露天矿端帮采煤系统优化研究

露天矿端帮采煤系统优化研究

在水平和缓坡层露天开采期间，在露天矿开采和内排土开采之间一定时期内暴露的边滩上，沿边滩向边滩内开挖掘道路并确定工作面，用一定的开采方法恢复露天矿以外的煤，称为环腐开采。其主要特点是开采成本低，减少了煤炭浪费，改善了露天矿的套煤问题。国外的部分露天矿已经实施了端客开采。中国的黑岱沟和安家岭露天矿的端客开采已经达到了一定的规模。本文以安家岭露天矿为例，研究了露天矿开采方法与工作面参数的计算、端客开采与室外采矿和排水的关系，以及露天矿开采和排水系统。按照初步设计,安家岭露天矿年产原煤15Mt,1997年开工建设,2001年达产.该矿主采煤层为4#,9#,11#煤.4#煤均厚10m,高灰低硫,9#煤均厚13m,高硫低灰,两者经配洗成为洗精煤.为满足出口精煤硫分不大于1%的要求,采出的4#煤全部进入选煤系统进行配煤.目前,要达到设计的精煤产量,4#煤产量已显不足.为此矿方决定在首采区南、北端帮用端帮采煤的方法回采露天矿境界以外的4#煤.根据有关地质资料和初步设计,南、北端帮内煤层的基本情况如下:南帮上,到向北转向处,4#煤暴露长度3km左右,煤层沿东西向基本呈水平状.在上述3km区段内,西部2km范围内,4#煤层走向东西,倾向朝南.由端帮出露线向南600m范围内,煤层倾角小于7°,煤厚9～17m(4#煤分层时,只计41煤,下同);东部1km范围内,4#煤层走向南北,倾向朝西,由端帮出露线向南600m范围内,煤层倾角小于8°,煤厚7～10m.北帮上,到向北转向处,4#煤暴露长度约1.9km左右,暴露处,煤层基本呈水平状,局部最大倾角5°左右,走向东偏北,倾向朝南偏东,煤层倾角和厚度变化均匀.由端帮出露线向北600m范围内,煤层倾角小于8°,煤厚3～13m.1端帮采煤工作面参数北端帮采煤采区布置见图1(南端帮情况类似).运输巷与回风巷相隔布置,巷道中心线间距108m,两运输巷之间的回采范围为一带区,运输及回风巷自巷口向端帮内掘进600m,采区回收近500m,留下近100m不采,是为了保证端帮的安全.端帮采煤工作面参数主要有采房宽度和煤柱宽度.计算结果表明,对于安家岭矿的具体条件,端帮采煤工作面采宽以10～15m为宜,煤柱宽度以7.45～8.40m为宜.2开采和开采方案的选择根据安家岭露天矿端帮采煤的具体条件,提出两个开采方案进行对比寻优:采空区放煤分层开采工艺系统和开采方法、带区和工作面布置如图2所示.大巷用胶带输送机运输,工作面及运输巷采用刮板输送机运输.开采过程中,将4#煤层分为2个采掘层,每层高约5.0m左右.对每个采掘层采用简易放顶煤开采,割煤高度2.0m,炮采,工作面用单体液压支柱支护,密度1.0m×1.0m,共3排.每次推进1.0m.下分层爆破落煤后,及时将暴露的顶板用单体支柱进行临时支护,并开动刮板输送机将煤运出.同时,往采空侧上分层煤中打眼装药,回撤采空侧一排单体液压支柱,然后放炮落煤,将放落下来的煤移运至刮板输送机上.此项工作完成后,将工作面煤壁侧的一排临时支柱拆除,将刮板输送机移至煤壁,及时补打煤壁侧的一排单体液压支柱,如此循环往复.对两个采掘层,先采上采掘层,后采下采掘层,上下采掘层工作面间距保持30.0m以上.上采掘层采出的煤通过工作面刮板输送机、巷道刮板输送机及溜煤眼到下采掘层巷道刮板输送机上,经该刮板输送机进入胶带输送机,最后运至露天矿采场.在采场内2个端帮各设2个带区,共计可设4个带区,每个带区8个工作面,2个准备工作面.建设时间从4#煤底板出露开始,初期先在两个端帮各建1个带区,随着采空区的逐渐加大,每个端帮再各增加1个带区.建设过程:先在最早出露4#煤的端帮位置用巷道掘进机掘胶带机运输大巷,沿4#煤底板掘进,巷道采用梯形断面,底宽3.6m,高2.4m.巷道内铺设胶带机,并作为进风巷道,间隔108.0m,掘一回风巷道,断面尺寸2.4m×2.4m.再间隔108.0m掘一胶带机运输大巷,作用同上.如此交替建立带区.当运输巷道及回风巷道掘成后,每隔22.4m掘回采巷道,分上下两层.回采巷道掘成后,自回风巷道位置起,向左右两侧各布置一个工作面,采用后退式回采.回采工作面宽14.4m,长90.0m,煤墙宽8.0m.开采方案的确定该方案的工艺系统及采区布置同方案Ⅰ.煤层顶板采用锚网支护,防止顶板局部垮落及石块下落.将4#煤整层一次性从顶板采至底板,开采过程中将4#煤层分为4个台阶,台阶高度自上至下分别为:2.0,2.0,2.5,3.5m,台阶坡面角60°左右,台阶平台宽度2.0m左右.先放炮采掘上部第一个台阶,然后用锚网支护顶板,再依次向下采掘以下各台阶(图3).