某露天矿边帮压煤回收开采方法选择

李 岚

(中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015)

0 引 言

我国露天矿边帮压煤量巨大，大力回收露天矿边帮煤炭资源既符合我国的煤炭工业政策，又有重大的经济效益和社会效益。某露天矿首采区边帮压煤区由西边帮、南边帮煤层底板境界线和矿权界线包围形成，西边帮下煤层总体呈一个狭长的走向长条，而南帮下煤层基本为近水平，其形态呈L型狭长条带，如图1所示。西帮北部地面有露天矿工业场地、二采区带式输送机走廊、排矸系统的矸石仓及带式输送机走廊，其下压覆煤层不能开采，留设保护煤柱后西帮北部剩余储量较少，开采不经济；南边帮东半部宽度较窄，仅为56～87 m，不适合大型综合机械化开采工艺，且紧邻消耗区，存在安全隐患。

图1 边帮压煤回收区示意图Fig.1 Under-slope coal recovery area schematic diagram

边帮压煤回收范围，西边帮走向长约3 676 m，倾斜宽196～302 m，中部窄，南部和北部宽；南边帮走向长约774 m，宽度123～183 m，总长度约4 358 m，面积约1.053 661 km2，开采标高1 264～940 m。边帮压煤回收区主要回采6号复合煤层，设计可采储量为18.612 Mt。 该压煤区地质和开采条件具有煤层厚度大(平均30.42 m)、埋藏深度浅(50～150 m)等特点。因此，选择合理的边帮压煤开采方法，确保

压煤区煤炭资源的安全回收、提高资源回收率就显得尤为重要。

1 边帮压煤回收区煤层赋存条件

回收区6号复合煤层埋藏深度50～150 m，北部较浅、南帮和西帮西侧边界较深。6号复合煤层属于特厚煤层，南部厚，北部薄，厚度变化较大，煤层总厚(含夹矸)10.51～36.21 m，平均30.42 m；纯煤厚9.81～31.74 m，平均25.5 m；夹矸厚0.70～9.05 m，平均4.61 m，夹矸率平均15%。回收区南帮煤层倾角小于5°，西帮煤层角度局部达25°。6号复合煤层力学参数如下：单轴抗压强度为5.71～17.85 MPa， 平均为12.28 MPa； 抗拉强度为0.51～1.08 MPa，平均为0.83 MPa；内摩擦角为32.3°；内聚力为2.15 MPa。6号复合煤层伪顶板、直接顶板和底板岩性以泥岩类为主，老顶岩性为厚层状黄色粗砂岩，胶结程度差，松散，空隙率高，遇水即崩解，岩性较软弱。夹矸岩性主要为黏土岩、炭质泥岩，属软弱岩层。煤层硬度偏大，f=1～3。

回收区地质构造影响主要集中于西帮区域，对该西端帮下煤层的赋存产生影响的地质构造主要有背斜和断层。由于该区域煤层厚度较大，因此断层对回收区煤炭资源的回收影响有限。回收区水文地质条件简单，瓦斯含量低，煤尘有爆炸性，煤层易自燃，地温正常。

2 边帮压煤开采方式确定

目前边帮压煤的开采方式主要包括陡帮开采、端帮采煤机开采、露井协调开采、井工平巷开采[1-7]。各开采方式对比见表1。目前，对于各开采方式的应用如下所述。

表1 边帮压煤开采方式对比Table 1 Comparison of recovery ways of under-slope coal

1) 陡帮方法开采边帮压煤的成功实例为平庄西露天煤矿，自2008年开始，到2014年，西露天煤矿应用陡帮开采方式回收煤炭资源约1 587万t。

2) 端帮采煤机在美国、俄罗斯及澳大利亚等国家广泛应用，国内还没有在露天矿边帮压煤回采中的实际应用。

3) 露井协调开采边帮压煤典型案例为平朔安家岭露天煤矿，安家岭露天煤矿是我国第一座露井联合开采大型煤矿。作为国家重点建设项目之一的安家岭露天煤矿，其建设方式由单一露天开采调整为露井联合开采于2002年11月获得国家计划委员会批准，安家岭露天煤矿应用露井协调开采方式回收露天端帮及外围下的煤炭约2.5亿t。

