露天煤礦非工作幫煤炭資源開采實踐

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石頭梅一號露天煤礦地表境界面積27．47km2，設計生產規模5．0Mt/a，服務年限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工藝。煤礦建設期，首采區南側非工作幫出現掛幫煤，依據采場補充勘查成果確定了掛幫煤范圍。考慮掛幫煤長期暴露氧化將會引發煤炭自燃火災事故，進而影響邊坡穩定，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定性分析，設計非工作幫邊坡角24°，在確保安全的條件下，進行＋750m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＋750m水平以下原設計位置的掛幫煤開采納入月度采剝計劃，在采剝作業的同時開采掛幫煤，并釋放出內排空間，當具備內排條件及時進行內排壓幫。從而實現回采非工作幫掛幫煤炭資源的同時，增強邊坡穩定性，消除煤炭自燃安全隱患，提高煤礦安全經濟效益。

1工程地質概況

石頭梅一號露天煤礦首采區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。非工作幫邊坡屬于巖質結構邊坡，巖石類型以層狀的泥巖、粉砂巖、砂巖、砂礫巖和煤層為主。整體為層狀順向結構，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，存在宏觀的軟弱結構面，東側變形破壞模式主要以層狀滑塌為主，西側以傾倒式變形為主。邊坡物質組成復雜、結構分布的不規則。首采區非工作幫地表標高＋820m，深部標高＋765m，垂直深度約55m，首采區露煤標高＋785m，采場非工作幫東南、西南側到界＋770平盤局部形成了煤臺階。隨采剝施工繼續推進，采場深部標高＋720m，垂直深度約100m，采煤工作面標高＋730m，采場非工作幫東南側＋770～＋750平盤局部形成了煤臺階，西南側＋770～＋730平盤局部形成了煤臺階，非工作幫存在掛幫煤現象，同時采場非工作幫上部臺階出現不同程度的裂隙發育與沉降。遵照DZ/T0215—2002煤、泥炭地質勘查規范要求，充分利用已有勘查工程，以首采區剝離出的煤層露頭為基準，向東以70～140m間距新布設勘查線7條。以淺部煤層露頭線為準，自南向北依次布設鉆孔，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5個鉆孔，對淺部煤層露頭進行控制。詳細查明勘查區內地層、構造、煤層、煤質、工程地質條件等特征。勘查區內煤層露頭已揭露，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，呈倒轉現象，沿地層走向，由西向東地層由倒轉變為直立，逐漸回歸正常。勘查區控制9－1號煤層厚度有一定的變化，但規律性較明顯，煤層穩定程度確定為較穩定型。

2影響因素及技術措施

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定性的分析計算。根據調查分析，采場非工作幫邊坡最可能的破壞方式主要有2種：①沿著泥巖發生整體破壞，將該潛在破壞面定為推測泥巖滑面進行穩定性計算；②邊坡下部結構面發生的局部破壞。通過將外部CAD軟件中的模型圖導入Udec軟件進行建模。數值模擬的模型選用1－1’、3－3’、5－5’、7－7’及9－9’工程地質剖面圖，分別建立開挖前和開挖后的模型。數值模擬中的節理裂隙采用“Jset”命令來生成。根據現場調查和數值模擬工程地質剖面計算結果及分析，隨采場深度逐漸增加，采場邊坡的穩定性逐步降低，其中采場非工作幫東側掛幫煤體易發生沿結構面切割的楔形體滑動，非工作幫西側掛幫煤體上方巖體易發生局部傾倒變形[3]。根據補充勘探成果，結合采場實際揭露情況，經大量試算，選取3－3’工程地質剖面圖，建立坡度為19°～24°的模型。選取7－7’工程地質剖面圖，建立非工作幫邊坡坡度模型，進行數值模擬研究，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°，邊坡安全系數為1．24～1．44，邊坡穩定性較好。可最大限度回采掛幫煤炭資源，剝采比遠小于經濟合理剝采比。

2．2開采范圍

采用3Dmine軟件依據已探明的煤層頂底板建立首采區煤層模型，建立非工作幫原設計模型、非工作幫掛幫煤開采后設計模型和非工作幫內排壓幫后設計模型[4]。＋710臺階上部為設計采剝位置，＋710、＋680臺階為設計采剝后內排剝離物形成的壓幫臺階。采場非工作幫地表至＋750m水平為削幫減重區域，＋710、＋680臺階為內排壓幫區域。計算得：削幫工程量111萬m3；可開采煤量35萬t；內排壓幫工程量130萬m3；剝采比3．2m/t，小于本礦經濟合理剝采比8．5m/t。

