安太堡露天礦邊幫壓煤回收技術(shù)

劉俊昌

（中煤平朔集團有限公司，山西 朔州 036006）

露天開采過程中普遍存在邊幫遺存“呆滯煤”問題[1]，致使大量煤炭資源被浪費。隨著以邊幫采煤機為主要開采設(shè)備的邊幫開采工藝系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展[2]，尤其是近年國內(nèi)邊幫采煤機制造業(yè)的逐步發(fā)展[3]，使邊幫采煤機回收露天礦邊幫滯留煤成為必然趨勢。

對邊幫開采條件下支撐煤柱穩(wěn)定性分析主要是根據(jù)Mark-Bienawski 煤柱強度經(jīng)驗公式[4]對留設(shè)煤柱寬度進行計算。但由于我國礦山地質(zhì)條件[5]復(fù)雜多變且煤層賦存條件復(fù)雜，難以單憑國外強度經(jīng)驗公式對留設(shè)煤柱寬度進行準確算。陳彥龍等[6]提出了支撐煤柱失穩(wěn)判據(jù)，但未考慮煤柱在覆巖長期作用下的蠕變特性影響，不能保證煤柱的長期穩(wěn)定性；姜聚宇等[7]綜合采用突變理論和蠕變試驗及數(shù)值模擬等手段，對邊坡支撐煤柱穩(wěn)定性在邊幫采煤機打硐回采條件下進行研究；武懋等[8]通過數(shù)值模擬方法從端幫邊坡的高應(yīng)力區(qū)分布、變形破壞程度和破壞范圍3 個方面進行研究，得出露天煤礦端幫相同開采工藝、不同煤層傾角條件下邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律；曹蘭柱等[9]將露井聯(lián)采逆傾邊坡的破壞模式首次劃分為3 種類型，針對計算邊坡穩(wěn)定性提出了極限平衡分析法，因同樣巖土體的殘余應(yīng)力值極難獲得，導(dǎo)致目前很少有人使用這一方法。基于前人研究成果可知關(guān)于邊幫采煤邊坡的穩(wěn)定性計算方法研究，尚未形成統(tǒng)一的算法，且邊坡穩(wěn)定性問題基本沒有提及。

為此，基于邊幫開采條件下支撐煤柱、邊坡穩(wěn)定性及二者相互影響的關(guān)系[10]；圍繞邊幫采煤機回收露天礦邊幫滯留資源進行安全及工藝方面的研究，并將研究成果與工程實踐進行相結(jié)合具有重要意義。

1 工程概況

1.1 資源儲量統(tǒng)計

依據(jù)《山西省朔州市平朔礦區(qū)安太堡露天礦煤礦生產(chǎn)地質(zhì)報告》；安太堡露天礦生產(chǎn)技術(shù)科提供的安太堡露天礦地表境界以及相應(yīng)的邊坡角度和2019 年上半年安太堡露天礦三維地質(zhì)礦床模型，利用三維地質(zhì)軟件建立了地層模型，并通過對礦床區(qū)塊的約束計算出相應(yīng)的邊幫煤資源量。其回收范圍內(nèi)含3 層主要可采煤層分別為4-1、9、11 號煤層。煤層厚度變化不大：其中4-1號煤層平均厚度11.6 m，9 號煤層平均厚度12.4 m，11 號煤層平均厚度4.1 m；3 層煤回收區(qū)域內(nèi)儲量分別為471、564、185 萬t；煤層傾角均為2°～3°；4-1號煤層上覆巖層厚度平均值為131.98 m，4-1至9 號煤層間厚度平均值為36.11 m，9 至11 號煤層間厚度平均值為4.33 m。由于受露天礦生產(chǎn)計劃和邊幫采煤機設(shè)備能力的限制，計劃只對4-1、9 號煤層的邊幫煤進行回收，最大開采深度300 m，采高5.5 m，硐室間留設(shè)支撐煤柱，且每隔10 個硐室留設(shè)1 個永久煤柱。

