高大軟巖邊坡下開采程序研究

吳多晉，趙紅澤

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學 礦業(yè)學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.中國礦業(yè)大學(北京) 資源與安全工程學院，北京 100083)

安全生產(chǎn)與資源回收始終是影響露天礦生產(chǎn)的一對矛盾，邊坡穩(wěn)定是露天礦生產(chǎn)的一個主要問題。國內(nèi)外許多研究機構和學者以邊坡穩(wěn)定為課題進行了諸多的研究和實踐，探索在不同地質(zhì)條件下開采境界的優(yōu)化，尋求資源回收與安全穩(wěn)定邊坡角之間的平衡[1]，還有一些學者針對端幫下壓煤的開采工藝探索，提出了一些先進的開采工藝和開采方法，比如端幫采煤機、高壁采煤機、螺旋鉆采煤機等開采設備進行端幫下資源回收的應用[2-4]。為了合理利用礦山生產(chǎn)系統(tǒng)，回收地下賦存的有用資源，對露天礦邊坡下壓覆資源進行回收是一項勢在必行的工作。在保證邊坡穩(wěn)定的前提下，如何將邊坡下巖土體下的資源高效采出，是目前露天礦山資源開發(fā)的一個重點。對于軟巖松散質(zhì)邊坡，其開采的安全挑戰(zhàn)更大。本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)勝利東二號露天煤礦為對象，通過研究合理的開采程序方案，達到安全高效回收邊幫滑坡體下煤炭資源的目標。

1 工程概述及滑坡影響因素

1.1 工程概述

根據(jù)初步設計，沿F68斷層與6煤頂板交線南50m處拉溝，沿煤層走向(縱向)進行拉溝，工作線傾向推進(橫向)，進行開拓降深，南幫F68斷層下盤煤層平均傾角為7.4°，下盤煤層傾角為8.2°，如圖1所示。2011年開始，該礦采場南幫不斷出現(xiàn)變形，結合邊坡地質(zhì)條件及邊坡變形實際情況，采取過一系列邊坡治理措施：內(nèi)排壓腳、清幫減重、控制開采等，2012年7月暴雨過后，雨水沿1#裂縫帶灌入南幫邊坡內(nèi)，導致1#裂縫帶內(nèi)側邊坡變形加劇，發(fā)展成大型滑坡，受地下水及大氣降雨的影響，內(nèi)排壓腳工程中的壓腳物料飽水，持續(xù)向煤溝底部滑移，致使煤溝堆積大量飽水松散物，影響煤炭生產(chǎn)接續(xù)。2#裂縫帶延展至南排土場，變形也在不斷加大，是潛在的新滑坡體邊界。由于南幫壓腳物料發(fā)生滑移，壓腳工程未取得預期的效果，且此時未見煤層底板，繼續(xù)壓腳工程會導致壓覆深部煤炭并增加二次剝離成本。

圖1 南幫滑落區(qū)影響范圍

滑坡體范圍從南幫地表1044平盤至采場912平盤，落差達132m，滑坡體東西長約800m，南北寬約500m，估算滑坡體體積為2000萬m3，滑坡前幫坡角為14°，滑坡后幫坡角為12°。原設計最終南幫到界幫坡角為25°，尚未開采至最終界，采場深部距離煤層底板還有20m，有逾1000萬t優(yōu)質(zhì)煤炭未按計劃開采出來。由于發(fā)生滑坡，導致原南幫的開拓運輸系統(tǒng)及臺階平盤道路受到破壞，運輸設備及人員不能到達南幫相關位置作業(yè)，安全作業(yè)受到嚴重威脅。此外，原半連續(xù)開采工藝帶式輸送機溝道由于南幫發(fā)生滑移變形，影響了半固定破碎站和帶式輸送系統(tǒng)的投入使用，增加了底部煤炭的運輸成本。

1.2 滑坡影響因素

1.2.1 軟弱巖層分布

南幫邊坡巖石以碎屑沉積巖為主，通過對采場南幫邊坡地質(zhì)寫實及以往勘探鉆孔資料進行整理，對組成南幫邊坡的巖層進行分類統(tǒng)計分析得出，采場南幫主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、砂巖、煤層組成，泥巖、炭質(zhì)泥巖等典型軟巖厚度比例較大，整體為軟巖邊坡。巖層呈層狀結構，巖體各向異性，巖石力學強度低，強度R≤1MPa的軟巖巖層占南幫地層的68.6%左右，巖體的完整性與穩(wěn)定性較差，物理力學指標低，抗剪強度和抗風化能力較低，易剪出弱層占邊坡出露厚度的14.6%。

