河曲露天矿陷落柱开采可行性分析

罗 科，韩 流，张 宇，盖林丽

(1.山西焦煤山煤国际河曲露天煤业有限公司，山西 忻州 036500；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

我国露天煤矿经过多年的发展，在数量、规模、开采技术等许多方面都取得了长足的进步，拥有生产和在建的露天煤矿400余座，其中有30多座大型露天煤矿的年生产能力在1000万t/a以上[1，2]。露天开采体量不断增大，在我国煤炭年产量所占比重不断提高，目前已经达到20%左右[3，4]。大型露天矿山采取范围内容均存在规模不同的地质构造[5]，诸如断层或陷落柱[6，7]，这些地质构造的存在不可避免地影响采剥工作面的接续，因此对于此类问题的研究具有普遍应用价值和广阔应用前景。

断层等地质构造是影响边坡安全、生产接续和矿山经济效益的重要因素，在煤矿开采的过程中遇到断层均需要进行处治措施研究[8]。对于露天矿来说，推进方向上遇到正断层会使得开采深度减小、剥采比降低，对于整体的经济效益提高有利[9]；遇到逆断层，则需要降段开拓形成新的台阶，导致生产剥采比提高，降低矿山经济效益。为了保证断层前后的接续良好，需要在推进到断层之前进行必要的安全评价和经济效益分析，并规划好断层前后开采程序接续[10，11]。当断层和破碎带等不良构造同时存在时，则需要更加细致具体的研究来支撑开采方案设计。

1 河曲露天矿陷落柱评价

河曲露天矿工程地质简单，水文地质属于中等型[12]，但是根据地质勘查资料整理得，在钻孔48#-2处存在较大面积陷落柱，底板模型如图1所示。F1正断层位于井田东北部边缘[13]，走向NW，NZK-48号孔处向东北弯曲，倾向SW，倾角80°，落差20～100m，井田内延伸长度约2600m。F2正断层位于井田东北部边缘，走向NW，倾向NE，倾角70°，最大落差约50m，井田内延伸长度约1000m。F1和F2之间的陷落柱区域尺寸为南北走向280m，东西走向641m，由于陷落影响，煤层深度分布差异性明显，呈现出南低北高、东高西低的趋势。由于南北走向较短，陷落柱西部煤深度超过100m。

图1 断层和陷落柱位置

出于煤炭回收最大化目的，考虑对陷落柱内煤层进行开采。F1正断层，在推进方向上，断层右侧的煤层抬升了15m左右，过断层期间会出现原煤运输通道中断、剥离内排通道调整水平等问题。断层陷落柱开采过程中需要再次降深，且降深方向线较陡，无法在降深台阶上内排，在陷落柱开采区域无法内排，造成内排空间在过断层期间被压缩。针对河曲露天矿过断层开采过程中遇到的技术问题，应进行全面细致的研究，并形成综合效益最佳的开采参数和方案，实现过陷落柱和断层开采及边坡稳定控制技术，有利于提高经济和安全效益。

河曲露天矿陷落柱开采可行性评价主要从边坡安全和经济效益两个方面进行，陷落柱开采性评价流程如图2所示。通过边坡稳定性分析确定陷落柱周界(诸如北帮、南帮、西帮)的最大边坡安全角度；确定开采境界并核算平均剥采比，对比经济合理剥采比评价陷落柱内部资源开采的经济性，进一步优化陷落柱开采境界，优选开采方案。

图2 陷落柱开采性评价流程

2 陷落柱开采区域边坡角确定

根据地质勘查资料在陷落柱开采范围，初步拟定开采过程中确保生产安全的帮坡角度。选取陷落柱南北两侧及靠近端帮侧做边坡稳定性分析，确定满足开采条件的最大边坡安全角度，具体的剖面包括5个，其中北帮上选择了1#和2#剖面；南帮上选择了3#和4#剖面，5#剖面在端帮上，陷落柱开采边坡剖面位置如图3所示。

图3 陷落柱开采边坡剖面位置

北帮1#剖面处属陷落柱内煤层北侧最深的位置，深度可达100m；北帮2#剖面处属陷落柱内北侧煤层最浅位置，深度20m，通过这两个典型位置确定北帮最大边坡安全角度。

由于断层及地层倾斜因素影响，陷落柱南帮南帮煤层陷落深度较小，因此开采之后南帮边坡高度相对较小。南帮3#剖面处属陷落柱内煤层南侧最深的位置，深度可达50m；南帮4#剖面处属陷落柱内南侧煤层最浅位置，深度20m左右。

陷落柱开采过程中西帮边坡紧靠原始西端帮，会逐步形成复合边坡(5#剖面的位置)，复合边坡高度在130m以上，且涉及岩层较多，其中煤层强度较弱，开采之后端帮边坡会造成部分压煤，在一定程度上限制西帮边坡角度。

整个陷落柱区域及西帮复合边坡所涉及的地层岩性包括泥岩、煤、石灰岩、砂质泥岩、砂岩这5种岩性，其对应的物理力学参数见表1。

表1 断层及陷落柱开采区域地层岩性

陷落柱开采范围约为1.8km2区域，预计开采年限不足一年，回填较为及时，因此设计开采陷落柱区域的北帮、南帮及端帮边坡统一按照非工作帮边坡，服务年限小于10a的要求进行设计，稳定系数需介于1.1～1.2。根据陷落柱区域所选择的剖面，建立模型进行稳定性分析，得到5个剖面满足稳定性要求的边坡角度，代表性分析结果如图4所示。

