曾祥玉
(中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110015)
我國(guó)露天煤礦邊幫壓煤量巨大,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)大型露天煤礦邊幫壓煤量已超過50 億t,大力開采露天煤礦邊幫煤炭資源符合我國(guó)的煤炭工業(yè)政策,具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。國(guó)外對(duì)露天煤礦邊幫開采的研究起步較早,尤其是以美國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家,專門開發(fā)了用于邊幫采煤的邊幫采煤機(jī),并得到了廣泛的應(yīng)用,如美國(guó)SHM 公司為代表的企業(yè),1994 年正式推出用于開采露天煤礦邊幫及露頭煤的聯(lián)合采煤機(jī)[1],SHM 邊幫露井聯(lián)合采煤方法是在露頭煤層的外部邊幫進(jìn)行巷柱式開采,通過留設(shè)煤柱來支承上覆巖土層,保障采掘面安全;近年來,國(guó)內(nèi)也結(jié)合露天煤礦開采現(xiàn)狀,開始研究露天煤礦邊幫采煤技術(shù)和邊幫采煤機(jī),如山西天地煤機(jī)裝備有限公司研究了一種露天礦端幫開采連續(xù)采煤機(jī)[2]。國(guó)內(nèi)在露天礦邊幫煤領(lǐng)域雖取得了一些成果,但在理論研究、設(shè)備研發(fā)、安全高效等方面仍存在技術(shù)不足和研究空白,為此通過理論研究和工程示范,尋求不同開采方式、開采順序、開采參數(shù)、設(shè)備選型等因素對(duì)煤層回采率及露天礦適用性的影響,以達(dá)到資源高效回收、生產(chǎn)安全環(huán)保、設(shè)備協(xié)調(diào)配置的目的。
1)地形地貌。金歐露天煤礦位于鄂爾多斯市鄂托克旗西部邊緣,地表經(jīng)剝蝕風(fēng)化后,地勢(shì)起伏不大,為相對(duì)高差不大的低山丘陵高原地貌,海拔標(biāo)高在1 300~1 350 m 之間,相對(duì)高差50 m,呈北高南低趨勢(shì)。地表多基巖出露,其余為固結(jié)黃土、風(fēng)積沙和殘坡積沙土碎石覆蓋。
2)煤層特征。金歐露天煤礦所屬礦田內(nèi)具有工業(yè)開采價(jià)值的煤層共5 層。其編號(hào)由上向下為8-1#、9-2#、16-1#、16-2#、17#煤層,尚有多層不可采煤線,煤層走向北西~南東,傾向南西,傾角一般6°~10°,5 個(gè)可采煤層的特征見表1。
表1 可采煤層特征表
目前邊幫壓煤的開采方式主要包括:陡幫開采、端幫采煤機(jī)開采、露井協(xié)調(diào)開采、井工平巷開采。
2.1.1 陡幫開采
陡幫開采是目前露天煤礦普遍采用的一種邊幫壓煤開采方法。陡幫開采方法就是在保證邊坡穩(wěn)定的前提下,通過縮短下部含煤臺(tái)階的平盤寬度[3],提高原設(shè)計(jì)的最終幫坡角,實(shí)現(xiàn)煤炭資源的最大化開采。其技術(shù)關(guān)鍵就在于合理確定幫坡角及開采方式,保證邊坡穩(wěn)定。陡幫開采的優(yōu)勢(shì)在于充分利用現(xiàn)有設(shè)備,無需增加過多的額外投資,經(jīng)濟(jì)效益高,適用于巖體強(qiáng)度比較高,邊坡比較穩(wěn)定的露天煤礦。其缺點(diǎn)在于采掘設(shè)備上下調(diào)動(dòng)頻繁,輔助工程量大,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作協(xié)調(diào)性要求高,對(duì)巨厚煤層開采而言,其回收率較低。露天煤礦采用陡幫方法開采邊幫壓煤的成功實(shí)例為平莊西露天煤礦。
