工程量。

以PSAJL露天煤礦為例，受逆斷層影響，煤層交叉重疊，斷層落差40～60 m，且在下盤靠界工作幫上出現(xiàn)面積為1.208萬(wàn)m2、貫通4#煤、9#煤、11#煤的陷落柱，陷落柱區(qū)域內(nèi)為無(wú)煤區(qū)。隨著逆斷層上盤11#煤推進(jìn)，其下部逆斷層下盤各采剝平盤將從上至下逐步依次靠界。通過(guò)比較直接過(guò)渡、避讓陷落柱方案，經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)、安全性等分析，決定采用“避讓陷落柱”過(guò)渡開采方案，并對(duì)靠界工作幫參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)實(shí)施該方案，減少無(wú)效剝離工程量43.4萬(wàn)m3，降低剝離成本約434萬(wàn)元；調(diào)整靠界工作幫靠界平盤參數(shù)，陷落柱區(qū)域邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)達(dá)到1.05，滿足工作幫臨時(shí)邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)要求，并在生產(chǎn)組織管理過(guò)程中，實(shí)施“快速采掘、快速內(nèi)排壓幫”的生產(chǎn)組織方式，縮短了邊坡暴露時(shí)間，保證了在靠界工作中陷落柱區(qū)域邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，過(guò)渡開采方案如圖3所示。

圖3 陷落柱位于采場(chǎng)靠界工作幫上過(guò)渡開采方案

2.4 陷落柱位于端幫上過(guò)渡開采方案

當(dāng)陷落柱位于端幫上時(shí)，如開采境界受征地協(xié)調(diào)困難、附近存在重要構(gòu)筑物等影響而無(wú)法進(jìn)行外擴(kuò)時(shí)，基于保證邊坡穩(wěn)定和端幫運(yùn)輸系統(tǒng)暢通兩方面考慮，一般采用直接“過(guò)渡開采方案”[8]，即調(diào)整陷落柱區(qū)域端幫平盤參數(shù)，放緩端幫邊坡角。

以PSAJL露天礦為例，該礦北幫端幫存在東西長(zhǎng)約230 m、南北寬約300 m，面積為5.08萬(wàn)m2的陷落柱，且正好位于北端幫中間。根據(jù)勘探資料顯示，陷落柱區(qū)域煤層已經(jīng)演變?yōu)闊o(wú)煤區(qū)。通過(guò)比較直接過(guò)渡、留島、開采境界回縮避讓陷落柱等方案，經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析，決定采用直接過(guò)渡方案。即基本仍以原設(shè)計(jì)地表境界為開采境界，同時(shí)優(yōu)化陷落柱區(qū)域端幫邊坡參數(shù)：端幫干道寬度由40 m增加至50 m，單臺(tái)階坡面角由70°降低至松散巖體自然安息角、約34°。通過(guò)采用該方案，陷落柱區(qū)域邊坡角度由原設(shè)計(jì)25°變緩至17°，保證了邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；端幫運(yùn)輸干道基本布置呈直線式，與避讓陷落柱方案相比，端幫干道長(zhǎng)度整體平均縮短200 m，即運(yùn)距縮短200 m，北幫干道年運(yùn)輸量約7 000萬(wàn)m3，大大降低了運(yùn)輸費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

3 結(jié) 論

1）陷落柱給露天礦安全生產(chǎn)帶來(lái)諸如邊坡失穩(wěn)、煤炭資源損失、易造成無(wú)效剝離和運(yùn)輸系統(tǒng)不暢通等問(wèn)題，故需在前期地質(zhì)勘探和生產(chǎn)補(bǔ)充勘探過(guò)程中加大勘探力度，及時(shí)掌握陷落柱分布、影響范圍等基礎(chǔ)地質(zhì)資料。

圖4 陷落柱位于端幫上過(guò)渡開采方案

2）當(dāng)露天礦開采境界內(nèi)存在陷落柱，無(wú)論其位于何處，均需考慮邊坡安全，特別是當(dāng)其位于端幫上時(shí)，因端幫暴露時(shí)間較長(zhǎng)，且端幫運(yùn)輸系統(tǒng)為礦山開拓運(yùn)輸系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，保證端幫邊坡穩(wěn)定就顯得尤為重要，在設(shè)計(jì)開采境界時(shí)應(yīng)盡量使端幫邊坡避開陷落柱或?qū)⑾萋渲鶆澐种敛蓤?chǎng)工作幫上，最大限度降低陷落柱給露天礦安全生產(chǎn)帶來(lái)的不利影響。

3）陷落柱所處位置與露天礦采場(chǎng)相對(duì)關(guān)系雖大致可分為4種，但受露天礦礦坑大小、開采程序劃分等影響可能因礦而宜，因時(shí)不同。所例舉的過(guò)渡陷落柱開采方案以及不同情況下需重點(diǎn)考慮的各種因素，依然具有一定的參考價(jià)值。

［1］ 楊孟達(dá)．煤礦地質(zhì)學(xué)［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，2000．

［2］ 趙紅澤．近水平轉(zhuǎn)傾斜煤層露天開采關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用［D］．北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2012．

［3］ 左瑞.露天煤礦生產(chǎn)剝采比的優(yōu)化控制［D］．武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

［4］ 才慶祥，周偉，車兆學(xué)，等．近水平露天煤礦端幫靠幫開采方式與剝采比研究［J］．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，36（6）：743-746．

［5］ 白潤(rùn)才，付恩三，劉光偉，等．露天煤礦過(guò)無(wú)煤區(qū)留“島”搭橋開采方案優(yōu)化［J］．重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，37（9）：129-135．

［6］ 董洪亮，張瑞新，崔文斌，等．安家?guī)X露天煤礦無(wú)煤區(qū)過(guò)渡實(shí)施方案探討［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，34（11）：67-69．

［7］ 丁新啟，劉峰，賀昌斌，等．安家?guī)X露天煤礦過(guò)渡陷落柱原煤運(yùn)輸方案研究［J］．露天采礦技術(shù)，2010（5）：22-23．

［8］ 車兆學(xué)，才慶祥．露天煤礦內(nèi)排時(shí)期下部水平開拓運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2007，35（10）：33-37．

【責(zé)任編輯：解連江】

Optimization of large open-pit mine collapse column mining scheme

CHEN Defu
(Anjialing Open-pit Mine,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China）

According to the problems of increased production stripping ratio,decreased economic benefit,slope instability,based on different position of collapse column,the article sums up the corresponding transition mining scheme of collapse column,and gives the application examples of the optimum exploitation schemes.

open-pit mine;collapse column;exploitation plan

TD824

B

1671－9816（2017）07－0021－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.07.006

陳德付.大型露天礦過(guò)陷落柱開采方案優(yōu)化［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（7）：21-24.

2017-02-12

陳德付（1983—），男，河南信陽(yáng)人，工程師，碩士，2010年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）露天開采專業(yè)，現(xiàn)任中煤平朔安家?guī)X露天礦生產(chǎn)技術(shù)部主管，長(zhǎng)期從事生產(chǎn)技術(shù)、節(jié)能環(huán)保管理工作，研究方向?yàn)槁短觳傻V技術(shù)及生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化。