露天礦特厚煤層端幫采煤分層開(kāi)采研究

王宏巖

（中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 100015）

露天開(kāi)采具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)力強(qiáng)和安全性高的優(yōu)勢(shì)[1]。為了提高露天開(kāi)采邊坡的穩(wěn)定性，必然產(chǎn)生邊幫壓煤，導(dǎo)致大量煤炭資源無(wú)法回收。當(dāng)前露天煤礦邊幫壓煤的主要開(kāi)采方法有陡幫開(kāi)采、端幫開(kāi)采、井工平巷開(kāi)采、露井協(xié)調(diào)開(kāi)采和鄰近煤礦協(xié)調(diào)開(kāi)采技術(shù)。其中端幫開(kāi)采技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外的一些露天礦安全落地，產(chǎn)生不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益，隨著技術(shù)的不斷升級(jí)改造，開(kāi)采深度已經(jīng)由最初的30 m 延伸至300 m，煤炭資源回收量大大增加[2]。并且端幫采煤技術(shù)不同于其他開(kāi)采方法，其對(duì)露天礦的地質(zhì)條件要求較低，應(yīng)用場(chǎng)景廣泛[3-4]。端幫采煤?jiǎn)螌娱_(kāi)采工藝已經(jīng)相對(duì)成熟，在國(guó)內(nèi)幾個(gè)典型露天礦已經(jīng)成功應(yīng)用，但是針對(duì)于特厚煤層分層開(kāi)采相關(guān)研究較少，特厚煤層需要設(shè)計(jì)分層開(kāi)采，這對(duì)支承煤柱的要求大大提高。為此，以白音華一號(hào)露天煤礦南幫為例，展開(kāi)特厚煤層端幫采煤分層開(kāi)采研究。

1 礦山概況

白音華煤田位于內(nèi)蒙古中東部大興安嶺南段西坡。屬錫林浩特市西烏珠穆沁旗轄區(qū)。煤田總面積約510 km2，煤田走向?yàn)镾W～NE，走向長(zhǎng)約60 km，傾向?qū)捚骄s為8.5 km。主要可采煤層為1＃煤層、2＃煤層、3－1＃亞煤層、3－2＃亞煤層，3－1＃亞煤層分出3－1－1＃煤、3－1－2＃煤。1＃、2＃、3－1＃、3－2＃煤層為該區(qū)主要可采煤層。區(qū)內(nèi)地層自上而下有第四系松散巖類、新近系上新統(tǒng)松軟巖層和白堊系下統(tǒng)白音華組煤系地層。白音華組煤系地層由一套河、湖相、沼澤相沉積的深灰色、灰色為主的泥巖和單層較厚的煤層組成，其間夾粉砂巖、細(xì)砂巖、粗砂巖（砂礫巖）層，多為泥質(zhì)膠結(jié)、呈軟巖狀，巖石抗穩(wěn)定性差。

2 臨時(shí)/永久煤柱寬度計(jì)算

2.1 煤柱強(qiáng)度理論分析

利用Mark－Bieniawski 公式來(lái)確定煤柱強(qiáng)度[5]。

對(duì)很長(zhǎng)的煤柱，Mark－Bieniawski 公式可簡(jiǎn)化為：

式中：Sp為煤柱強(qiáng)度，MPa；S1為原處煤柱強(qiáng)度，MPa；W 為煤柱寬度，m；H 為煤柱高度，m；L 為煤粒長(zhǎng)度，m。

從式（1）中可以看出：煤體強(qiáng)度越高，煤柱強(qiáng)度越高，煤柱強(qiáng)度隨著煤柱高度的增加而降低。

2.2 上覆巖層載荷理論分析

對(duì)煤層進(jìn)行采掘后，破壞了其原始應(yīng)力狀態(tài)，原來(lái)由采硐處原煤承擔(dān)的上覆巖層載荷，將向采硐兩側(cè)的煤柱轉(zhuǎn)移，使煤柱承受的應(yīng)力升高，應(yīng)力在采動(dòng)影響范圍內(nèi)重新分布，煤柱將承擔(dān)原始煤柱和采硐的全部或部分巖體的重量，使自身載荷升高[6]。

