某露天礦邊幫壓煤回收開采方法選擇

李 嵐

(中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015)

0 引 言

我國露天礦邊幫壓煤量巨大，大力回收露天礦邊幫煤炭資源既符合我國的煤炭工業(yè)政策，又有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。某露天礦首采區(qū)邊幫壓煤區(qū)由西邊幫、南邊幫煤層底板境界線和礦權(quán)界線包圍形成，西邊幫下煤層總體呈一個(gè)狹長的走向長條，而南幫下煤層基本為近水平，其形態(tài)呈L型狹長條帶，如圖1所示。西幫北部地面有露天礦工業(yè)場(chǎng)地、二采區(qū)帶式輸送機(jī)走廊、排矸系統(tǒng)的矸石倉及帶式輸送機(jī)走廊，其下壓覆煤層不能開采，留設(shè)保護(hù)煤柱后西幫北部剩余儲(chǔ)量較少，開采不經(jīng)濟(jì)；南邊幫東半部寬度較窄，僅為56～87 m，不適合大型綜合機(jī)械化開采工藝，且緊鄰消耗區(qū)，存在安全隱患。

圖1 邊幫壓煤回收區(qū)示意圖Fig.1 Under-slope coal recovery area schematic diagram

邊幫壓煤回收范圍，西邊幫走向長約3 676 m，傾斜寬196～302 m，中部窄，南部和北部寬；南邊幫走向長約774 m，寬度123～183 m，總長度約4 358 m，面積約1.053 661 km2，開采標(biāo)高1 264～940 m。邊幫壓煤回收區(qū)主要回采6號(hào)復(fù)合煤層，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量為18.612 Mt。 該壓煤區(qū)地質(zhì)和開采條件具有煤層厚度大(平均30.42 m)、埋藏深度淺(50～150 m)等特點(diǎn)。因此，選擇合理的邊幫壓煤開采方法，確保

壓煤區(qū)煤炭資源的安全回收、提高資源回收率就顯得尤為重要。

1 邊幫壓煤回收區(qū)煤層賦存條件

回收區(qū)6號(hào)復(fù)合煤層埋藏深度50～150 m，北部較淺、南幫和西幫西側(cè)邊界較深。6號(hào)復(fù)合煤層屬于特厚煤層，南部厚，北部薄，厚度變化較大，煤層總厚(含夾矸)10.51～36.21 m，平均30.42 m；純煤厚9.81～31.74 m，平均25.5 m；夾矸厚0.70～9.05 m，平均4.61 m，夾矸率平均15%?；厥諈^(qū)南幫煤層傾角小于5°，西幫煤層角度局部達(dá)25°。6號(hào)復(fù)合煤層力學(xué)參數(shù)如下：單軸抗壓強(qiáng)度為5.71～17.85 MPa， 平均為12.28 MPa； 抗拉強(qiáng)度為0.51～1.08 MPa，平均為0.83 MPa；內(nèi)摩擦角為32.3°；內(nèi)聚力為2.15 MPa。6號(hào)復(fù)合煤層偽頂板、直接頂板和底板巖性以泥巖類為主，老頂巖性為厚層狀黃色粗砂巖，膠結(jié)程度差，松散，空隙率高，遇水即崩解，巖性較軟弱。夾矸巖性主要為黏土巖、炭質(zhì)泥巖，屬軟弱巖層。煤層硬度偏大，f=1～3。

回收區(qū)地質(zhì)構(gòu)造影響主要集中于西幫區(qū)域，對(duì)該西端幫下煤層的賦存產(chǎn)生影響的地質(zhì)構(gòu)造主要有背斜和斷層。由于該區(qū)域煤層厚度較大，因此斷層對(duì)回收區(qū)煤炭資源的回收影響有限?；厥諈^(qū)水文地質(zhì)條件簡單，瓦斯含量低，煤塵有爆炸性，煤層易自燃，地溫正常。

2 邊幫壓煤開采方式確定

目前邊幫壓煤的開采方式主要包括陡幫開采、端幫采煤機(jī)開采、露井協(xié)調(diào)開采、井工平巷開采[1-7]。各開采方式對(duì)比見表1。目前，對(duì)于各開采方式的應(yīng)用如下所述。

