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        平朔東露天煤礦端幫陡幫開采方案

        2020-09-02 09:07:04祁茂富
        露天采礦技術(shù) 2020年4期
        關(guān)鍵詞:平盤煤量露天礦

        祁茂富

        (山西中煤平朔爆破器材有限責(zé)任公司,山西 朔州036000)

        國外露天礦山在20 世紀(jì)60 年代就已應(yīng)用陡幫開采工藝。從我國近幾年的研究來看,陡幫開采工藝具有基建剝離量小、投資少、達(dá)產(chǎn)快等優(yōu)點(diǎn)[1]。

        作為平朔東露天礦的工作幫,其邊坡巖層傾向與邊坡傾向相反,巖層中的節(jié)理相對(duì)較散亂,此處地質(zhì)條件復(fù)雜,巖體力學(xué)強(qiáng)度低,開采強(qiáng)度大,邊坡高度大,外排土場(chǎng)臨近采場(chǎng),影響邊幫穩(wěn)定性,加之地下水影響,使不穩(wěn)定邊坡治理及陡幫開采可行性研究問題日益突出。通過對(duì)端幫陡幫開采的可行性進(jìn)行研究,選擇合適的邊坡角度,在保證邊坡穩(wěn)定性的同時(shí)有效提高礦山資源利用效率。

        原設(shè)計(jì)端幫邊坡最終角度為27°,此設(shè)計(jì)是對(duì)于整個(gè)礦區(qū)的工作幫而言的,而露天礦的采區(qū)較為狹長,端幫工作幫的區(qū)域就有15 km。根據(jù)礦山相關(guān)資料,端幫27°邊坡的穩(wěn)定系數(shù)較大。為此,本著提高資源回采率和提高礦山經(jīng)濟(jì)效益的原則,提出對(duì)端幫實(shí)行陡幫開采的方案。

        1 陡幫開采邊坡角確定

        陡幫開采是利用提高剝巖幫工作幫坡角推遲剝巖量的一種經(jīng)濟(jì)合理的新型開采工藝,其中應(yīng)用較為廣泛的形式是組合式開采工藝[2]。

        從28°開始,以1°為步長,逐步增大此端幫邊坡的角度,得出邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化的規(guī)律,并從穩(wěn)定性角度確定陡幫開采的最大角度。端幫陡幫不同角度下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)見表1。

        表1 端幫陡幫不同角度下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)

        不同方法計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)有所偏差,以最常用的Bishop 法計(jì)算結(jié)果作為陡幫角度確定的依據(jù)。對(duì)不同角度下Bishop 法計(jì)算得出的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行擬合分析可知,該端幫上部臺(tái)階邊坡角度為22°,整體邊坡角度為33°時(shí),Bishop 法計(jì)算的穩(wěn)定性系數(shù)為1.201,十分接近1.20。在以安全為主的前提下,將陡幫邊坡角度定為32°,這樣在保證端幫邊坡具有足夠的穩(wěn)定性的同時(shí)又能夠盡可能地回收資源,提高資源利用率[3]Bishop 法計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)趨勢(shì)圖如圖1。

        圖1 Bishop 法計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)趨勢(shì)圖

        2 端幫陡幫開采方案

        2.1 陡幫開采方式

        因露天礦邊坡上下部分暴露時(shí)間和巖性差異,邊坡各部分能達(dá)到的穩(wěn)定角度也有所不同。而在陡幫開采的實(shí)際應(yīng)用中,已有采用陡幫開采對(duì)邊坡下部進(jìn)行局部陡幫,使邊坡成為上緩下陡的凸邊坡形態(tài),實(shí)現(xiàn)多回收資源或者少剝離巖石的目的[4-5]。結(jié)合露天礦邊坡上部和下部暴露時(shí)間和巖性差異,提出2 種局部陡幫開采方式[5]。

        1)下部邊坡外擴(kuò)陡幫法。上部邊坡保持不變,下部邊坡局部陡幫(底部境界收縮的凸邊坡),即上部境界不動(dòng),從中部開始,下部邊坡向外推進(jìn),下部邊坡外擴(kuò)陡幫開采方法如圖2。該種方式不需要從最上部平盤開始擴(kuò)幫,而是從中間開始擴(kuò)幫作業(yè),因而對(duì)上部工作線的推進(jìn)沒有影響,更有利于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施由于這種方式保留了上部平盤,道路運(yùn)輸沒有受到影響。

