朝陽露天煤礦橫采內(nèi)排工藝

李守亮

（國能寶清煤電化有限公司 朝陽露天煤礦，黑龍江 寶清 155600）

露天煤礦一般在開采境界內(nèi)選擇煤層埋藏較淺、剝采比小的位置優(yōu)先開采，同時(shí)采用走向開采、傾向推進(jìn)方式作業(yè)。朝陽露天煤礦初步設(shè)計(jì)同樣遵循以上原則，但是煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，且存在輸水半徑小、滲透性差、地下水疏而不干的特點(diǎn)，給煤礦邊坡穩(wěn)定、采剝生產(chǎn)造成較大影響。朝陽露天煤礦于2013—2016 年之間在采場非工作幫發(fā)生了3 次大面積滑坡，雖然后期治理起到了一定效果，但隨著采剝接續(xù)，邊坡仍然存在位移風(fēng)險(xiǎn)。需采用傾向開采、走向推進(jìn)的方式，并在內(nèi)排土場采用有效的排水措施，保持內(nèi)排土場物料與地下水分離，形成有序的排水系統(tǒng)，保障露天煤礦的采剝接續(xù)。

1 礦山概況

朝陽露天煤礦位于三江平原南部，地形平坦，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，夏季炎熱而短暫，冬季寒冷而漫長，春秋2 季多風(fēng)，夏秋2 季多雨。水文地質(zhì)勘查類型屬一類三型（即孔隙充水礦床，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，難于疏干的礦床）。邊坡勘查類型，屬一類二型（松散軟巖類），各巖層的滲透性能差別較大，含水層不易疏干，泥巖遇水極易軟化變形。剝離物勘查類型，屬一類松散巖層及軟巖類，多為微膠結(jié)的泥巖和砂巖，抗壓強(qiáng)度一般小于1 MPa[1]。根據(jù)巖性將本區(qū)自上而下分為上部、中部、下部3 個(gè)含水層。上部含水層底板埋藏深度一般20～30 m，平均厚度10.8 m。中部含水層底板埋藏深度29～103 m，平均60 m；10＃煤層底板以下為下部含水層，與煤層底板間隔水層分布不均勻，局部有“天窗”。煤礦開采境界面積76.8 km2，儲量871.71 Mt，設(shè)計(jì)規(guī)模11 Mt/a，可采煤層1 層（10＃煤層），煤層底板南高北低、西高東低。煤礦于2009 年7 月份開工建設(shè)，2022 年計(jì)劃產(chǎn)能600萬t。已形成地表境界東西長1 850 m，南北最大寬1 650 m 的采場。外排土場位于采場東側(cè)，占地面積126.7 hm2，設(shè)計(jì)容量4 300 萬m3，已全部排滿。剝離采用液壓反鏟－自卸卡車間斷開采工藝，采煤采用液壓反鏟－自卸卡車－地表半固定破碎站－帶式輸送機(jī)半連續(xù)開采工藝[2]。

2 橫采內(nèi)排工藝適用性

2.1 地質(zhì)條件

由于煤礦剝離物、邊坡屬松散軟巖類，抗壓強(qiáng)度一般小于1 MPa，同時(shí)為孔隙充水礦床，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，難于疏干，導(dǎo)致煤礦采剝工程受地質(zhì)條件影響較大：①內(nèi)排土場受含水層及本身巖層性質(zhì)影響，邊坡穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致采煤工作面與內(nèi)排土場的安全距離不足50 m（不符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求），且內(nèi)排土場邊坡角無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求（設(shè)計(jì)16°，實(shí)際約為7°），致使內(nèi)排空間不足，影響采剝接續(xù)；②采場內(nèi)部受上部、中部含水層、承壓水和內(nèi)排土場邊坡位移影響，排水系統(tǒng)布置困難。

2.2 采排場及排水系統(tǒng)

1）采場現(xiàn)狀。目前采場北幫已形成8 個(gè)剝離臺階（＋78、＋70、＋60、+50、+40、+30、+20）和2 個(gè)采煤臺階（＋10、±0），最大采深80 m，東西地表境界1 850 m，南北地表境界1 650 m。

2）排土場現(xiàn)狀。設(shè)計(jì)外排土場位于采場東側(cè)，排土容量4 300 萬m3，臺階高度15 m，7 個(gè)排土臺階（＋90、＋105、＋120、＋135、＋150、＋165、＋180）組成，總排棄高度105 m，已于2021 年排滿。受內(nèi)排土場邊坡位移的影響，導(dǎo)致排土空間不足，經(jīng)批準(zhǔn)在北幫地表新增2 個(gè)臨時(shí)排土場，其中北1＃臨時(shí)排土場設(shè)計(jì)容量500 萬m3、北2＃臨時(shí)排土場設(shè)計(jì)容量1 900萬m3，用于滿足采剝接續(xù)需求，同時(shí)加速開展外排土場征地工作，待取得批復(fù)后將2 個(gè)臨時(shí)排土場排棄物倒運(yùn)至新批復(fù)的外排土場。內(nèi)排土場（南幫）邊坡滑移主要呈現(xiàn)為自南向北移動，東西向不存在滑移現(xiàn)象，且內(nèi)排土場與采煤工作面已接壤。東西端幫、工作幫（北幫）相對穩(wěn)定，不存在位移現(xiàn)象。