表1 邊幫壓煤開采方式對(duì)比Table 1 Comparison of recovery ways of under-slope coal

1) 陡幫方法開采邊幫壓煤的成功實(shí)例為平莊西露天煤礦，自2008年開始，到2014年，西露天煤礦應(yīng)用陡幫開采方式回收煤炭資源約1 587萬t。

2) 端幫采煤機(jī)在美國、俄羅斯及澳大利亞等國家廣泛應(yīng)用，國內(nèi)還沒有在露天礦邊幫壓煤回采中的實(shí)際應(yīng)用。

3) 露井協(xié)調(diào)開采邊幫壓煤典型案例為平朔安家?guī)X露天煤礦，安家?guī)X露天煤礦是我國第一座露井聯(lián)合開采大型煤礦。作為國家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一的安家?guī)X露天煤礦，其建設(shè)方式由單一露天開采調(diào)整為露井聯(lián)合開采于2002年11月獲得國家計(jì)劃委員會(huì)批準(zhǔn)，安家?guī)X露天煤礦應(yīng)用露井協(xié)調(diào)開采方式回收露天端幫及外圍下的煤炭約2.5億t。

4) 井工平巷開采邊幫壓煤的成功案例為神華烏海能源有限責(zé)任公司露天煤礦邊幫開采16#煤層。 16#煤層平均埋深45 m，煤層厚度為7.6～8.0 m，傾角為8°～25°，抗壓強(qiáng)度為10～13 MPa，煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，煤層有自燃傾向性，自然發(fā)火期4～6個(gè)月，底板為3～5 m的灰白色細(xì)粒砂巖，直接頂為深灰色層狀泥巖或者砂質(zhì)泥巖，煤層至地表基巖屬第四系沉積。工作面傾斜長度160～222 m，支架型號(hào)ZF5600/17/33，2004年3月—2005年4月工業(yè)試驗(yàn)，工作面回采率達(dá)到80%～85%，效果較好。

結(jié)合上述對(duì)比分析，針對(duì)該露天礦邊幫煤回收區(qū)6號(hào)復(fù)合煤層的厚度及賦存特點(diǎn)(煤層埋藏淺厚度大、裂隙發(fā)育、易自燃)，露天礦邊幫煤陡幫開采邊幫圍巖安全性差、回收率低；端幫采煤機(jī)開采存在煤柱尺寸大、一次開采高度低、資源回收率低、對(duì)特厚煤層適應(yīng)性差、邊幫失穩(wěn)威脅作業(yè)人員和設(shè)備安全等問題；露井協(xié)調(diào)開采建井工程量大、生產(chǎn)組織管理難度大、審批流程復(fù)雜。因此，采用井工平巷開采方式進(jìn)行淺埋特厚邊幫壓煤回收。

3 邊幫壓煤采煤方法選擇

采煤工作是煤礦生產(chǎn)最重要的環(huán)節(jié)。邊幫壓煤采用井工平巷開采方式，直接影響開采生產(chǎn)安全和各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)是否合理；而合理采煤方法的確定是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效、安全、現(xiàn)代化礦井建設(shè)的關(guān)鍵所在。因此，在選擇和設(shè)計(jì)采煤方法時(shí)，不僅要符合法律法規(guī)、行業(yè)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，還要充分考慮地質(zhì)因素、技術(shù)因素、經(jīng)濟(jì)與管理因素和環(huán)境因素。

放頂煤開采是一種高產(chǎn)高效、安全低耗、經(jīng)濟(jì)效益顯著的采煤方法，已成為我國厚煤層和特厚煤層開采的主要采煤方法[8]。放頂煤開采具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，煤層厚度變化對(duì)工作面推進(jìn)的影響較小[9-10]。綜上，采用綜放開采能夠很好地適應(yīng)煤層厚度的變化，也可避免頂煤的浪費(fèi)，如圖2所示。

圖2 整層綜放開采對(duì)煤層厚度變化適應(yīng)性示意圖Fig.2 Schematic diagram of the adaptability ofwhole layer fully-mechanized sublevel cavingto the change of coal seam thickness

3.1 煤體可放行

6號(hào)復(fù)合煤層裂隙較發(fā)育，有利于頂煤的冒放；煤層頂煤垮落角為65°～115°，計(jì)算頂煤的合理垮落角不應(yīng)小于82.3°，煤層的實(shí)際垮落角處于合理垮落角之間，垮落后的頂煤絕大部分可以落在支架的放煤口；煤層組成結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般含夾矸11層，夾矸與煤層間形成的弱面有利于頂煤的順利垮落及回收；從周邊礦區(qū)同煤層開采實(shí)踐可知，上覆頂板可以隨采隨垮。