1.2.2 工程地質(zhì)構造條件

采場南幫位于勝利煤田(盆地)中東部的向斜盆地之南翼，發(fā)育有NE向展布的F8等多條正斷層及一系列派生斷層，斷層橫貫全區(qū)，破壞了巖體的完整性，且F68、F8、F61斷層傾向與南幫邊坡傾向基本一致，如圖2所示。此外，節(jié)理、裂隙、層面較為發(fā)育，構造比較復雜，賦存多組順傾軟弱(夾)層，不利于邊坡的穩(wěn)定，極易產(chǎn)生順層滑坡。目前采場已揭露的F68斷層走向N20°～55°E，傾向N35～70°W，傾角57°～58°，斷距54～210m，斷層傾向與南幫走向一致，在南幫貫通東西走向。

圖2 露天礦構造綱要圖

1.2.3 水文地質(zhì)條件

受地質(zhì)構造影響，南幫地下水分布不均勻，生產(chǎn)現(xiàn)場涌水點涌水量大小不一。南幫邊坡含水層主要分布于白堊系地層中，主要為粗、中、細砂巖，大部分砂巖呈半膠結狀態(tài)，垂向成多層分布，均以與泥巖隔水層互層的形式存在，富水性弱。隔水層主要為白堊系泥巖、砂質(zhì)泥巖，呈互層分布，分布較穩(wěn)定。大氣降水是含水層的主要補給源，通過緩慢滲透的方式進行補給。由于斷層分布，斷層帶內(nèi)充填的巖性主要是泥巖及砂質(zhì)泥巖，斷層被揭露后，切斷含水層引起大量涌水。南幫滑坡體含有內(nèi)排壓腳巖土松散物料，吸水性強，在坑底堆積形成飽水滑坡松散體，低洼處匯水。

1.2.4 氣候因素

大氣降雨、融雪等增加了地下水的補給，一方面降低巖體強度，增大孔隙水壓力，使邊坡滑動面的抗滑能力降低；另一方面降水滲入，使巖土體含水量變大，增大巖土體的下滑力。

1.2.5 工程因素

露天礦采剝、爆破等環(huán)節(jié)破壞了巖體原始力學平衡狀態(tài)，使巖體內(nèi)應力場重新分布，當巖體內(nèi)作用力達到或超過巖體的極限強度，邊坡產(chǎn)生變形和位移，最終導致破壞，邊坡巖體失穩(wěn)[5]。

2 “橫采內(nèi)排-尾隨壓腳”方案

2.1 總體思路

在煤礦生產(chǎn)過程中，會遇到臺階并段靠幫、剝采失調(diào)、內(nèi)排空間受限、運距增大、煤炭接續(xù)緊張等不利條件，采用橫采內(nèi)排的開采程序優(yōu)化方案，對于傾斜、緩傾斜的煤層賦存條件，將常規(guī)的沿走向布置工作線、傾向推進，改為沿傾向布置工作線、走向推進的技術方案，將直線型的工作線改為“Π”字型工作線，沿走向方向由一端幫向另一端幫推進(如圖3所示)。可以使剝離物同水平運輸內(nèi)排，新水平開拓準備時間縮短，達到減少基建工程量、縮短運距、均衡生產(chǎn)剝采比的目的。為提高南幫邊坡穩(wěn)定性，盡可能回采南幫下部壓覆5#、6#煤，提出“橫采內(nèi)排-尾隨壓腳”的開采程序方案。

圖3 “橫采內(nèi)排-尾隨壓腳”方案“Π”型工作面示意圖

2.2 實施過程

由于目前采場西幫35#勘探線深部已見6#煤底板，同時根據(jù)初步設計，在35#勘探線位置規(guī)劃布設剝離半連續(xù)工藝系統(tǒng)的帶式輸送機出入溝溝道，因此選擇在35#勘探線的采場深部位置開始降深，可以較快形成橫采方案的初始條件，也便于布置開拓運輸系統(tǒng)，與已有的運輸系統(tǒng)銜接。“橫采內(nèi)排-尾隨壓腳”方案(以下簡稱橫采方案)首先在南幫滑體西部35#勘探線附近進行降深，向西、向北推進并降深至6#煤層底板，深部具備作業(yè)條件后，采煤工作面沿煤層傾向(平行于35#勘探線方向)布置、沿走向由西向東推進，邊清理滑體邊進行采煤作業(yè)，內(nèi)排壓腳工程尾隨采煤工作面的發(fā)展由西向東推進。橫采方案開采至37#勘探線附近位置的狀態(tài)如圖4所示。