目前應(yīng)用最廣泛的煤柱平均應(yīng)力荷載計(jì)算公式，是僅考慮覆巖自重應(yīng)力場(chǎng)的輔助面積法。輔助面積法認(rèn)為，當(dāng)開(kāi)采區(qū)域足夠大，煤柱尺寸比較規(guī)則，巖層近水平賦存時(shí)，采硐上方的覆巖重力將全部轉(zhuǎn)移到鄰近的煤柱上[7]。此時(shí)各煤柱將共同承擔(dān)載荷。其載荷大小等于煤柱及其周圍1/2 采硐寬度范圍內(nèi)上方全部巖層的重力，計(jì)算公式為：

式中：p 為煤柱載荷，MPa；ρ 為上覆巖層平均密度，2.50 t/m3；h 為上覆巖層厚度，m；B 為采硐寬度，m；g 為重力加速度，m/s2。

2.3 煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)

露井聯(lián)合端幫開(kāi)采技術(shù)在美國(guó)的應(yīng)用過(guò)程中，臨時(shí)煤柱的安全系數(shù)為1.3～1.6，永久煤柱的安全系數(shù)為2.0，實(shí)際的安全系數(shù)SF公式為：

由公式分析可得，隨著煤層埋置深度的增大和煤柱間距的增大，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)減小；而隨著煤柱寬度增加，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨之增大。

2.4 煤柱高度（開(kāi)采高度）確定

根據(jù)式（2），煤柱強(qiáng)度隨著煤柱高度的增加而降低，當(dāng)煤柱寬度W 與煤柱高度H 的比值越大，煤柱強(qiáng)度越大。因此設(shè)計(jì)煤柱高度（開(kāi)采高度）時(shí)，在保證生產(chǎn)效率的同時(shí)，盡量降低開(kāi)采高度[8]。根據(jù)選用的采煤設(shè)備型號(hào)，截割高度1.8～3.5 m，為保證設(shè)備的作業(yè)效率，采硐設(shè)計(jì)開(kāi)采高度3.5 m，采硐尺寸橫縱比0.8，接近正方形結(jié)構(gòu)，采硐結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。厚煤層采用分層開(kāi)采的形式，不再提高采硐高度。

2.5 煤柱寬度計(jì)算

考慮到煤層抗壓強(qiáng)度變化較大，為保證煤柱的穩(wěn)定性，臨時(shí)煤柱穩(wěn)定性系數(shù)取1.5。永久煤柱按照每隔10～20 個(gè)采硐留設(shè)1 個(gè)，這樣可以防止山體垮塌的多米諾骨牌效應(yīng)。根據(jù)白音華一號(hào)露天煤礦開(kāi)采現(xiàn)狀及煤層賦存條件，考慮到露天礦地質(zhì)條件較差，參考國(guó)內(nèi)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[9]，本次研究加強(qiáng)煤柱每隔5個(gè)采硐留設(shè)1 個(gè)。支撐煤柱寬度計(jì)算表見(jiàn)表1。

表1 支撐煤柱寬度計(jì)算表

在端幫采煤機(jī)開(kāi)采時(shí)，應(yīng)適時(shí)測(cè)試頂板及煤層巖石力學(xué)性質(zhì)，根據(jù)巖性的變化，對(duì)臨時(shí)煤柱和煤柱進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)開(kāi)采過(guò)程邊幫穩(wěn)定情況，在生產(chǎn)過(guò)程中適當(dāng)調(diào)整煤柱寬度及永久煤柱間臨時(shí)采硐的間隔數(shù)量。煤邊幫采煤機(jī)工作寬度示意圖如圖1。

圖1 煤邊幫采煤機(jī)煤柱留設(shè)示意圖（采高3.5 m）

3 特厚煤層開(kāi)采工藝

3.1 水平隔層厚度

當(dāng)煤層厚度較大時(shí)，為提升煤炭資源回收率，可采用分層開(kāi)采的方式回采邊幫壓煤。上下層采硐垂直布置，中間預(yù)留水平隔層。

在水平隔層厚度設(shè)計(jì)上基本原則是隔層內(nèi)形成足夠厚度垮落拱結(jié)構(gòu)，垮落拱體上部的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)能夠保證煤柱之間的連接，避免煤柱發(fā)生側(cè)向倒塌。