綜上分析，6號(hào)復(fù)合煤層的頂煤冒放性較好。當(dāng)頂煤冒放性較差時(shí)，可采用兩順槽超前預(yù)裂爆破手段以提高頂煤冒放性。

3.2 采煤方法比選

根據(jù)國內(nèi)厚及特厚煤層開采技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合該露天礦邊幫煤回收區(qū)6號(hào)煤層厚度及賦存特點(diǎn)，從資源有效回收率及安全角度考慮，可供選擇的放頂煤采煤方法主要有：分層綜放開采和整層(一次采全厚)綜放開采2種方法。基于經(jīng)濟(jì)及安全的角度對(duì)以上兩種采煤方法進(jìn)行分析。

3.2.1 分層綜放開采

從經(jīng)濟(jì)角度分析，采用分層綜放開采時(shí)，存在以下問題。

1) 煤柱損失量大。 工作面采用分層綜放開采時(shí)，上分層會(huì)引起應(yīng)力集中，從而下分層的巷道就需要避開應(yīng)力的集中區(qū)，一般需采用內(nèi)錯(cuò)式或外錯(cuò)式的布置方式，因此增加了煤柱的煤炭損失，如圖3所示。

圖3 分層綜放開采工作面布置Fig.3 Mining face layout of layered fully-mechanizedsublevel caving

2) 巷道掘進(jìn)量大、接續(xù)緊張。壓煤回收區(qū)煤層采用該種采煤方法時(shí)，相對(duì)于南幫及西幫區(qū)域而言，兩幫工作面至少需要多掘進(jìn)四條巷道，兩條切眼，南幫工作面順槽走向長度按1 000 m計(jì)算，西幫工作面順槽走向長度按3 000 m計(jì)算，切眼按150 m計(jì)算，此時(shí)分層開采期間，回采巷道至少多掘進(jìn)8 000 m，切眼掘進(jìn)300 m，巷道掘進(jìn)及支護(hù)成本按6 000元/m計(jì)算，則至少需增加4 980萬元，巷道掘進(jìn)、支護(hù)及維護(hù)費(fèi)用大幅增加。同時(shí)，由于南幫及西幫試驗(yàn)工作面推進(jìn)長度分別為964 m及3 264 m，因此西幫下分層開采存在接續(xù)緊張問題。

3) 工作面設(shè)備投資大。采用分層綜放開采時(shí)，由于其設(shè)備使用年限和開采量的增大，壓煤回收區(qū)回采期間，回采工作面需要增加1套回采設(shè)備，設(shè)備投入需增加約1.8億元。

4) 設(shè)備搬家費(fèi)用增加。分層綜放開采后，其工作面設(shè)備搬家次數(shù)比整層(一次采全厚)綜放開采至少增加2次，每次搬家費(fèi)用按600萬元計(jì)算，需增加費(fèi)用1 200萬元。

從安全角度分析，采用分層綜放開采時(shí)，存在以下問題[11]。

1) 下分層綜放開采采空區(qū)易發(fā)火。大量的開采實(shí)踐證明，同樣的煤層條件下，一次采全高比分層開采的煤層自燃發(fā)火機(jī)率小得多，特別考慮到本壓煤回收區(qū)煤層存在易自燃、淺埋深的特性，上分層綜放開采后，空氣會(huì)通過由于開采導(dǎo)致的地表裂隙進(jìn)入采空區(qū)，從而造成采空區(qū)遺煤的自燃。若上分層綜放開采時(shí)沒有出現(xiàn)自燃的現(xiàn)象，但由于上分層綜放開采不能形成規(guī)則“三帶”和可能引起頂板法人破壞，會(huì)造成采空區(qū)漏風(fēng)，當(dāng)下分層綜放開采時(shí)會(huì)重新揭露上分層采空區(qū)，導(dǎo)致巷道和采空區(qū)自燃發(fā)火的危險(xiǎn)性將大大增加。