2.1.2 邊幫采煤機(jī)開采
邊幫采煤機(jī)開采是美國(guó)Superior Highwall Miners 公司于1994 年正式推出的用于開采露天煤礦端幫及露頭煤的聯(lián)合采煤機(jī)[4]。經(jīng)過10 多年的不斷改進(jìn),其單硐采深已由最初的30 m 提高到300 m,并配備有0.76~5.5 m 的3 種不同采高的截割頭,切割部類似于井工礦的房柱式采煤機(jī)。端幫采煤機(jī)開采的優(yōu)勢(shì)在于開采方法簡(jiǎn)單、環(huán)保,無需大量礦建、地下支護(hù),最大采深達(dá)300 m,適用于復(fù)雜地質(zhì)條件下薄煤層的開采。其缺點(diǎn)在于設(shè)備成本高,初期投資相對(duì)大,不利于端幫邊坡穩(wěn)定。目前國(guó)外邊幫采煤機(jī)開采技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛;國(guó)內(nèi)正處于研究試驗(yàn)階段,實(shí)際應(yīng)用較少。
2.1.3 露井協(xié)調(diào)開采
露井協(xié)調(diào)開采就是露天與井工2 種開采方法同期進(jìn)行回采,通過合理確定露井開采時(shí)序及露井空間距離,最大限度的降低露天與井工相互影響,實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)開采。其關(guān)鍵技術(shù)在于合理確定露天開采與井工開采的時(shí)序關(guān)系及空間位置上的安全距離,控制開采過程中的邊坡穩(wěn)定,保證露天和井工的安全生產(chǎn)。露井協(xié)調(diào)開采的優(yōu)勢(shì)在于最大限度地發(fā)揮露天與井工開采的優(yōu)點(diǎn),用少量的投資和工程將露天生產(chǎn)壓占的煤炭資源同時(shí)采出,適合于邊幫壓煤量大,煤層較厚,邊坡巖體強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的露天煤礦。其缺點(diǎn)是露天與井工在空間上存在相互干擾,生產(chǎn)組織管理難度大;與單一露天開采相比,邊坡巖體破碎程度大,滑移機(jī)制與變形規(guī)律更加復(fù)雜,不利于邊坡穩(wěn)定[5]。
2.1.4 井工平巷開采
井工平巷開采就是充分利用露天煤礦的空間,在端幫的煤層露頭開掘運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷并建立工作面,用地下開采的方法開采端幫壓煤。其優(yōu)勢(shì)在于相比正常井工礦開采而言,工藝簡(jiǎn)單,便于管理且布置比較靈活,適合于水文地質(zhì)情況簡(jiǎn)單,邊坡穩(wěn)定性好,特別是水平或緩傾斜巨厚煤層的露天煤礦。目前對(duì)井工平巷開采方法的研究比較多,其成功案例為神華烏海能源有限責(zé)任公司路天煤礦。
結(jié)合金歐露天煤礦現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件、煤層賦存、周邊開采現(xiàn)狀及初期基建投資等情況,綜合考慮擬采用邊幫采煤機(jī)開采方式對(duì)該礦邊幫煤進(jìn)行開采。
