河曲露天礦陷落柱開(kāi)采可行性分析

羅 科，韓 流，張 宇，蓋林麗

(1.山西焦煤山煤國(guó)際河曲露天煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

我國(guó)露天煤礦經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在數(shù)量、規(guī)模、開(kāi)采技術(shù)等許多方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，擁有生產(chǎn)和在建的露天煤礦400余座，其中有30多座大型露天煤礦的年生產(chǎn)能力在1000萬(wàn)t/a以上[1，2]。露天開(kāi)采體量不斷增大，在我國(guó)煤炭年產(chǎn)量所占比重不斷提高，目前已經(jīng)達(dá)到20%左右[3，4]。大型露天礦山采取范圍內(nèi)容均存在規(guī)模不同的地質(zhì)構(gòu)造[5]，諸如斷層或陷落柱[6，7]，這些地質(zhì)構(gòu)造的存在不可避免地影響采剝工作面的接續(xù)，因此對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題的研究具有普遍應(yīng)用價(jià)值和廣闊應(yīng)用前景。

斷層等地質(zhì)構(gòu)造是影響邊坡安全、生產(chǎn)接續(xù)和礦山經(jīng)濟(jì)效益的重要因素，在煤礦開(kāi)采的過(guò)程中遇到斷層均需要進(jìn)行處治措施研究[8]。對(duì)于露天礦來(lái)說(shuō)，推進(jìn)方向上遇到正斷層會(huì)使得開(kāi)采深度減小、剝采比降低，對(duì)于整體的經(jīng)濟(jì)效益提高有利[9]；遇到逆斷層，則需要降段開(kāi)拓形成新的臺(tái)階，導(dǎo)致生產(chǎn)剝采比提高，降低礦山經(jīng)濟(jì)效益。為了保證斷層前后的接續(xù)良好，需要在推進(jìn)到斷層之前進(jìn)行必要的安全評(píng)價(jià)和經(jīng)濟(jì)效益分析，并規(guī)劃好斷層前后開(kāi)采程序接續(xù)[10，11]。當(dāng)斷層和破碎帶等不良構(gòu)造同時(shí)存在時(shí)，則需要更加細(xì)致具體的研究來(lái)支撐開(kāi)采方案設(shè)計(jì)。

1 河曲露天礦陷落柱評(píng)價(jià)

河曲露天礦工程地質(zhì)簡(jiǎn)單，水文地質(zhì)屬于中等型[12]，但是根據(jù)地質(zhì)勘查資料整理得，在鉆孔48#-2處存在較大面積陷落柱，底板模型如圖1所示。F1正斷層位于井田東北部邊緣[13]，走向NW，NZK-48號(hào)孔處向東北彎曲，傾向SW，傾角80°，落差20～100m，井田內(nèi)延伸長(zhǎng)度約2600m。F2正斷層位于井田東北部邊緣，走向NW，傾向NE，傾角70°，最大落差約50m，井田內(nèi)延伸長(zhǎng)度約1000m。F1和F2之間的陷落柱區(qū)域尺寸為南北走向280m，東西走向641m，由于陷落影響，煤層深度分布差異性明顯，呈現(xiàn)出南低北高、東高西低的趨勢(shì)。由于南北走向較短，陷落柱西部煤深度超過(guò)100m。