2) 頂板管理難度大。分層綜放開采時(shí)，底煤層由于上分層綜放回采產(chǎn)生了破壞，下分層綜放回采時(shí)工作面頂板的也多為破碎頂煤。因此，在開采下分層時(shí)工作面的巷道維護(hù)及頂板管理困難，如果管理不當(dāng)，易造成頂板冒頂傷人的事故。尤其針對(duì)壓煤回收區(qū)煤層開采而言，煤層裂隙發(fā)育，頂板較松軟，分層開采更易引發(fā)頂板冒頂事故。同時(shí)，由于下分層巷道布置在煤柱內(nèi)，在集中應(yīng)力的影響范圍內(nèi)，巷道壓力較大，增加了巷道的支護(hù)難度。

3) 邊幫穩(wěn)定性?；厥諈^(qū)南幫工作面開采時(shí)，由于設(shè)計(jì)采用L型布置回采方式，因此，南幫工作面開采邊幫穩(wěn)定性至關(guān)重要，受工作面采動(dòng)影響，工作面邊幫有發(fā)生超前滑坡的可能，影響安全回采。采用分層開采時(shí)，由于邊幫受上分層采動(dòng)影響，試驗(yàn)工作面推進(jìn)后，上覆邊幫垮落堆積，下分層開采時(shí)邊幫穩(wěn)定性極差；在二次采動(dòng)影響下，超前邊幫將發(fā)生滑落，無法實(shí)現(xiàn)下分層試驗(yàn)工作面的安全回采。

3.2.2 整層(一次采全厚)綜放開采

從經(jīng)濟(jì)角度分析，采用整層綜放開采時(shí)，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1) 較分層綜放開采而言，整層(一次采全厚)綜放開采時(shí)，至少可少掘進(jìn)回采巷道8 000 m，切眼300 m，降低了掘進(jìn)成本。

2) 避免了上分層、下分層之間留設(shè)的煤皮及巷道之間煤柱的損失。

3) 減少了設(shè)備投入成本。整層(一次采全厚)綜放開采時(shí)，垮落頂煤占煤炭產(chǎn)量的大部分，采煤機(jī)、前部刮板輸送機(jī)和液壓支架等設(shè)備與相同產(chǎn)量的分層綜放開采工作面設(shè)備相比，使用時(shí)間短，過煤量少，有利于設(shè)備的維護(hù)與保養(yǎng)，延長設(shè)備使用壽命。

4) 降低了生產(chǎn)成本。減少了采煤機(jī)割煤量和材料及電力的消耗，大幅降低了噸煤生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了高效、集約化生產(chǎn)。

5) 減少設(shè)備搬家費(fèi)用。整層(一次采全厚)綜放開采時(shí)，其壓煤回收區(qū)回采工作面僅需搬家一次，較分層開采減少二次搬家費(fèi)用。

從安全角度分析，采用整層綜放開采時(shí)，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1) 改善了易自燃煤層的管理。與分層綜放開采相比，整層(一次采全厚)綜放開采層數(shù)少，因此對(duì)于壓煤回收區(qū)6號(hào)易自燃煤層而言，有利于煤層自然發(fā)火的防治。

2) 頂板控制問題減少。由于整層(一次采全厚)綜放開采“直接頂”為完整頂煤，且煤層硬度大，完整性好，頂板管理相對(duì)簡單。

3) 相對(duì)于分層綜放開采而言，南幫回采工作面邊幫僅受一次采動(dòng)影響，從現(xiàn)場(chǎng)邊幫的情況來看，采用加固及全方位監(jiān)測(cè)措施時(shí)，邊幫穩(wěn)定性處于可控范圍內(nèi)，可以保障工作面的安全回采。

4 結(jié) 語

根據(jù)上述分析，該露天礦邊幫壓煤回收區(qū)的淺埋特厚煤層適合采用井工平巷開采方式整層(一次采全厚)綜放開采采煤方法。整層(一次采全厚)綜放開采采煤方法可有效解決多次揭露回采造成的頂板管理難度較大、煤壁片幫冒頂嚴(yán)重、煤層易自然、邊幫穩(wěn)定性控制等問題，同時(shí)減少了巷道掘進(jìn)工程量、避免了分層開采煤柱損失、降低了設(shè)備投入成本、減少了搬家費(fèi)用，可大幅度提高煤炭資源回收率，降低噸煤生產(chǎn)成本。