抚顺西露天矿高陡边坡下残煤开采研究与应用

李惠发，冯 萍

（抚顺矿业集团有限责任公司 西露天矿，辽宁 抚顺 113001）

抚顺西露天矿从清朝末年开始连续开采，经历了国内、外露天开采专业技术人员的多次设计和技术改造，为国内早期新建和改扩建露天矿提供了宝贵的现场实例和实践经验[1]。2015 年，由于抚顺矿业集团东露天矿地表界内征地困难，致使上部地表不能正常向北开采，从而影响到油页岩富矿的供应。为缓解东露天矿剥采紧张矛盾，根据抚顺矿业集团的整体工作安排，抚顺矿业集团设计院有限责任公司对西露天矿北帮东区开采进行了10 年重新规划，在保证边坡稳定安全的前提下，最大限度的在境界范围内采出富矿和煤炭资源。按照西露天矿10 年开采规划，矿坑中部E1400 以西区域已全部开采到界，在矿坑局部开采到界后，其北帮E1000～E1400 区域矿坑底部还残留一些按规划设计无法采出的保留煤壁和坑底残煤，如按常规做法，应对到界区域进行回填，这部分残煤资源将永久埋藏于地下。依据保护国家矿产资源，避免国有资产流失的原则，西露天矿制定了科学的开采方案和严密的技术措施，对残煤资源有效回收、合理利用。

1 采区概况

1.1 地质概况

1）采区位置。西露天矿坑下煤炭残采区域位置为E1000～E1400，地表标高－210～－368 m 水平。

2）煤层赋存特征。采区的主要开采煤层为古城子组（E2g）第1 层煤，煤层平均厚度30～48 m，平均厚度39 m，煤层厚度大、变化小，可采面积为0.27 km2。由西向东，自北向南逐渐减薄，煤层倾角为34°～41°，煤层内夹有炭质页岩、砂岩、砂质页岩等，西多东少，属结构复杂煤层。属全区可采的稳定煤层。

3）地质构造。抚顺西露天矿田为一向斜盆地，其向斜轴大致呈东西走向，向斜核部位为耿家街组褐色页岩和西露天组绿色页岩，向斜轴面倾向NW，枢纽仰起方向NE，仰起角10°～22°，向斜南翼倾角40°～55°，西北帮直立倒转[2]。采区内有2 条可见断层及断层切割形成的楔形岩体。

1.2 水文地质

1）矿区水文及气候。抚顺西露天煤矿位于抚顺市南部千台山麓，矿坑横跨抚顺市新抚、望花2 区，东西长6.6 km，南北宽2.2 km，面积10.865 8 km2，规模宏大[3]。区域内最大的河流是矿区北部的浑河，由东向西流经整个市区，水力坡度为0.12%。古城子河是浑河的主要支流之一，位于西露天矿的西南部，由南流向北。杨柏人工河位于千台山南侧，1936 年开挖露天采坑时，将原杨柏河、刘山河改道引入古城子河。矿区属大陆性季风气候，年平均温度8.3 ℃，年平均降水量为774 mm，降雨多集中在7、8 月份，日最大降雨量为185.9 mm，连续降雨量最大为263.5 mm，年平均蒸发量为945.5 mm。

2）含水层。抚顺西露天矿从上至下主要有第四纪含水层、第三纪绿色泥岩含水层、抚顺群含水层、下白垩统龙凤坎组含水层、鞍山群片麻岩含水层，总计5 个含水层。

3）隔水层。矿区内的隔水层主要是煤层上部的油页岩层，该层厚度巨大，结构致密坚硬，对上部地下水的渗透起到了很好的隔离作用。

4）充水因素分析。矿坑水的来源主要有2 方面：地下水补给和地表水补给。地下水主要包括：第四系冲洪积孔隙潜水含水层和基岩裂隙水，其中前者主要来自大气降水和浑河定水头补给，另外一部分来自西露天矿采场北帮上部的工业区、生活区通过明沟暗渠源源不断排放的工业废水和生活污水；坑内地表水一部分来自大气降水，另一部分则为坑北的浑河、坑西侧的古城子河、坑南侧的杨柏人工河等河流水补给[4]。

5）防治水工作基本情况。采区内矿坑坑底E1000以东汇水面积390 万m2。为合理拦截、疏导地表水及地下水，采区内积水经疏水管路等截、排水系统，流向坑下捣排泵站。

2 开采方案

通过现场勘查，发现这一区域煤层赋存于南、北帮开采后的险峻“大峡谷”区域，开采条件复杂，小断层、褶皱构造极为发育，尤其是其上部北帮高段已达120～140 m 以上，绿色页岩组合台阶已陡达43°以上，台阶表面多处出现片落迹象。面对南、北帮百米高段“两面夹击”的困难，设计采用挖沟机装汽车的采矿方法，自上而下进行降深开采，对矿坑中部E1400 以西到界区域高陡边坡下的残煤分三期工程，进行开采回收[5]。

随着开采的逐步降深，此区域段高逐渐增加，坑底空间更加狭小，给安全生产将带来严重威胁。在生产过程中，可根据作业现场情况，实行一装一等、一装一进、一出一进、先出后进等多种采装方法，同时安排监护人员利用对讲机指挥监护、旗语指挥监护、设备鸣笛等多种指挥监护形式，有效保证坑底采煤进度。

