撫順西露天礦高陡邊坡下殘煤開采研究與應(yīng)用

李惠發(fā)，馮 萍

（撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 西露天礦，遼寧 撫順 113001）

撫順西露天礦從清朝末年開始連續(xù)開采，經(jīng)歷了國內(nèi)、外露天開采專業(yè)技術(shù)人員的多次設(shè)計和技術(shù)改造，為國內(nèi)早期新建和改擴(kuò)建露天礦提供了寶貴的現(xiàn)場實(shí)例和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[1]。2015 年，由于撫順礦業(yè)集團(tuán)東露天礦地表界內(nèi)征地困難，致使上部地表不能正常向北開采，從而影響到油頁巖富礦的供應(yīng)。為緩解東露天礦剝采緊張矛盾，根據(jù)撫順礦業(yè)集團(tuán)的整體工作安排，撫順礦業(yè)集團(tuán)設(shè)計院有限責(zé)任公司對西露天礦北幫東區(qū)開采進(jìn)行了10 年重新規(guī)劃，在保證邊坡穩(wěn)定安全的前提下，最大限度的在境界范圍內(nèi)采出富礦和煤炭資源。按照西露天礦10 年開采規(guī)劃，礦坑中部E1400 以西區(qū)域已全部開采到界，在礦坑局部開采到界后，其北幫E1000～E1400 區(qū)域礦坑底部還殘留一些按規(guī)劃設(shè)計無法采出的保留煤壁和坑底殘煤，如按常規(guī)做法，應(yīng)對到界區(qū)域進(jìn)行回填，這部分殘煤資源將永久埋藏于地下。依據(jù)保護(hù)國家礦產(chǎn)資源，避免國有資產(chǎn)流失的原則，西露天礦制定了科學(xué)的開采方案和嚴(yán)密的技術(shù)措施，對殘煤資源有效回收、合理利用。

1 采區(qū)概況

1.1 地質(zhì)概況

1）采區(qū)位置。西露天礦坑下煤炭殘采區(qū)域位置為E1000～E1400，地表標(biāo)高－210～－368 m 水平。

2）煤層賦存特征。采區(qū)的主要開采煤層為古城子組（E2g）第1 層煤，煤層平均厚度30～48 m，平均厚度39 m，煤層厚度大、變化小，可采面積為0.27 km2。由西向東，自北向南逐漸減薄，煤層傾角為34°～41°，煤層內(nèi)夾有炭質(zhì)頁巖、砂巖、砂質(zhì)頁巖等，西多東少，屬結(jié)構(gòu)復(fù)雜煤層。屬全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。

3）地質(zhì)構(gòu)造。撫順西露天礦田為一向斜盆地，其向斜軸大致呈東西走向，向斜核部位為耿家街組褐色頁巖和西露天組綠色頁巖，向斜軸面傾向NW，樞紐仰起方向NE，仰起角10°～22°，向斜南翼傾角40°～55°，西北幫直立倒轉(zhuǎn)[2]。采區(qū)內(nèi)有2 條可見斷層及斷層切割形成的楔形巖體。

1.2 水文地質(zhì)

1）礦區(qū)水文及氣候。撫順西露天煤礦位于撫順市南部千臺山麓，礦坑橫跨撫順市新?lián)?、望? 區(qū)，東西長6.6 km，南北寬2.2 km，面積10.865 8 km2，規(guī)模宏大[3]。區(qū)域內(nèi)最大的河流是礦區(qū)北部的渾河，由東向西流經(jīng)整個市區(qū)，水力坡度為0.12%。古城子河是渾河的主要支流之一，位于西露天礦的西南部，由南流向北。楊柏人工河位于千臺山南側(cè)，1936 年開挖露天采坑時，將原楊柏河、劉山河改道引入古城子河。礦區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，年平均溫度8.3 ℃，年平均降水量為774 mm，降雨多集中在7、8 月份，日最大降雨量為185.9 mm，連續(xù)降雨量最大為263.5 mm，年平均蒸發(fā)量為945.5 mm。

2）含水層。撫順西露天礦從上至下主要有第四紀(jì)含水層、第三紀(jì)綠色泥巖含水層、撫順群含水層、下白堊統(tǒng)龍鳳坎組含水層、鞍山群片麻巖含水層，總計5 個含水層。