1.2 回收工藝選擇

EML 系列邊幫采煤機是由山西天地煤機歷時5年時間研制的國內(nèi)首套邊幫采煤成套設(shè)備，設(shè)備具有高度的自動化和智能化特點，通過遠程遙控的操作方法將設(shè)備效率和設(shè)備作業(yè)的安全性大幅提高，設(shè)備技術(shù)參數(shù)超出國際水準，并吸收國內(nèi)已實施項目的經(jīng)驗逐步升級改造。現(xiàn)已經(jīng)研發(fā)出最新EML340 型系列產(chǎn)品，系統(tǒng)的安全可靠程度更高，結(jié)合本項目的開采條件及煤層賦存條件，計劃選用EML340-33/55 型號邊幫采煤機。

2 邊幫煤回收模型及參數(shù)

2.1 邊幫模型及物理力學(xué)指標

根據(jù)安太堡露天礦2020 年第四季度采剝工程計劃圖中東幫形態(tài)，建立邊坡二維計算網(wǎng)格模型。煤柱穩(wěn)定性數(shù)值計算模型的網(wǎng)格劃分如圖1。

圖1 煤柱穩(wěn)定性數(shù)值計算模型的網(wǎng)格劃分

模型高度270 m，長度968 m，厚度5.5 m，臺階高度15 m，平盤寬度10 m。4-1、9、11 煤開挖了采硐，建立了采硐模型。其中4、9-和11-也是煤層，只不過煤層厚度較薄，不是主要可采煤層。采硐高度5.5 m、寬3.3 m、深300 m。

結(jié)合過往物理力學(xué)性質(zhì)試樣成果，巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標見表1。

表1 巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標

2.2 煤層回采參數(shù)

4-1、9、11 號煤的力學(xué)強度已通過單軸抗壓強度試驗進行測定，取4-1號煤煤樣強度為15.2 MPa，9、11 號煤為16.3 MPa。確定煤樣強度后，通過有效面積理論與煤柱安全系數(shù)綜合確定煤柱寬度與煤柱高度。

有效面積理論認為，在開采范圍較大且煤柱規(guī)則時，煤柱承擔(dān)的載荷為：

式中：p 為煤柱所承擔(dān)載荷，MPa；ρ 為上覆巖層平均密度，2 500 kg/m3；h 為上覆巖層厚度，m；B 為采硐寬度，3.3 m；W 為煤柱寬度，m；g 為重力加速度，9.8 N/kg。

支撐煤柱安全系數(shù)一般為1.3～1.6，永久煤柱安全系數(shù)為2.0。煤層埋藏越深，煤柱的寬度需要相應(yīng)增加，否則將使邊坡存在失穩(wěn)風(fēng)險。煤柱寬度與高度的比值越大，煤柱強度越大。煤柱寬度計算參數(shù)見表2。

表2 煤柱寬度計算參數(shù)

根據(jù)選用的設(shè)備規(guī)格參數(shù)，4-1與9 號煤層設(shè)計最大開采高度為5.5 m。隔離煤柱穩(wěn)定性系數(shù)取1.50，永久煤柱安全系數(shù)取2.0。計算得到4-1、9、11號煤支撐煤柱寬度分別為3.2、3.8、3.5 m，永久煤柱寬度分別為5.0、5.5、5.5 m。

邊幫采煤機作業(yè)平盤布置如圖2。確定邊幫采煤最小作業(yè)平盤寬度為80 m，其中：設(shè)備長度A 為11 m、行走平臺長度B 為33 m、卸料部寬度C 為6 m、煤堆半徑D 為10 m、運輸?shù)缆穼挾菶 為20 m。

圖2 邊幫采煤機作業(yè)平盤布置

2.3 煤柱群模型數(shù)值計算

對不同煤層在不同煤柱安全系數(shù)下的煤柱寬度進行計算，在FLAC 軟件中建立煤柱群模型。對不同煤層在煤柱寬度變化時的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)的變化進行研究；對計算得到的煤柱寬度進行驗證。煤柱群數(shù)值計算模型如圖3。