4) 井工平巷开采边帮压煤的成功案例为神华乌海能源有限责任公司露天煤矿边帮开采16#煤层。 16#煤层平均埋深45 m，煤层厚度为7.6～8.0 m，倾角为8°～25°，抗压强度为10～13 MPa，煤层节理裂隙发育，煤层有自燃倾向性，自然发火期4～6个月，底板为3～5 m的灰白色细粒砂岩，直接顶为深灰色层状泥岩或者砂质泥岩，煤层至地表基岩属第四系沉积。工作面倾斜长度160～222 m，支架型号ZF5600/17/33，2004年3月—2005年4月工业试验，工作面回采率达到80%～85%，效果较好。

结合上述对比分析，针对该露天矿边帮煤回收区6号复合煤层的厚度及赋存特点(煤层埋藏浅厚度大、裂隙发育、易自燃)，露天矿边帮煤陡帮开采边帮围岩安全性差、回收率低；端帮采煤机开采存在煤柱尺寸大、一次开采高度低、资源回收率低、对特厚煤层适应性差、边帮失稳威胁作业人员和设备安全等问题；露井协调开采建井工程量大、生产组织管理难度大、审批流程复杂。因此，采用井工平巷开采方式进行浅埋特厚边帮压煤回收。

3 边帮压煤采煤方法选择

采煤工作是煤矿生产最重要的环节。边帮压煤采用井工平巷开采方式，直接影响开采生产安全和各项经济指标、技术指标是否合理；而合理采煤方法的确定是实现高产高效、安全、现代化矿井建设的关键所在。因此，在选择和设计采煤方法时，不仅要符合法律法规、行业规范及标准，还要充分考虑地质因素、技术因素、经济与管理因素和环境因素。

放顶煤开采是一种高产高效、安全低耗、经济效益显著的采煤方法，已成为我国厚煤层和特厚煤层开采的主要采煤方法[8]。放顶煤开采具有更强的适应性，煤层厚度变化对工作面推进的影响较小[9-10]。综上，采用综放开采能够很好地适应煤层厚度的变化，也可避免顶煤的浪费，如图2所示。

图2 整层综放开采对煤层厚度变化适应性示意图Fig.2 Schematic diagram of the adaptability ofwhole layer fully-mechanized sublevel cavingto the change of coal seam thickness

3.1 煤体可放行

6号复合煤层裂隙较发育，有利于顶煤的冒放；煤层顶煤垮落角为65°～115°，计算顶煤的合理垮落角不应小于82.3°，煤层的实际垮落角处于合理垮落角之间，垮落后的顶煤绝大部分可以落在支架的放煤口；煤层组成结构较复杂，一般含夹矸11层，夹矸与煤层间形成的弱面有利于顶煤的顺利垮落及回收；从周边矿区同煤层开采实践可知，上覆顶板可以随采随垮。

综上分析，6号复合煤层的顶煤冒放性较好。当顶煤冒放性较差时，可采用两顺槽超前预裂爆破手段以提高顶煤冒放性。

3.2 采煤方法比选

根据国内厚及特厚煤层开采技术发展现状，结合该露天矿边帮煤回收区6号煤层厚度及赋存特点，从资源有效回收率及安全角度考虑，可供选择的放顶煤采煤方法主要有：分层综放开采和整层(一次采全厚)综放开采2种方法。基于经济及安全的角度对以上两种采煤方法进行分析。

3.2.1 分层综放开采

从经济角度分析，采用分层综放开采时，存在以下问题。

1) 煤柱损失量大。 工作面采用分层综放开采时，上分层会引起应力集中，从而下分层的巷道就需要避开应力的集中区，一般需采用内错式或外错式的布置方式，因此增加了煤柱的煤炭损失，如图3所示。

图3 分层综放开采工作面布置Fig.3 Mining face layout of layered fully-mechanizedsublevel caving

2) 巷道掘进量大、接续紧张。压煤回收区煤层采用该种采煤方法时，相对于南帮及西帮区域而言，两帮工作面至少需要多掘进四条巷道，两条切眼，南帮工作面顺槽走向长度按1 000 m计算，西帮工作面顺槽走向长度按3 000 m计算，切眼按150 m计算，此时分层开采期间，回采巷道至少多掘进8 000 m，切眼掘进300 m，巷道掘进及支护成本按6 000元/m计算，则至少需增加4 980万元，巷道掘进、支护及维护费用大幅增加。同时，由于南帮及西帮试验工作面推进长度分别为964 m及3 264 m，因此西帮下分层开采存在接续紧张问题。