陷落柱区域端帮边坡安全评价及角度见表2，北帮1#剖面、2#剖面高度差别较大，边坡角41°时，1#剖面稳定系数为1.137，2#剖面为1.218，满足中长期边坡长期安全要求，因此，选定北帮边坡角度为41°；按照同样的原则，根据南帮3#和4#剖面稳定性分析结果，确定南帮边坡角为43°；根据西帮复合边坡5#剖面稳定性分析结果，确定西帮复合边坡整体角度为30°。

3 陷落柱开采境界确定及经济效益分析

3.1 陷落柱开采境界确定

通过确定技术上可行、经济上合理的开采范围从而来确定陷落区开采境界。露天开采深度、底部境界及边坡角等参数组成陷落柱开采境界。开采境界是通过平均剥采比或生产剥采比不大于经济合理剥采比来进行核定的。河曲露天矿的经济合理剥采比以煤炭价格为依据进行确定，计算公式为：

式中，NJ为露天开采经济合理剥采比，m3/t；P为原煤售价，取152元/t；a为露天开采将剥离费用以外的一切费用(包括偿还投资、纳税、付息及管理费等)扣除后的费用，取85元/t；b为露天开采剥离单价，取10.8元/m3。

按式(1)计算得：NJ=6.2m3/t。由NJ数值可见，如果从目前实际煤价考虑，露天开采经济合理剥采比可以达到6.2m3/t。通过经济合理剥采比分析，从资源回收、企业盈利和煤价上涨的趋势考虑，设计确定以经济剥采比6.2m3/t圈定境界。

经边坡稳定计算并考虑运输平盘等布置要求，确定陷落柱区域北帮边坡角为41°，南帮边坡角43°，端帮运输道路的复合边坡角度为30°。确定露天矿的开采境界先确定陷落柱顶部的开采境界大小，然后按照各位置的最大边坡角推至底部，进而确定整体的开采境界。

3.2 陷落柱开采方案设计

根据陷落柱的赋存形态，提出3种开采方案。①方案1：陷落柱内资源全部开采，如图5(a)所示。依据边坡稳定性分析确定的最大边坡安全角度，从陷落柱内13#煤底板的边界反推最大安全角度至采坑内的底板处，将资源全部开采出，确定出初始的破底板位置，计算剥采比。②方案2：陷落柱资源部分开采，如图5(b)所示。依据边坡稳定性分析确定的最大边坡安全角度，从陷落柱上边界推至13#煤底板，只能将部分资源采出，确定出陷落柱内最终采煤终止位置，计算剥采比。③方案3：不开采陷落柱，如图5(c)所示。不开采陷落柱则可减少剥离量，在陷落柱顶部留平台。按照平台的稳定性确定平台形态，计算平台内的资源储量及岩石剥离量。以平台开采为前提条件，重新计算方案1和方案2的生产剥采比。

图5 陷落柱开采方案设计方案

方案1为最大开采范围，方案2为最小开采范围，开采的范围通过两种方案的生产剥采比与经济合理剥采比的比较进行确定，进一步优选出二者之间的最优开采位置。方案3为丢弃陷落柱内资源的情况下，能减少的最大剥离量，即留平台的最大量。

3.3 方案确定

通过三种方案的剥采比与经济合理剥采比的比较，综合考虑多因素确定最终方案。

不考虑陷落柱顶板上部的剥离量的情况下，各方案剥离量及储量比较，方案1的平均剥采比为2.51m3/t、方案2的平均剥采比为2.37m3/t；方案3的平均剥采比为4.02m3/t，三种方案剥采比的变化表明，根据方案三的设计，留设平台后，虽然减少了剥离量，但减少的剥离成本远小于开采的资源储量获取的利益，所以陷落柱内的资源仍然是可采的，三个方案的剥采比均小于经济合理剥采比6.2m3/t，方案1可以最大化的开采出陷落柱内赋存的煤炭资源，由于方案1和方案2的剥采比较为接近，在此情况下，尽可能的多开采资源，才能实现利益最大化，方案1开采资源量多于方案2，方案1能最大程度的利用陷落柱中资源，实现利益最大化。从各方案的剥采比和经济效益两方面考虑，确定方案1为陷落柱最终开采境界。顶部开采境界位置如图6所示。

图6 陷落柱开采境界

4 结 论

1)通过对河曲露天矿的工程地质条件的分析，明确了F1和F2正断层的组合切割作用在采场西帮附近形成了一个南北长280m、东西长641m，南低北高、东高西低的陷落柱，最大陷落深度超过百米。

2)在陷落柱北帮、南帮和西帮共选择5个剖面，稳定性分析得到满足安全要求的边坡角分别为：北帮41°，南帮43°，西帮30°。

3)依照河曲露天矿的煤炭价格，计算得出该矿山的经济合理剥采比为6.2m3/t。按照稳定性分析确定的边坡角，提出了陷落柱内资源全部开采、部分开采、不开采三种方案，通过煤岩量统计分析，得到三种方案的剥采比为2.51m3/t、2.37m3/t和4.02m3/t，均小于经济合理剥采比。相较于其他两个方案，方案1能使经济效益达到最大化。