3）隔水層。礦區(qū)內(nèi)的隔水層主要是煤層上部的油頁巖層，該層厚度巨大，結(jié)構(gòu)致密堅硬，對上部地下水的滲透起到了很好的隔離作用。

4）充水因素分析。礦坑水的來源主要有2 方面：地下水補(bǔ)給和地表水補(bǔ)給。地下水主要包括：第四系沖洪積孔隙潛水含水層和基巖裂隙水，其中前者主要來自大氣降水和渾河定水頭補(bǔ)給，另外一部分來自西露天礦采場北幫上部的工業(yè)區(qū)、生活區(qū)通過明溝暗渠源源不斷排放的工業(yè)廢水和生活污水；坑內(nèi)地表水一部分來自大氣降水，另一部分則為坑北的渾河、坑西側(cè)的古城子河、坑南側(cè)的楊柏人工河等河流水補(bǔ)給[4]。

5）防治水工作基本情況。采區(qū)內(nèi)礦坑坑底E1000以東匯水面積390 萬m2。為合理攔截、疏導(dǎo)地表水及地下水，采區(qū)內(nèi)積水經(jīng)疏水管路等截、排水系統(tǒng)，流向坑下?lián)v排泵站。

2 開采方案

通過現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)這一區(qū)域煤層賦存于南、北幫開采后的險峻“大峽谷”區(qū)域，開采條件復(fù)雜，小斷層、褶皺構(gòu)造極為發(fā)育，尤其是其上部北幫高段已達(dá)120～140 m 以上，綠色頁巖組合臺階已陡達(dá)43°以上，臺階表面多處出現(xiàn)片落跡象。面對南、北幫百米高段“兩面夾擊”的困難，設(shè)計采用挖溝機(jī)裝汽車的采礦方法，自上而下進(jìn)行降深開采，對礦坑中部E1400 以西到界區(qū)域高陡邊坡下的殘煤分三期工程，進(jìn)行開采回收[5]。

隨著開采的逐步降深，此區(qū)域段高逐漸增加，坑底空間更加狹小，給安全生產(chǎn)將帶來嚴(yán)重威脅。在生產(chǎn)過程中，可根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場情況，實(shí)行一裝一等、一裝一進(jìn)、一出一進(jìn)、先出后進(jìn)等多種采裝方法，同時安排監(jiān)護(hù)人員利用對講機(jī)指揮監(jiān)護(hù)、旗語指揮監(jiān)護(hù)、設(shè)備鳴笛等多種指揮監(jiān)護(hù)形式，有效保證坑底采煤進(jìn)度。

2.1 一期開采

一期開采范圍為E1300～E1400 區(qū)域，由－340 m水平降深至－364 m 水平，采掘?qū)挾茸钚√帪? m。為最大限度的回收煤炭，將運(yùn)輸系統(tǒng)坡度設(shè)置達(dá)到12%，由E1500、－400 m 水平，沿12%坡度向西降深至E1300、－364 m 水平，之后折返向東繼續(xù)降深至E1400、－364 水平。

該區(qū)域采剝總體積38 萬m3。其中：貧礦22 萬m3，煤體16 萬m3，可采出商品煤12 萬t，剝采比為1.83 m3/t。殘煤一期開采示意圖如圖1。

圖1 殘煤一期開采示意圖

2.2 二期開采

2016 年7 月，E800～E1300 區(qū)域14 段以上發(fā)生滑坡，為防止擴(kuò)大滑坡范圍，將東區(qū)長遠(yuǎn)規(guī)劃西邊界由E1200 收縮至E1350，并且保留了下部－280 m水平以下煤壁。目前，由于上部E800～E1300 滑坡區(qū)域已完成削坡減重、加固、疏干排水等工程，下部已形成南北合攏的回填壓腳，一期開采結(jié)束后，考慮對原保留煤壁進(jìn)行回采[6]。

二期開采范圍為E1000～E1350 區(qū)域，由－210 m水平降深至－365 m 水平。采掘采掘?qū)挾茸钚√帪? m。采區(qū)北側(cè)，預(yù)留5 m 保安平盤，單臺階按60°邊坡角，整體臺階按照目前邊坡角50°進(jìn)行降深采掘，煤層平均厚度36 m，最大采掘高度為54 m，最小平盤寬度為20 m；采區(qū)西側(cè)，預(yù)留10 m 保安平盤，單臺階按60°邊坡角，整體臺階按照目前邊坡角50°進(jìn)行降深采掘，煤層平均厚度45 m，最大采掘高度為60 m，最小平盤寬度為15 m。