圖1 斷層和陷落柱位置

出于煤炭回收最大化目的，考慮對(duì)陷落柱內(nèi)煤層進(jìn)行開(kāi)采。F1正斷層，在推進(jìn)方向上，斷層右側(cè)的煤層抬升了15m左右，過(guò)斷層期間會(huì)出現(xiàn)原煤運(yùn)輸通道中斷、剝離內(nèi)排通道調(diào)整水平等問(wèn)題。斷層陷落柱開(kāi)采過(guò)程中需要再次降深，且降深方向線(xiàn)較陡，無(wú)法在降深臺(tái)階上內(nèi)排，在陷落柱開(kāi)采區(qū)域無(wú)法內(nèi)排，造成內(nèi)排空間在過(guò)斷層期間被壓縮。針對(duì)河曲露天礦過(guò)斷層開(kāi)采過(guò)程中遇到的技術(shù)問(wèn)題，應(yīng)進(jìn)行全面細(xì)致的研究，并形成綜合效益最佳的開(kāi)采參數(shù)和方案，實(shí)現(xiàn)過(guò)陷落柱和斷層開(kāi)采及邊坡穩(wěn)定控制技術(shù)，有利于提高經(jīng)濟(jì)和安全效益。

河曲露天礦陷落柱開(kāi)采可行性評(píng)價(jià)主要從邊坡安全和經(jīng)濟(jì)效益兩個(gè)方面進(jìn)行，陷落柱開(kāi)采性評(píng)價(jià)流程如圖2所示。通過(guò)邊坡穩(wěn)定性分析確定陷落柱周界(諸如北幫、南幫、西幫)的最大邊坡安全角度；確定開(kāi)采境界并核算平均剝采比，對(duì)比經(jīng)濟(jì)合理剝采比評(píng)價(jià)陷落柱內(nèi)部資源開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)一步優(yōu)化陷落柱開(kāi)采境界，優(yōu)選開(kāi)采方案。

圖2 陷落柱開(kāi)采性評(píng)價(jià)流程

2 陷落柱開(kāi)采區(qū)域邊坡角確定

根據(jù)地質(zhì)勘查資料在陷落柱開(kāi)采范圍，初步擬定開(kāi)采過(guò)程中確保生產(chǎn)安全的幫坡角度。選取陷落柱南北兩側(cè)及靠近端幫側(cè)做邊坡穩(wěn)定性分析，確定滿(mǎn)足開(kāi)采條件的最大邊坡安全角度，具體的剖面包括5個(gè)，其中北幫上選擇了1#和2#剖面；南幫上選擇了3#和4#剖面，5#剖面在端幫上，陷落柱開(kāi)采邊坡剖面位置如圖3所示。

圖3 陷落柱開(kāi)采邊坡剖面位置

北幫1#剖面處屬陷落柱內(nèi)煤層北側(cè)最深的位置，深度可達(dá)100m；北幫2#剖面處屬陷落柱內(nèi)北側(cè)煤層最淺位置，深度20m，通過(guò)這兩個(gè)典型位置確定北幫最大邊坡安全角度。

由于斷層及地層傾斜因素影響，陷落柱南幫南幫煤層陷落深度較小，因此開(kāi)采之后南幫邊坡高度相對(duì)較小。南幫3#剖面處屬陷落柱內(nèi)煤層南側(cè)最深的位置，深度可達(dá)50m；南幫4#剖面處屬陷落柱內(nèi)南側(cè)煤層最淺位置，深度20m左右。

陷落柱開(kāi)采過(guò)程中西幫邊坡緊靠原始西端幫，會(huì)逐步形成復(fù)合邊坡(5#剖面的位置)，復(fù)合邊坡高度在130m以上，且涉及巖層較多，其中煤層強(qiáng)度較弱，開(kāi)采之后端幫邊坡會(huì)造成部分壓煤，在一定程度上限制西幫邊坡角度。

整個(gè)陷落柱區(qū)域及西幫復(fù)合邊坡所涉及的地層巖性包括泥巖、煤、石灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、砂巖這5種巖性，其對(duì)應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 斷層及陷落柱開(kāi)采區(qū)域地層巖性

陷落柱開(kāi)采范圍約為1.8km2區(qū)域，預(yù)計(jì)開(kāi)采年限不足一年，回填較為及時(shí)，因此設(shè)計(jì)開(kāi)采陷落柱區(qū)域的北幫、南幫及端幫邊坡統(tǒng)一按照非工作幫邊坡，服務(wù)年限小于10a的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，穩(wěn)定系數(shù)需介于1.1～1.2。根據(jù)陷落柱區(qū)域所選擇的剖面，建立模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到5個(gè)剖面滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求的邊坡角度，代表性分析結(jié)果如圖4所示。

