楊 旭

（中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

露天開(kāi)采具有生產(chǎn)能力大、回采率高、作業(yè)安全等優(yōu)點(diǎn)，但露天開(kāi)采同時(shí)面臨端幫壓煤難以回采的問(wèn)題[1-3]。目前，國(guó)內(nèi)準(zhǔn)格爾煤田、平朔煤田、勝利煤田等均面臨類(lèi)似情況，邊幫壓煤回采問(wèn)題日益突出[4]。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)我國(guó)露天礦邊幫壓覆資源量可達(dá)50 億t 以上，導(dǎo)致煤炭這類(lèi)不可再生資源長(zhǎng)埋地下而造成無(wú)法挽回的資源浪費(fèi)，同時(shí)還留下煤層自燃、坡體損壞等重大安全及環(huán)境隱患。近年來(lái)，隨著以邊幫采煤機(jī)為主要開(kāi)采設(shè)備的邊幫開(kāi)采工藝系統(tǒng)的不斷完善和發(fā)展，為回收露天礦邊坡滯留煤提供了重要途徑，尤其是近年來(lái)國(guó)內(nèi)邊幫采煤機(jī)制造業(yè)的逐步發(fā)展，使邊幫采煤機(jī)回收露天礦邊幫滯留煤成為必然趨勢(shì)。因此，如何提高露天礦資源回收率，特別是如何對(duì)露天礦邊幫壓煤進(jìn)行回收已成為露天采礦行業(yè)急需要解決的技術(shù)難題[5]。

1 安太堡露天礦概況

1）地形地貌。平朔礦區(qū)位于山西寧武煤田北端，北、東、西三面環(huán)山，中間為黃土丘陵。區(qū)內(nèi)黃土廣布、植被稀少，水土流失嚴(yán)重，地形沖刷劇烈，切割深度一般在30～50 m，沖溝大致呈南北方向的樹(shù)枝狀分布，而溝谷兩側(cè)黃土近似直立，形成典型的黃土高原地貌景觀。綜觀本區(qū)地形，東、北、西高，南低，最高點(diǎn)海拔標(biāo)高為+1 501 m。最低點(diǎn)海拔標(biāo)高在+1 000 m，一般海拔標(biāo)高為+1 200～+1 350 m。

2）煤層特征。安太堡露天礦所屬礦田內(nèi)具有開(kāi)采價(jià)值的煤層共5 層。分別為4-1＃、4-2＃、6＃、7＃、9＃、11＃煤層，其中4-1＃、9＃、11＃煤層為邊幫煤回收煤層，回收區(qū)域4-1＃、9＃、11＃煤層傾角均為2°～3°，可采煤層的特征見(jiàn)表1。

表1 可采煤層特征表

3）壓覆資源儲(chǔ)量。利用三維地質(zhì)軟件3DMine 建立邊幫煤開(kāi)采模型，對(duì)礦床塊體進(jìn)行約束報(bào)量計(jì)算出4-1＃、9＃煤層邊幫壓覆資源量。東南部和東部邊幫煤回收區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量見(jiàn)表2。

表2 邊幫煤回收區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量表

2 邊幫煤采煤技術(shù)

2.1 邊幫采煤工藝

針對(duì)平朔安太堡露天礦邊幫煤回收可能應(yīng)用到的工藝及設(shè)備情況，研發(fā)了邊幫采煤工藝。該工藝將生產(chǎn)能力和效率提高到一個(gè)新的水平，實(shí)現(xiàn)了最大的改進(jìn)，提高了資源回收率，降低了生產(chǎn)成本，并具有安全，簡(jiǎn)單，模塊化，機(jī)械化和自動(dòng)化的特點(diǎn)。邊幫采煤主要方法是在露天礦形成最終坑時(shí)，邊幫采煤機(jī)環(huán)繞周?chē)簩娱_(kāi)挖硐室。將刀頭推入煤體內(nèi)，刀頭旋轉(zhuǎn)將煤切開(kāi)，將煤從回采硐室通過(guò)輸送裝置輸送到推力臂中，然后將其排出并運(yùn)輸?shù)綑C(jī)身主體之外。截割頭針對(duì)煤層厚度可提供多種選擇，目前采高可以根據(jù)煤層厚度在0.7～5.5 m 自動(dòng)調(diào)整，借助計(jì)算機(jī)煤巖控制系統(tǒng)，切割頭可以有效地避開(kāi)巖石并沿煤層方向切割。推力臂為密封的立方結(jié)構(gòu)，在動(dòng)力臂上安裝了雙螺旋輸送機(jī)，將切碎的煤從硐室通過(guò)多單元速連帶式輸送機(jī)運(yùn)輸，并將煤通過(guò)機(jī)身傳輸裝置運(yùn)輸?shù)降苟褏^(qū)。邊幫采煤機(jī)系統(tǒng)通過(guò)安全距離外的操控工作室完成設(shè)備操作，回采過(guò)程是全自動(dòng)的，不需要人員進(jìn)入硐室。不需要單獨(dú)的剝離和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建設(shè)，也不需要支護(hù)措施，從而大大降低了成本。

