高大软岩边坡下开采程序研究

吴多晋，赵红泽

(1.内蒙古工业大学 矿业学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)

安全生产与资源回收始终是影响露天矿生产的一对矛盾，边坡稳定是露天矿生产的一个主要问题。国内外许多研究机构和学者以边坡稳定为课题进行了诸多的研究和实践，探索在不同地质条件下开采境界的优化，寻求资源回收与安全稳定边坡角之间的平衡[1]，还有一些学者针对端帮下压煤的开采工艺探索，提出了一些先进的开采工艺和开采方法，比如端帮采煤机、高壁采煤机、螺旋钻采煤机等开采设备进行端帮下资源回收的应用[2-4]。为了合理利用矿山生产系统，回收地下赋存的有用资源，对露天矿边坡下压覆资源进行回收是一项势在必行的工作。在保证边坡稳定的前提下，如何将边坡下岩土体下的资源高效采出，是目前露天矿山资源开发的一个重点。对于软岩松散质边坡，其开采的安全挑战更大。本文以内蒙古自治区胜利东二号露天煤矿为对象，通过研究合理的开采程序方案，达到安全高效回收边帮滑坡体下煤炭资源的目标。

1 工程概述及滑坡影响因素

1.1 工程概述

根据初步设计，沿F68断层与6煤顶板交线南50m处拉沟，沿煤层走向(纵向)进行拉沟，工作线倾向推进(横向)，进行开拓降深，南帮F68断层下盘煤层平均倾角为7.4°，下盘煤层倾角为8.2°，如图1所示。2011年开始，该矿采场南帮不断出现变形，结合边坡地质条件及边坡变形实际情况，采取过一系列边坡治理措施：内排压脚、清帮减重、控制开采等，2012年7月暴雨过后，雨水沿1#裂缝带灌入南帮边坡内，导致1#裂缝带内侧边坡变形加剧，发展成大型滑坡，受地下水及大气降雨的影响，内排压脚工程中的压脚物料饱水，持续向煤沟底部滑移，致使煤沟堆积大量饱水松散物，影响煤炭生产接续。2#裂缝带延展至南排土场，变形也在不断加大，是潜在的新滑坡体边界。由于南帮压脚物料发生滑移，压脚工程未取得预期的效果，且此时未见煤层底板，继续压脚工程会导致压覆深部煤炭并增加二次剥离成本。

图1 南帮滑落区影响范围

滑坡体范围从南帮地表1044平盘至采场912平盘，落差达132m，滑坡体东西长约800m，南北宽约500m，估算滑坡体体积为2000万m3，滑坡前帮坡角为14°，滑坡后帮坡角为12°。原设计最终南帮到界帮坡角为25°，尚未开采至最终界，采场深部距离煤层底板还有20m，有逾1000万t优质煤炭未按计划开采出来。由于发生滑坡，导致原南帮的开拓运输系统及台阶平盘道路受到破坏，运输设备及人员不能到达南帮相关位置作业，安全作业受到严重威胁。此外，原半连续开采工艺带式输送机沟道由于南帮发生滑移变形，影响了半固定破碎站和带式输送系统的投入使用，增加了底部煤炭的运输成本。

1.2 滑坡影响因素

1.2.1 软弱岩层分布

南帮边坡岩石以碎屑沉积岩为主，通过对采场南帮边坡地质写实及以往勘探钻孔资料进行整理，对组成南帮边坡的岩层进行分类统计分析得出，采场南帮主要由泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩、砂岩、煤层组成，泥岩、炭质泥岩等典型软岩厚度比例较大，整体为软岩边坡。岩层呈层状结构，岩体各向异性，岩石力学强度低，强度R≤1MPa的软岩岩层占南帮地层的68.6%左右，岩体的完整性与稳定性较差，物理力学指标低，抗剪强度和抗风化能力较低，易剪出弱层占边坡出露厚度的14.6%。

1.2.2 工程地质构造条件

采场南帮位于胜利煤田(盆地)中东部的向斜盆地之南翼，发育有NE向展布的F8等多条正断层及一系列派生断层，断层横贯全区，破坏了岩体的完整性，且F68、F8、F61断层倾向与南帮边坡倾向基本一致，如图2所示。此外，节理、裂隙、层面较为发育，构造比较复杂，赋存多组顺倾软弱(夹)层，不利于边坡的稳定，极易产生顺层滑坡。目前采场已揭露的F68断层走向N20°～55°E，倾向N35～70°W，倾角57°～58°，断距54～210m，断层倾向与南帮走向一致，在南帮贯通东西走向。