水平隔層是垂直壓應(yīng)力為0 的薄隔層，對(duì)于具有裂隙的煤來(lái)說(shuō)，其穩(wěn)定性較差。按照巖石力學(xué)破壞機(jī)理，受水平最大主應(yīng)力的隔層，其下方煤硐頂拱高度按25°破壞角計(jì)算，拱體結(jié)構(gòu)高度0.65 m，其上方即為具有承載能力的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體。為保證安全，結(jié)構(gòu)體厚度取2 m。因此，總隔層厚度理論值應(yīng)不小于2.65 m。考慮采硐坡度控制偏差，實(shí)際作業(yè)過(guò)程中隔層厚不小于3 m。理論隔層厚度Lg可按下式計(jì)算：

式中：Lg為隔層厚度，m；hB為穩(wěn)定拱結(jié)構(gòu)體厚度，根據(jù)煤體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)完整性決定，取2 m；θ 為煤破壞角，（°）。

3.2 厚煤層開(kāi)采方式

厚煤層需進(jìn)行分層開(kāi)采，根據(jù)煤層厚度，對(duì)所開(kāi)采煤層按照采硐－隔層－采硐的方式沿煤層走勢(shì)進(jìn)行分層，分層后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，采用自上而下或者自下而上2 種方式進(jìn)行采煤作業(yè)。

1）自上而下進(jìn)行回收。邊幫采煤機(jī)在硐口以10°的坡度向煤層頂板開(kāi)采，到達(dá)煤層頂板后，沿煤層頂板走勢(shì)掘進(jìn)，上部分層開(kāi)采完畢后，設(shè)備退出；開(kāi)采下部煤層前，根據(jù)采煤機(jī)開(kāi)采上部煤層的運(yùn)動(dòng)軌跡，預(yù)留出3 m 厚的水平隔層。此方法的優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)采上、下煤層時(shí)，設(shè)備均布置在采硐的外部平盤上，避免了設(shè)備的頻繁移設(shè)；開(kāi)采下部煤層時(shí)，水隔層不承受垂直壓力，更加安全。此方法的缺點(diǎn)：開(kāi)采上部煤層時(shí)，斜坡道過(guò)長(zhǎng)，煤層回采率降低；開(kāi)采斜坡過(guò)程中，生產(chǎn)效率較低。

2）自下而上進(jìn)行回收。邊幫采煤機(jī)沿煤層底板掘進(jìn)，開(kāi)采下部煤層，開(kāi)采完畢后，設(shè)備退出；開(kāi)采上部煤層前，根據(jù)采煤機(jī)開(kāi)采下部煤層的運(yùn)動(dòng)軌跡，預(yù)留出3 m 厚的水平隔層；在硐室外的平盤進(jìn)行內(nèi)排，將邊幫采煤機(jī)作業(yè)平盤墊高，標(biāo)高與上部煤層底部標(biāo)高一致。將設(shè)備放置對(duì)應(yīng)的內(nèi)排土場(chǎng)上，邊幫采煤機(jī)開(kāi)采上部煤層，開(kāi)采完畢后，設(shè)備退出。該方法的優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備作業(yè)過(guò)程中，設(shè)備巖煤層走勢(shì)掘進(jìn)，避免了大坡度作業(yè)，作業(yè)效率高；回采率相對(duì)較高。缺點(diǎn)：對(duì)于內(nèi)排臺(tái)階需進(jìn)行一些加固措施，進(jìn)而增加一些成本；設(shè)備移設(shè)頻繁，作業(yè)程序復(fù)雜，有效作業(yè)時(shí)間減少；開(kāi)采上部煤層時(shí)，水平隔層承受采煤機(jī)自重及作業(yè)震動(dòng)的壓力，存在安全隱患，為了保證作業(yè)安全，簡(jiǎn)化作業(yè)程序，因此設(shè)計(jì)推薦采用自上而下的方式對(duì)厚煤層進(jìn)行開(kāi)采。

