石頭梅露天煤礦非工作幫煤炭資源開采實踐

劉興學，李 陽，崔志偉，哈斯特爾，阿爾帕提江，張小冬

（新疆能源（集團）有限責任公司 哈密分公司，新疆 哈密 839000）

石頭梅一號露天煤礦地表境界面積27.47 km2，設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模5.0 Mt/a，服務(wù)年限187.2 年。剝離采用單斗-卡車開采工藝，采煤工藝為單斗-卡車＋半移動破碎站半連續(xù)工藝。煤礦建設(shè)期，首采區(qū)南側(cè)非工作幫出現(xiàn)掛幫煤，依據(jù)采場補充勘查成果確定了掛幫煤范圍?？紤]掛幫煤長期暴露氧化將會引發(fā)煤炭自燃火災(zāi)事故，進而影響邊坡穩(wěn)定，甚至導致邊坡片幫、坍塌、滑坡等事故[1-2]。在開采初期進行非工作幫邊坡穩(wěn)定性分析，設(shè)計非工作幫邊坡角24°，在確保安全的條件下，進行＋750 m 水平以上臺階削幫并回采掛幫煤。后期隨著采剝工程逐步推進，把＋750 m 水平以下原設(shè)計位置的掛幫煤開采納入月度采剝計劃，在采剝作業(yè)的同時開采掛幫煤，并釋放出內(nèi)排空間，當具備內(nèi)排條件及時進行內(nèi)排壓幫。從而實現(xiàn)回采非工作幫掛幫煤炭資源的同時，增強邊坡穩(wěn)定性，消除煤炭自燃安全隱患，提高煤礦安全經(jīng)濟效益。

1 工程地質(zhì)概況

石頭梅一號露天煤礦首采區(qū)非工作幫邊坡上部為第四系松散層和新近系地層，為水平或近水平地層。邊坡下部為侏羅系地層，邊坡傾向與地層傾向一致，為順層邊幫。揭露煤層、地層與原勘查報告差異較大，勘查報告傾角為30°～45°，實際傾角為30°～90°，甚至局部存在倒轉(zhuǎn)。非工作幫邊坡屬于巖質(zhì)結(jié)構(gòu)邊坡，巖石類型以層狀的泥巖、粉砂巖、砂巖、砂礫巖和煤層為主。整體為層狀順向結(jié)構(gòu)，自東向西巖層傾角逐漸變陡（傾角自東向西為32°～51°），巖體軟弱相間，存在宏觀的軟弱結(jié)構(gòu)面，東側(cè)變形破壞模式主要以層狀滑塌為主，西側(cè)以傾倒式變形為主。邊坡物質(zhì)組成復(fù)雜、結(jié)構(gòu)分布的不規(guī)則。

首采區(qū)非工作幫地表標高＋820 m，深部標高＋765 m，垂直深度約55 m，首采區(qū)露煤標高＋785 m，采場非工作幫東南、西南側(cè)到界＋770 平盤局部形成了煤臺階。隨采剝施工繼續(xù)推進，采場深部標高＋720 m，垂直深度約100 m，采煤工作面標高＋730 m，采場非工作幫東南側(cè)＋770～＋750 平盤局部形成了煤臺階，西南側(cè)＋770～＋730 平盤局部形成了煤臺階，非工作幫存在掛幫煤現(xiàn)象，同時采場非工作幫上部臺階出現(xiàn)不同程度的裂隙發(fā)育與沉降。

遵照DZ/T 0215—2002 煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范要求，充分利用已有勘查工程，以首采區(qū)剝離出的煤層露頭為基準，向東以70～140 m 間距新布設(shè)勘查線7 條。以淺部煤層露頭線為準，自南向北依次布設(shè)鉆孔，對煤層露頭及等高線進行加密控制。在原601線、L1、L2線剖面上淺部布設(shè)5 個鉆孔，對淺部煤層露頭進行控制。詳細查明勘查區(qū)內(nèi)地層、構(gòu)造、煤層、煤質(zhì)、工程地質(zhì)條件等特征?？辈閰^(qū)內(nèi)煤層露頭已揭露，采用鉆探、測井、樣品采集與測試等。通過采坑揭露情況及已施工鉆孔成果研究分析，通過采場揭露現(xiàn)狀及補充勘查研究分析，延地層傾向煤層露頭較陡深部較緩。599 線淺部煤層露頭南傾，呈倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，沿地層走向，由西向東地層由倒轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷ⅲ饾u回歸正常。勘查區(qū)控制9－1 號煤層厚度有一定的變化，但規(guī)律性較明顯，煤層穩(wěn)定程度確定為較穩(wěn)定型。