2．3削幫減重

采場非工作幫邊坡屬于巖質結構邊坡，巖石類型以層狀的泥巖、粉砂巖、砂巖、砂礫巖和煤層為主。整體為層狀順向結構，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。巖體軟弱相間，存在宏觀的軟弱結構面，東側變形破壞模式主要以層狀滑塌為主；西側以傾倒式變形為主。邊坡物質組成復雜、結構分布的不規則，非工作幫邊坡易發生變形滑坡[5-6]。因采場非工作幫削幫作業空間有限，為確保邊坡的穩定，需加快削幫作業速度，將削幫工程劃分為3個作業區：①第1作業區從采場東南角地表由東向西剝離推進，承擔地表～＋800m水平以上巖層采裝，外運至外排土場；②第2作業區從非工作幫＋770平盤中部向東剝離推進，與第1作業區同時開工，承擔＋770～＋750m水平以上巖層采裝，外運至外排土場，同時回采＋770～＋750m水平邊坡掛幫煤；③第3作業區從東幫＋800平盤剝離推進，在第1作業區向西推進150m時，第3作業區開始作業，承擔＋800～＋770m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

根據石頭梅首采區非工作幫煤層賦存特征、采場現狀、開采工藝及邊坡穩定性，綜合分析將非工作幫掛幫煤炭資源回采劃分為2個區[7]：①＋750m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＋750m水平以下掛幫煤開采，在編制月度采剝計劃時，把＋750m水平以下原設計位置的掛幫煤開采納入月度采剝計劃，在后期采剝作業同時完成＋750m水平以下掛幫煤的開采。

2．5內排壓幫

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

2．6安全技術措施

方案實施過程中還應注意采取相應的安全措施：①加強作業人員邊坡安全教育，提升安全意識；②控制合理的邊坡角，根據邊坡穩定性研究分析來留設最終邊坡角；③完善采場的防排水系統，做好疏干排水工程，防止積水浸泡邊坡巖體；④對于有可能發生滑動的地段，應及時設置安全警戒線，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，減少工程設備及車輛對邊坡的擾動；⑦對釋放出的內排空間及時內排壓幫，加強安全監督檢查，確保作業安全；⑧對采場非工作幫作業區采用GNSS監測系統[9]、邊坡雷達監測系統和深部位移監測系統三重位移監測系統加強監測及數據分析，并配專人觀察邊坡穩定情況，如有臺階松動、坍塌等前兆，立即停止作業，撤離人員和設備，并向礦調度上報。

3安全經濟效益

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，導致溫度升高而發生煤炭自燃火災事故。同時，避免了煤炭燃燒引起邊坡滑坡事故的發生，確保非工作幫邊坡的穩定。2）經濟效益。經計算，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3．2m/t，小于本礦經濟合理剝采比8．5m/t，實現內排剝離物130萬m3。剝離費用1650萬元，采煤費用360萬元，內排剝離物節省費用50萬元，采煤收益15750萬元，預計可產生收益13790萬元。

4結語

在露天煤礦開采中，通過研究分析非工作幫安全經濟邊坡角，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事故隱患、增強邊坡穩定性、提高煤炭資源回采率、降低投資成本、提高安全經濟效益。

參考文獻：

［1］雷志勇，楊葉齊．西灣露天煤礦開采程序的優化［J］．中國煤炭工業，2013（12）：36－37．

［2］駱中洲．露天采礦學［M］．徐州：中國礦業學院出版社，1986．

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［5］楊宏．布沼壩露天礦掛幫煤開采對邊坡穩定性影響的研究［J］．露天采礦技術，2010（1）：45－46．

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［7］周志友．露天煤礦底部邊幫煤臺階回收技術研究與應用［J］．山東煤炭科技，2017（2）：56－57．

［8］楊軍．露天礦邊坡穩定和滑坡防治的技術措施［J］．山西焦煤科技，2015，39（4）：42－44．

［9］李增林，王孝亮，韓猛．GPS監測技術在露天煤礦邊坡監測中的應用［J］．露天采礦技術，2016，31（10）：52．

［10］劉勇，雷志勇，陳曉明，等．西灣露天煤礦非工作幫煤炭資源回采方案［J］．露天采礦技術，2019，34（3）：55－57．

作者:劉興學 李陽 崔志偉 哈斯特爾 阿爾帕提江 張小冬 單位:新疆能源（集團）有限責任公司