图2 露天矿构造纲要图

1.2.3 水文地质条件

受地质构造影响，南帮地下水分布不均匀，生产现场涌水点涌水量大小不一。南帮边坡含水层主要分布于白垩系地层中，主要为粗、中、细砂岩，大部分砂岩呈半胶结状态，垂向成多层分布，均以与泥岩隔水层互层的形式存在，富水性弱。隔水层主要为白垩系泥岩、砂质泥岩，呈互层分布，分布较稳定。大气降水是含水层的主要补给源，通过缓慢渗透的方式进行补给。由于断层分布，断层带内充填的岩性主要是泥岩及砂质泥岩，断层被揭露后，切断含水层引起大量涌水。南帮滑坡体含有内排压脚岩土松散物料，吸水性强，在坑底堆积形成饱水滑坡松散体，低洼处汇水。

1.2.4 气候因素

大气降雨、融雪等增加了地下水的补给，一方面降低岩体强度，增大孔隙水压力，使边坡滑动面的抗滑能力降低；另一方面降水渗入，使岩土体含水量变大，增大岩土体的下滑力。

1.2.5 工程因素

露天矿采剥、爆破等环节破坏了岩体原始力学平衡状态，使岩体内应力场重新分布，当岩体内作用力达到或超过岩体的极限强度，边坡产生变形和位移，最终导致破坏，边坡岩体失稳[5]。

2 “横采内排-尾随压脚”方案

2.1 总体思路

在煤矿生产过程中，会遇到台阶并段靠帮、剥采失调、内排空间受限、运距增大、煤炭接续紧张等不利条件，采用横采内排的开采程序优化方案，对于倾斜、缓倾斜的煤层赋存条件，将常规的沿走向布置工作线、倾向推进，改为沿倾向布置工作线、走向推进的技术方案，将直线型的工作线改为“Π”字型工作线，沿走向方向由一端帮向另一端帮推进(如图3所示)。可以使剥离物同水平运输内排，新水平开拓准备时间缩短，达到减少基建工程量、缩短运距、均衡生产剥采比的目的。为提高南帮边坡稳定性，尽可能回采南帮下部压覆5#、6#煤，提出“横采内排-尾随压脚”的开采程序方案。

图3 “横采内排-尾随压脚”方案“Π”型工作面示意图

2.2 实施过程

由于目前采场西帮35#勘探线深部已见6#煤底板，同时根据初步设计，在35#勘探线位置规划布设剥离半连续工艺系统的带式输送机出入沟沟道，因此选择在35#勘探线的采场深部位置开始降深，可以较快形成横采方案的初始条件，也便于布置开拓运输系统，与已有的运输系统衔接。“横采内排-尾随压脚”方案(以下简称横采方案)首先在南帮滑体西部35#勘探线附近进行降深，向西、向北推进并降深至6#煤层底板，深部具备作业条件后，采煤工作面沿煤层倾向(平行于35#勘探线方向)布置、沿走向由西向东推进，边清理滑体边进行采煤作业，内排压脚工程尾随采煤工作面的发展由西向东推进。横采方案开采至37#勘探线附近位置的状态如图4所示。

图4 “横采”方案工作面推进至37#勘探线状态图

2.3 资源回收量计算

实施横采方案，可以回采860万t南帮边坡下压覆的煤炭资源，其中5#煤280万t，6#煤580万t，考虑到安全因素，37#—39#勘探线附近按18°边坡角进行煤炭回采，与原设计的25°最终帮坡角相比，会永久压覆部分煤炭，采场南帮东部运煤带式输送机出入沟的位置留设，39#勘探线采场下部也有部分煤炭资源不能回采，约有220万t永久煤柱被压覆。通过SURPAC软件建立矿山地质模型，进行计算可得实施横采方案以后的煤炭资源回收量见表1。横采方案实施完毕，最高排弃至▽948平盘，可初步实现1875万m3的内排量，并能实现露天矿的内排作业，利于生产接续，推动露天矿的可持续发展。

在我国煤层倾斜赋存，长、深采场纵向开采的露天矿中，抚顺西露天矿、平庄西露天矿和黑山露天矿采用横采内排开采方案进行矿山尾采期的资源回收，延长了煤矿的服务年限，提高资源回收率[6，7]；依兰露天矿采用横采内排开采方案，解决了内排量不足、剥采失调的问题，增大了端帮下煤炭的开采量[8]；扎哈淖尔露天矿采用横采内排开采程序针对变形突出的南帮边坡进行陡帮开采设计，回收端帮下煤炭资源[9]；通过技术改造和开采程序优化设计，这些露天矿普遍采用单斗—卡车工艺分区横采内排方案，不仅安全生产得到了保障，经济效益也非常显著。

