平朔东露天矿端帮开采技术

赵彦合，韩 峰

（中煤平朔煤业有限责任公司 东露天矿，山西 朔州 036006）

端帮采煤是由螺旋钻开采方法进化而来的另一种形式的露天采矿方法，主要用于回收等高线开采法、山头移除法等推至最终合理经济境界后在端帮下裸露出的无法通过正常采煤方法回采的煤层[1-2]。这种开采方法将露天开采与地下开采技术结合起来，形成一套独特的开采方式，但由于螺旋钻钻头的刚性结构不易调整，无法适应煤层发生突然变化（倾斜、断层），钻孔直径无法改变，使得资源回收率不高，通常只能达到30%左右[3-5]。

最新设计的端帮开采系统，截割巷道的宽度可以达到3.5 m，开采深度超过300 m，避免了粉煤现象，同时使用了自动调节开采高度的电动截割头，使其可以对中厚煤层开采时，在煤层厚度突然发生变化的情况下，可以在巷道内自适应进行相应调节，确保开采能够继续进行。目前，顶板开采可以对4.5 m厚的煤层一次性地进行截割开采。

1 端帮开采技术理论

端帮开采并不是适用于所有的煤炭资源条件，适合端帮开采需满足以下几个条件：①顶板支撑性较好；②煤层厚度至少大于80 cm，并且煤层在开采方向300 m 距离内断层的数量少；③煤层走势平缓，煤层倾角最好能在－12°～+5°。

端帮开采并不能回采所有的端帮下遗留的煤炭资源。在端帮开采过程中，由于开采巷道不需要进行支护，在每2 个相邻开采巷道间需要留有支撑煤柱，保持覆盖层以及巷道的稳定，防止垮落。而且考虑安全因素，建立每20 个支撑煤柱预留隔离煤柱，隔离煤柱的宽度，通常是支撑煤柱宽度的3～4 倍[6-8]。

1）支撑煤柱参数计算。美国广泛适用的计算支撑煤柱和煤层强度、支撑煤柱高度的经验公式是马克－比尼亚夫斯基煤柱设计公式。

式中：Sp为煤柱强度，MPa；S1为原处煤体强度，MPa；W 为煤柱宽度，m；h 为巷道高度，m。

式中：Lp 为支撑煤柱应力，MPa；SV为原始垂直应力，MPa；W 为煤柱宽度，m；WE为巷道采宽，m。

式中：HMAX为最大覆盖层厚度，m；HMIN为最小覆盖层厚度，m；H 为平均覆盖层厚度，m。

式中:Fwp为支撑煤柱稳定性系数。

2）隔离煤柱参数计算。

式中：SBP为隔离煤柱强度，MPa；WBP为隔离煤柱宽度，m；SI为原始煤体强度，MPa；h 为巷道高度，m。

式中：WPN为隔离煤柱之间距离，m；WWP为支撑煤柱宽度，m；WE为巷道采宽，m；N 为每2 个隔离煤柱之间有支撑煤柱数。

式中：LBP为 隔离煤柱应力，MPa；SV为原始垂直应力，MPa；WPN为2 个隔离煤柱之间距离，m；WBP为隔离煤柱宽度，m。

式中：FBP为隔离煤柱安全系数；SBP为隔离煤柱强度，MPa；LBP为隔离煤柱应力，MPa。

3）安全系数取值范围。采用ARMPS－HWM 计算方法，端帮采煤安全系数取值范围注见表1。

2 平朔东露天矿端帮开采应用

2.1 开采条件

1）地形、构造条件。东露天矿整体上为北东高、南西低的单斜构造，地层基本走向为NW、SE 向，倾向S45°W，地层倾角在2°～7°之间，大部分范围不大于5°，地层倾角近水平。目前发现的断距大于20 m断裂构造为李西沟正断层和北水正断层，均分布在矿田边缘。矿田区内未发现其它断裂构造，故东露天矿构造属简单类。从地形及构造条件分析，有利于端帮采煤机的使用。

表1 端帮采煤安全系数取值范围注

2）煤层埋藏条件。东露天矿主采煤层为4#煤、9#煤和11#煤，平均厚度分别为14.03、13.95、5.38 m，根据开采计划，11#煤由于硫分含量高，并且影响露天矿内排跟进，因此，本次端帮压覆资源开采只针对4#煤和9#煤。4#煤全区赋存，为全区最厚煤层，煤厚4.40～25.70 m，平均厚度14.03 m，本煤层属稳定-较稳定煤层。9#煤位于4#煤层下20.10～55.99 m，平均厚度37.25 m。9#煤层煤厚6.02～22.38 m，平均厚度13.95 m，属稳定-较稳定煤层。