2 影響因素及技術(shù)措施

2.1 開采邊坡角

沿采場非工作幫邊坡選擇5 條剖面來進行邊坡穩(wěn)定性的分析計算。根據(jù)調(diào)查分析，采場非工作幫邊坡最可能的破壞方式主要有2 種：①沿著泥巖發(fā)生整體破壞，將該潛在破壞面定為推測泥巖滑面進行穩(wěn)定性計算；②邊坡下部結(jié)構(gòu)面發(fā)生的局部破壞。通過將外部CAD 軟件中的模型圖導入Udec 軟件進行建模。數(shù)值模擬的模型選用1－1’、3－3’、5－5’、7－7’及9－9’工程地質(zhì)剖面圖，分別建立開挖前和開挖后的模型。數(shù)值模擬中的節(jié)理裂隙采用“Jset”命令來生成。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)值模擬工程地質(zhì)剖面計算結(jié)果及分析，隨采場深度逐漸增加，采場邊坡的穩(wěn)定性逐步降低，其中采場非工作幫東側(cè)掛幫煤體易發(fā)生沿結(jié)構(gòu)面切割的楔形體滑動，非工作幫西側(cè)掛幫煤體上方巖體易發(fā)生局部傾倒變形[3]。

根據(jù)補充勘探成果，結(jié)合采場實際揭露情況，經(jīng)大量試算，選取3－3’工程地質(zhì)剖面圖，建立坡度為19°～24°的模型。選取7－7’工程地質(zhì)剖面圖，建立非工作幫邊坡坡度模型，進行數(shù)值模擬研究，非工作幫整體邊坡角以露天礦深部境界為界向上反形成邊坡角24°，邊坡安全系數(shù)為1.24～1.44，邊坡穩(wěn)定性較好。可最大限度回采掛幫煤炭資源，剝采比遠小于經(jīng)濟合理剝采比。

2.2 開采范圍

采用3Dmine 軟件依據(jù)已探明的煤層頂?shù)装褰⑹撞蓞^(qū)煤層模型，建立非工作幫原設(shè)計模型、非工作幫掛幫煤開采后設(shè)計模型和非工作幫內(nèi)排壓幫后設(shè)計模型[4]。非工作幫掛幫煤開采前后對照剖面如圖1。

圖1 非工作幫掛幫煤開采前后對照剖面

＋710 臺階上部為設(shè)計采剝位置，＋710、＋680 臺階為設(shè)計采剝后內(nèi)排剝離物形成的壓幫臺階。采場非工作幫地表至＋750 m 水平為削幫減重區(qū)域，＋710、＋680 臺階為內(nèi)排壓幫區(qū)域。

計算得：削幫工程量111 萬m3；可開采煤量35萬t；內(nèi)排壓幫工程量130 萬m3；剝采比3.2 m/t，小于本礦經(jīng)濟合理剝采比8.5 m/t。

2.3 削幫減重

采場非工作幫邊坡屬于巖質(zhì)結(jié)構(gòu)邊坡，巖石類型以層狀的泥巖、粉砂巖、砂巖、砂礫巖和煤層為主。整體為層狀順向結(jié)構(gòu)，自東向西巖層傾角逐漸變陡，局部巖層傾角達到90°甚至存在倒轉(zhuǎn)。巖體軟弱相間，存在宏觀的軟弱結(jié)構(gòu)面，東側(cè)變形破壞模式主要以層狀滑塌為主；西側(cè)以傾倒式變形為主。邊坡物質(zhì)組成復(fù)雜、結(jié)構(gòu)分布的不規(guī)則，非工作幫邊坡易發(fā)生變形滑坡[5-6]。因采場非工作幫削幫作業(yè)空間有限，為確保邊坡的穩(wěn)定，需加快削幫作業(yè)速度，將削幫工程劃分為3 個作業(yè)區(qū)：①第1 作業(yè)區(qū)從采場東南角地表由東向西剝離推進，承擔地表～＋800 m 水平以上巖層采裝，外運至外排土場；②第2 作業(yè)區(qū)從非工作幫＋770 平盤中部向東剝離推進，與第1 作業(yè)區(qū)同時開工，承擔＋770～＋750 m 水平以上巖層采裝，外運至外排土場，同時回采＋770～＋750 m 水平邊坡掛幫煤；③第3 作業(yè)區(qū)從東幫＋800 平盤剝離推進，在第1作業(yè)區(qū)向西推進150 m 時，第3 作業(yè)區(qū)開始作業(yè)，承擔＋800～＋770 m 水平以上巖層采裝，剝離物外運至外排土場。

