端幫壓煤開采方案的選擇

陡崖開采是指開采天然礦山的工藝方法、技術(shù)措施和采礦處理方法的總稱。它的核心是提高幫派的相角，在開采相同礦石（煤炭量）的基礎(chǔ)上將薩爾減少。端幫陡幫開采是指露天采場端部的邊幫(即端幫)在靠界過程中,加陡端幫下部局部幫坡角,盡可能多回收端幫壓煤,并盡早實現(xiàn)內(nèi)排壓幫。1端幫陡幫開采型安家?guī)X露天礦是我國第1座自行勘探、設(shè)計、施工、管理的特大型現(xiàn)代化露天煤礦,2013年原煤產(chǎn)量達到3220萬t。主要開采3層煤,從上至下依次為4#、9#和11#煤,4#、9#、11#煤平均厚度分別為10、16、4m,煤層總厚度約30m。采剝工作線南北布置,由西向東推進,2個端幫分別為南幫、北幫。采礦權(quán)境界就是上部4#煤的開采境界,4#煤和9#煤之間的巖層厚度約35m、一般劃分為2個臺階,9#煤和11#煤之間的巖層厚度約4m。為了盡可能回收采礦權(quán)境界內(nèi)的煤炭資源,安家?guī)X露天礦一直在研究采用端幫陡幫開采。以北端幫為例,端幫道路布置,4#煤以上按照2個剝離臺階留設(shè)1條標準寬度的運輸?shù)缆贰⑵溆嗥奖P只留設(shè)10m寬的保安平盤,運輸?shù)缆贩謩e為1270、1300、1330、1360等;4#煤底板留設(shè)1條40m寬的運輸?shù)缆?1240水平),4#煤以下各平盤不設(shè)運輸?shù)缆贰⒅涣粼O(shè)5m寬的保安平盤,單臺階坡面角約72°。隨著采場推進和礦坑發(fā)展,煤層賦存條件發(fā)生變化,北部下盤4#煤緩慢抬升,在E10875-E11220區(qū)域其頂板位于1270水平,E11220以東區(qū)域4#煤因遭遇斷層而急劇下降,其底板標高位于1240水平。在采取斷1270道路、采出此區(qū)域4#煤,并在1270端幫道路東西兩端形成了2個1270—4#煤底板(標高約1255水平)坡道(仍將此段看作1270道路);而之前4#煤底板道路一直正常留設(shè),這就導致北幫1270(標高1255)和原4#煤底板道路(標高約1255)在E10875-E11220區(qū)域合并為1條80m寬的運輸?shù)缆?如圖1。即相當于現(xiàn)4#煤底板留設(shè)1條80m寬的運輸?shù)缆?此時端幫從地表至坑底整體幫坡角沒有改變、約29°。如果將80m寬的運輸?shù)缆纷冋?并采出道路所壓9#、11#煤,整體幫坡角勢必將增大,屆時端幫邊坡能否在陡幫開采—實現(xiàn)內(nèi)排壓幫期間保持穩(wěn)定,以及如何盡快將此區(qū)域煤炭資源采出,并盡早實現(xiàn)內(nèi)排壓幫等陡幫控制開采技術(shù)問題亟需解決。2端幫坡角大小端幫陡幫開采的關(guān)鍵是提高露天礦端幫的幫坡角,單一煤層露天礦端幫陡幫開采方案一般有以下2種:1)固定上部境界,坑底境界向外擴。此種開采方式可實現(xiàn)以較小的生產(chǎn)剝采比,采出較多的煤炭資源,從而提高資源回收率和經(jīng)濟效益。2)固定坑底境界,上部境界向內(nèi)縮。此種開采方式可實現(xiàn)在采出相同資源的基礎(chǔ)上,減少了剝離量,從而達到降低生產(chǎn)成本的目的。端幫幫坡角大小的確定主要受邊坡穩(wěn)定性、端幫運輸?shù)缆穼挾燃皸l數(shù)、保安平盤寬度和單臺階坡面角等因素制約,在端幫邊坡角滿足設(shè)計要求(≤34°)的基礎(chǔ)上,根據(jù)坑內(nèi)單斗-卡車間斷開采工藝卡車運輸環(huán)節(jié)的要求,安家?guī)X露天礦4#煤底板及以上端幫道路按照2個剝離臺階留設(shè)1條標準寬度的端幫運輸?shù)缆?4#煤底板布置1條運輸?shù)缆?其余平盤只留5~10m的保安平盤,即形成的端幫幫坡角是滿足采剝運輸暢通和保證邊坡穩(wěn)定的最大端幫幫坡角。目前4#煤底板以上各平盤已全部靠界到位,即4#底板-地表段不具備外擴的條件;4#煤底板以下各平盤正處于靠界過程中,具備向外擴的條件。在綜合考慮安家?guī)X露天礦生產(chǎn)實際和2種端幫陡幫開采方案的基礎(chǔ)上,決定采取“固定坑底4#煤底板以上境界,4#煤底板以下境界向北擴”的方案。3開采區(qū)域巖體物料力學指標4#煤底板以下各平盤北擴,意味著北端幫整體幫坡角將變大,需對北擴后邊坡穩(wěn)定性進行驗算。結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)勘察和以往勘探成果,可知北幫邊坡巖體主要由第四系黃土、泥巖層組、砂質(zhì)泥巖、砂巖層組、煤層組成,北端幫陡幫開采區(qū)域巖體物料力學指標見表1。