4 復(fù)雜地質(zhì)體特厚煤層開(kāi)采穩(wěn)定性分析

4.1 復(fù)雜地質(zhì)體模型構(gòu)建

根據(jù)煤層頂、底板等高線可得得到各煤層的頂、底板控制面，在FLAC3D中形成相應(yīng)的面幾何體。在幾何面的控制下生成地層模型，可以更加真實(shí)的模擬煤層賦存狀態(tài)，包括煤層起伏變化以及厚度的空間變異性[10]。露天礦邊坡的全局模型如圖2。

圖2 露天礦邊坡的全局模型

目前露天礦坑南北向4 300 m，東西向2 500 m，呈不規(guī)則形狀，目前剝離區(qū)域最深約260 m。重點(diǎn)分析南幫特厚煤層壓煤回收過(guò)程中雙層回采煤柱及邊坡覆巖的穩(wěn)定性，因此，截取南幫區(qū)域形成局部模型，局部模型東西向1 530 m，南北向覆蓋整個(gè)坡體，約760 m。為了提高計(jì)算效率，根據(jù)煤層賦存情況將南幫模型自西向東劃分為I、II 和III 3 個(gè)區(qū)域，II 區(qū)為特厚煤層賦存區(qū)域，對(duì)II 區(qū)進(jìn)行模擬開(kāi)挖，研究煤柱及邊坡覆巖的破壞特征。露天礦邊坡的局部模型如圖3。

圖3 露天礦邊坡的局部模型

4.2 模型參數(shù)和開(kāi)挖方案

白音華一號(hào)露天礦數(shù)值模擬采用的巖石物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 煤巖體力學(xué)參數(shù)

采用上行開(kāi)采方式對(duì)圖3 中的II 號(hào)區(qū)域模型進(jìn)行開(kāi)挖，根據(jù)連采機(jī)型號(hào)參數(shù)，確定開(kāi)挖巷洞寬度3 m，高度3.5 m，最大深度300 m，采用分布開(kāi)挖模式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，每步開(kāi)挖1 個(gè)巷洞，開(kāi)挖過(guò)程中首先留設(shè)小煤柱，研究回采過(guò)程中坡體覆巖采動(dòng)力學(xué)行為及其穩(wěn)定性。

4.3 特厚煤層區(qū)域分層開(kāi)采可行性分析

中部區(qū)域3-1#煤層局部厚度可達(dá)8～10 m，為了提高資源回收率，擬采用分層方法增加累積回收厚度。分析得到雙層開(kāi)采條件下，局部區(qū)域巷洞圍巖破壞程度迅速增加，降低圍巖自穩(wěn)能力。

分層開(kāi)采條件下，對(duì)開(kāi)采威脅最大的為層間遺留煤柱能否保持完整，保護(hù)巷洞開(kāi)挖機(jī)械安全和坡體覆巖的整體穩(wěn)定性。因此，截取局部分層開(kāi)采截面，對(duì)層間遺留煤柱彈塑性狀態(tài)進(jìn)行分析。截面上3-1#煤厚度變薄，僅在東側(cè)出露區(qū)域煤層厚度較大，變薄區(qū)層間遺留煤柱完全進(jìn)入破壞狀態(tài)，若層間煤柱發(fā)生垮塌，連采機(jī)跌落，會(huì)造成停采甚至損壞設(shè)備。東側(cè)局部層間遺留煤柱厚度可達(dá)3 m，可以保持穩(wěn)定，靠近出露區(qū)的3-1#煤雖然厚度大，但由于位于自由面，煤柱承載能力降低，厚層間煤柱同樣完全進(jìn)入破壞狀態(tài)，無(wú)法保證生產(chǎn)安全。

5 結(jié)語(yǔ)

1）西側(cè)3-1#煤層較薄，層間留設(shè)煤柱完全破壞，東部3-1 煤位于出露區(qū)，自由面的存在導(dǎo)致層間留設(shè)煤柱支撐能力降低，分層開(kāi)采條件下完全進(jìn)入破壞狀態(tài)，回采過(guò)程中層間煤柱垮塌風(fēng)險(xiǎn)性高。

2）雙層開(kāi)采厚煤層分析結(jié)果顯示，分層開(kāi)采導(dǎo)致邊坡覆巖整體自穩(wěn)能力降低。

3）特厚煤層分層開(kāi)采時(shí)要加強(qiáng)對(duì)自由面附近水平隔層煤柱的支護(hù)。