平朔東露天礦端幫開采技術(shù)

趙彥合，韓 峰

（中煤平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司 東露天礦，山西 朔州 036006）

端幫采煤是由螺旋鉆開采方法進(jìn)化而來的另一種形式的露天采礦方法，主要用于回收等高線開采法、山頭移除法等推至最終合理經(jīng)濟境界后在端幫下裸露出的無法通過正常采煤方法回采的煤層[1-2]。這種開采方法將露天開采與地下開采技術(shù)結(jié)合起來，形成一套獨特的開采方式，但由于螺旋鉆鉆頭的剛性結(jié)構(gòu)不易調(diào)整，無法適應(yīng)煤層發(fā)生突然變化（傾斜、斷層），鉆孔直徑無法改變，使得資源回收率不高，通常只能達(dá)到30%左右[3-5]。

最新設(shè)計的端幫開采系統(tǒng)，截割巷道的寬度可以達(dá)到3.5 m，開采深度超過300 m，避免了粉煤現(xiàn)象，同時使用了自動調(diào)節(jié)開采高度的電動截割頭，使其可以對中厚煤層開采時，在煤層厚度突然發(fā)生變化的情況下，可以在巷道內(nèi)自適應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，確保開采能夠繼續(xù)進(jìn)行。目前，頂板開采可以對4.5 m厚的煤層一次性地進(jìn)行截割開采。

1 端幫開采技術(shù)理論

端幫開采并不是適用于所有的煤炭資源條件，適合端幫開采需滿足以下幾個條件：①頂板支撐性較好；②煤層厚度至少大于80 cm，并且煤層在開采方向300 m 距離內(nèi)斷層的數(shù)量少；③煤層走勢平緩，煤層傾角最好能在－12°～+5°。

端幫開采并不能回采所有的端幫下遺留的煤炭資源。在端幫開采過程中，由于開采巷道不需要進(jìn)行支護(hù)，在每2 個相鄰開采巷道間需要留有支撐煤柱，保持覆蓋層以及巷道的穩(wěn)定，防止垮落。而且考慮安全因素，建立每20 個支撐煤柱預(yù)留隔離煤柱，隔離煤柱的寬度，通常是支撐煤柱寬度的3～4 倍[6-8]。

1）支撐煤柱參數(shù)計算。美國廣泛適用的計算支撐煤柱和煤層強度、支撐煤柱高度的經(jīng)驗公式是馬克－比尼亞夫斯基煤柱設(shè)計公式。

式中：Sp為煤柱強度，MPa；S1為原處煤體強度，MPa；W 為煤柱寬度，m；h 為巷道高度，m。

式中：Lp 為支撐煤柱應(yīng)力，MPa；SV為原始垂直應(yīng)力，MPa；W 為煤柱寬度，m；WE為巷道采寬，m。

式中：HMAX為最大覆蓋層厚度，m；HMIN為最小覆蓋層厚度，m；H 為平均覆蓋層厚度，m。

式中:Fwp為支撐煤柱穩(wěn)定性系數(shù)。

2）隔離煤柱參數(shù)計算。

式中：SBP為隔離煤柱強度，MPa；WBP為隔離煤柱寬度，m；SI為原始煤體強度，MPa；h 為巷道高度，m。

式中：WPN為隔離煤柱之間距離，m；WWP為支撐煤柱寬度，m；WE為巷道采寬，m；N 為每2 個隔離煤柱之間有支撐煤柱數(shù)。

式中：LBP為 隔離煤柱應(yīng)力，MPa；SV為原始垂直應(yīng)力，MPa；WPN為2 個隔離煤柱之間距離，m；WBP為隔離煤柱寬度，m。

式中：FBP為隔離煤柱安全系數(shù)；SBP為隔離煤柱強度，MPa；LBP為隔離煤柱應(yīng)力，MPa。

3）安全系數(shù)取值范圍。采用ARMPS－HWM 計算方法，端幫采煤安全系數(shù)取值范圍注見表1。

2 平朔東露天礦端幫開采應(yīng)用

2.1 開采條件

1）地形、構(gòu)造條件。東露天礦整體上為北東高、南西低的單斜構(gòu)造，地層基本走向為NW、SE 向，傾向S45°W，地層傾角在2°～7°之間，大部分范圍不大于5°，地層傾角近水平。目前發(fā)現(xiàn)的斷距大于20 m斷裂構(gòu)造為李西溝正斷層和北水正斷層，均分布在礦田邊緣。礦田區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)其它斷裂構(gòu)造，故東露天礦構(gòu)造屬簡單類。從地形及構(gòu)造條件分析，有利于端幫采煤機的使用。