两开采方案经济技术指标的对比见表1.采煤生产安全是首要的.初期推荐采用方案Ⅰ,采煤人员不直接暴露在顶板下作业,确保安全生产.在开采过程中,对工作面顶板及煤壁和地表进行严格监测.4#煤顶板为坚硬砂岩,完整且厚度大.用方案Ⅰ采完3～4个工作面后,若顶板稳定且平时无碎石洒落,可用一个带区来试用方案Ⅱ.这时,顶板支护可考虑由锚杆支护改为锚网支护.方案Ⅱ回采率高,生产组织简单,经济效益好,实施的关键是解决好顶板安全问题.3排土工作帮形成阶段距离t4安家岭矿首采区的开采,利用了安太堡矿内排土场留下的一条南北向沟道.首采区初始采掘工作线是借助此沟道的东帮建立的.当首采区东帮逐渐变缓,4#煤工作平盘形成后,即可在采区南、北两端帮开掘初始煤巷,开始回收端帮煤.当采掘工作帮向东推进一段距离后,剥离物实现内排,排土工作帮开始向东推进,经过一段时间后,内排土场推至初始煤巷处,并将其巷口掩埋.取一典型剖面(见图4)进行分析.从南、北帮初始煤巷开始开掘至其巷口被内排土场掩埋所经历时间T1T1=t1+t2+t3+t4,Τ1=t1+t2+t3+t4,式中:t1为从初始煤巷开始开掘至4#煤底板以下工作帮形成所经历时间,a;t2为采、排工作帮底部间安全距离形成的时间,a;t3为从开始内排至4#煤底板水平以下排土工作帮形成所经历的时间,a;t4为排土工作帮推进L2+L4距离所经历的时间,a.t1=L1/2v,L1=hcotφc−L2,t1=L1/2v,L1=hcotφc-L2,式中:v为采、排工作帮年推进速度,m/a;L1为4#煤底板所在水平对应于t1所推进距离,m;h为4#煤底板至坑底的垂直距离,m;φc为采掘工作帮坡角,(°);L2为初始煤巷开始开掘时4#煤底板以下采掘帮水平投影宽度,m.t3=L3/2v‚L3=hcotφp−L4‚t3=L3/2v‚L3=hcotφp-L4‚式中:L3为坑底水平对应于t3所推进距离,m;φp为排土工作帮坡角,(°);L4为初始煤巷开始开掘时4#煤底板水平以下排土帮水平投影宽度,m.t4=(L2+L4)/v.t4=(L2+L4)/v.代入数据得即南、北帮初始煤巷的服务时间为1.77a.而当采掘、排土工作帮正常推进时,煤巷的服务时间则取决于采、排工作帮坡角、年推进速度、两帮帮底间安全距离及巷口底至坑底垂直距离(见图5).T2=L/v,Τ2=L/v,式中L=H(cot13.7°+cot9.5°)+50.已知H=(45～70)m,故L=(503.5∼755.5)m,T2=(1.7∼2.5)a≈(20∼30)月.L=(503.5∼755.5)m,Τ2=(1.7∼2.5)a≈(20∼30)月.即采、排工程决定的煤巷(包括运输巷和回风巷)服务年限最短为20个月,最长为30个月.煤巷的服务年限由巷道本身推进时间和由其服务的带区左右翼的回采时间构成.经计算每条运输巷的掘进时间为1.5个月,每条回风巷的掘进时间为1个月,每个带区每翼的回采时间为14.5个月.可知由推进和回采速度决定的煤巷服务年限最短为15.5个月,最长为16个月.由此可得出结论,由推进和回采速度决定的巷道服务年限小于由采、排工程决定的巷道服务年限.换句话说,就是采、排工程为巷道推进和带区回采在时间上提供了可能.而空间上是否有可能则取决于在南帮或北帮上同时可以布置几个带区.经计算,端帮煤设计年产量要求每个端帮上同时布置两个带区,东西长400m,而由前面计算可知,无论是在南端帮,还是在北端帮,4#煤任一时间的暴露长度至少为503m.显而易见,端帮煤设计产量在空间上也得到了保证.4端帮采煤与开采的时空关系1)对于条件适宜的露天矿,通过在一定时期暴露的端帮煤层露头处掘进巷道并建立工作面,利用地下开采的方法回采境界外的煤,不仅可以提高煤炭资源的回收率,而且能给露天矿带来较好的经济效益.2)端帮采煤工作面无论是采用煤墙支撑简易放顶煤开采法还是锚网护顶煤墙支撑台阶式开采法,都可以一次性开采厚为10m左右的煤层,带区回采率达45%以上.特别是锚网护顶煤墙支撑台阶式开采法,将露天开采的台阶式开采法引入地下开采,煤墙宽度合适时,可以开采更厚的煤层.3)进行端帮煤回采时,端帮采煤与露天采排工程的时空关系至关重要.露天采剥工程与端帮采煤的关系主要体现在空间上,即采剥工程能为端帮采煤提供多大的空间,这最终决定着端帮采煤的开采强度,即年产量.露天排土工程与端帮采煤的关系主要体现在时间上,而这最终影响的是每个带区内端帮煤的回采量,即回采率.从理论上讲,最好是改进采煤方法来提高开采强度,也可以通过采剥工作帮端部超前剥离和排土工作帮端部滞后排土的方法来增大端帮煤的出露长度及延长每个采区内端帮煤的回采时间,以提高端帮采煤的开采强度和回