平朔東露天礦南幫干道壓煤回收技術(shù)實(shí)踐

范多水

（中煤平朔集團(tuán)有限公司 東露天礦，山西 朔州 036006）

平朔東露天礦位于山西省朔州市平魯區(qū)榆嶺鄉(xiāng)，在平魯區(qū)東北約10 km 處，距朔州市28 km，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為20 Mt/a，2009 年1 月8 日開工建設(shè)，基建期30 個(gè)月，2015 年達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力水平，主要可采煤層從上往下分別是4#、9#、11#煤，平均厚度為35 m，埋藏深度100～200 m，原煤類別主要以氣煤為主，含硫量為低到中硫，可作動(dòng)力用煤及民用煤。剝離采用單斗-卡車間斷工藝與單斗-自移式破碎機(jī)-帶式輸送機(jī)-排土機(jī)半連續(xù)工藝相結(jié)合的綜合工藝，采煤工藝使用單斗-卡車-端幫坑下半固定式破碎站-帶式輸送機(jī)-選煤廠半連續(xù)工藝。單斗工藝剝離采用35 m3、60 m3單斗挖掘機(jī)及17 m3前裝機(jī)，用172～290 t 的自卸卡車運(yùn)輸，該工藝具有簡(jiǎn)單可靠、機(jī)動(dòng)靈活、開采強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)[1]。剝離半連續(xù)工藝采用能力9 000 t/h 的MMD 自移式破碎站配合60 m3單斗挖掘機(jī)作業(yè)，采煤半連續(xù)工藝采用2套能力2 200～2 300 t/h 的MMD 半固定式破碎站，卸煤卡車卸煤后通過輸送機(jī)運(yùn)至選煤廠。平朔東露天礦為了增加經(jīng)濟(jì)效益，計(jì)劃在保障安全前提下，實(shí)施南幫1245 干道下部壓煤回采計(jì)劃。

1 項(xiàng)目背景

隨著煤炭?jī)r(jià)格回暖，2018 年煤炭企業(yè)噸煤利潤(rùn)進(jìn)入相對(duì)合理區(qū)間，為響應(yīng)平朔集團(tuán)公司“提質(zhì)增效”號(hào)召，東露天礦積極開展技術(shù)降本、技術(shù)增效行動(dòng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，南幫1 245 干道在東部向西延伸過程中，煤層頂板標(biāo)高1 235.1～1 222.6 m，4#煤頂板至干道上覆巖石厚度由13.2 m 增加至18.46 m，隨著煤層頂板進(jìn)一步降低，回采下部壓煤將不具有經(jīng)濟(jì)性，故需要確定合理的取煤范圍。南幫設(shè)計(jì)最大幫坡角度35°，其中中部為穩(wěn)定區(qū)，西部和東部處于東露天礦不穩(wěn)定區(qū)域[2-3]，計(jì)劃取煤區(qū)域正好處于凸邊坡不穩(wěn)定區(qū)域，確定合理的取煤范圍需要考慮邊坡穩(wěn)定變化、4#煤6 號(hào)破碎口安全、原煤運(yùn)輸巷道安全、下部9#煤與11#煤是否跟進(jìn)回采、邊坡后期治理難度等因素[4]。

1）邊坡穩(wěn)定變化與控制。取煤作業(yè)將導(dǎo)致4#煤底板至地表工作幫坡角加大，降低邊坡穩(wěn)定系數(shù)，加大邊坡變形甚至滑移風(fēng)險(xiǎn)[5]，故需要論證取時(shí)、取后邊坡穩(wěn)定性，以及后期治理方案，使穩(wěn)定性系數(shù)滿足GB 50197—2005 煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

2）4#煤6 號(hào)破碎口安全。4#煤6 號(hào)破碎口端幫巷與露天礦貫通標(biāo)高為1 204 m，與1245 道路高程（1 249 m）落差達(dá)到45 m，超過正常組合臺(tái)階高度15 m，為了確保破碎口場(chǎng)地位置準(zhǔn)備、搬家、運(yùn)行期間安全，上部1245 平盤選擇保留距離端幫巷道垂直距離至少50 m 道路長(zhǎng)度。

3）原煤運(yùn)輸巷道安全。計(jì)劃回采區(qū)域下部布置4 條巷道，按照相關(guān)規(guī)范，巷道保安煤柱至少預(yù)留寬度為30 m，故干道所取4#煤范圍必須至少滿足距離4#煤主運(yùn)、4#煤輔運(yùn)巷道垂直距離30 m。4#煤回采后將導(dǎo)致9#煤主運(yùn)、9#煤輔運(yùn)至4#煤底板距離降低，為確保重型卡車運(yùn)輸安全，需要保證上覆巖層厚度滿足卡車安全行駛最小距離15 m。

