霍林河南露天煤矿北区东帮控制开采方案研究

郭海建，李 明，成 功，刘 伟

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122；3.新疆煤炭设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000；4.内蒙古电投能源股份有限公司 南露天煤矿，内蒙古 霍林郭勒 029200）

在露天煤矿的开采过程中，出于边坡安全的考虑，设计往往需要1 个合理的帮坡角[1]，这就导致底部周界与地表境界不一致，致使大量煤炭资源压覆在底部周界内的最终边帮下，造成了煤炭资源浪费，无形中使得企业经济效益受损。尤其针对地质条件相对复杂的露天煤矿，边坡煤炭资源的采出问题[2-4]尤为突出。

因此，如何解决此类问题，合理回收煤炭资源成为国内外学者亟待解决的难题之一，近年来国内外一系列学者对此类问题开展了一系列研究。王东等[5]基于煤柱三维支挡效应的力学成因类型及影响因素的认识，提出了煤柱支挡效应的二维等效方法、三维支挡效应表达式，揭示了支挡煤柱形态参数对支挡效应的影响；王晓光等[6]针对扎哈淖尔露天矿南帮受顺倾地层和岩体力学性质差的影响，通过建立边坡三维模型分析了横采内排条件下边坡开挖位置、追踪距离对边坡稳定性影响，确定了横采内排条件下满足稳定性要求的南帮边坡形态；曹博等[7]通过露天矿横采内排工作线布置及发展方式，建立了横采内排模型，对横采采区宽度进行了优化；孙有刚等[8]采用了理论分析与现场踏勘相结合的方法，确定了最小内排追踪距离，分析了端帮边坡和横向内排土场最大稳定帮坡角。另外，文献［9－15］对边帮煤炭资源采出问题的分析研究也体现了其理论和应用价值。

以往边帮煤炭资源采出方案多集中于陡帮开采技术研究，随着近年来采排工艺的完善，在利用横采工作帮、内排土场间的空间位置关系，在时间及空间上考虑三维效应对边坡稳定性的影响。为此，以霍林河南露天煤矿北区东帮边坡工程实际为背景，建立了不同地质分区下与实际地形、地质构造等吻合度极高的边坡计算模型，从控制边坡稳定性的角度出发对北区东帮控制开采方案进行深入研究，优化东帮最终边坡形态。

1 边坡工程地质特征及开采条件分区

1.1 边坡工程地质特征

霍林河南露天煤矿北区东帮（非工作帮）边坡地层自下而上依次为：霍林河群组、新近系、第四系。霍林河群组主要由砂砾岩、泥岩和4 个煤组构成，分别为Ⅰ煤组、Ⅱ煤组、Ⅲ煤组、Ⅳ煤组，Ⅲ、Ⅳ煤组为主采煤组。通过工程地质补勘发现，北区东帮总体构造形态为一倾向北西、倾角平缓的单斜构造，沿地层走向有波状起伏，地层倾角5°～16°，主要发育断层有2 条（F4、F4－1），断距15～80 m，断层破碎带12～50 cm，胶结程度较差，节理走向NNE（65°～80°）。本区主采煤层位于Ⅲ煤组以下，其中21、24 煤为北区当前主要可采煤层，平均可采总厚约30 m。

1.2 边坡开采条件分区

北区采场走向长度为1.8 km，方案研究的主采煤层为底部21 煤和24 煤，该区域煤炭资源开采核心的边坡问题即在F4上盘煤层已采出，并已内排回填的条件下，如何最大限度地开采下盘21 煤和24煤，同时保障内排土场边坡稳定。

依据煤层位置与内排土场距离、煤层开采与老滑体影响关系、煤层开采与F4、F4－1断层相对位置，将北区划分为3 个区域，由于南露天矿规划，区域3 位于北区北端帮位置，短期不进行开采，本次研究方案主要为区域1 和区域2，选取北区－1、北区－2 剖面作为研究对象，综合以往霍林河南露天矿地质资料以及岩体力学实验成果确定了边坡岩土体的物理力学指标。北区东帮边坡分区平面图如图1，岩土体物理力学指标见表1。

表1 岩土体物理力学指标

图1 北区东帮边坡分区平面图

2 北区东帮煤炭资源采出方案

2.1 安全储备系数

露天矿边坡具有时效性，采场与排土场推进速度是影响边坡稳定的重要因素，依据GB 50197—2015《煤炭工业露天矿设计规范》，并根据目前南露天煤矿工程地质条件、水文地质等资料的掌握情况，结合该区域煤炭开采方法和开采周期，南露天煤矿东帮边坡稳定性分析的安全储备系数选取为1.15；临时边坡稳定系数选取为1.05。

