端幫開采技術(shù)在露天煤礦的應(yīng)用

黃天爽，趙銘芳，軒 峰，王子強(qiáng)

（華北利星行機(jī)械（北京）有限公司，北京 101102）

在我國，露天煤礦端幫、邊幫由于受采區(qū)邊界等開采限制，有部分煤層不能及時(shí)有效采出，或不得不被放棄，造成資源浪費(fèi)，或采區(qū)出現(xiàn)采剝比大、煤層變薄的情況時(shí)，露采成本變大，影響經(jīng)濟(jì)效益。目前端幫開采有房柱式炮采、露天與井工聯(lián)合開采或者相鄰露天礦進(jìn)行協(xié)調(diào)開采等方式。但是炮采和井工開采的回采率較低，安全隱患大；采用相鄰露天礦協(xié)調(diào)開采，相鄰2 個(gè)礦區(qū)又很難達(dá)成一致。在這樣的情況下，適應(yīng)綠色和智能機(jī)械化的端幫采煤機(jī)對邊幫殘煤資源進(jìn)行回采成為重要的技術(shù)手段[1]。隨著端幫采開采技術(shù)的發(fā)展，采用智能端幫采煤機(jī)，無人工作面開采，實(shí)現(xiàn)高效安全采煤，回采端幫壓煤將成為減少資源浪費(fèi)的主要手段。

1 端幫開采技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

1.1 端幫開采技術(shù)的發(fā)展

端幫開采技術(shù)屬于高產(chǎn)高效低成本的開采技術(shù)，相比傳統(tǒng)井工開采，安全性高。端幫開采無需人員進(jìn)入巷道，只需幾個(gè)人就可以完成整套設(shè)備的開采作業(yè)和日常維護(hù)。工作時(shí)將端幫采煤機(jī)安置在待開采端幫煤層的前方，可開采平露頭煤層、也可開采傾斜、較復(fù)雜條件的煤層。最終在礦山形成一系列矩形、平行的巷道[2]。通過截割頭模塊和推進(jìn)臂實(shí)現(xiàn)快速作業(yè)，整個(gè)系統(tǒng)的操作與維護(hù)，截割頭截割煤層以及巷道內(nèi)煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)的控制，都在巷道外的地面進(jìn)行，無需人員進(jìn)入巷道工作，開采自動(dòng)調(diào)節(jié)，安全智能化監(jiān)控，巷道也無需頂板支護(hù)、通風(fēng)照明和降塵。

20 世紀(jì)80 年代開始，從最早的螺旋鉆采系統(tǒng)（大直徑低轉(zhuǎn)速“剃”煤）到雙螺旋鉆采系統(tǒng)，再到今天的第3 代智能端幫開采系統(tǒng)，端幫開采技術(shù)實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展。最新端幫開采系統(tǒng)，趨向智能自動(dòng)化，更加安全、高效。新一代端幫開采技術(shù)源于卡特彼勒，端幫采煤機(jī)全球交付超過80 臺(tái)，已成功應(yīng)用在美國，印度，俄羅斯，澳大利亞等國家礦區(qū)。

1.2 端幫開采技術(shù)的應(yīng)用

端幫開采屬于無人工作面開采，應(yīng)用多是由于經(jīng)濟(jì)環(huán)保等原因，露天和井工等傳統(tǒng)采礦方法都無法進(jìn)行開采而被丟棄的邊幫邊角煤資源。一般情況下，端幫開采采用露頭煤等高線開采、溝壑開采、露天礦端幫資源回收[3]，端幫開采3 種應(yīng)用方式如圖1。3 種方式其中露天礦幫端資源回收，用于露天礦坑兩側(cè)端幫及最終端幫，或由于經(jīng)濟(jì)成本、地表環(huán)境等原因達(dá)到臨界剝采比，不適合一般露天開采以及端幫壓煤和排土場壓煤的情況下，而進(jìn)行開采的一種方式，輔助且高效地提升露天礦的回采率。

圖1 端幫開采3 種應(yīng)用方式

2 國外端幫開采技術(shù)的應(yīng)用案例

1）智能化端幫采煤機(jī)。端幫開采工藝在美國、澳大利亞等國家的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛和成熟。近些年，印度在露天礦端幫開采上有了全面的發(fā)展。得益于Caterpillar 端幫采煤機(jī)技術(shù)，印度GAINWELL 公司獲得其授權(quán)并將端幫采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新和本土化生產(chǎn)制造。GAINWELL 端幫采煤機(jī)代表著當(dāng)今最全面最先進(jìn)的端幫開采技術(shù)，智能自動(dòng)化，并進(jìn)一步促使印度端幫開采實(shí)現(xiàn)躍升。GAINWELLGHW300M 端幫采煤機(jī)全面占領(lǐng)印度市場，并廣泛應(yīng)用在印度塔塔鋼鐵集團(tuán)（TATASTEELGROUP）和印度國家煤炭集團(tuán)（CoalIndiaLimited,CIL）下屬的露天礦場。