3）端帮条件。东露天矿北帮煤层倾角较小，帮坡角26°，边坡稳定系数为1.27，稳定性良好，地表无建构筑物，适宜端帮采煤机开采压覆资源，深度185 m，布设4 个运输平盘，北帮剖面示意图如图1。

图1 北帮剖面示意图

2.2 端帮采煤机开采方法

目前确定需要采用端帮采煤机进行开采的煤层为4#煤和9#煤，其平均厚度分别为14.03、13.95 m。端帮采煤机开采方法主要包括端帮采煤机的布置方式及端帮压煤开采程序。

1）端帮采煤机布设于端帮运输道路。端帮采煤机布设于端帮运输道路，优点是对露天矿的原煤开开采影响小，缺点是影响露天矿的卡车运输（卡车经端帮运输道路至内排土场）。若通过加宽端帮运输道路，则会降低端帮压煤的采出率。

2）端帮采煤机布设于开采端帮压煤的采煤工作面一侧。通过在采煤工作面一侧，划分端帮压煤开采区域，优点是可以避免端帮采煤系统对端帮运输道路的影响，缺点是需要加强对采煤工作的计划性，提前规划端帮采煤区域与电铲采煤区域。

综上，推荐在采煤工作面靠近端帮开采压煤一侧进行划分端帮采煤机工作区域。

3 实例计算

3.1 计算参数

1）基础参数。目前端帮采煤机最大开采深度300 m，4#煤最大埋深为121 m，9#煤最大埋深为144 m。结合露天矿实际作业条件布设巷道的具体位置，根据目前东露天北帮煤岩台阶留设参数，布设在煤层底板较为合理。根据采煤机最大采高约4.5 m、采宽约3.5 m 进行设计，计算支撑煤柱和隔离煤柱的宽度。基础参数如下：①巷道采宽3.5 m；②巷道采高4.5 m；③巷道最大采深300 m；④煤体原始强度6 MPa；⑤4#煤最小覆盖厚度0 m；⑥4#煤最大覆盖厚度121 m；⑦9#煤最小覆盖厚度0 m；⑧9#煤最大覆盖厚度144 m；⑨覆盖层平均密度（含松散层）2.02 t/m3。

2）支撑煤柱参数。当安全系数取值1.6 时，支撑煤柱参数计算结果见表2。

表2 支撑煤柱参数计算结果

3）隔离煤柱参数。当隔离煤柱安全系数取值2.0时，隔离煤柱参数计算结果见表3。从表3 中可知，无论布设单排采巷或双排采巷，4#煤、9#煤支撑煤柱安全系数、隔离煤柱安全系数、端帮煤柱整体安全系数匀满足安全要求。

3.2 设计煤柱参数

1）端帮采煤机巷道参数。采煤机最大采高约4.5 m、采宽约3.5 m。

表3 隔离煤柱参数计算表

2）支撑煤柱参数。支撑煤柱参数取值表见表4。由表4 可知，无论采取单排采巷或是双排采巷，支撑煤柱参数设计取值匀满足支撑煤柱安全系数大于1.6 的要求。

表4 支撑煤柱参数取值表

3）隔离煤柱之间支撑煤柱间隔。隔离煤柱之间支撑煤柱的数量影响端帮煤柱整体的稳定性，其与垮落角有关，范围通常为2～20，本次设计取10。

4）隔离煤柱参数。隔离煤柱取值及安全系数表见表5。由表5 可知，无论采取单排采巷或是双排采巷，设计取值匀满足隔离煤柱安全系数的要求。

表5 隔离煤柱取值及安全系数表

5）端帮煤柱整体安全系数见表6。由表6 可知，无论采取单排采巷或是双排采巷，设计取值匀满足端帮煤柱整体安全系数的要求。

6）端帮边坡稳定性影响。采用有限元数值模拟计算方法，使用有限元软件midas GTS NX 对边坡稳定性进行计算，端帮开采边坡稳定性系数见表7。采巷单排或者双排布置边坡稳定系数均满足GB 51289—2018 煤炭工业露天矿边坡工程设计标准中非工作帮边坡服务年限小于10 年，稳定性系数1.10～1.20 的要求。