表1 端幫采煤安全系數(shù)取值范圍注

2）煤層埋藏條件。東露天礦主采煤層為4#煤、9#煤和11#煤，平均厚度分別為14.03、13.95、5.38 m，根據(jù)開采計劃，11#煤由于硫分含量高，并且影響露天礦內(nèi)排跟進(jìn)，因此，本次端幫壓覆資源開采只針對4#煤和9#煤。4#煤全區(qū)賦存，為全區(qū)最厚煤層，煤厚4.40～25.70 m，平均厚度14.03 m，本煤層屬穩(wěn)定-較穩(wěn)定煤層。9#煤位于4#煤層下20.10～55.99 m，平均厚度37.25 m。9#煤層煤厚6.02～22.38 m，平均厚度13.95 m，屬穩(wěn)定-較穩(wěn)定煤層。

3）端幫條件。東露天礦北幫煤層傾角較小，幫坡角26°，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.27，穩(wěn)定性良好，地表無建構(gòu)筑物，適宜端幫采煤機開采壓覆資源，深度185 m，布設(shè)4 個運輸平盤，北幫剖面示意圖如圖1。

圖1 北幫剖面示意圖

2.2 端幫采煤機開采方法

目前確定需要采用端幫采煤機進(jìn)行開采的煤層為4#煤和9#煤，其平均厚度分別為14.03、13.95 m。端幫采煤機開采方法主要包括端幫采煤機的布置方式及端幫壓煤開采程序。

1）端幫采煤機布設(shè)于端幫運輸?shù)缆贰６藥筒擅簷C布設(shè)于端幫運輸?shù)缆?，?yōu)點是對露天礦的原煤開開采影響小，缺點是影響露天礦的卡車運輸（卡車經(jīng)端幫運輸?shù)缆分羶?nèi)排土場）。若通過加寬端幫運輸?shù)缆罚瑒t會降低端幫壓煤的采出率。

2）端幫采煤機布設(shè)于開采端幫壓煤的采煤工作面一側(cè)。通過在采煤工作面一側(cè)，劃分端幫壓煤開采區(qū)域，優(yōu)點是可以避免端幫采煤系統(tǒng)對端幫運輸?shù)缆返挠绊?，缺點是需要加強對采煤工作的計劃性，提前規(guī)劃端幫采煤區(qū)域與電鏟采煤區(qū)域。

綜上，推薦在采煤工作面靠近端幫開采壓煤一側(cè)進(jìn)行劃分端幫采煤機工作區(qū)域。

3 實例計算

3.1 計算參數(shù)

1）基礎(chǔ)參數(shù)。目前端幫采煤機最大開采深度300 m，4#煤最大埋深為121 m，9#煤最大埋深為144 m。結(jié)合露天礦實際作業(yè)條件布設(shè)巷道的具體位置，根據(jù)目前東露天北幫煤巖臺階留設(shè)參數(shù)，布設(shè)在煤層底板較為合理。根據(jù)采煤機最大采高約4.5 m、采寬約3.5 m 進(jìn)行設(shè)計，計算支撐煤柱和隔離煤柱的寬度?；A(chǔ)參數(shù)如下：①巷道采寬3.5 m；②巷道采高4.5 m；③巷道最大采深300 m；④煤體原始強度6 MPa；⑤4#煤最小覆蓋厚度0 m；⑥4#煤最大覆蓋厚度121 m；⑦9#煤最小覆蓋厚度0 m；⑧9#煤最大覆蓋厚度144 m；⑨覆蓋層平均密度（含松散層）2.02 t/m3。