圖3 煤柱群數(shù)值計算模型

計算模型由9 個支撐煤柱和2 個永久煤柱組成，4-1、9、11 號煤層煤柱高度分別為5.5、5.5、4.0 m，采硐深度分別為280、300、300 m，采硐寬度均為3.3 m。為避免邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響，4-1、9 號煤層煤柱群上部5.0 m 為煤層，下部5.0 m 為砂泥巖互層；11 號煤上下均為5.0 m 的砂泥巖互層。其次，采硐末端額外建立50 m 長的單元，模型總長度為L＋50 m，依據(jù)土壓力計算公式q＝ρgH 計算出垂直均布壓力，其中：ρ 為上覆巖層平均密度；H 為上覆巖層厚度。

2.3.1 4-1號煤層煤柱群穩(wěn)定性分析

煤柱群應(yīng)力分析的煤柱寬度為3.20 m，煤柱安全系數(shù)取1.50。其中：最大水平應(yīng)力為618.3 kPa，位于模型底部；豎直應(yīng)力在模型頂部呈明顯應(yīng)力梯度，最大處為480 kPa。最大豎直應(yīng)力為1.26 MPa，位于采硐內(nèi)部。4-1號煤計算模型上部線性載荷作用長度為240 m，大小為1.97 kPa/m。當(dāng)安全系數(shù)在0.5～1.1時，煤柱處于極限平衡狀態(tài)。

不同安全系數(shù)下最大豎直位移如圖4，不同安全系數(shù)下塑性區(qū)分布如圖5。圖5 中：紅色部分為受剪切破壞區(qū)域；藍色部分為受拉破壞區(qū)域。

圖4 邊坡剪應(yīng)力等值云線圖

圖5 不同安全系數(shù)下塑性區(qū)分布

由圖4 可知：隨著安全系數(shù)不斷增大，豎直方向的最大位移不斷減小；安全系數(shù)小于1.1 時，位移減小幅度較大，從1.729 m 減小至0.120 m，減小近93%，此時煤柱寬度增加有效減小了煤柱破壞、采硐垮塌的風(fēng)險；模型的位移突變點應(yīng)在安全系數(shù)為1.1～1.3 之間，屆時煤柱群模型處于極限平衡狀態(tài)。

通過圖5 塑性區(qū)分布也可以明顯看到：安全系數(shù)在0.5～1.1 時破壞嚴重，在1.3 之后模型完整，破壞區(qū)域顯著減小，1.5 之后模型破壞區(qū)域極少，不再展示。

2.3.2 9、11 號煤層煤柱群穩(wěn)定性分析

對9、11 號煤在不同安全系數(shù)計算下的煤柱寬度進行建模計算，9、11 號煤的煤柱安全系數(shù)均在0.5～1.3 之間時。4-1號煤層則在1.1～1.3 之間達到極限平衡狀態(tài)，煤層賦存深度的增加致使邊幫采煤需要留設(shè)更寬的煤柱。通過豎直計算也能夠確定安全系數(shù)取值到1.5 能夠滿足安全生產(chǎn)的實際需求。表現(xiàn)為模型極限平衡狀態(tài)時，安全系數(shù)應(yīng)在1.3～1.5之間。不同煤柱寬度的取值均能保證其在邊幫開采過程中煤柱群保持穩(wěn)定。

3 邊幫煤回收順序與規(guī)劃

3.1 邊幫煤回收順序

當(dāng)回采煤層為4-1號煤層時，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.145；當(dāng)回采煤層為4-1、9 號煤層時，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.124；當(dāng)回采煤層為4-1、9、11 號煤層時，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.094。

當(dāng)回采9 號煤層邊幫煤時，邊坡最大正主應(yīng)力值達到89.3 kPa，4 種計算情況中的邊坡正主應(yīng)力的最大值。當(dāng)回采4-1號煤層邊幫煤時，邊坡最大反向主應(yīng)力值為15.4 MPa，是計算情況中的邊坡反向主應(yīng)力的最大值。

邊坡塑性區(qū)分布如圖6。坡巖土體主要發(fā)生剪切破壞，破壞區(qū)域主要為相對軟弱巖土層。局部出現(xiàn)拉伸破壞。隨著回采順序的進行，塑性區(qū)分布范圍逐漸向下方擴大，直至11 號煤層回采采硐底面。