2.2 区域1 煤炭资源采出方案

区域1 位于北区2015 年滑体和八号路之间，南北走向长600 m，研究的主采煤层为F4断层下盘的21 煤和24 煤，而21 煤和24 煤存在夹矸弱层且不具备疏干排水条件，若以缓坡的方式回采压覆煤炭资源，会造成大量压煤，经济上不合理。基于前述煤炭资源赋存特征，在保证边坡安全的前提下从经济角度论证各种开采方案的合理性。首先，若采用纵采全部采出方案将24 煤全部采出，沿24 煤与F4断层交线处将形成临时的局部到界边坡，此时无法保证局部及东帮－内排复合边坡的稳定性；若采用纵采留煤柱方案，考虑到F4断层下盘煤柱对内排土场边坡起到压脚作用，贸然全部采出，将破坏整体边坡稳定性，而留煤柱后，压煤量较大，造成大量的资源浪费。因此，若想最大限度安全回收北区东帮的24 煤，势必要采用“横采内排、追踪压帮”的开采方式。

2.3 区域1 纵采转横采资源采出方案

目前21 煤以上已进行了大量剥离工程，形成采场现状有利于“横采内排、追踪压帮”方案的实施，若想最大限度回收21 煤和24 煤，关键是控制边坡临空面宽度和暴露时间，利用侧边约束和边坡稳定的时间效应，快速将煤炭采出，跟进排土恢复甚至超出原地表几何轮廓进行压帮，降低对整体边坡稳定的影响。考虑采用“横采内排、追踪压帮”的采出方案，边坡侧边界约束效应显著，因此，需利用时效边坡理论，计算临时工作帮边坡稳定。以区域1 边坡工程实际为背景，建立了区域1 边坡计算模型。

横采条件下，东帮稳定性受横采工作帮与内排土场双重支挡作用，因此，跟进内排与工作帮坡底之间的追踪距离是控制内排土场边坡稳定的关键。现分别按50、100、150 m 进行设计，跟进内排土场坡面角为33°，平盘宽度50 m，压帮标高848 m，工作帮平盘宽度30 m，段高12 m，结合相应的物理力学参数，进行边坡稳定计算。计算结果：追踪距离50 m时，边坡稳定系数为1.186；追踪距离100 m 时，边坡稳定系数为1.087；追踪距离150 m 时，边坡稳定系数为1.031。

根据计算结果可以看出，区域1 横采跟进内排与工作帮坡底的追踪距离为50m 时，边坡稳定系数最小为1.186，满足安全储备系数要求，潜在滑面空间位置位于临空面附近，因此，确定合理的追踪距离为50 m。

2.4 区域2 煤炭资源采出方案

区域2 位于北区中部，南北走向长600 m，主要可采煤层为F4断层下盘21 煤、24 煤。类似区域1，分别假设横采工作帮坡底与跟进内排的追踪距离为50、100、150 m，跟进内排土场坡面角为33°，平盘宽度50 m，压帮高度848 m，工作帮平盘宽度30 m，段高12 m，进行三维边坡稳定计算。计算结果：追踪距离50 m 时，边坡稳定系数为1.153；追踪距离100 m时，边坡稳定系数为1.053；追踪距离150 m 时，边坡稳定系数为1.017。

根据计算结果可以看出，区域2 横采跟进内排与工作帮坡底的追踪距离为50 m 时，边坡稳定系数最小为1.153，满足安全储备系数要求，潜在滑面空间位置位于临空面附近，因此，确定合理的追踪距离为50 m。

2.5 北区东帮煤炭资源开采实施

南露天煤矿北区东帮拟分区域1 纵采转横采和区域2 横采2 个阶段进行开采。先对区域1 扩帮剥离，将留设压脚煤柱位置下部的坑底煤层纵采采出，之后尽快完成压脚煤柱以下区域内排；同时在边坡雷达和GNSS 系统监测条件下，由南向北逐步横采压脚煤柱，内排台阶跟进贴排至东帮－内排土场与压脚煤柱保持一定距离，以控制东帮－内排土场复合边坡临空面宽度，直至区域1 坑底煤层开采完毕；随之对区域2 在留设压脚煤柱的条件下继续由南向北逐步横采坑底煤层，内排台阶同样跟进贴排至东帮－内排土场与横采工作帮保持一定距离，以控制东帮－内排土场复合边坡临空面宽度，直至区域2 坑底煤层开采完毕。区域3 位于北区规划的北端帮位置，根据南露天矿规划，短期内不进行开采，因此，本次采出方案研究未对其进行设计。

3 结语

1）霍林河南露天煤矿北区东帮边坡滑坡模式以24 煤底板弱层为底界面的切层－顺层滑动；纵采方案无法安全高效地回收霍林河南露天煤矿北区东帮压覆煤炭资源，采用以“横采内排、追踪压帮”为主的控制开采方案可最大限度地回收东帮边坡压覆的煤炭资源。

2）霍林河南露天煤矿北区东帮边坡稳定性随内排与横采工作帮坡底的追踪距离增大呈负指数降低，当内排追踪距离50 m 时，可充分利用边坡三维效应回收压覆的煤炭资源。