4）確定回采煤層。通過邊坡論證，該區(qū)域處于南幫基本穩(wěn)定區(qū)域，考慮9#煤破碎口布置在9#煤底板，需要對(duì)目前4下1、4下2平盤采掘后才能回采9#煤，采掘11#煤頂板后才能回采11#煤，該區(qū)域邊幫暴露時(shí)間達(dá)2 年，最終選擇僅回采4#煤區(qū)域，不回采9#煤、11#煤。

2 回采方案

2.1 回采范圍

東露天礦4#煤層賦存為東高西低，東側(cè)煤層頂板標(biāo)高+1 240 m，西側(cè)煤層頂板標(biāo)高+1 220 m，2018年底4#煤南部頂板標(biāo)高+1 210 m，考慮南幫煤層降低，在南幫1275 平盤干道下部預(yù)留1245 平盤運(yùn)輸干道，道路寬度40 m，目前形成干道長(zhǎng)度1 027 m，9#煤4 號(hào)破碎口移設(shè)后，南部1245 平盤、1230 平盤物料經(jīng)此干道去內(nèi)排土場(chǎng)1260 平盤排棄，提高南幫運(yùn)輸系統(tǒng)效率。考慮在4#煤5 號(hào)口以西約531 m 范圍內(nèi)將1245 干道壓煤回收（煤層頂板標(biāo)高1 235.1～1 222.6 m）。

按照距離4#煤主運(yùn)巷道30 m，4#煤6#端幫聯(lián)絡(luò)巷以東預(yù)留50 m，南幫預(yù)留平盤寬度5 m 計(jì)算，需要?jiǎng)冸x4#煤頂板巖石量26 萬m3，出露4#煤面積1.42 萬m2，按照煤層厚度15 m，回收率0.90 計(jì)算，可采出4#煤30 萬t。利用已出露4#煤頂板，經(jīng)4#煤頂板修筑聯(lián)絡(luò)坡道，完成4#煤頂板平盤剝離，原煤回收直接經(jīng)4#煤底板至破碎口。

計(jì)劃在回收4#煤后，為提高邊坡穩(wěn)定性，采取了“壓腳”方式回填1245 平盤，按照自然安息角35°計(jì)算，恢復(fù)道路寬度不小于18 m，同時(shí)提高邊坡整體穩(wěn)定性[6]。實(shí)施過程為2018 年4 月開始實(shí)施南幫1245干道下部壓煤回采計(jì)劃，2018 年6 月完成1245 干道巖石剝離量26 萬m3，出露干道下部4#煤30 萬t。但隨著1245 干道巖石剝離完成，上部1320～1360平盤出現(xiàn)了裂縫，在1275 平盤干道處有3 條裂縫長(zhǎng)度達(dá)到160 m，并出現(xiàn)日趨增大情況，如何保證“凸形”邊坡極限平衡狀態(tài)下采出干道計(jì)劃壓煤，需進(jìn)行精確邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算，南幫1245 干道壓煤回采范圍如圖1。

圖1 南幫1245 干道壓煤回采范圍

2.2 回采前后邊坡穩(wěn)定

對(duì)I-I、II-II、III-III 剖面現(xiàn)狀、取煤后以及回填后穩(wěn)定性分析，南幫邊坡剖面穩(wěn)定性分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 南幫邊坡剖面穩(wěn)定性分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)

通過邊坡計(jì)算，取煤前和取煤后上部邊坡安全系數(shù)變化不大，邊坡基本穩(wěn)定，故該項(xiàng)目具有可行性。后期通過回填壓腳，邊坡安全系數(shù)增大至1.132～1.184，滿足規(guī)范要求。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)與安全保障

2018 年4 月開始實(shí)施了南幫1245 干道下部壓煤回采計(jì)劃，在2018 年6 月完成1245 干道巖石剝離量26 萬m3，出露干道下部4#煤30 萬t?，F(xiàn)場(chǎng)施工按照設(shè)計(jì)邊界（預(yù)留保安平盤寬度5 m），要求所有靠界位置穿預(yù)裂孔，以提高邊坡穩(wěn)定性。爆破將導(dǎo)致一部分爆量伸出至4#煤底板，電鏟采掘時(shí)優(yōu)先采掘爆堆伸出量，恢復(fù)4#煤底板干道（運(yùn)煤干道）；電鏟從西向東采掘，采掘過程中注意電鏟超高、回轉(zhuǎn)半徑小、電纜布置困難等問題，夜間作業(yè)時(shí)要在班前“六必講”重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)措施。在回采煤層時(shí)，要注意車輛交叉，注意邊坡滾石。東露天礦2018 年噸煤模擬利潤(rùn)為35.78 元/t，本項(xiàng)目回收端壓煤30 萬t，實(shí)現(xiàn)新增利潤(rùn)1 073.4 萬元。