布置2 條運(yùn)輸系統(tǒng)，公路寬度為12 m，坡度為15%，采掘工程量為10 萬m3。①上部運(yùn)輸系統(tǒng)：由E1020、-210 m 水平，沿15%坡度向北降深至E1020、-230 m 水平，之后折返向南繼續(xù)降深至E1100、-250 m 水平，再向東降深采掘至E1265、-275 m 水平，再次折返向西降深至E1180、-287 m水平，之后向北繼續(xù)降深至297 m 水平，形成上部運(yùn)輸系統(tǒng)，進(jìn)行露煤準(zhǔn)備；②下部運(yùn)輸系統(tǒng)：由E1500、-332 m 水平，向西排棄，與E1300 南側(cè)現(xiàn)有-306 m平盤相連通，之后沿該平盤向西采掘，形成下部運(yùn)輸系統(tǒng)，采掘下部煤炭資源[7]。

該區(qū)域采剝總體積81 萬m3。其中：剝離為64萬m3，煤體17 萬m3，可采出商品煤32 萬t，剝采比為2 m3/t。殘煤二期開采示意圖如圖2。

圖2 殘煤二期開采示意圖

2.3 三期開采

三期開采運(yùn)輸系統(tǒng)可借助二期開采運(yùn)輸系統(tǒng)，繼續(xù)西擴(kuò)、北擴(kuò)，由E1100 區(qū)域、-216 m 水平向北折返降深形成三期開采運(yùn)輸系統(tǒng)。

三期開采范圍為E1000～E1300 區(qū)域，由－216 m水平降深至－368 m 水平，采掘?qū)挾茸钚√帪? m。該區(qū)域采剝總體積140 萬m3，其中：剝離114 萬m3，煤體26 萬m3，可采出商品煤30 萬t，剝采比為3.83 m3/t。殘煤三期開采示意圖如圖3。

2.4 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，選取E1300 剖面進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算分析，E1300 剖面開采后綠色泥巖局部邊坡（穩(wěn)定系數(shù)Fs＝1.07）如圖4，E1300 剖面開采后整體邊坡（穩(wěn)定系數(shù)Fs＝1.15）如圖5。

圖3 殘煤三期開采示意圖

圖4 E1300 剖面開采后綠色泥巖局部邊坡（穩(wěn)定系數(shù)Fs＝1.07）

圖5 E1300 剖面開采后整體邊坡（穩(wěn)定系數(shù)Fs＝1.15）

從以上計算結(jié)果可看出，開采后綠色泥巖局部邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs＝1.07，整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs＝1.15。在開采過程中，局部邊坡呈基本穩(wěn)定狀態(tài)，為了確保安全生產(chǎn)，西露天礦在南幫設(shè)置1 臺邊坡監(jiān)測雷達(dá)，采取邊監(jiān)測、邊開采的方法，及時掌握邊坡動態(tài)，確保人員和設(shè)備安全[8]。

3 個時期完成剝離總體積200 萬m3，可采出煤炭74 萬t，在煤炭資源開采到界之后，對E1400 以西區(qū)域隨采隨填啊，形成南北貫通、平鋪式回填壓腳，可提高北幫整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)。

3 結(jié)語

露天開采方式隨著逐步將深，礦坑深部最終均將形成高陡邊坡夾擊狀態(tài)，坑內(nèi)不但作業(yè)區(qū)域狹小，而且道路狹窄，采區(qū)技術(shù)條件十分困難。對于露天礦高陡邊坡下保留煤壁和坑底殘煤的回收，可采用挖溝機(jī)配合汽車的采礦方法，自上而下進(jìn)行降深開采。在安全技術(shù)上，采取現(xiàn)場勘查、測繪，研判邊坡穩(wěn)定狀況，制定科學(xué)的開采方案和嚴(yán)密的技術(shù)措施，同時采用邊坡雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)24 h 監(jiān)測，在邊坡安全可防可控的前提下，對采礦界限以內(nèi)的煤炭資源進(jìn)行最大限度有效回收，避免資源浪費(fèi)，造成國有資產(chǎn)流失；同時避免坑底暴露出的部分煤炭資源，長期暴露于空氣中，引起自然發(fā)火，造成空氣環(huán)境污染，從而保障坑下工作人員身體健康。高陡邊坡夾擊下的煤炭資源，也為今后其他類似礦山的煤炭資源回收提供了技術(shù)依據(jù)。