3）采場排水系統(tǒng)。受內(nèi)排土場位移影響，采場排水分為采場西區(qū)排水系統(tǒng)和采場東區(qū)排水系統(tǒng)[3]。西區(qū)排水系統(tǒng)泵房設(shè)置在采場西側(cè)＋30 m 平盤，集水坑位于＋20 m 水平，通過西端幫排水管路排出采場，＋20 m 水平以下積水由采剝隊(duì)伍設(shè)置臨時(shí)水泵排至＋20 m 積水坑內(nèi)。東區(qū)排水系統(tǒng)泵房設(shè)置在＋8 m 水平平盤，集水坑位于±0 m 水平，通過東端幫排水管路排出采場，±0 m 水平以下積水由采剝隊(duì)伍設(shè)置臨時(shí)水泵排至±0 m 積水坑內(nèi)。

2.3 邊坡滑移主要原因

1）地下水的影響。由于土壤導(dǎo)水性差，群井疏干無法做到無滲漏，2 個(gè)含水層滲漏水分進(jìn)入內(nèi)排土場后導(dǎo)致內(nèi)排物料承載力下降、失穩(wěn)，下部含水層承壓且與煤層底板之間有“天窗”，當(dāng)承壓水通過天窗進(jìn)入內(nèi)排土場后降低承載力，導(dǎo)致邊坡無法達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)，形成失穩(wěn)現(xiàn)象[4]。

2）底板賦存條件影響。由于煤層底板西高東低、南高北低，南幫內(nèi)排土場形成后，在重力作用下具有向北滑移傾向，再加地下水侵入，加大滑移速度[5]。

3 橫采內(nèi)排工藝

3.1 采場中部橫采

采場中部橫采設(shè)計(jì)示意圖如圖1。

圖1 采場中部橫采設(shè)計(jì)示意圖

由于南幫（內(nèi)排土場）長期存在向北位移現(xiàn)象，需采用人為干預(yù)措施阻止位移，參照中國礦業(yè)大學(xué)（北京）提出的滑坡治理[6]思路，優(yōu)先在采場中部向北短工作線拉溝剝離推進(jìn)130 m，利用兩側(cè)未剝離的原始物料頂住南幫滑體，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)踐證明，該方案有效且達(dá)到了預(yù)計(jì)目標(biāo)[7]。

3.2 東端幫橫采

為徹底解決南幫邊坡位移影響剝離作業(yè)的問題，參照中部橫采經(jīng)驗(yàn)，在東端幫進(jìn)行橫采拉溝，實(shí)現(xiàn)原煤開采的同時(shí)進(jìn)行采區(qū)轉(zhuǎn)向，并提前開展東端幫內(nèi)排，緩解內(nèi)排空間緊張問題：①停止內(nèi)排作業(yè)，減緩南幫位移速度；②在安全的前提下，減小平盤寬度，加大工作幫坡角，降低生產(chǎn)剝采比，滿足內(nèi)供電廠發(fā)電及外銷市場用煤需要；③快速在采場東端幫向北重新拉溝作業(yè)，將剝離物排至北部2 個(gè)臨時(shí)排土場，完畢后進(jìn)行橫向采煤作業(yè)，將工作線推進(jìn)方向改為自東向西推進(jìn)，當(dāng)安全距離滿足50 m 時(shí)[8]，實(shí)現(xiàn)東端幫內(nèi)排，解決南幫位移影響采煤作業(yè)的問題。

經(jīng)計(jì)算，東端幫橫采剝離量約為800 萬m3，露煤量約為30 萬t，可形成南北長約290 m、東西寬50 m 的采煤工作面，按每天8 組設(shè)備計(jì)算，總工期約6 個(gè)月。同時(shí)北部賦存F5正斷層（斷距約12 m），可利用天然壩體優(yōu)勢阻攔南幫位移，提高排土容量。

3.3 采煤及排土組織

由于露天礦重新拉溝剝離量大、露煤少，需采用采場西區(qū)、東區(qū)交替保供的方式采煤，以滿足接續(xù)需要。當(dāng)拉溝完成后，生產(chǎn)剝采比大幅度降低，再優(yōu)先開采F5斷層以南的煤炭資源，解決工作面轉(zhuǎn)向和接續(xù)矛盾問題。

東端幫橫采和接續(xù)剝離所產(chǎn)生的排土量全部排至北部（推進(jìn)幫）2 個(gè)臨時(shí)排土場，當(dāng)東端幫橫采推進(jìn)超過100 m 以后，可在保證采場底部安全距離的前提下開展自東向西內(nèi)排工作，最大限度地挖潛內(nèi)排空間。

3.4 采場排水系統(tǒng)