2.2 設(shè)備選型

當(dāng)前主流的邊幫采煤設(shè)備有EBH、EML、SHM、螺旋鉆4 種，結(jié)合設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景、發(fā)展現(xiàn)狀以及安太堡露天礦邊幫壓煤回收條件，對(duì)4 個(gè)設(shè)備選型方案進(jìn)行綜合分析比較，安太堡露天礦邊幫采煤機(jī)設(shè)備選型分析如下：

1）EBH 邊幫采煤機(jī)。設(shè)備目前在我國(guó)鄂爾多斯地區(qū)正處于實(shí)驗(yàn)階段，露天礦的經(jīng)驗(yàn)表明，最大推進(jìn)深度可達(dá)到100 m 以上，由于掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭較為靈活，作業(yè)方向比較難以掌控，進(jìn)而造成現(xiàn)場(chǎng)采硐寬度很難掌控，為保證邊坡穩(wěn)定性，在開(kāi)采過(guò)程中需要精準(zhǔn)控制采硐寬度。因此，不推薦采用此設(shè)備。

2）EML 邊幫采煤機(jī)。設(shè)備在我國(guó)鄂爾多斯地區(qū)已投入生產(chǎn)，設(shè)備初期投資適中，在同等技術(shù)參數(shù)條件下成本較進(jìn)口設(shè)備優(yōu)勢(shì)明顯，開(kāi)采參數(shù)相對(duì)EBH更容易控制。其理論最大開(kāi)采深度可達(dá)300 m 以上，作業(yè)方式采用遠(yuǎn)程遙控，系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，投資少，保養(yǎng)維修方便且費(fèi)用低，因此，推薦采用此類(lèi)型設(shè)備。

3）SHM 露井聯(lián)合采煤機(jī)。設(shè)備技術(shù)先進(jìn)、可靠，生產(chǎn)能力大（100 萬(wàn)t/a）、開(kāi)采深度大（300 m），國(guó)外應(yīng)用案例較多，但采用此工藝設(shè)備投資大，生產(chǎn)初期經(jīng)濟(jì)效益差，且設(shè)備入場(chǎng)組裝周期長(zhǎng)，后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)難度大成本高，因此不推薦采用此工藝。

4）螺旋鉆開(kāi)采工藝。螺旋鉆水平開(kāi)采法是在煤層上按照固定的間隔用螺旋鉆鉆出水平的排孔，進(jìn)而取出煤炭[6]。此法開(kāi)采優(yōu)點(diǎn)是如果煤層厚度和鉆桿直徑相匹配時(shí)采出率是較可觀的，缺點(diǎn)是煤層厚度變化大的情況下需要配備多種直徑鉆桿，且很難控制方向，所以靈活性很差。因此，不推薦采用此工藝。

結(jié)合工程煤層賦存條件可知回收煤層平均厚度為14 m，煤層傾角2°～3°屬于近水平煤層，開(kāi)采范圍內(nèi)硐室采深280～300 m。通過(guò)對(duì)比分析可得出EML邊幫采煤機(jī)更適于安太堡露天礦邊幫煤回收[7]。