圖4 “橫采”方案工作面推進至37#勘探線狀態(tài)圖

2.3 資源回收量計算

實施橫采方案，可以回采860萬t南幫邊坡下壓覆的煤炭資源，其中5#煤280萬t，6#煤580萬t，考慮到安全因素，37#—39#勘探線附近按18°邊坡角進行煤炭回采，與原設計的25°最終幫坡角相比，會永久壓覆部分煤炭，采場南幫東部運煤帶式輸送機出入溝的位置留設，39#勘探線采場下部也有部分煤炭資源不能回采，約有220萬t永久煤柱被壓覆。通過SURPAC軟件建立礦山地質(zhì)模型，進行計算可得實施橫采方案以后的煤炭資源回收量見表1。橫采方案實施完畢，最高排棄至▽948平盤，可初步實現(xiàn)1875萬m3的內(nèi)排量，并能實現(xiàn)露天礦的內(nèi)排作業(yè)，利于生產(chǎn)接續(xù)，推動露天礦的可持續(xù)發(fā)展。

在我國煤層傾斜賦存，長、深采場縱向開采的露天礦中，撫順西露天礦、平莊西露天礦和黑山露天礦采用橫采內(nèi)排開采方案進行礦山尾采期的資源回收，延長了煤礦的服務年限，提高資源回收率[6，7]；依蘭露天礦采用橫采內(nèi)排開采方案，解決了內(nèi)排量不足、剝采失調(diào)的問題，增大了端幫下煤炭的開采量[8]；扎哈淖爾露天礦采用橫采內(nèi)排開采程序針對變形突出的南幫邊坡進行陡幫開采設計，回收端幫下煤炭資源[9]；通過技術改造和開采程序優(yōu)化設計，這些露天礦普遍采用單斗—卡車工藝分區(qū)橫采內(nèi)排方案，不僅安全生產(chǎn)得到了保障，經(jīng)濟效益也非常顯著。

表1 橫采方案煤炭回收及損失量計算表

2.4 開采期間安全保障及評價

2.4.1 防治水工程

地下含水層涌水、大氣降雨會影響采場南幫邊坡穩(wěn)定性，南幫邊坡疏干防排水是實施采場南幫“橫采內(nèi)排-尾隨壓腳”方案的重要條件。

在采場地表修建防洪溝，減少南排土場及南幫地表降水向采場匯流，降低地下水對南幫影響，以防因受雨水浸泡，出現(xiàn)沿泥巖弱層剪出的現(xiàn)象，進而發(fā)生坍塌和小規(guī)模滑移。鋪設防洪管道，加強雨季采場坑底排水能力。采用疏干井對南幫邊坡地下水進行治理，降低含水層水位，減小邊坡變形速度。

2.4.2 邊坡監(jiān)測工程

由于南幫作業(yè)條件特殊，經(jīng)過計算的各剖面的穩(wěn)定系數(shù)較小，可以預測，在方案實施過程中，不可避免會出現(xiàn)小范圍的滑坡，因此，加強開采期間南幫邊坡的監(jiān)測是保證安全生產(chǎn)的必須途徑。加強邊坡監(jiān)測工作，采用先進的邊坡監(jiān)測設備及監(jiān)測技術有邊坡雷達監(jiān)測系統(tǒng)、GPS自動監(jiān)測系統(tǒng)及人工監(jiān)測三種監(jiān)測手段，形成南幫復合邊坡全覆蓋、全天候的監(jiān)測與預警系統(tǒng)。設置邊坡監(jiān)測軟件監(jiān)視人員，時時掌握邊坡變形動態(tài)，根據(jù)邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)編寫并發(fā)布每日監(jiān)測報告，分析邊坡變形情況，為礦山安全生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持及決策依據(jù)。

2.4.3 安全效果評價

在橫采方案實施的過程中，選用靈活性較強的中小型設備，采用單斗-卡車間斷開采工藝進行采剝作業(yè)，工作面平盤寬度保持在40m，以保證“Π”字型結構的開口尺寸保持在最小。并嚴格控制“橫采內(nèi)排-尾隨壓腳”各工序的時空關系、及時清理內(nèi)排基底弱層、加強南幫邊坡疏干防排水工作等積極的工程技術措施，增強采場南幫邊坡穩(wěn)定性[10]。