陷落柱區(qū)域端幫邊坡安全評(píng)價(jià)及角度見(jiàn)表2，北幫1#剖面、2#剖面高度差別較大，邊坡角41°時(shí)，1#剖面穩(wěn)定系數(shù)為1.137，2#剖面為1.218，滿(mǎn)足中長(zhǎng)期邊坡長(zhǎng)期安全要求，因此，選定北幫邊坡角度為41°；按照同樣的原則，根據(jù)南幫3#和4#剖面穩(wěn)定性分析結(jié)果，確定南幫邊坡角為43°；根據(jù)西幫復(fù)合邊坡5#剖面穩(wěn)定性分析結(jié)果，確定西幫復(fù)合邊坡整體角度為30°。

3 陷落柱開(kāi)采境界確定及經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 陷落柱開(kāi)采境界確定

通過(guò)確定技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的開(kāi)采范圍從而來(lái)確定陷落區(qū)開(kāi)采境界。露天開(kāi)采深度、底部境界及邊坡角等參數(shù)組成陷落柱開(kāi)采境界。開(kāi)采境界是通過(guò)平均剝采比或生產(chǎn)剝采比不大于經(jīng)濟(jì)合理剝采比來(lái)進(jìn)行核定的。河曲露天礦的經(jīng)濟(jì)合理剝采比以煤炭?jī)r(jià)格為依據(jù)進(jìn)行確定，計(jì)算公式為：

式中，NJ為露天開(kāi)采經(jīng)濟(jì)合理剝采比，m3/t；P為原煤售價(jià)，取152元/t；a為露天開(kāi)采將剝離費(fèi)用以外的一切費(fèi)用(包括償還投資、納稅、付息及管理費(fèi)等)扣除后的費(fèi)用，取85元/t；b為露天開(kāi)采剝離單價(jià)，取10.8元/m3。

按式(1)計(jì)算得：NJ=6.2m3/t。由NJ數(shù)值可見(jiàn)，如果從目前實(shí)際煤價(jià)考慮，露天開(kāi)采經(jīng)濟(jì)合理剝采比可以達(dá)到6.2m3/t。通過(guò)經(jīng)濟(jì)合理剝采比分析，從資源回收、企業(yè)盈利和煤價(jià)上漲的趨勢(shì)考慮，設(shè)計(jì)確定以經(jīng)濟(jì)剝采比6.2m3/t圈定境界。

經(jīng)邊坡穩(wěn)定計(jì)算并考慮運(yùn)輸平盤(pán)等布置要求，確定陷落柱區(qū)域北幫邊坡角為41°，南幫邊坡角43°，端幫運(yùn)輸?shù)缆返膹?fù)合邊坡角度為30°。確定露天礦的開(kāi)采境界先確定陷落柱頂部的開(kāi)采境界大小，然后按照各位置的最大邊坡角推至底部，進(jìn)而確定整體的開(kāi)采境界。

3.2 陷落柱開(kāi)采方案設(shè)計(jì)

