端帮压煤开采方案的选择

端帮压煤开采方案的选择

陡崖开采是指开采天然矿山的工艺方法、技术措施和采矿处理方法的总称。它的核心是提高帮派的相角，在开采相同矿石（煤炭量）的基础上将萨尔减少。端帮陡帮开采是指露天采场端部的边帮(即端帮)在靠界过程中,加陡端帮下部局部帮坡角,尽可能多回收端帮压煤,并尽早实现内排压帮。1端帮陡帮开采型安家岭露天矿是我国第1座自行勘探、设计、施工、管理的特大型现代化露天煤矿,2013年原煤产量达到3220万t。主要开采3层煤,从上至下依次为4#、9#和11#煤,4#、9#、11#煤平均厚度分别为10、16、4m,煤层总厚度约30m。采剥工作线南北布置,由西向东推进,2个端帮分别为南帮、北帮。采矿权境界就是上部4#煤的开采境界,4#煤和9#煤之间的岩层厚度约35m、一般划分为2个台阶,9#煤和11#煤之间的岩层厚度约4m。为了尽可能回收采矿权境界内的煤炭资源,安家岭露天矿一直在研究采用端帮陡帮开采。以北端帮为例,端帮道路布置,4#煤以上按照2个剥离台阶留设1条标准宽度的运输道路、其余平盘只留设10m宽的保安平盘,运输道路分别为1270、1300、1330、1360等;4#煤底板留设1条40m宽的运输道路(1240水平),4#煤以下各平盘不设运输道路、只留设5m宽的保安平盘,单台阶坡面角约72°。随着采场推进和矿坑发展,煤层赋存条件发生变化,北部下盘4#煤缓慢抬升,在E10875-E11220区域其顶板位于1270水平,E11220以东区域4#煤因遭遇断层而急剧下降,其底板标高位于1240水平。在采取断1270道路、采出此区域4#煤,并在1270端帮道路东西两端形成了2个1270—4#煤底板(标高约1255水平)坡道(仍将此段看作1270道路);而之前4#煤底板道路一直正常留设,这就导致北帮1270(标高1255)和原4#煤底板道路(标高约1255)在E10875-E11220区域合并为1条80m宽的运输道路,如图1。即相当于现4#煤底板留设1条80m宽的运输道路,此时端帮从地表至坑底整体帮坡角没有改变、约29°。如果将80m宽的运输道路变窄,并采出道路所压9#、11#煤,整体帮坡角势必将增大,届时端帮边坡能否在陡帮开采—实现内排压帮期间保持稳定,以及如何尽快将此区域煤炭资源采出,并尽早实现内排压帮等陡帮控制开采技术问题亟需解决。2端帮坡角大小端帮陡帮开采的关键是提高露天矿端帮的帮坡角,单一煤层露天矿端帮陡帮开采方案一般有以下2种:1)固定上部境界,坑底境界向外扩。此种开采方式可实现以较小的生产剥采比,采出较多的煤炭资源,从而提高资源回收率和经济效益。2)固定坑底境界,上部境界向内缩。此种开采方式可实现在采出相同资源的基础上,减少了剥离量,从而达到降低生产成本的目的。端帮帮坡角大小的确定主要受边坡稳定性、端帮运输道路宽度及条数、保安平盘宽度和单台阶坡面角等因素制约,在端帮边坡角满足设计要求(≤34°)的基础上,根据坑内单斗-卡车间断开采工艺卡车运输环节的要求,安家岭露天矿4#煤底板及以上端帮道路按照2个剥离台阶留设1条标准宽度的端帮运输道路,4#煤底板布置1条运输道路,其余平盘只留5~10m的保安平盘,即形成的端帮帮坡角是满足采剥运输畅通和保证边坡稳定的最大端帮帮坡角。目前4#煤底板以上各平盘已全部靠界到位,即4#底板-地表段不具备外扩的条件;4#煤底板以下各平盘正处于靠界过程中,具备向外扩的条件。在综合考虑安家岭露天矿生产实际和2种端帮陡帮开采方案的基础上,决定采取“固定坑底4#煤底板以上境界,4#煤底板以下境界向北扩”的方案。3开采区域岩体物料力学指标4#煤底板以下各平盘北扩,意味着北端帮整体帮坡角将变大,需对北扩后边坡稳定性进行验算。结合现场地质勘察和以往勘探成果,可知北帮边坡岩体主要由第四系黄土、泥岩层组、砂质泥岩、砂岩层组、煤层组成,北端帮陡帮开采区域岩体物料力学指标见表1。