2.1 一期开采

一期开采范围为E1300～E1400 区域，由－340 m水平降深至－364 m 水平，采掘宽度最小处为3 m。为最大限度的回收煤炭，将运输系统坡度设置达到12%，由E1500、－400 m 水平，沿12%坡度向西降深至E1300、－364 m 水平，之后折返向东继续降深至E1400、－364 水平。

该区域采剥总体积38 万m3。其中：贫矿22 万m3，煤体16 万m3，可采出商品煤12 万t，剥采比为1.83 m3/t。残煤一期开采示意图如图1。

图1 残煤一期开采示意图

2.2 二期开采

2016 年7 月，E800～E1300 区域14 段以上发生滑坡，为防止扩大滑坡范围，将东区长远规划西边界由E1200 收缩至E1350，并且保留了下部－280 m水平以下煤壁。目前，由于上部E800～E1300 滑坡区域已完成削坡减重、加固、疏干排水等工程，下部已形成南北合拢的回填压脚，一期开采结束后，考虑对原保留煤壁进行回采[6]。

二期开采范围为E1000～E1350 区域，由－210 m水平降深至－365 m 水平。采掘采掘宽度最小处为8 m。采区北侧，预留5 m 保安平盘，单台阶按60°边坡角，整体台阶按照目前边坡角50°进行降深采掘，煤层平均厚度36 m，最大采掘高度为54 m，最小平盘宽度为20 m；采区西侧，预留10 m 保安平盘，单台阶按60°边坡角，整体台阶按照目前边坡角50°进行降深采掘，煤层平均厚度45 m，最大采掘高度为60 m，最小平盘宽度为15 m。

布置2 条运输系统，公路宽度为12 m，坡度为15%，采掘工程量为10 万m3。①上部运输系统：由E1020、-210 m 水平，沿15%坡度向北降深至E1020、-230 m 水平，之后折返向南继续降深至E1100、-250 m 水平，再向东降深采掘至E1265、-275 m 水平，再次折返向西降深至E1180、-287 m水平，之后向北继续降深至297 m 水平，形成上部运输系统，进行露煤准备；②下部运输系统：由E1500、-332 m 水平，向西排弃，与E1300 南侧现有-306 m平盘相连通，之后沿该平盘向西采掘，形成下部运输系统，采掘下部煤炭资源[7]。

该区域采剥总体积81 万m3。其中：剥离为64万m3，煤体17 万m3，可采出商品煤32 万t，剥采比为2 m3/t。残煤二期开采示意图如图2。

图2 残煤二期开采示意图

2.3 三期开采

三期开采运输系统可借助二期开采运输系统，继续西扩、北扩，由E1100 区域、-216 m 水平向北折返降深形成三期开采运输系统。

三期开采范围为E1000～E1300 区域，由－216 m水平降深至－368 m 水平，采掘宽度最小处为8 m。该区域采剥总体积140 万m3，其中：剥离114 万m3，煤体26 万m3，可采出商品煤30 万t，剥采比为3.83 m3/t。残煤三期开采示意图如图3。

2.4 边坡稳定性分析

根据现场实际，选取E1300 剖面进行稳定性验算分析，E1300 剖面开采后绿色泥岩局部边坡（稳定系数Fs＝1.07）如图4，E1300 剖面开采后整体边坡（稳定系数Fs＝1.15）如图5。

图3 残煤三期开采示意图

图4 E1300 剖面开采后绿色泥岩局部边坡（稳定系数Fs＝1.07）

图5 E1300 剖面开采后整体边坡（稳定系数Fs＝1.15）

从以上计算结果可看出，开采后绿色泥岩局部边坡稳定系数Fs＝1.07，整体边坡稳定系数Fs＝1.15。在开采过程中，局部边坡呈基本稳定状态，为了确保安全生产，西露天矿在南帮设置1 台边坡监测雷达，采取边监测、边开采的方法，及时掌握边坡动态，确保人员和设备安全[8]。

3 个时期完成剥离总体积200 万m3，可采出煤炭74 万t，在煤炭资源开采到界之后，对E1400 以西区域随采随填啊，形成南北贯通、平铺式回填压脚，可提高北帮整体边坡稳定系数。

3 结语

露天开采方式随着逐步将深，矿坑深部最终均将形成高陡边坡夹击状态，坑内不但作业区域狭小，而且道路狭窄，采区技术条件十分困难。对于露天矿高陡边坡下保留煤壁和坑底残煤的回收，可采用挖沟机配合汽车的采矿方法，自上而下进行降深开采。在安全技术上，采取现场勘查、测绘，研判边坡稳定状况，制定科学的开采方案和严密的技术措施，同时采用边坡雷达监测系统24 h 监测，在边坡安全可防可控的前提下，对采矿界限以内的煤炭资源进行最大限度有效回收，避免资源浪费，造成国有资产流失；同时避免坑底暴露出的部分煤炭资源，长期暴露于空气中，引起自然发火，造成空气环境污染，从而保障坑下工作人员身体健康。高陡边坡夹击下的煤炭资源，也为今后其他类似矿山的煤炭资源回收提供了技术依据。