金欧露天煤矿薄煤层边帮煤开采技术

2020-05-19曾祥玉

露天采矿技术 2020年2期

曾祥玉

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110015）

我国露天煤矿边帮压煤量巨大，据不完全统计国内大型露天煤矿边帮压煤量已超过50 亿t，大力开采露天煤矿边帮煤炭资源符合我国的煤炭工业政策，具有重大的经济和社会效益。国外对露天煤矿边帮开采的研究起步较早，尤其是以美国为首的发达国家，专门开发了用于边帮采煤的边帮采煤机，并得到了广泛的应用，如美国SHM 公司为代表的企业，1994 年正式推出用于开采露天煤矿边帮及露头煤的联合采煤机[1]，SHM 边帮露井联合采煤方法是在露头煤层的外部边帮进行巷柱式开采，通过留设煤柱来支承上覆岩土层，保障采掘面安全；近年来，国内也结合露天煤矿开采现状，开始研究露天煤矿边帮采煤技术和边帮采煤机，如山西天地煤机装备有限公司研究了一种露天矿端帮开采连续采煤机[2]。国内在露天矿边帮煤领域虽取得了一些成果，但在理论研究、设备研发、安全高效等方面仍存在技术不足和研究空白，为此通过理论研究和工程示范，寻求不同开采方式、开采顺序、开采参数、设备选型等因素对煤层回采率及露天矿适用性的影响，以达到资源高效回收、生产安全环保、设备协调配置的目的。

1 金欧露天煤矿概况

1）地形地貌。金欧露天煤矿位于鄂尔多斯市鄂托克旗西部边缘，地表经剥蚀风化后，地势起伏不大，为相对高差不大的低山丘陵高原地貌，海拔标高在1 300～1 350 m 之间，相对高差50 m，呈北高南低趋势。地表多基岩出露，其余为固结黄土、风积沙和残坡积沙土碎石覆盖。

2）煤层特征。金欧露天煤矿所属矿田内具有工业开采价值的煤层共5 层。其编号由上向下为8-1#、9-2#、16-1#、16-2#、17#煤层，尚有多层不可采煤线，煤层走向北西～南东，倾向南西，倾角一般6°～10°，5 个可采煤层的特征见表1。

表1 可采煤层特征表

2 边帮煤开采技术

2.1 开采方式

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。

2.1.1 陡帮开采

陡帮开采是目前露天煤矿普遍采用的一种边帮压煤开采方法。陡帮开采方法就是在保证边坡稳定的前提下，通过缩短下部含煤台阶的平盘宽度[3]，提高原设计的最终帮坡角，实现煤炭资源的最大化开采。其技术关键就在于合理确定帮坡角及开采方式，保证边坡稳定。陡帮开采的优势在于充分利用现有设备，无需增加过多的额外投资，经济效益高，适用于岩体强度比较高，边坡比较稳定的露天煤矿。其缺点在于采掘设备上下调动频繁，辅助工程量大，对现场工作协调性要求高，对巨厚煤层开采而言，其回收率较低。露天煤矿采用陡帮方法开采边帮压煤的成功实例为平庄西露天煤矿。

2.1.2 边帮采煤机开采

边帮采煤机开采是美国Superior Highwall Miners 公司于1994 年正式推出的用于开采露天煤矿端帮及露头煤的联合采煤机[4]。经过10 多年的不断改进，其单硐采深已由最初的30 m 提高到300 m，并配备有0.76～5.5 m 的3 种不同采高的截割头，切割部类似于井工矿的房柱式采煤机。端帮采煤机开采的优势在于开采方法简单、环保，无需大量矿建、地下支护，最大采深达300 m，适用于复杂地质条件下薄煤层的开采。其缺点在于设备成本高，初期投资相对大，不利于端帮边坡稳定。目前国外边帮采煤机开采技术成熟且应用广泛；国内正处于研究试验阶段，实际应用较少。

2.1.3 露井协调开采

露井协调开采就是露天与井工2 种开采方法同期进行回采，通过合理确定露井开采时序及露井空间距离，最大限度的降低露天与井工相互影响，实现协调开采。其关键技术在于合理确定露天开采与井工开采的时序关系及空间位置上的安全距离，控制开采过程中的边坡稳定，保证露天和井工的安全生产。露井协调开采的优势在于最大限度地发挥露天与井工开采的优点，用少量的投资和工程将露天生产压占的煤炭资源同时采出，适合于边帮压煤量大，煤层较厚，边坡岩体强度高、稳定性好的露天煤矿。其缺点是露天与井工在空间上存在相互干扰，生产组织管理难度大；与单一露天开采相比，边坡岩体破碎程度大，滑移机制与变形规律更加复杂，不利于边坡稳定[5]。

2.1.4 井工平巷开采

井工平巷开采就是充分利用露天煤矿的空间，在端帮的煤层露头开掘运输巷和回风巷并建立工作面，用地下开采的方法开采端帮压煤。其优势在于相比正常井工矿开采而言，工艺简单，便于管理且布置比较灵活，适合于水文地质情况简单，边坡稳定性好，特别是水平或缓倾斜巨厚煤层的露天煤矿。目前对井工平巷开采方法的研究比较多，其成功案例为神华乌海能源有限责任公司路天煤矿。