2）支撐煤柱參數(shù)。當(dāng)安全系數(shù)取值1.6 時，支撐煤柱參數(shù)計算結(jié)果見表2。

表2 支撐煤柱參數(shù)計算結(jié)果

3）隔離煤柱參數(shù)。當(dāng)隔離煤柱安全系數(shù)取值2.0時，隔離煤柱參數(shù)計算結(jié)果見表3。從表3 中可知，無論布設(shè)單排采巷或雙排采巷，4#煤、9#煤支撐煤柱安全系數(shù)、隔離煤柱安全系數(shù)、端幫煤柱整體安全系數(shù)勻滿足安全要求。

3.2 設(shè)計煤柱參數(shù)

1）端幫采煤機巷道參數(shù)。采煤機最大采高約4.5 m、采寬約3.5 m。

表3 隔離煤柱參數(shù)計算表

2）支撐煤柱參數(shù)。支撐煤柱參數(shù)取值表見表4。由表4 可知，無論采取單排采巷或是雙排采巷，支撐煤柱參數(shù)設(shè)計取值勻滿足支撐煤柱安全系數(shù)大于1.6 的要求。

表4 支撐煤柱參數(shù)取值表

3）隔離煤柱之間支撐煤柱間隔。隔離煤柱之間支撐煤柱的數(shù)量影響端幫煤柱整體的穩(wěn)定性，其與垮落角有關(guān)，范圍通常為2～20，本次設(shè)計取10。

4）隔離煤柱參數(shù)。隔離煤柱取值及安全系數(shù)表見表5。由表5 可知，無論采取單排采巷或是雙排采巷，設(shè)計取值勻滿足隔離煤柱安全系數(shù)的要求。

表5 隔離煤柱取值及安全系數(shù)表

5）端幫煤柱整體安全系數(shù)見表6。由表6 可知，無論采取單排采巷或是雙排采巷，設(shè)計取值勻滿足端幫煤柱整體安全系數(shù)的要求。

6）端幫邊坡穩(wěn)定性影響。采用有限元數(shù)值模擬計算方法，使用有限元軟件midas GTS NX 對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計算，端幫開采邊坡穩(wěn)定性系數(shù)見表7。采巷單排或者雙排布置邊坡穩(wěn)定系數(shù)均滿足GB 51289—2018 煤炭工業(yè)露天礦邊坡工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中非工作幫邊坡服務(wù)年限小于10 年，穩(wěn)定性系數(shù)1.10～1.20 的要求。

表6 端幫煤柱整體安全系數(shù)

表7 端幫開采邊坡穩(wěn)定系數(shù)

3.3 開采方案確定

通過以上分析，從資源回收率、端幫邊坡穩(wěn)定性影響，布設(shè)雙排采巷資源回收率高，同時亦滿足露天礦邊坡穩(wěn)定性要求，對露天礦生產(chǎn)影響不大。但是從生產(chǎn)經(jīng)驗角度，由于尚未進(jìn)行端幫壓煤開采試驗，因此首先進(jìn)行單排采巷進(jìn)行開采端幫壓煤。東露天礦通過采取端幫采煤，共可采出原煤28.47 Mt，其中端幫壓煤采出27.0 Mt，條區(qū)壓煤采出1.47 Mt。

3.4 端幫采煤與礦坑生產(chǎn)影響

3.4.1 露天礦生產(chǎn)時空關(guān)系

采用單排采巷布置時，沿煤層底板進(jìn)行開采，1個采掘帶（寬40 m）可布設(shè)端幫采巷數(shù)為3～5 個，開采時間為3～5 d。東露天礦當(dāng)前4#煤工作線長度約1 340 m，1 個工作線開采時間約1.5 個月，劃分為3個區(qū)：整備、穿孔、采裝，各區(qū)長度400～500 m，完成單個采裝區(qū)約15 d。工作線采煤其完成190 m 時（設(shè)備布置需寬度190 m），即6～7 d 后可形成端幫采煤系統(tǒng)的工作空間，后續(xù)端幫采煤與露天礦采煤同時工作，端幫采煤系統(tǒng)需3～5 d 即可完成端幫壓煤的開采，不影響露天礦其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