根據(jù)陷落柱的賦存形態(tài)，提出3種開(kāi)采方案。①方案1：陷落柱內(nèi)資源全部開(kāi)采，如圖5(a)所示。依據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析確定的最大邊坡安全角度，從陷落柱內(nèi)13#煤底板的邊界反推最大安全角度至采坑內(nèi)的底板處，將資源全部開(kāi)采出，確定出初始的破底板位置，計(jì)算剝采比。②方案2：陷落柱資源部分開(kāi)采，如圖5(b)所示。依據(jù)邊坡穩(wěn)定性分析確定的最大邊坡安全角度，從陷落柱上邊界推至13#煤底板，只能將部分資源采出，確定出陷落柱內(nèi)最終采煤終止位置，計(jì)算剝采比。③方案3：不開(kāi)采陷落柱，如圖5(c)所示。不開(kāi)采陷落柱則可減少剝離量，在陷落柱頂部留平臺(tái)。按照平臺(tái)的穩(wěn)定性確定平臺(tái)形態(tài)，計(jì)算平臺(tái)內(nèi)的資源儲(chǔ)量及巖石剝離量。以平臺(tái)開(kāi)采為前提條件，重新計(jì)算方案1和方案2的生產(chǎn)剝采比。

圖5 陷落柱開(kāi)采方案設(shè)計(jì)方案

方案1為最大開(kāi)采范圍，方案2為最小開(kāi)采范圍，開(kāi)采的范圍通過(guò)兩種方案的生產(chǎn)剝采比與經(jīng)濟(jì)合理剝采比的比較進(jìn)行確定，進(jìn)一步優(yōu)選出二者之間的最優(yōu)開(kāi)采位置。方案3為丟棄陷落柱內(nèi)資源的情況下，能減少的最大剝離量，即留平臺(tái)的最大量。

3.3 方案確定

通過(guò)三種方案的剝采比與經(jīng)濟(jì)合理剝采比的比較，綜合考慮多因素確定最終方案。

不考慮陷落柱頂板上部的剝離量的情況下，各方案剝離量及儲(chǔ)量比較，方案1的平均剝采比為2.51m3/t、方案2的平均剝采比為2.37m3/t；方案3的平均剝采比為4.02m3/t，三種方案剝采比的變化表明，根據(jù)方案三的設(shè)計(jì)，留設(shè)平臺(tái)后，雖然減少了剝離量，但減少的剝離成本遠(yuǎn)小于開(kāi)采的資源儲(chǔ)量獲取的利益，所以陷落柱內(nèi)的資源仍然是可采的，三個(gè)方案的剝采比均小于經(jīng)濟(jì)合理剝采比6.2m3/t，方案1可以最大化的開(kāi)采出陷落柱內(nèi)賦存的煤炭資源，由于方案1和方案2的剝采比較為接近，在此情況下，盡可能的多開(kāi)采資源，才能實(shí)現(xiàn)利益最大化，方案1開(kāi)采資源量多于方案2，方案1能最大程度的利用陷落柱中資源，實(shí)現(xiàn)利益最大化。從各方案的剝采比和經(jīng)濟(jì)效益兩方面考慮，確定方案1為陷落柱最終開(kāi)采境界。頂部開(kāi)采境界位置如圖6所示。

圖6 陷落柱開(kāi)采境界

4 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)河曲露天礦的工程地質(zhì)條件的分析，明確了F1和F2正斷層的組合切割作用在采場(chǎng)西幫附近形成了一個(gè)南北長(zhǎng)280m、東西長(zhǎng)641m，南低北高、東高西低的陷落柱，最大陷落深度超過(guò)百米。

2)在陷落柱北幫、南幫和西幫共選擇5個(gè)剖面，穩(wěn)定性分析得到滿(mǎn)足安全要求的邊坡角分別為：北幫41°，南幫43°，西幫30°。

3)依照河曲露天礦的煤炭?jī)r(jià)格，計(jì)算得出該礦山的經(jīng)濟(jì)合理剝采比為6.2m3/t。按照穩(wěn)定性分析確定的邊坡角，提出了陷落柱內(nèi)資源全部開(kāi)采、部分開(kāi)采、不開(kāi)采三種方案，通過(guò)煤巖量統(tǒng)計(jì)分析，得到三種方案的剝采比為2.51m3/t、2.37m3/t和4.02m3/t，均小于經(jīng)濟(jì)合理剝采比。相較于其他兩個(gè)方案，方案1能使經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大化。