结合金欧露天煤矿现场作业条件、煤层赋存、周边开采现状及初期基建投资等情况，综合考虑拟采用边帮采煤机开采方式对该矿边帮煤进行开采。

2.2 设备选型

当前主流的边帮采煤设备有美国SHM 边帮采煤机、澳大利亚UGM 边帮采煤机、国产EML340D（BP）型采煤机[6]和螺旋钻采煤机等。4 种设备参数见表2。

表2 边帮采煤设备参数对比表

结合本工程煤层赋存条件可知煤层厚度1～3 m 属于薄煤层，煤层倾角6°～10°属于缓倾斜煤层，南帮开采范围内硐室采深15～60 m。综合考虑煤层赋存条件以及硐室采深，螺旋钻采煤机更适合本工程。为了提高边帮煤开采效率，在单螺旋钻采煤机设备的基础上进行了升级改造，研发制造出LT800双螺旋钻边帮采煤机，LT800 双螺旋钻边帮采煤机设备参数见表3，设备主要结构如图1。

表3 LT800 双螺旋钻边帮采煤机设备参数表

图1 LT800 双螺旋钻边帮采煤机主要结构图

2.3 开采顺序

2.3.1 多煤层开采顺序

开采范围内有5 层可采煤层，从上至下分别为8－1#煤、9－2#煤、16－1#煤、16－2#煤、17#煤，结合采场当前开采现状，在采场南帮开采范围内8－1#煤、9－2#煤已露出宽度约500 m，16－1#煤、16－2#煤、17#煤已露出宽度约200 m。由于8－1#煤、9－2#煤所在台阶平盘宽度留设较小，不能满足边帮采煤机最小作业平盘宽度的要求[7]，因此8－1#煤、9－2#煤暂时不具备开采条件，待内排土场台阶排弃至该煤层所在平盘标高时，占用内排土场台阶先后完成对9－2#煤和8－1#煤的开采。当前16－1#煤、16－2#煤、17#煤具备开采条件，为了减小对内排空间的影响应最先开采17#煤再开采16－1#煤和16－2#煤。多煤层由下至上开采顺序示意图如图2。

2.3.2 单煤层分层开采顺序

本工程拟采用双螺旋钻采煤机，其钻头直径为0.8 m，5 层可采煤层中8－1#煤和17#煤平均煤厚约1 m，可以一次采全高；其余煤层厚度均大于1.6 m，需要分层进行开采，考虑到设备自身特点，开采上分层时需要将设备整体垫高，同时还要考虑到开采过程中煤层采出率、硐室稳定性和开采的难易程度，同一层煤分层开采时应从上至下进行开采。单煤层由上至下分层开采顺序示意图如图3。

图2 多煤层由下至上开采顺序示意图

图3 单煤层由上至下分层开采顺序示意图

2.3.3 单煤层推进方向

结合金欧露天煤矿生产现状可知，南帮边帮煤开采范围内边帮煤硐室整体上从东向西推进，推进过程中根据采煤机行走方向的变化可分为连续开采和跳跃开采2 种形式。

1）连续开采。待露天区采剥工作面推进，露出17#煤层底板和南部边帮后，为边帮采煤机准备出作业场地，开始进行边帮采煤，边帮采煤机按照煤层厚度和设计的采宽、采深进行开采，在南区东部开采第1 个硐室，该硐室开采结束后将钻杆撤出硐室，沿南区边帮由东向西依次开采硐室，每个硐室之间留设支撑煤柱[8]，每隔10 个硐室留设1 个永久煤柱，边帮采煤机连续开采顺序如图4。

图4 边帮采煤机连续开采示意图

2）跳跃开采。采用边帮采煤机跳跃开采方式时，需进行充填[9]保证硐室及边坡的稳定性。待露天区采剥工作面推进，露出17#煤层底板和南部边帮后，为边帮采煤机准备出作业场地，开始进行边帮采煤，边帮采煤机按照煤层厚度和设计的采宽、采深进行开采，在南区东部开采第1 个硐室，该硐室开采结束后将钻杆撤出硐室，留设大煤柱后沿南区边帮由东向西开采下1 个硐室，待后面硐室充填后再将边帮采煤机调到1#、2#硐室之间，开采大煤柱，按此顺序循环开采，该开采方法留设的支撑煤柱宽度更小且无需留设永久煤柱，边帮采煤机跳跃开采顺序如图5。

图5 边帮采煤机跳跃开采示意图

对比分析以上连续开采和跳跃开采2 种推进方式可知，边帮采煤机连续开采的优点在于其推进速度快，推进方向一致，施工组织相对简单，在露天开采工作面推进较快且内排空间不足的情况下，为了尽量减小对正常露天煤矿剥采排工程的影响，更适合采用边帮采煤机连续开采方式开采边帮煤；边帮采煤机跳跃开采的优点是煤层采出率理论值较高，但要建立在开采充填时间充足且充填强度达到一定要求的基础上，缺点是该方式推进方向需折返，进行跳跃式开采，设备需要频繁移设、调车，整个施工过程中工序相对复杂，人员及设备的生产组织也比较困难，而且要与充填工程紧密结合，对充填强度要求高，两者相互影响和制约，上述缺点导致跳跃开采整体推进速度较慢，该方式主要适合于推进速度缓慢且留有足够的边帮煤开采充填作业空间和时间，要求高回收率的露天煤矿边帮煤开采项目。