2）國外露天礦端幫開采應(yīng)用。印度塔塔鋼鐵集團(tuán)（TATA）WestBokaro 煤礦，2016 年引入卡特彼勒端幫采煤機(jī)。端幫開采與露天開采作業(yè)同時(shí)進(jìn)行，運(yùn)行穩(wěn)定，效益可觀[4]。智能端幫采煤機(jī)配置1.5 m 及4.5 m 截割頭模塊，F(xiàn)OG 光陀螺定位導(dǎo)向系統(tǒng)，伽馬射線探測系統(tǒng)，人機(jī)互動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，智能自動(dòng)化控制。滿足印度煤礦安全管理機(jī)構(gòu)DGMS 認(rèn)證要求的電氣系統(tǒng)等。整套端幫采煤機(jī)系統(tǒng)配置推進(jìn)臂49 個(gè)，單臂6 m。煤層厚度5～9 m，煤層角度-8°～15°，月產(chǎn)量可達(dá)10 萬t。無需人員進(jìn)入巷道，只需4 個(gè)人就完成全部開采作業(yè)。端幫采煤機(jī)的作業(yè)與露天開采內(nèi)排同步進(jìn)行。端幫開采過程中采用雷達(dá)監(jiān)測邊坡穩(wěn)定性，全站儀監(jiān)測臺(tái)階穩(wěn)定，地表及邊角沉降和滑坡監(jiān)測，瓦斯監(jiān)測，鉆孔深度監(jiān)測等全面監(jiān)測系統(tǒng)。

3）國外端幫開采工程承包模式。印度國家煤炭集團(tuán)（CIL）下屬東南煤業(yè)公司（SouthEasternCoalfieldsLimited,SECL）的Sharda 露天礦為基本廢棄閉坑的露天煤礦，此煤礦厚煤層基本已經(jīng)采完，存大量可采的0.9～1.5 m 薄煤層及少量厚煤層。在引入GAINWELL 端幫開采技術(shù)后，每年超過80 萬t 的煤從該礦用端幫采煤機(jī)采出，讓廢棄的Sharda 煤礦煥發(fā)新生，延長超過15 年的生命力。目前SECL 的端幫開采業(yè)務(wù)外包給印度CuprumBagrodiaLimited（CBL）公司。CBL 公司是專注于采礦及建筑設(shè)備，土石方剝離和端幫采煤的專業(yè)化公司。CBL 公司獲得Sharda 露天礦端幫開采承包合同后，聯(lián)合端幫開采工程設(shè)計(jì)公司進(jìn)一步推動(dòng)了端幫開采技術(shù)在印度本土的全面發(fā)展。CBL 公司目前擁有5 套端幫采煤機(jī)，成為印度最大的端幫開采工程承包公司。這為中國端幫開采工程承包運(yùn)營模式提供了思路和參考。

3 端幫開采技術(shù)應(yīng)用的工藝要求

1）要有詳細(xì)的地質(zhì)勘察資料。使用端幫采煤機(jī)的先決條件就是頂板條件要穩(wěn)定，同時(shí)需要提供詳細(xì)的覆蓋層厚度及煤、頂板巖石的抗壓強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，按最大覆蓋層厚度進(jìn)行計(jì)算，得到安全切口間距。端幫采煤機(jī)自身設(shè)計(jì)考慮到巷道內(nèi)頂板垮落的情況，能做到“進(jìn)得快，出得來”。煤層厚度至少大于80 cm，煤層在開采方向300 m 距離內(nèi)斷層較少。煤層走勢平緩，煤層傾角最好在-12°～+5°之間。采區(qū)區(qū)段支撐煤柱強(qiáng)度能夠支撐覆蓋層，隔離煤柱能夠維持山體的穩(wěn)定性。

2）在端幫開采過程中，由于開采巷道不需要進(jìn)行支護(hù)，所以在每2 個(gè)相鄰開采巷道間，都留有支撐安全臨時(shí)煤柱，保持覆蓋層以及巷道的穩(wěn)定，防止垮落。考慮安全因素，每20 個(gè)支撐煤柱，都建議預(yù)定永久隔離煤柱。永久隔離煤柱的寬度通常是支撐煤柱寬度的3～4 倍。當(dāng)然，端幫開采初步設(shè)計(jì)相關(guān)計(jì)算方法應(yīng)得到當(dāng)?shù)孛禾勘O(jiān)管部門得審核和批準(zhǔn)。典型端幫開采煤柱分布如圖2。