3) 工作面设备投资大。采用分层综放开采时，由于其设备使用年限和开采量的增大，压煤回收区回采期间，回采工作面需要增加1套回采设备，设备投入需增加约1.8亿元。

4) 设备搬家费用增加。分层综放开采后，其工作面设备搬家次数比整层(一次采全厚)综放开采至少增加2次，每次搬家费用按600万元计算，需增加费用1 200万元。

从安全角度分析，采用分层综放开采时，存在以下问题[11]。

1) 下分层综放开采采空区易发火。大量的开采实践证明，同样的煤层条件下，一次采全高比分层开采的煤层自燃发火机率小得多，特别考虑到本压煤回收区煤层存在易自燃、浅埋深的特性，上分层综放开采后，空气会通过由于开采导致的地表裂隙进入采空区，从而造成采空区遗煤的自燃。若上分层综放开采时没有出现自燃的现象，但由于上分层综放开采不能形成规则“三带”和可能引起顶板法人破坏，会造成采空区漏风，当下分层综放开采时会重新揭露上分层采空区，导致巷道和采空区自燃发火的危险性将大大增加。

2) 顶板管理难度大。分层综放开采时，底煤层由于上分层综放回采产生了破坏，下分层综放回采时工作面顶板的也多为破碎顶煤。因此，在开采下分层时工作面的巷道维护及顶板管理困难，如果管理不当，易造成顶板冒顶伤人的事故。尤其针对压煤回收区煤层开采而言，煤层裂隙发育，顶板较松软，分层开采更易引发顶板冒顶事故。同时，由于下分层巷道布置在煤柱内，在集中应力的影响范围内，巷道压力较大，增加了巷道的支护难度。

3) 边帮稳定性。回收区南帮工作面开采时，由于设计采用L型布置回采方式，因此，南帮工作面开采边帮稳定性至关重要，受工作面采动影响，工作面边帮有发生超前滑坡的可能，影响安全回采。采用分层开采时，由于边帮受上分层采动影响，试验工作面推进后，上覆边帮垮落堆积，下分层开采时边帮稳定性极差；在二次采动影响下，超前边帮将发生滑落，无法实现下分层试验工作面的安全回采。

3.2.2 整层(一次采全厚)综放开采

从经济角度分析，采用整层综放开采时，具有以下优点。

1) 较分层综放开采而言，整层(一次采全厚)综放开采时，至少可少掘进回采巷道8 000 m，切眼300 m，降低了掘进成本。

2) 避免了上分层、下分层之间留设的煤皮及巷道之间煤柱的损失。

3) 减少了设备投入成本。整层(一次采全厚)综放开采时，垮落顶煤占煤炭产量的大部分，采煤机、前部刮板输送机和液压支架等设备与相同产量的分层综放开采工作面设备相比，使用时间短，过煤量少，有利于设备的维护与保养，延长设备使用寿命。

4) 降低了生产成本。减少了采煤机割煤量和材料及电力的消耗，大幅降低了吨煤生产成本，提高了生产效率，实现了高效、集约化生产。

5) 减少设备搬家费用。整层(一次采全厚)综放开采时，其压煤回收区回采工作面仅需搬家一次，较分层开采减少二次搬家费用。

从安全角度分析，采用整层综放开采时，具有以下优点。

1) 改善了易自燃煤层的管理。与分层综放开采相比，整层(一次采全厚)综放开采层数少，因此对于压煤回收区6号易自燃煤层而言，有利于煤层自然发火的防治。

2) 顶板控制问题减少。由于整层(一次采全厚)综放开采“直接顶”为完整顶煤，且煤层硬度大，完整性好，顶板管理相对简单。

3) 相对于分层综放开采而言，南帮回采工作面边帮仅受一次采动影响，从现场边帮的情况来看，采用加固及全方位监测措施时，边帮稳定性处于可控范围内，可以保障工作面的安全回采。

4 结 语

根据上述分析，该露天矿边帮压煤回收区的浅埋特厚煤层适合采用井工平巷开采方式整层(一次采全厚)综放开采采煤方法。整层(一次采全厚)综放开采采煤方法可有效解决多次揭露回采造成的顶板管理难度较大、煤壁片帮冒顶严重、煤层易自然、边帮稳定性控制等问题，同时减少了巷道掘进工程量、避免了分层开采煤柱损失、降低了设备投入成本、减少了搬家费用，可大幅度提高煤炭资源回收率，降低吨煤生产成本。