        2)邊坡內(nèi)縮陡幫法。上部和下部境界保持原有情況,幫坡臺(tái)階向內(nèi)收縮實(shí)行陡幫開采(頂部、底部境界不動(dòng)的凸邊坡),邊坡內(nèi)縮陡幫開采方法如圖3。對(duì)于這種陡幫方式可以在損失少部分煤炭資源的條件下實(shí)現(xiàn)少剝離巖石的目的,能夠節(jié)省礦山的生產(chǎn)投入。

        圖2 下部邊坡外擴(kuò)陡幫開采方法

        圖3 邊坡內(nèi)縮陡幫開采方法

        由于該露天礦的開采權(quán)限是以上部境界圈定,在已知該端幫的最終可行陡幫開采角度,且該端幫上部臺(tái)階巖性較弱的條件下,上部臺(tái)階邊坡已經(jīng)放緩為22°,因此推薦端幫的陡幫開采方法為下部邊坡外擴(kuò)陡幫法。

        2.2 陡幫開采剝采比

        上部境界不動(dòng)外擴(kuò)陡幫示意圖如圖4。

        圖4 上部境界不動(dòng)外擴(kuò)陡幫示意圖

        計(jì)算下部邊坡外擴(kuò)陡幫法的剝采比為:

        式中:n3為下部邊坡外擴(kuò)陡幫法的剝采比,m3/t;H0為從陡幫的開始水平到煤層頂板的高度,m;ρ 為原煤密度,g/cm3;h 為煤層平均厚度的期望值,m。

        對(duì)當(dāng)H0=H 時(shí),下部境界外擴(kuò)法是下部邊坡外擴(kuò)陡幫法在H0=H 時(shí)的極限情況。當(dāng)上部邊坡AF 段從邊坡角α 提高到θ,陡幫剝采比為:

        式中:α 為原設(shè)計(jì)邊坡整體幫坡角,(°);β 為陡幫后下部邊坡角,(°);θ 為上部邊坡角,(°);H 為上覆巖層平均厚度的期望值,m。

        令θ=α,從原設(shè)計(jì)邊坡H0高度處以下采用陡幫開采,則式(2)可以簡(jiǎn)化為式(1),即式(1)是式(2)在θ=α 時(shí)的特殊情況。

        陡幫開采的剝采比大小由上覆巖層厚度H、煤層厚度h、局部陡幫高度H0以及煤層密度ρ 確定,并且其剝采比對(duì)煤層厚度和上覆巖層厚度的變化更為敏感[6]。

        2.3 陡幫開采方案

        該端幫原最終角度為27°時(shí),下部臺(tái)階水平按照2 個(gè)10 m 保安平盤、1 個(gè)40 m 運(yùn)輸平臺(tái)設(shè)計(jì)?,F(xiàn)有的陡幫開采多是通過減少運(yùn)輸平盤數(shù)量或?qū)挾?,?duì)保安平盤進(jìn)行并段等手段調(diào)節(jié)。本次設(shè)計(jì)提出以下2 個(gè)方案,陡幫開采2 種方案開采示意圖如圖5。

        圖5 陡幫開采2 種方案開采示意圖

        2 個(gè)方案為保證上部臺(tái)階的穩(wěn)定,均使端幫上部臺(tái)階邊坡的角度為22°,整體邊坡角度定為32°。2個(gè)方案的差異之處在于下部臺(tái)階的平盤寬度與并段方式,陡幫開采方案各平盤寬度見表2。

        由表2 可知,方案1 在上部臺(tái)階最后1 個(gè)安全平臺(tái)后,緊接著又是1 個(gè)10 m 的安全平臺(tái),而方案2 在上部臺(tái)階最后1 個(gè)安全平臺(tái)后,緊接著是1 個(gè)40 m 的運(yùn)輸平臺(tái),2 種方案在下部臺(tái)階的發(fā)展模式是一致的。為對(duì)所提出的2 個(gè)方案進(jìn)行優(yōu)選,首先對(duì)2 個(gè)方案進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析,2 個(gè)方案在不同計(jì)算方法下的穩(wěn)定性系數(shù)陡幫方案穩(wěn)定性分析結(jié)果表見表3。