表1 横采方案煤炭回收及损失量计算表

2.4 开采期间安全保障及评价

2.4.1 防治水工程

地下含水层涌水、大气降雨会影响采场南帮边坡稳定性，南帮边坡疏干防排水是实施采场南帮“横采内排-尾随压脚”方案的重要条件。

在采场地表修建防洪沟，减少南排土场及南帮地表降水向采场汇流，降低地下水对南帮影响，以防因受雨水浸泡，出现沿泥岩弱层剪出的现象，进而发生坍塌和小规模滑移。铺设防洪管道，加强雨季采场坑底排水能力。采用疏干井对南帮边坡地下水进行治理，降低含水层水位，减小边坡变形速度。

2.4.2 边坡监测工程

由于南帮作业条件特殊，经过计算的各剖面的稳定系数较小，可以预测，在方案实施过程中，不可避免会出现小范围的滑坡，因此，加强开采期间南帮边坡的监测是保证安全生产的必须途径。加强边坡监测工作，采用先进的边坡监测设备及监测技术有边坡雷达监测系统、GPS自动监测系统及人工监测三种监测手段，形成南帮复合边坡全覆盖、全天候的监测与预警系统。设置边坡监测软件监视人员，时时掌握边坡变形动态，根据边坡监测数据编写并发布每日监测报告，分析边坡变形情况，为矿山安全生产提供数据支持及决策依据。

2.4.3 安全效果评价

在横采方案实施的过程中，选用灵活性较强的中小型设备，采用单斗-卡车间断开采工艺进行采剥作业，工作面平盘宽度保持在40m，以保证“Π”字型结构的开口尺寸保持在最小。并严格控制“横采内排-尾随压脚”各工序的时空关系、及时清理内排基底弱层、加强南帮边坡疏干防排水工作等积极的工程技术措施，增强采场南帮边坡稳定性[10]。

在总结分析以往边坡变形规律及边坡变形现状基础上，综合考虑边坡稳定影响因素，开采过程的正常推进及快速跟踪内排压脚是整个治理方案的关键环节，在加强预疏干排水工程、现场安全施工组织、边坡安全监测及预警等工作基础上，有效降低方案实施过程中的安全风险，提高现场作业人员及设备的施工安全。通过开采程序方案的实施，可使南帮边坡保持基本稳定状态[11-17。

3 经济效益分析

采场南帮边坡滑坡使压覆的优质煤炭暂无法采出，严重制约煤炭生产接续工作。通过方案的实施，需清理采场南帮底部滑体物料400万m3；可回采南帮压覆煤炭860万t，有效缓解煤炭生产接续压力，并实现1875万m3剥离物内排。

1)实施横采内排压脚治理方案，需对采场南帮948水平以下滑体进行清理，预计滑体清理量为460万m3，计算滑体物料清理工程成本概算为8000万元。

2)经估算，回采南帮压覆煤炭860万t，可实现煤炭销售收入68800万元(按80元/t销售价格计算)，煤炭生产成本20227万元；530万t煤炭运至西帮2#、3#破碎站，平均运距3.5km，平均提升高度165m；350万t煤炭运至东帮852水平破碎站，平均运距1.5km，平均提升高度15m。输煤系统吨煤成本按8.5元计算，煤炭采运成本概算为20227万元。

3)内排压脚工程节约成本概算。实施横采内排压脚治理方案，采场内1875万m3剥离物料无需运往外排土场进行排弃，可就近用于内排压脚，将有效降低这部分剥离物料的运距及提升高度，平均可节省运距4.36km，节省提升高度180m，提高生产效率，降低生产成本概算20812万元。

4)实行横采方案，可回收优质5#、6#煤约860万t，按照80元/t的销售价格，可实现销售收入68800万元。

“横采内排-尾随压脚”工程成本及利润概算详见表2，经过计算，通过“横采内排-尾随压脚”方案的实施，可实现企业利润概算为61385万元。

表2 横采方案成本及利润概算

4 结 论

1)根据地质报告及现场地质调查写实数据，从软弱岩层分布、工程地质构造条件、水文地质条件、气候因素、工程因素五个方面分析了南帮滑坡的影响因素。

2)采用“横采内排-尾随压脚”将工作线横向布置、走向方向推进，可在矿坑局部率先出露底板，实现优质煤炭回收860万t，在短期内实现内排，实现内排排土量1875万m3。

3)横采可实现内排尾随压脚，缩小高陡或不稳定边坡存在长度和时间，边坡形状跟随工作线形状由直线型边坡变为“Π”形边坡，提高了边坡稳定性，可适当增大帮坡角，在深部境界不变的情况下，减小剥离量，降低生产剥采比。

4) “横采内排-尾随压脚”方案实施开采过程中，通过采取中小型设备灵活作业、及时快速内排压脚、局部地区加固、全天候雷达和GPS监测预警、疏干防排水等措施保障南帮横采方案的安全生产。

5)经过成本概算，实现内排后，减少岩土和煤炭的运输费用，有效降低了生产成本，提高露天矿的经济效益，实现企业利润概算为6亿余元。