圖6 邊坡塑性區(qū)分布

從邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化可以得知：先回采4-1煤比先回采11 號煤的整體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)更高，更有利于下一階段煤層的回收。從位移變化、應(yīng)力變化和塑性區(qū)的變化對比分析可以得知：先回采4-1煤比先回采11 號煤對整體邊坡影響更小，也就更有利于下一階段煤層的回收?；夭赏?-1號煤和9 號煤后，整體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)已經(jīng)趨近于臨界值，如果繼續(xù)回采11 號煤，會出現(xiàn)位移、應(yīng)力及塑性區(qū)的大幅變化，對邊坡造成較大的不利影響。確定邊幫煤回收煤層為4-1、9 號煤層，11 號煤層暫不進行回收。煤柱寬度是綜合考量上覆載荷大小與煤層承載能力得到，11 號煤是否開采對4-1、9 煤的煤柱寬度不存在直接影響。

3.2 邊幫煤回收與采剝工程協(xié)調(diào)開采

由《安太堡露天礦2020 年生產(chǎn)計劃》可知2020年第四季度南部內(nèi)排土場形成，礦坑南部剩余作業(yè)平盤為1 045～1 135 m 水平；預(yù)計2020 年末4-1號煤層所在臺階可推進至邊幫煤回收范圍內(nèi)，并具備邊幫采煤機作業(yè)條件，開始進行東南幫4-1號煤層邊幫煤回收，初始回收位置在東南幫1075 平盤上。

經(jīng)計算得4-1號煤層單個硐室煤量為0.76 萬t，結(jié)合露天礦采剝工作幫推進速度、內(nèi)排跟進速度、邊幫煤壁暴露長度和設(shè)備能力等因素，計劃回收硐室的推進速度為30 m/月，總進尺1 120～1 400 m，月產(chǎn)量為3.04～3.8 萬t。實際回收速度要根據(jù)露天礦工作幫實時推進速度和內(nèi)排土場實時跟進速度進行相應(yīng)調(diào)整。隨著工作幫的開拓降深預(yù)計從邊幫開采4-1號煤層開始約7 個月后邊幫煤回收范圍內(nèi)可露出9 號煤層，當(dāng)滿足邊幫采煤作業(yè)空間要求時將邊幫采煤機調(diào)移至9 號煤層（1 030 m 水平平盤）。

邊幫煤回收成套設(shè)備生產(chǎn)能力為70 萬t/a，當(dāng)同時回收4-1、9 號煤層時年回收量即已超65 萬t，再考慮到采煤機調(diào)移、維修、保養(yǎng)等影響因素，設(shè)備無富余能力開采11 號煤層，因9 號與11 號煤層平均層間距離僅為5 m，如果同時回收這2 個煤層，極易影響邊幫及硐室的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

1）基于安太堡露天煤礦現(xiàn)狀，明確邊幫煤回收區(qū)域和回收區(qū)域資源儲量統(tǒng)計后，確定安太堡露天礦邊幫煤回收采用EML 型邊幫采煤機回收工藝。

2）通過犀牛軟件、Griddle 插件以及FLAC3D有限元分析軟件對東幫建立分析模型?；诿褐鶑姸壤碚?、有效面積理論和工程實踐經(jīng)驗，4-1、9、11 號煤層的煤柱高度分別為5.5、5.5、4.0 m；支撐煤柱寬度分別為3.2、3.5、3.8 m，隔離煤柱寬度分別為5.0、5.5、5.5 m；每10 個采硐設(shè)置1 個隔離煤柱。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果證實確定的煤柱參數(shù)和數(shù)量是安全且合理的。

3）分別對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)、位移、應(yīng)力和塑性區(qū)的進行比較，證明了在邊坡煤回采干擾下的邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。確定邊幫煤回收煤層為4-1、9 號煤層，11 號煤層暫不進行回收。對安太堡露天現(xiàn)狀進行分析討論，由此煤礦實現(xiàn)了邊幫煤回收與采剝工程之間的協(xié)調(diào)開采工藝。