表6 端帮煤柱整体安全系数

表7 端帮开采边坡稳定系数

3.3 开采方案确定

通过以上分析，从资源回收率、端帮边坡稳定性影响，布设双排采巷资源回收率高，同时亦满足露天矿边坡稳定性要求，对露天矿生产影响不大。但是从生产经验角度，由于尚未进行端帮压煤开采试验，因此首先进行单排采巷进行开采端帮压煤。东露天矿通过采取端帮采煤，共可采出原煤28.47 Mt，其中端帮压煤采出27.0 Mt，条区压煤采出1.47 Mt。

3.4 端帮采煤与矿坑生产影响

3.4.1 露天矿生产时空关系

采用单排采巷布置时，沿煤层底板进行开采，1个采掘带（宽40 m）可布设端帮采巷数为3～5 个，开采时间为3～5 d。东露天矿当前4#煤工作线长度约1 340 m，1 个工作线开采时间约1.5 个月，划分为3个区：整备、穿孔、采装，各区长度400～500 m，完成单个采装区约15 d。工作线采煤其完成190 m 时（设备布置需宽度190 m），即6～7 d 后可形成端帮采煤系统的工作空间，后续端帮采煤与露天矿采煤同时工作，端帮采煤系统需3～5 d 即可完成端帮压煤的开采，不影响露天矿其他生产环节。

3.4.2 安全厚度计算

端帮采煤的实施，结合露天矿端帮组成，4#煤顶板上1 的岩石台阶为运输平盘。计算4#煤巷道顶部的岩石安全厚度，防止大型车辆运输途中出现压塌巷道顶部岩石的风险。巷道宽均为3.5 m，高为4.5 m，上覆岩层为泥砂岩互层层组。

由于端帮巷道较深，上覆岩体的安全厚度可以简化为二维模型进行计算，安全厚度计算示意如图2，上覆岩体范围内作业的设备参数见表8。

图2 安全厚度计算示意图

表8 巷道上覆岩体范围内作业的设备

由表8 计算得出：

设备动载对地压强：①930E 卡车为1 460.68 kPa；②WK-35 电铲为330 kPa。

本次安全厚度验证采用安全系数法，安全系数计算如下：

式中：K 为安全系数；Fc为侧壁的摩阻力，kPa；G为岩石自重力，kPa；Fd为设备对地压力，kPa。

式中：b 为巷道宽度，取3.5 m；λ 为侧压力系数，取0.43；ρ 为岩石密度，取2.02 t/m3；H 为上覆岩体厚度，取18 m；φ 为岩石内摩擦角，取31.2°；C 为岩石黏聚力，取88.6 kPa。

计算得：外部设备为930E 卡车（满载）时，安全系数为2.68；外部设备为WK35 电铲时，安全系数为7.06。因此，根据安全系数的计算结果，参考岩体稳定等级划分，安全系数均大于2.0，上覆岩体在有设备动载荷的情况下稳定，上覆岩体厚度满足安全要求，岩体稳定等级划分见表9。

表9 岩体稳定等级划分

同时，可根据上述公式计算极限安全厚度H0，此时，安全系数K＝1，则：

通过计算，极限安全厚度为6.48 m，取安全系数2.0，可保证岩体稳定，此时的安全厚度为12.96 m。即上覆岩体厚度不小于13 m，可保证上述运输平盘的安全行车。

4#煤端帮巷道顶部距离运输道路约26 m，其中泥砂岩互层约16 m，4#煤10 m。9#煤端帮巷道顶部距离运输道路约47 m，其中岩层约37 m，9#煤10 m。均满足上覆岩体厚度不小于13 m 的要求。

4 结论

1）通过对比端帮采煤机布置方式的优缺点，确定将端帮采煤机布设于开采端帮压煤的采煤工作面一侧。

2）通过对4＃、9＃煤分别采取单排巷与双排巷参数进行分析，2 种方案都满足边坡稳定性要求，鉴于东露天矿之前未应用过端帮采煤机，推荐单排巷开采，4#煤支撑煤柱宽度5.0 m，隔离煤柱宽度20 m，9#煤支撑煤柱宽度6.0 m，隔离煤柱宽度24 m，隔离煤柱之间支撑煤柱数量都为10，东露天矿通过采取端帮采煤，共可多采出原煤28.47 Mt。

3）通过端帮采煤与矿坑生产时空关系及端帮采煤上覆岩层安全厚度计算分析，端帮采煤不影响矿坑的正常推进，同时可保障矿生产设备安全作业。