3.4.2 安全厚度計算

端幫采煤的實施，結(jié)合露天礦端幫組成，4#煤頂板上1 的巖石臺階為運輸平盤。計算4#煤巷道頂部的巖石安全厚度，防止大型車輛運輸途中出現(xiàn)壓塌巷道頂部巖石的風(fēng)險。巷道寬均為3.5 m，高為4.5 m，上覆巖層為泥砂巖互層層組。

由于端幫巷道較深，上覆巖體的安全厚度可以簡化為二維模型進(jìn)行計算，安全厚度計算示意如圖2，上覆巖體范圍內(nèi)作業(yè)的設(shè)備參數(shù)見表8。

圖2 安全厚度計算示意圖

表8 巷道上覆巖體范圍內(nèi)作業(yè)的設(shè)備

由表8 計算得出：

設(shè)備動載對地壓強：①930E 卡車為1 460.68 kPa；②WK-35 電鏟為330 kPa。

本次安全厚度驗證采用安全系數(shù)法，安全系數(shù)計算如下：

式中：K 為安全系數(shù)；Fc為側(cè)壁的摩阻力，kPa；G為巖石自重力，kPa；Fd為設(shè)備對地壓力，kPa。

式中：b 為巷道寬度，取3.5 m；λ 為側(cè)壓力系數(shù)，取0.43；ρ 為巖石密度，取2.02 t/m3；H 為上覆巖體厚度，取18 m；φ 為巖石內(nèi)摩擦角，取31.2°；C 為巖石黏聚力，取88.6 kPa。

計算得：外部設(shè)備為930E 卡車（滿載）時，安全系數(shù)為2.68；外部設(shè)備為WK35 電鏟時，安全系數(shù)為7.06。因此，根據(jù)安全系數(shù)的計算結(jié)果，參考巖體穩(wěn)定等級劃分，安全系數(shù)均大于2.0，上覆巖體在有設(shè)備動載荷的情況下穩(wěn)定，上覆巖體厚度滿足安全要求，巖體穩(wěn)定等級劃分見表9。

表9 巖體穩(wěn)定等級劃分

同時，可根據(jù)上述公式計算極限安全厚度H0，此時，安全系數(shù)K＝1，則：

通過計算，極限安全厚度為6.48 m，取安全系數(shù)2.0，可保證巖體穩(wěn)定，此時的安全厚度為12.96 m。即上覆巖體厚度不小于13 m，可保證上述運輸平盤的安全行車。

4#煤端幫巷道頂部距離運輸?shù)缆芳s26 m，其中泥砂巖互層約16 m，4#煤10 m。9#煤端幫巷道頂部距離運輸?shù)缆芳s47 m，其中巖層約37 m，9#煤10 m。均滿足上覆巖體厚度不小于13 m 的要求。

4 結(jié)論

1）通過對比端幫采煤機布置方式的優(yōu)缺點，確定將端幫采煤機布設(shè)于開采端幫壓煤的采煤工作面一側(cè)。

2）通過對4＃、9＃煤分別采取單排巷與雙排巷參數(shù)進(jìn)行分析，2 種方案都滿足邊坡穩(wěn)定性要求，鑒于東露天礦之前未應(yīng)用過端幫采煤機，推薦單排巷開采，4#煤支撐煤柱寬度5.0 m，隔離煤柱寬度20 m，9#煤支撐煤柱寬度6.0 m，隔離煤柱寬度24 m，隔離煤柱之間支撐煤柱數(shù)量都為10，東露天礦通過采取端幫采煤，共可多采出原煤28.47 Mt。

3）通過端幫采煤與礦坑生產(chǎn)時空關(guān)系及端幫采煤上覆巖層安全厚度計算分析，端幫采煤不影響礦坑的正常推進(jìn)，同時可保障礦生產(chǎn)設(shè)備安全作業(yè)。