1)邊坡穩(wěn)定驗算。為了盡量多回收端幫壓煤,同時考慮到北幫運輸系統(tǒng)的暢通(至少需要保留1條40m寬的運輸?shù)缆?,故在驗算邊坡穩(wěn)定按北擴10、20、30、40m4種情況進行。根據(jù)表1中開采區(qū)域邊坡巖體物理力學指標,采用極限平衡法,計算出在北擴10、20、30、40m時其邊坡安全系數(shù)分別為1.153、1.133、1.108、1.081。2)北擴距離確定。北端幫陡幫開采過程中,4#煤底板以下為臨時工作幫。當北擴40m時邊坡安全系數(shù)為1.081,滿足工作幫臨時邊坡安全儲備系數(shù)1.0~1.2的要求,但為了進一步保證端幫陡幫開采過程中生產(chǎn)安全,需要在邊坡監(jiān)測監(jiān)控下進行生產(chǎn)。4片幫、突發(fā)垮落地或坡面位移監(jiān)測采用IBIS-M邊坡雷達和GPS地表位移監(jiān)測2種方式配合使用。邊坡雷達主要作用是監(jiān)測邊坡片幫、突發(fā)性垮落位置或坡面出現(xiàn)大位移、大變形區(qū)域,GPS地表位移監(jiān)測點主要監(jiān)測邊坡是否出現(xiàn)整體位移及位移變化情況。通過對比分析2種手段的監(jiān)測數(shù)據(jù),可以確定邊坡的滑動方向、滑動范圍、邊坡的蠕動階段及變化趨勢,同時結(jié)合邊坡現(xiàn)場巡查情況,進而進行邊坡預測預報工作。5端幫陡幫開采方案1)陡幫開采工程量計算。4#煤底板以下各平盤北擴40m,考慮到電鏟采裝作業(yè)空間要求,北擴角度確定為45°,東西長約345m,經(jīng)計算各平盤工程量如下:4下1平盤巖石18萬m3,4下2平盤巖石17萬m3,11#煤頂板巖石4萬m3,剝離工程量合計39萬m3;9#煤17萬m3(26萬t),11#煤4萬m3(6萬t),煤量合計21萬m3(32萬t)。2)采掘、排棄順序與時間安排。為保證陡幫開采過程中邊坡穩(wěn)定,此區(qū)域開采分以下幾步進行:(1)首先采掘4下1和4下2平盤巖石,并按照北擴40m設(shè)計邊界全部靠界到位;(2)在集中出高硫煤(9#和11#煤)期間,將陡幫開采范圍東西寬185m、南北長220m(包括北擴和正常開采)的9煤、11煤采出,約需1個月,之后安排剝離物料排棄、恢復原4#煤底板道路、約需0.5個月,實現(xiàn)內(nèi)排X1240土場第1次壓幫,即從邊坡全部暴露到回填結(jié)束總時間約1.5個月;(3)最后,將陡幫開采范圍剩余區(qū)域約160m寬、南北長220m的9煤、11煤采出(約需1個月),之后及時安排剝離物料排棄、恢復原4#煤底板道路(0.5個月),實現(xiàn)內(nèi)排X1240土場第2次壓幫,即從邊坡全部暴露到回填結(jié)束總時間約1.5個月。至此,完成端幫陡幫開采全過程。此外,在內(nèi)排X1240土場壓幫后,X1270及以上土場可以及時隨之跟進,進一步確保端幫陡幫開采區(qū)域邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。采掘、排棄順序安排如圖2。3)運輸系統(tǒng)布置。在原4#煤底板道路和1270道路同時存在時,1270、1255、1240、4#煤夾矸和4#煤、4下1剝離物料經(jīng)這2條端幫道路排棄至相應內(nèi)排土場,車流密度適中、且交叉較少,可實現(xiàn)運輸安全。在陡幫開采過程中,由于北擴40m、相當于原4#煤底板道路廢棄無法通行,如果上述5個平盤(4臺電鏟同時作業(yè))剝離物料仍經(jīng)1270道路運輸,勢必造成1270道路車流密度過大、卡車通行效率下降,且存在一定的運輸安全隱患,故需要對運輸系統(tǒng)重新布置。具體布置如下:(1)1270平盤剝離物料經(jīng)工作面1285-1270坡道、端幫1300-1285坡道、1300端幫道路排棄至內(nèi)排X1300土場;(2)1270道路最多同時負責3臺電鏟剝離物料運輸,1255、1240、4#煤夾矸及4#煤和4下1平盤通過南、北剝離物料采掘順序優(yōu)化,在采掘南部時經(jīng)南端幫道路排棄,在采掘北部物料時經(jīng)1270道路、通過陡幫開采區(qū)域后分流、排棄至相應土場。6開采方案論證1)基于陡幫開采2種基礎(chǔ)方案,結(jié)合安家?guī)X礦端幫運輸系統(tǒng)布置和開采現(xiàn)狀,設(shè)計確定“固定4煤底板以上境界,4#煤底板以下各平盤北擴”的端幫陡幫開采技術(shù)方案經(jīng)過實踐證明是可行的。2)在詳細分析工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,通過計