1)边坡稳定验算。为了尽量多回收端帮压煤,同时考虑到北帮运输系统的畅通(至少需要保留1条40m宽的运输道路),故在验算边坡稳定按北扩10、20、30、40m4种情况进行。根据表1中开采区域边坡岩体物理力学指标,采用极限平衡法,计算出在北扩10、20、30、40m时其边坡安全系数分别为1.153、1.133、1.108、1.081。2)北扩距离确定。北端帮陡帮开采过程中,4#煤底板以下为临时工作帮。当北扩40m时边坡安全系数为1.081,满足工作帮临时边坡安全储备系数1.0~1.2的要求,但为了进一步保证端帮陡帮开采过程中生产安全,需要在边坡监测监控下进行生产。4片帮、突发垮落地或坡面位移监测采用IBIS-M边坡雷达和GPS地表位移监测2种方式配合使用。边坡雷达主要作用是监测边坡片帮、突发性垮落位置或坡面出现大位移、大变形区域,GPS地表位移监测点主要监测边坡是否出现整体位移及位移变化情况。通过对比分析2种手段的监测数据,可以确定边坡的滑动方向、滑动范围、边坡的蠕动阶段及变化趋势,同时结合边坡现场巡查情况,进而进行边坡预测预报工作。5端帮陡帮开采方案1)陡帮开采工程量计算。4#煤底板以下各平盘北扩40m,考虑到电铲采装作业空间要求,北扩角度确定为45°,东西长约345m,经计算各平盘工程量如下:4下1平盘岩石18万m3,4下2平盘岩石17万m3,11#煤顶板岩石4万m3,剥离工程量合计39万m3;9#煤17万m3(26万t),11#煤4万m3(6万t),煤量合计21万m3(32万t)。2)采掘、排弃顺序与时间安排。为保证陡帮开采过程中边坡稳定,此区域开采分以下几步进行:(1)首先采掘4下1和4下2平盘岩石,并按照北扩40m设计边界全部靠界到位;(2)在集中出高硫煤(9#和11#煤)期间,将陡帮开采范围东西宽185m、南北长220m(包括北扩和正常开采)的9煤、11煤采出,约需1个月,之后安排剥离物料排弃、恢复原4#煤底板道路、约需0.5个月,实现内排X1240土场第1次压帮,即从边坡全部暴露到回填结束总时间约1.5个月;(3)最后,将陡帮开采范围剩余区域约160m宽、南北长220m的9煤、11煤采出(约需1个月),之后及时安排剥离物料排弃、恢复原4#煤底板道路(0.5个月),实现内排X1240土场第2次压帮,即从边坡全部暴露到回填结束总时间约1.5个月。至此,完成端帮陡帮开采全过程。此外,在内排X1240土场压帮后,X1270及以上土场可以及时随之跟进,进一步确保端帮陡帮开采区域边坡处于稳定状态。采掘、排弃顺序安排如图2。3)运输系统布置。在原4#煤底板道路和1270道路同时存在时,1270、1255、1240、4#煤夹矸和4#煤、4下1剥离物料经这2条端帮道路排弃至相应内排土场,车流密度适中、且交叉较少,可实现运输安全。在陡帮开采过程中,由于北扩40m、相当于原4#煤底板道路废弃无法通行,如果上述5个平盘(4台电铲同时作业)剥离物料仍经1270道路运输,势必造成1270道路车流密度过大、卡车通行效率下降,且存在一定的运输安全隐患,故需要对运输系统重新布置。具体布置如下:(1)1270平盘剥离物料经工作面1285-1270坡道、端帮1300-1285坡道、1300端帮道路排弃至内排X1300土场;(2)1270道路最多同时负责3台电铲剥离物料运输,1255、1240、4#煤夹矸及4#煤和4下1平盘通过南、北剥离物料采掘顺序优化,在采掘南部时经南端帮道路排弃,在采掘北部物料时经1270道路、通过陡帮开采区域后分流、排弃至相应土场。6开采方案论证1)基于陡帮开采2种基础方案,结合安家岭矿端帮运输系统布置和开采现状,设计确定“固定4煤底板以上境界,4#煤底板以下各平盘北扩”的端帮陡帮开采技术方案经过实践证明是可行的。2)在详细分析工程地质条件的基础上,通过计