在總結分析以往邊坡變形規(guī)律及邊坡變形現(xiàn)狀基礎上，綜合考慮邊坡穩(wěn)定影響因素，開采過程的正常推進及快速跟蹤內(nèi)排壓腳是整個治理方案的關鍵環(huán)節(jié)，在加強預疏干排水工程、現(xiàn)場安全施工組織、邊坡安全監(jiān)測及預警等工作基礎上，有效降低方案實施過程中的安全風險，提高現(xiàn)場作業(yè)人員及設備的施工安全。通過開采程序方案的實施，可使南幫邊坡保持基本穩(wěn)定狀態(tài)[11-17。

3 經(jīng)濟效益分析

采場南幫邊坡滑坡使壓覆的優(yōu)質(zhì)煤炭暫無法采出，嚴重制約煤炭生產(chǎn)接續(xù)工作。通過方案的實施，需清理采場南幫底部滑體物料400萬m3；可回采南幫壓覆煤炭860萬t，有效緩解煤炭生產(chǎn)接續(xù)壓力，并實現(xiàn)1875萬m3剝離物內(nèi)排。

1)實施橫采內(nèi)排壓腳治理方案，需對采場南幫948水平以下滑體進行清理，預計滑體清理量為460萬m3，計算滑體物料清理工程成本概算為8000萬元。

2)經(jīng)估算，回采南幫壓覆煤炭860萬t，可實現(xiàn)煤炭銷售收入68800萬元(按80元/t銷售價格計算)，煤炭生產(chǎn)成本20227萬元；530萬t煤炭運至西幫2#、3#破碎站，平均運距3.5km，平均提升高度165m；350萬t煤炭運至東幫852水平破碎站，平均運距1.5km，平均提升高度15m。輸煤系統(tǒng)噸煤成本按8.5元計算，煤炭采運成本概算為20227萬元。

3)內(nèi)排壓腳工程節(jié)約成本概算。實施橫采內(nèi)排壓腳治理方案，采場內(nèi)1875萬m3剝離物料無需運往外排土場進行排棄，可就近用于內(nèi)排壓腳，將有效降低這部分剝離物料的運距及提升高度，平均可節(jié)省運距4.36km，節(jié)省提升高度180m，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本概算20812萬元。

4)實行橫采方案，可回收優(yōu)質(zhì)5#、6#煤約860萬t，按照80元/t的銷售價格，可實現(xiàn)銷售收入68800萬元。

“橫采內(nèi)排-尾隨壓腳”工程成本及利潤概算詳見表2，經(jīng)過計算，通過“橫采內(nèi)排-尾隨壓腳”方案的實施，可實現(xiàn)企業(yè)利潤概算為61385萬元。

表2 橫采方案成本及利潤概算

4 結 論

1)根據(jù)地質(zhì)報告及現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查寫實數(shù)據(jù)，從軟弱巖層分布、工程地質(zhì)構造條件、水文地質(zhì)條件、氣候因素、工程因素五個方面分析了南幫滑坡的影響因素。

2)采用“橫采內(nèi)排-尾隨壓腳”將工作線橫向布置、走向方向推進，可在礦坑局部率先出露底板，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)煤炭回收860萬t，在短期內(nèi)實現(xiàn)內(nèi)排，實現(xiàn)內(nèi)排排土量1875萬m3。

3)橫采可實現(xiàn)內(nèi)排尾隨壓腳，縮小高陡或不穩(wěn)定邊坡存在長度和時間，邊坡形狀跟隨工作線形狀由直線型邊坡變?yōu)椤唉啊毙芜吰?，提高了邊坡穩(wěn)定性，可適當增大幫坡角，在深部境界不變的情況下，減小剝離量，降低生產(chǎn)剝采比。

4) “橫采內(nèi)排-尾隨壓腳”方案實施開采過程中，通過采取中小型設備靈活作業(yè)、及時快速內(nèi)排壓腳、局部地區(qū)加固、全天候雷達和GPS監(jiān)測預警、疏干防排水等措施保障南幫橫采方案的安全生產(chǎn)。

5)經(jīng)過成本概算，實現(xiàn)內(nèi)排后，減少巖土和煤炭的運輸費用，有效降低了生產(chǎn)成本，提高露天礦的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)企業(yè)利潤概算為6億余元。