最新EML340-33/55 型號(hào)邊幫采煤機(jī)參數(shù)如下：①外形尺寸：10 200 mm×3 300 mm×2 400 mm；②截割高度：3 300～5 500 mm；③截割寬度：3 300 mm；④總裝機(jī)功率：621.2 kW；⑤截割臥底量：205 mm；⑥地隙：305 mm；⑦截割煤巖硬度：?jiǎn)蜗蚩箟簭?qiáng)度≤40 MPa；⑧理論生產(chǎn)能力：15～27 t/min；⑨最大牽引力：不小于300 kN；⑩工作電壓：1 140 V；11○液壓系統(tǒng)額定壓力：21 MPa 。

2.3 回收順序

1）多層煤回收順序。回收范圍內(nèi)有3 層主要可采煤層，從上至下分別為4-1＃煤、9＃煤、11＃煤。由于9＃煤層與11＃煤層層間距離平均僅為5 m，若同時(shí)回收2 個(gè)煤層不利于邊幫及硐室的穩(wěn)定性，因此11＃煤層不具備回采條件。結(jié)合采場(chǎng)當(dāng)前開(kāi)采現(xiàn)狀以及生產(chǎn)布局統(tǒng)籌考慮邊幫煤的回收順序，為了緩解南幫排土壓力，本工程在東南幫回收位置先采下部9＃煤，為正常排土留出空間。因此東南部邊幫煤回收順序?yàn)閺南轮辽?，是先將設(shè)備放置最下煤層底板進(jìn)行回收，當(dāng)最下煤層回收完畢，內(nèi)排跟進(jìn)，內(nèi)排排至上一煤層底板，再將設(shè)備放置上一煤底板對(duì)應(yīng)的內(nèi)排土場(chǎng)上，對(duì)其進(jìn)行回收。

2）單層煤硐室推進(jìn)方向。結(jié)合安太堡露天礦生產(chǎn)現(xiàn)狀可知，東南幫邊幫煤回收范圍內(nèi)邊幫煤硐室整體上從西向東推進(jìn)，東幫邊幫煤回收范圍內(nèi)邊幫煤硐室整體從南向北推進(jìn)。具體回收過(guò)程如下：待露天區(qū)采剝工作面推進(jìn)，露出東南幫9＃煤層底板后，為邊幫采煤機(jī)準(zhǔn)備出作業(yè)場(chǎng)地時(shí)開(kāi)始進(jìn)行邊幫采煤作業(yè)，邊幫采煤機(jī)按照設(shè)計(jì)采高、采寬、采深進(jìn)行回收，在東南幫邊幫煤初始回收位置回收第1 個(gè)硐室，該硐室回收結(jié)束后將采煤機(jī)撤出硐室，沿邊幫由西向東依次回收，每個(gè)硐室之間留設(shè)支撐煤柱，每隔10 個(gè)硐室留設(shè)1 個(gè)永久煤柱。

2.4 工藝參數(shù)

以安太堡露天礦為例，開(kāi)始進(jìn)行東南幫9＃煤層邊幫煤回收，初始回收位置在東南幫+1 030 m 水平平盤(pán)上。原則上邊幫煤回收進(jìn)度完全受露天礦工作幫推進(jìn)速度控制，且應(yīng)盡量減小對(duì)內(nèi)排空間的影響。由于4-1＃煤層所在臺(tái)階平臺(tái)寬度留設(shè)較小，不能滿足邊幫采煤機(jī)最小作業(yè)平臺(tái)的要求。東南幫9＃煤回采期間，內(nèi)排土場(chǎng)臺(tái)階排棄至4-1＃煤層所在平臺(tái)標(biāo)高，占用內(nèi)排土場(chǎng)臺(tái)階搭建作業(yè)平臺(tái)。隨著東南幫9＃煤全部回收完畢，邊幫采煤機(jī)搬移到+1 075 m 水平平臺(tái)上，進(jìn)行4-1＃煤回采。

考慮到煤層抗壓強(qiáng)度變化較大，為保證煤柱的穩(wěn)定性。永久煤柱按照每隔10～20 個(gè)采硐留設(shè)1 個(gè)，這樣可以防止山體垮塌的多米諾骨牌效應(yīng)[8-9]。根據(jù)平朔安太堡號(hào)露天煤礦開(kāi)采現(xiàn)狀及煤層賦存條件，考慮到露天礦邊幫留有運(yùn)輸平盤(pán)，參考國(guó)內(nèi)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本工程加強(qiáng)煤柱每隔10 個(gè)采硐留設(shè)1 個(gè)。