圖2 典型端幫開采煤柱分布

3）支撐煤柱和永久煤柱的寬度都要經(jīng)過嚴(yán)格的力學(xué)分析和地質(zhì)模型來計(jì)算確定。不同礦山有著不同的地質(zhì)條件，支撐煤柱和永久煤柱的寬度可能因地而異。目前國際上應(yīng)用最廣泛的端幫開采煤柱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)計(jì)算采用美國科學(xué)家研發(fā)的Mark-Bieniawski 公式[5]，即美國NIOSH 機(jī)構(gòu)（美國國家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所）認(rèn)證的ARMPS-HWM 程序軟件，或FLAC-3DUDEC 巖土分析軟件確定：永久煤柱之間的巷道數(shù)目；單個(gè)安全煤柱的寬度；永久煤柱的寬度；整體設(shè)計(jì)的穩(wěn)定系數(shù)。

4 國內(nèi)端幫開采技術(shù)試行論證及應(yīng)用市場前景

目前，在鄂爾多斯地區(qū)已經(jīng)開始探索端幫開采，2019 年11 月鄂爾多斯能源局結(jié)合德隆煤礦和華能井露天煤礦的連續(xù)采煤機(jī)試行經(jīng)驗(yàn)，組織召開了露天煤礦端幫煤回收總結(jié)論證會(huì)。國內(nèi)端幫開采尚屬起步階段，在政策及監(jiān)管規(guī)范上都有待進(jìn)一步完善。鄂爾多斯端幫開采試行論證會(huì)從工程設(shè)計(jì)及政府政策等不同角度對端幫開采技術(shù)給予了支持。

1）從設(shè)計(jì)院角度。對邊幫壓煤回收的端幫工程地質(zhì)條件深入研究，嚴(yán)格遵守端邊幫煤回收初步設(shè)計(jì)及開采工藝進(jìn)行作業(yè)，加強(qiáng)對邊坡端幫的管理和監(jiān)測，應(yīng)用前沿科技手段，自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測邊坡穩(wěn)定情況，做好滑坡預(yù)防及應(yīng)急措施，完善邊幫采煤工藝，加強(qiáng)掘進(jìn)方向定位，智能化安全開采，采硐瓦斯，粉塵及有害氣體數(shù)據(jù)自動(dòng)監(jiān)測上傳，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的出臺(tái)和支持。

2）從政府能源局角度。無縫對接相鄰露天礦，不留設(shè)到界煤柱，跨界剝離，進(jìn)一步提高資源回收率。邊采邊充填，進(jìn)一步提高回采率。端幫采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制，邊坡穩(wěn)定性實(shí)時(shí)監(jiān)測，數(shù)據(jù)上傳，出臺(tái)鼓勵(lì)政策，審批流程簡化。集中連片開采，統(tǒng)一復(fù)墾。

3）從政府煤監(jiān)局角度。煤監(jiān)局行政權(quán)力不包含露天礦邊幫煤回收安全設(shè)施設(shè)計(jì)批復(fù)業(yè)務(wù)，不受理露天礦邊幫煤回收安全設(shè)施設(shè)計(jì)審查，建議由煤礦企業(yè)自主組織，并由煤礦企業(yè)批復(fù)開工備案。

我國的露天煤礦端幫壓覆煤炭資源較大，在山西中煤平朔，內(nèi)蒙古，新疆，寧夏等地方，均有大量端幫煤資源回收的機(jī)會(huì)。除了大規(guī)模的露天礦山可作為主力進(jìn)行生產(chǎn)外，還存在大量的中小型露天礦山和山坡露頭煤資源，由于開采條件及技術(shù)，經(jīng)濟(jì)成本等因素，這些資源都無法得到有效的開采利用。如果考慮使用端幫開采技術(shù)或采用工程承包等方式，開采回收這些資源的問題可以得到有效的解決[6]。

5 結(jié)語

1）結(jié)合印度應(yīng)用案例，對端幫開采技術(shù)應(yīng)用做了闡述，為我國端幫開采技術(shù)發(fā)展提供借鑒。端幫開采的高效智能化及無人工作面開采，將為露天礦端幫及溝壑露頭煤開采提供解決方案。

2）端幫開采需要考慮端幫邊坡穩(wěn)定性，給出了國外通用的支撐煤柱及永久隔離煤柱設(shè)計(jì)計(jì)算及小程序軟件供參考。

3）相比國外先進(jìn)智能的端幫開采設(shè)備，國內(nèi)端幫開采設(shè)備可靠性差，開機(jī)率低，地質(zhì)條件針對性差，系統(tǒng)控制不完善。

4）國內(nèi)端幫開采尚屬起步論證階段，需要國家政策和規(guī)范的進(jìn)一步完善，前景任重道遠(yuǎn)。