受南幫位移影響，采場西區(qū)積水已無法自行流淌至東區(qū)，為此，采用采場綜合排水解決排水問題。

1）采場東區(qū)。在采場東區(qū)底部境界線以東，底板－20 m 水平（橫采拉溝位置）新建集水坑，并設(shè)置排水系統(tǒng)，利用原始東端幫邊坡穩(wěn)定的特點(diǎn)保持集水坑穩(wěn)定，增加系統(tǒng)的服務(wù)周期[9]。在東端幫含水層涌水臺階位置鋪設(shè)土工膜（防水作用），坡底線位置施工盲溝、花管并蓋在土工膜下部，使后續(xù)排棄物料與原始邊幫涌出的地下水進(jìn)行物理分離，保持內(nèi)排土場的穩(wěn)定性。

2）采場西區(qū)。在采場西區(qū)東側(cè)底板－10 m 水平新建西區(qū)集水坑，并設(shè)置排水系統(tǒng)，分擔(dān)東區(qū)集水坑壓力，提高采場排水系統(tǒng)穩(wěn)定性，增強(qiáng)防洪、抗災(zāi)能力[10]。西區(qū)集水坑平面示意圖如圖2。

圖2 西區(qū)集水坑平面示意圖

3）導(dǎo)水盲溝。根據(jù)流水路線和采場現(xiàn)狀，合理規(guī)劃導(dǎo)水盲溝位置及參數(shù)，盲溝頂部鋪設(shè)草簾子，防止剝離物料滲入毛石縫隙，保持盲溝導(dǎo)水效果，部分盲溝頂部鋪設(shè)連續(xù)排水花路（管路直徑根據(jù)流量確定），確保滿足流水需要。

4）平盤排水溝。合理規(guī)劃采場各平盤排水溝及順?biāo)露?，保持采場?nèi)部有序排水，最終實(shí)現(xiàn)采場排水順暢[11]。

4 橫采內(nèi)排工藝應(yīng)用效果

1）東端幫排土。利用現(xiàn)有東端幫穩(wěn)定邊坡優(yōu)勢，并在涌水臺階位置鋪設(shè)土工膜、設(shè)置盲溝、花管，增加排土空間。工作面轉(zhuǎn)向后，排土方向自東向西，實(shí)現(xiàn)由低處向高處排土，同時(shí)內(nèi)排土場3 個(gè)方向（南、東、北）均為固定幫，內(nèi)排土場邊坡下滑力主要作用在東端幫上，因此不會對內(nèi)排土場前緣邊坡造成滑移。同時(shí)在北側(cè)還有F5斷層，將煤層底板抬升12～14 m，更利于內(nèi)排穩(wěn)定，增加排土空間。

2）內(nèi)外排土場合并，增加排土空間。橫向采煤施工完成，實(shí)現(xiàn)自東向西排土后，在邊坡穩(wěn)定的前提下，將東外排土場與內(nèi)排土場合并，以緩解排土空間緊張局面。

3）利于采煤工作面排水。工作面轉(zhuǎn)向后，采煤自東向西，實(shí)現(xiàn)由俯采變仰采，屆時(shí)工作面排水問題將會通過毛石倒水盲溝自流方式解決，煤層中水分將會降低，同時(shí)由于采煤工作面不受內(nèi)排土場邊坡影響，采煤效率和煤質(zhì)也將會大大提升，回收率大幅提高。

4）有效發(fā)揮毛石導(dǎo)水盲溝作用。在3 個(gè)固定幫（南、東、北）作用下，自東向西實(shí)現(xiàn)南北向同標(biāo)高排土，南北向不再有下滑力作用，因此煤層底板不會再發(fā)生滑移，導(dǎo)水盲溝作用可得到有效發(fā)揮。

5）有利于非工作幫邊坡穩(wěn)定。通過東端幫自南向北橫采施工，F(xiàn)5斷層很快將會揭露，F(xiàn)5斷層使煤層底板抬升約12～14 m，將會起到天然抗滑壩作用，阻止非工作幫前端邊坡向北滑移。

5 結(jié)語

朝陽露天礦采用橫采內(nèi)排使采場東側(cè)超前向北推進(jìn)290 m，利用F5斷層使煤層提升約15 m 的天然優(yōu)勢，作為阻攔內(nèi)排土場邊坡滑移的天然抗滑壩，實(shí)現(xiàn)了采場南北推進(jìn)向東西推進(jìn)的轉(zhuǎn)向。同時(shí)在東端幫東側(cè)新建集水坑，并與毛石盲溝有效結(jié)合，鋪設(shè)土工膜，布置導(dǎo)水盲溝、花管，將內(nèi)排土場物料與地下涌水分離，實(shí)現(xiàn)了采場有序排水，提高了內(nèi)排土場邊坡的穩(wěn)定性。超前實(shí)現(xiàn)東端幫內(nèi)排，挖潛了有效的內(nèi)排空間，為采剝接續(xù)創(chuàng)造了良好的條件。