當(dāng)前主流的邊幫采煤設(shè)備有美國(guó)SHM 邊幫采煤機(jī)、澳大利亞UGM 邊幫采煤機(jī)、國(guó)產(chǎn)EML340D(BP)型采煤機(jī)[6]和螺旋鉆采煤機(jī)等。4 種設(shè)備參數(shù)見表2。
表2 邊幫采煤設(shè)備參數(shù)對(duì)比表
結(jié)合本工程煤層賦存條件可知煤層厚度1~3 m 屬于薄煤層,煤層傾角6°~10°屬于緩傾斜煤層,南幫開采范圍內(nèi)硐室采深15~60 m。綜合考慮煤層賦存條件以及硐室采深,螺旋鉆采煤機(jī)更適合本工程。為了提高邊幫煤開采效率,在單螺旋鉆采煤機(jī)設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級(jí)改造,研發(fā)制造出LT800雙螺旋鉆邊幫采煤機(jī),LT800 雙螺旋鉆邊幫采煤機(jī)設(shè)備參數(shù)見表3,設(shè)備主要結(jié)構(gòu)如圖1。
表3 LT800 雙螺旋鉆邊幫采煤機(jī)設(shè)備參數(shù)表
圖1 LT800 雙螺旋鉆邊幫采煤機(jī)主要結(jié)構(gòu)圖
2.3.1 多煤層開采順序
開采范圍內(nèi)有5 層可采煤層,從上至下分別為8-1#煤、9-2#煤、16-1#煤、16-2#煤、17#煤,結(jié)合采場(chǎng)當(dāng)前開采現(xiàn)狀,在采場(chǎng)南幫開采范圍內(nèi)8-1#煤、9-2#煤已露出寬度約500 m,16-1#煤、16-2#煤、17#煤已露出寬度約200 m。由于8-1#煤、9-2#煤所在臺(tái)階平盤寬度留設(shè)較小,不能滿足邊幫采煤機(jī)最小作業(yè)平盤寬度的要求[7],因此8-1#煤、9-2#煤暫時(shí)不具備開采條件,待內(nèi)排土場(chǎng)臺(tái)階排棄至該煤層所在平盤標(biāo)高時(shí),占用內(nèi)排土場(chǎng)臺(tái)階先后完成對(duì)9-2#煤和8-1#煤的開采。當(dāng)前16-1#煤、16-2#煤、17#煤具備開采條件,為了減小對(duì)內(nèi)排空間的影響應(yīng)最先開采17#煤再開采16-1#煤和16-2#煤。多煤層由下至上開采順序示意圖如圖2。
2.3.2 單煤層分層開采順序
本工程擬采用雙螺旋鉆采煤機(jī),其鉆頭直徑為0.8 m,5 層可采煤層中8-1#煤和17#煤平均煤厚約1 m,可以一次采全高;其余煤層厚度均大于1.6 m,需要分層進(jìn)行開采,考慮到設(shè)備自身特點(diǎn),開采上分層時(shí)需要將設(shè)備整體墊高,同時(shí)還要考慮到開采過程中煤層采出率、硐室穩(wěn)定性和開采的難易程度,同一層煤分層開采時(shí)應(yīng)從上至下進(jìn)行開采。單煤層由上至下分層開采順序示意圖如圖3。
圖2 多煤層由下至上開采順序示意圖
圖3 單煤層由上至下分層開采順序示意圖
2.3.3 單煤層推進(jìn)方向
結(jié)合金歐露天煤礦生產(chǎn)現(xiàn)狀可知,南幫邊幫煤開采范圍內(nèi)邊幫煤硐室整體上從東向西推進(jìn),推進(jìn)過程中根據(jù)采煤機(jī)行走方向的變化可分為連續(xù)開采和跳躍開采2 種形式。
1)連續(xù)開采。待露天區(qū)采剝工作面推進(jìn),露出17#煤層底板和南部邊幫后,為邊幫采煤機(jī)準(zhǔn)備出作業(yè)場(chǎng)地,開始進(jìn)行邊幫采煤,邊幫采煤機(jī)按照煤層厚度和設(shè)計(jì)的采寬、采深進(jìn)行開采,在南區(qū)東部開采第1 個(gè)硐室,該硐室開采結(jié)束后將鉆桿撤出硐室,沿南區(qū)邊幫由東向西依次開采硐室,每個(gè)硐室之間留設(shè)支撐煤柱[8],每隔10 個(gè)硐室留設(shè)1 個(gè)永久煤柱,邊幫采煤機(jī)連續(xù)開采順序如圖4。