在施工準(zhǔn)備、作業(yè)期間要求各部門嚴(yán)格落實(shí)《東露天礦1245 干道壓煤回收作業(yè)“一工程、一措施”》。

1）技術(shù)部完成采掘區(qū)域上部邊坡監(jiān)測(cè)樁設(shè)置，在采掘過程中每天收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并分析、預(yù)測(cè)邊坡穩(wěn)定狀態(tài)。

2）生產(chǎn)隊(duì)采掘時(shí)，安排專人負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)安全管理措施落實(shí)，采裝時(shí)電鏟履帶與工作面夾角不小于45°，采用左面裝車，凌空面安全擋墻高度不得低于1.5 m，采掘爆堆伸出量時(shí)（約6 萬m3），電鏟站立在4#煤底板采掘，阻斷卡車去4#煤破碎口，預(yù)計(jì)影響4#煤入口48 h，需要提前調(diào)整入口計(jì)劃。采掘東部伸出量時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置隔離帶，防止運(yùn)煤卡車和剝離卡車交叉作業(yè)。

3）在靠幫作業(yè)時(shí)要注意觀察上方滾石，尤其是夜間作業(yè)時(shí)，要保障電鏟照明良好，在電鏟勺斗落料時(shí)，要注意滾石隱患排查

4）在爆區(qū)探孔發(fā)現(xiàn)西側(cè)4 個(gè)異常探孔，其中3個(gè)探孔發(fā)現(xiàn)1 m 采空，1 個(gè)探孔發(fā)現(xiàn)3 m 采空，生產(chǎn)隊(duì)采掘時(shí)在異常探孔區(qū)要嚴(yán)格執(zhí)行《過采空區(qū)安全技術(shù)措施》，做到“有疑必探，先探后采”，在冒煙區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員按要求攜帶有毒有害氣體監(jiān)測(cè)儀并佩戴好防毒面具。

5）目前4#煤主運(yùn)位置掘進(jìn)至4#煤靠界位置最近62 m，隨著巷道繼續(xù)掘進(jìn)，在進(jìn)行4#煤穿孔時(shí)需要在東側(cè)預(yù)留至少53 m 的爆破影響安全范圍，確保爆破振動(dòng)對(duì)成巷影響最小。

6）現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員發(fā)現(xiàn)異常情況（片幫、沉降、冒煙），立即停止作業(yè)，并報(bào)調(diào)度和帶班管理人員，在隱患未排除前，禁止恢復(fù)作業(yè)。

7）所有故障設(shè)備嚴(yán)禁長(zhǎng)時(shí)間停放在本次計(jì)劃剝采范圍內(nèi)，需要維修時(shí)將設(shè)備停在1245 干道西側(cè)安全范圍內(nèi)進(jìn)行維修，不能行走的設(shè)備及時(shí)聯(lián)系相關(guān)部門、單位，及時(shí)將設(shè)備拖運(yùn)至安全范圍。

8）各工種及現(xiàn)場(chǎng)管理人員嚴(yán)格落實(shí)安全責(zé)任，在作業(yè)前將以上安全技術(shù)措施條款納入員工教育培訓(xùn)范圍，確?！叭巳酥胧?、人人懂措施”。

3 平盤邊坡治理

為縮短工程工期，在變形加劇前完成削坡減載工作，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件，采用分階段方式進(jìn)行治理，邊坡治理措施主要包括：+1 320～+1 360 m 水平削坡減載治理工程設(shè)計(jì)、邊坡在線監(jiān)控系統(tǒng)的建立、變形區(qū)邊坡補(bǔ)充地質(zhì)勘查。邊坡變形區(qū)+1 320～+1 360 m 水平采用削坡減載治理工程設(shè)計(jì)，治理工程設(shè)計(jì)主要原則為在井田邊界范圍內(nèi)，最大限度的將上部運(yùn)輸?shù)缆纺弦七M(jìn)行擴(kuò)幫，同時(shí)保證上部供電設(shè)施、其它設(shè)備位置不變，并保證+1 350 m 水平運(yùn)輸?shù)缆穼挾炔恍∮?0 m，削坡減載治理工程在x=494 790 至x=495 030 區(qū)間，由于施工過程中上部黃土較松散，施工開挖后按照原設(shè)計(jì)邊坡角出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，決定將該區(qū)域基巖以上黃土利用剝離巖石進(jìn)行置換，置換后單臺(tái)階坡面角由設(shè)計(jì)65°降低至35°，南北方向上置換寬度約為9 m?？朔送鈹U(kuò)空間有限、施工環(huán)境復(fù)雜困難，累計(jì)完成滑坡區(qū)域擴(kuò)幫工程量113 萬m3，有效降低上部荷載。