預(yù)計(jì)煤柱強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式較多，但對(duì)于該礦這種長(zhǎng)度大、寬度小的狹長(zhǎng)矩形煤柱，實(shí)踐表明，利用Mark-Bieniawski 公式來(lái)確定煤柱強(qiáng)度最合適。煤柱計(jì)算公式如下：

式中：Sp為煤柱強(qiáng)度，MPa；S1為原處煤柱強(qiáng)度，MPa；W 為煤柱寬度，m；H 為煤柱高度，m；p 為煤柱載荷，MPa；ρ 為上覆巖層平均密度，2.5 t/m3；h 為上覆巖層厚度，m；B 為采硐寬度，m；L 為煤柱長(zhǎng)度，m。

根據(jù)煤層厚度變化及賦存范圍，對(duì)各煤層支撐煤柱寬度、永久煤柱寬度進(jìn)行了分別計(jì)算。經(jīng)理論計(jì)算，4-1＃、9＃煤層煤柱寬度W1、W2見(jiàn)表3。

表3 支撐煤柱寬度計(jì)算結(jié)果表

在邊幫采煤機(jī)開(kāi)采時(shí)，應(yīng)適時(shí)測(cè)試頂板及煤層巖石力學(xué)性質(zhì)，根據(jù)巖性的變化，支撐煤柱和永久煤柱參數(shù)作出變化。根據(jù)開(kāi)采過(guò)程邊幫穩(wěn)定情況，可在生產(chǎn)過(guò)程中適當(dāng)調(diào)整支撐煤柱寬度及永久煤柱間采硐的間隔數(shù)量。

結(jié)合回收區(qū)域開(kāi)采范圍和邊幫煤回收成套設(shè)備可采深度確定硐室采深。4-1＃煤層硐室平均采深280 m，9＃煤層硐室采深平均為300 m。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

安太堡露天礦采用邊幫采煤技術(shù)對(duì)4-1＃煤及9＃煤邊幫壓煤進(jìn)行回收。4＃煤采硐寬3.3 m，高5.5 m，硐室平均采深280 m，支撐煤柱寬度3.2 m，永久支撐煤柱寬5.0 m；9＃煤采硐寬3.3 m，高5.5 m，硐室采深平均為300 m，支撐煤柱寬度3.8 m，永久支撐煤柱寬5.5 m。計(jì)算得9＃煤層單個(gè)硐室煤量為0.82萬(wàn)t，邊幫煤回收硐室推進(jìn)速度30 m/月，30 m 范圍內(nèi)共包含4～5 個(gè)開(kāi)采硐室，總進(jìn)尺1 200～1 500 m，總煤量3.28～4.10 萬(wàn)t，即月產(chǎn)量3.28～4.10 萬(wàn)t/月。4-1＃煤層單個(gè)硐室煤量為0.76 萬(wàn)t，邊幫煤回收硐室推進(jìn)速度30 m/月，30 m 范圍內(nèi)共包含4～5 個(gè)開(kāi)采硐室，總進(jìn)尺1 120～1 400 m，總煤量3.04～3.80 萬(wàn)t，即月產(chǎn)量3.04～3.8 萬(wàn)t/月。共計(jì)回收邊幫壓覆資源229 萬(wàn)t。邊幫采煤機(jī)掘進(jìn)速度快，巷道圍巖條件好，采硐均采用裸巷，采硐圍巖變形不大[10]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)安太堡露天礦邊幫煤采煤技術(shù)研究，認(rèn)為邊幫采煤機(jī)開(kāi)采是一種技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的邊幫煤開(kāi)采方式。

1）根據(jù)露天礦剝運(yùn)排時(shí)空關(guān)系，露天礦邊幫平盤(pán)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(kāi)采順序。

2）預(yù)留平盤(pán)寬度不滿足要求時(shí)，可由內(nèi)排臺(tái)階搭建平盤(pán)滿足作業(yè)平盤(pán)寬度。

3）硐室支撐煤柱寬度與硐室寬度采高以及采硐深度有關(guān)，通過(guò)理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐可知：永久支撐煤柱寬度為支撐煤柱寬度1.5 倍左右。