圖4 邊幫采煤機(jī)連續(xù)開采示意圖
2)跳躍開采。采用邊幫采煤機(jī)跳躍開采方式時(shí),需進(jìn)行充填[9]保證硐室及邊坡的穩(wěn)定性。待露天區(qū)采剝工作面推進(jìn),露出17#煤層底板和南部邊幫后,為邊幫采煤機(jī)準(zhǔn)備出作業(yè)場(chǎng)地,開始進(jìn)行邊幫采煤,邊幫采煤機(jī)按照煤層厚度和設(shè)計(jì)的采寬、采深進(jìn)行開采,在南區(qū)東部開采第1 個(gè)硐室,該硐室開采結(jié)束后將鉆桿撤出硐室,留設(shè)大煤柱后沿南區(qū)邊幫由東向西開采下1 個(gè)硐室,待后面硐室充填后再將邊幫采煤機(jī)調(diào)到1#、2#硐室之間,開采大煤柱,按此順序循環(huán)開采,該開采方法留設(shè)的支撐煤柱寬度更小且無需留設(shè)永久煤柱,邊幫采煤機(jī)跳躍開采順序如圖5。
圖5 邊幫采煤機(jī)跳躍開采示意圖
對(duì)比分析以上連續(xù)開采和跳躍開采2 種推進(jìn)方式可知,邊幫采煤機(jī)連續(xù)開采的優(yōu)點(diǎn)在于其推進(jìn)速度快,推進(jìn)方向一致,施工組織相對(duì)簡(jiǎn)單,在露天開采工作面推進(jìn)較快且內(nèi)排空間不足的情況下,為了盡量減小對(duì)正常露天煤礦剝采排工程的影響,更適合采用邊幫采煤機(jī)連續(xù)開采方式開采邊幫煤;邊幫采煤機(jī)跳躍開采的優(yōu)點(diǎn)是煤層采出率理論值較高,但要建立在開采充填時(shí)間充足且充填強(qiáng)度達(dá)到一定要求的基礎(chǔ)上,缺點(diǎn)是該方式推進(jìn)方向需折返,進(jìn)行跳躍式開采,設(shè)備需要頻繁移設(shè)、調(diào)車,整個(gè)施工過程中工序相對(duì)復(fù)雜,人員及設(shè)備的生產(chǎn)組織也比較困難,而且要與充填工程緊密結(jié)合,對(duì)充填強(qiáng)度要求高,兩者相互影響和制約,上述缺點(diǎn)導(dǎo)致跳躍開采整體推進(jìn)速度較慢,該方式主要適合于推進(jìn)速度緩慢且留有足夠的邊幫煤開采充填作業(yè)空間和時(shí)間,要求高回收率的露天煤礦邊幫煤開采項(xiàng)目。
通過對(duì)邊幫煤開采方式、設(shè)備選型、開采順序等技術(shù)方面的理論研究,認(rèn)為邊幫采煤機(jī)開采是一種行之有效的邊幫煤開采方式,它具有以下主要特點(diǎn):
1)面對(duì)單煤層、多煤層可以根據(jù)露天礦邊幫平盤留設(shè)尺寸及內(nèi)排跟進(jìn)速度等情況,確定從上至下或從下至上的開采順序。
2)可根據(jù)邊幫采煤機(jī)行走方向的變化以及充填工藝的應(yīng)用,視情況選擇連續(xù)開采或跳躍開采方式,達(dá)到資源高效開采的目的。
3)在實(shí)際施工中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè),如果發(fā)現(xiàn)揭露的地質(zhì)條件或?qū)嶋H煤巖力學(xué)參數(shù)等條件發(fā)生變化時(shí),應(yīng)進(jìn)行有關(guān)力學(xué)試驗(yàn)并調(diào)整和優(yōu)化相關(guān)技術(shù)參數(shù)和開采方法。