        表2 陡幫開采方案各平盤寬度

        表3 陡幫方案穩(wěn)定性分析結(jié)果表

        從邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果來看,方案2 端幫邊坡較為穩(wěn)定性,方案1 稍差,但邊坡穩(wěn)定系數(shù)也能夠達(dá)到1.2 的要求。

        從開采的煤巖量對(duì)2 個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比,并計(jì)算2 種陡幫開采方案的生產(chǎn)剝采比。以原設(shè)計(jì)27°邊坡為參照,設(shè)計(jì)端幫陡幫開采范圍轉(zhuǎn)折的2 條段共為3 189.45 m,2 個(gè)方案分別于原設(shè)計(jì)27°邊坡相比較。2 個(gè)方案和原設(shè)計(jì)最終開采角度對(duì)比結(jié)果見表4。從計(jì)算結(jié)果可知,2 個(gè)方案由于上部進(jìn)行了緩幫,與原設(shè)計(jì)邊坡相比減少了大量的剝離,而少采的資源相對(duì)較少,因此陡幫開采的綜合剝采比均很小。方案1 可回收煤量982.76 萬t,需多剝離2 764.24 萬m3的巖石,上部損失煤量6.30 萬t,但可少剝離731.99 萬m3的巖石。方案2 可回收煤量892.28 萬t,需多剝離2 523.77 萬m3的巖石,上部損失煤量38.58 萬t,但可少剝離810.11 萬m3的巖石。

        表4 2 個(gè)方案和原設(shè)計(jì)最終開采角度對(duì)比結(jié)果

        綜合分析,方案1 相比方案2 多采出了122.77萬t 的資源,僅需多剝離318.60 萬m3的巖石,多回收煤量的剝采比也僅為2.08 m3/t,方案1 多回收煤量的經(jīng)濟(jì)效益顯著,因此,方案1 較方案2 經(jīng)濟(jì)效益更優(yōu)。在2 種方案的穩(wěn)定性系數(shù)均能達(dá)到1.2 的情況下,推薦方案1 為陡幫開采方案。

        3 端幫邊坡穩(wěn)定性控制措施

        1)采取有效的疏干排水措施。地表水的滲入和地下水的活動(dòng)往往是導(dǎo)致邊坡滑塌的重要原因,地下水的活動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響露天礦邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。在邊坡上形成合理的排水、疏干系統(tǒng)。在端幫、端幫頂部修建截、排水溝,其目的是減少大氣降水和外部地表水流入采坑和排土場(chǎng),影響邊坡的穩(wěn)定[7]。

        2)保持合理的幫坡角。根據(jù)邊坡計(jì)算的結(jié)果,局部區(qū)域不宜繼續(xù)加高,適當(dāng)加大平臺(tái)寬度。

        3)局部加固及護(hù)坡。在生產(chǎn)過程中要做到邊坡定期清掃、維護(hù)和治理,防范局部沉降和滑坡。對(duì)于出現(xiàn)的沉降裂縫,及時(shí)用紅粘土彌合,防止流水進(jìn)入巖體內(nèi)部[8]。

        4)控制爆破振動(dòng)。采場(chǎng)下部硬巖進(jìn)行爆破時(shí),合理優(yōu)化爆破參數(shù)及爆破方式,控制單孔裝藥量,減小爆破振動(dòng)效應(yīng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

        5)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。在條件允許的情況下,加強(qiáng)對(duì)端幫的位移監(jiān)測(cè),以便及時(shí)采取應(yīng)急措施,為礦山的安全生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持及決策依據(jù)[9-10]。

        4 結(jié) 語

        露天煤礦端幫邊坡的整體穩(wěn)定性相對(duì)較高,但端幫上部穩(wěn)定性較差,端幫上部存在滑坡征兆,因此,提出端幫上部緩幫下部陡幫的開采方案。

        通過對(duì)2 種陡幫開采方案的對(duì)比,下部邊坡外擴(kuò)陡幫法(方案1)多回收煤量的經(jīng)濟(jì)效益顯著,提高礦山資源利用率,為企業(yè)帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益。

        對(duì)不穩(wěn)定邊坡,需要采取有效的疏干排水措施,減少大氣降水和外部地表水流入采場(chǎng)和排土場(chǎng),影響邊坡的穩(wěn)定;加強(qiáng)邊坡的監(jiān)測(cè)管理,在到界邊坡建立完善的邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng),嚴(yán)格控制,以免發(fā)生滑坡。

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