2.4 回采掛幫煤

根據(jù)石頭梅首采區(qū)非工作幫煤層賦存特征、采場現(xiàn)狀、開采工藝及邊坡穩(wěn)定性，綜合分析將非工作幫掛幫煤炭資源回采劃分為2 個區(qū)[7]：①＋750 m 水平以上掛幫煤回采，在削幫減重采裝巖層的同時回采掛幫煤體；②＋750 m 水平以下掛幫煤開采，在編制月度采剝計劃時，把＋750 m 水平以下原設(shè)計位置的掛幫煤開采納入月度采剝計劃，在后期采剝作業(yè)同時完成＋750 m 水平以下掛幫煤的開采。

2.5 內(nèi)排壓幫

隨著采剝工程的不斷推進，釋放出內(nèi)排空間，當具備局部內(nèi)排空間條件時，及時進行內(nèi)排壓幫，可以增強邊坡的穩(wěn)定性[8]。內(nèi)排壓幫作業(yè)劃分為2 階段：①第1 階段內(nèi)排壓幫：隨著采剝工程不斷降深，當＋710～＋680 m 水平具備局部內(nèi)排空間時，及時進行內(nèi)排壓幫作業(yè)；②第2 階段內(nèi)排壓幫：采剝工程繼續(xù)降深，當＋680～＋650 m 水平具備局部內(nèi)排空間時，及時進行內(nèi)排壓幫作業(yè)。露天煤礦隨著采剝持續(xù)推進，提前組織內(nèi)排剝離物，可縮短剝離運輸距離，節(jié)約投資成本的同時，提高非工作幫邊坡的穩(wěn)定性。

2.6 安全技術(shù)措施

方案實施過程中還應(yīng)注意采取相應(yīng)的安全措施：①加強作業(yè)人員邊坡安全教育，提升安全意識；②控制合理的邊坡角，根據(jù)邊坡穩(wěn)定性研究分析來留設(shè)最終邊坡角；③完善采場的防排水系統(tǒng)，做好疏干排水工程，防止積水浸泡邊坡巖體；④對于有可能發(fā)生滑動的地段，應(yīng)及時設(shè)置安全警戒線，并采取有效的控制措施消除危害，避免造成重大損失；⑤施工中對堅硬巖層采用免爆設(shè)備松動，不采用松動爆破；⑥降低動載荷，采用限速的辦法，減少工程設(shè)備及車輛對邊坡的擾動；⑦對釋放出的內(nèi)排空間及時內(nèi)排壓幫，加強安全監(jiān)督檢查，確保作業(yè)安全；⑧對采場非工作幫作業(yè)區(qū)采用GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)[9]、邊坡雷達監(jiān)測系統(tǒng)和深部位移監(jiān)測系統(tǒng)三重位移監(jiān)測系統(tǒng)加強監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析，并配專人觀察邊坡穩(wěn)定情況，如有臺階松動、坍塌等前兆，立即停止作業(yè)，撤離人員和設(shè)備，并向礦調(diào)度上報。

3 安全經(jīng)濟效益

1）消除安全隱患。開采非工作幫掛幫煤，從源頭消除掛幫煤長時間暴露氧化，導致溫度升高而發(fā)生煤炭自燃火災(zāi)事故。同時，避免了煤炭燃燒引起邊坡滑坡事故的發(fā)生，確保非工作幫邊坡的穩(wěn)定。

2）經(jīng)濟效益。經(jīng)計算，非工作幫掛幫煤開采需剝離土石方量111 萬m3，可回采煤量35 萬t[10]，平均剝采比3.2 m/t，小于本礦經(jīng)濟合理剝采比8.5 m/t，實現(xiàn)內(nèi)排剝離物130 萬m3。剝離費用1 650 萬元，采煤費用360 萬元，內(nèi)排剝離物節(jié)省費用50 萬元，采煤收益15 750 萬元，預(yù)計可產(chǎn)生收益13 790 萬元。

4 結(jié)語

在露天煤礦開采中，通過研究分析非工作幫安全經(jīng)濟邊坡角，對非工作幫掛幫煤炭資源進行回采，可消除邊坡掛幫煤炭自燃的火災(zāi)事故隱患、增強邊坡穩(wěn)定性、提高煤炭資源回采率、降低投資成本、提高安全經(jīng)濟效益。