為保證對(duì)該區(qū)域邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，變形區(qū)邊坡建立“礦山邊坡監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)”，保證邊坡實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與控制[7]，避免“為了監(jiān)測(cè)而監(jiān)測(cè)”或“只監(jiān)不控”。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，變形區(qū)內(nèi)建立3 套可移動(dòng)式在線邊坡監(jiān)控系統(tǒng)（GNSS 邊坡監(jiān)控系統(tǒng)），保證在滑移演變至滑坡期間1 h 內(nèi)，區(qū)內(nèi)人員設(shè)備能夠提前撤出危險(xiǎn)區(qū)域。

通過對(duì)以往地質(zhì)資料的搜集、整理與分析，南幫邊坡變形區(qū)域基本無工程地質(zhì)鉆孔資料，其它區(qū)域鉆孔資料相對(duì)較少，基本以煤勘孔為主。因此，為進(jìn)一步研究邊坡變形區(qū)內(nèi)巖層分布規(guī)律、弱層分布情況及地下水賦存規(guī)律，需在在變形區(qū)內(nèi)布置6 個(gè)工程地質(zhì)鉆孔，鉆孔終孔巖石層位為4#煤頂板以下5 m 左右，鉆孔總進(jìn)尺480 m。通過地質(zhì)勘查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致該區(qū)域變形的主要原因是1245 平盤中部存在賦存完整且厚度為3～5 m 的軟巖弱層，巖石軟硬互交替，穩(wěn)定性差，開采中易發(fā)生邊坡崩塌和滑坡等問題[8]。

根據(jù)礦區(qū)以往地質(zhì)資料、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查情況、東露天礦南端幫以往邊坡研究成果及變形區(qū)補(bǔ)充地質(zhì)勘查成果，按照實(shí)際工作需求結(jié)合現(xiàn)有資料，邊坡變形區(qū)選取8 個(gè)典型剖面，工程地質(zhì)剖面平面位置如圖2。

圖2 工程地質(zhì)剖面平面位置

對(duì)第一階段治理工程設(shè)計(jì)及治理后現(xiàn)狀邊坡施工工程量、邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，依據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)邊坡變形區(qū)邊坡進(jìn)行治理效果評(píng)價(jià)。變形區(qū)邊坡治理結(jié)果見表2。

表2 變形區(qū)邊坡治理結(jié)果

依據(jù)煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計(jì)規(guī)范，非工作幫邊坡服務(wù)年限小于10 年時(shí)，邊坡安全儲(chǔ)備系數(shù)為1.1～1.2，本區(qū)域?yàn)榉枪ぷ鲙?，故邊坡變形區(qū)安全儲(chǔ)備系數(shù)為1.1。變形區(qū)邊坡采取削坡減載治理措施后，NB-1、NB-2 及NB-3 剖面區(qū)域邊坡穩(wěn)定系數(shù)均不滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)1.2 的要求，其余剖面區(qū)域安全儲(chǔ)備系數(shù)均滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)1.2 的要求。因此，NB-1、NB-2 及NB-3 剖面區(qū)域需根據(jù)邊坡表現(xiàn)情況進(jìn)行進(jìn)一步的邊坡治理，使得治理后的邊坡滿足安全儲(chǔ)備要求。

由于已征地界上部治理空間已完全利用，下一步邊坡治理采用擴(kuò)幫方式難以實(shí)現(xiàn)，可通過降標(biāo)高方式繼續(xù)開展治理，同時(shí)采取加強(qiáng)邊坡監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方式，在滑移前實(shí)現(xiàn)預(yù)警，確保人員設(shè)備安全。

4 結(jié)語

平朔東露天礦以回收預(yù)留1245 平盤干道下部壓4#煤為出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，系統(tǒng)考慮了與原煤運(yùn)輸巷道、采剝開采順序?qū)\(yùn)輸系統(tǒng)和端幫邊坡的影響，在邊坡基本穩(wěn)定情況下，順利實(shí)現(xiàn)了回收優(yōu)質(zhì)4#煤30 t 目標(biāo)，最大限度地回收了煤炭資源，實(shí)現(xiàn)新增利潤(rùn)1 073.4 萬元。通過1245 平盤干道回填設(shè)計(jì)，在不影響原預(yù)留4#煤底板干道寬度不小于28 m 下，通過回填壓腳方式，恢復(fù)了原1245 干道寬度，為下一步1245 平盤物料經(jīng)此路去內(nèi)排土場(chǎng)1260 土場(chǎng)排棄預(yù)留了運(yùn)輸通道。在有限空間開展邊坡治理，創(chuàng)新了“邊治理、邊監(jiān)測(cè)、邊預(yù)報(bào)”施工模式，保障了削坡減載工程安全、順利實(shí)施。通過制定《東露天礦1245 干道壓煤回收作業(yè)“一工程、一措施”》，明確了各部門、各工種的安全職責(zé)，確保了超高臺(tái)階、高臨空環(huán)境作業(yè)安全，在類似礦山具有推廣意義。