劉興學(xué)，李 陽，崔志偉，哈斯特爾，阿爾帕提江，張小冬

（新疆能源（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 哈密分公司，新疆 哈密 839000）

石頭梅一號(hào)露天煤礦地表境界面積27.47 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模5.0 Mt/a，服務(wù)年限187.2 年。剝離采用單斗-卡車開采工藝，采煤工藝為單斗-卡車＋半移動(dòng)破碎站半連續(xù)工藝。煤礦建設(shè)期，首采區(qū)南側(cè)非工作幫出現(xiàn)掛幫煤，依據(jù)采場(chǎng)補(bǔ)充勘查成果確定了掛幫煤范圍?？紤]掛幫煤長(zhǎng)期暴露氧化將會(huì)引發(fā)煤炭自燃火災(zāi)事故，進(jìn)而影響邊坡穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致邊坡片幫、坍塌、滑坡等事故[1-2]。在開采初期進(jìn)行非工作幫邊坡穩(wěn)定性分析，設(shè)計(jì)非工作幫邊坡角24°，在確保安全的條件下，進(jìn)行＋750 m 水平以上臺(tái)階削幫并回采掛幫煤。后期隨著采剝工程逐步推進(jìn)，把＋750 m 水平以下原設(shè)計(jì)位置的掛幫煤開采納入月度采剝計(jì)劃，在采剝作業(yè)的同時(shí)開采掛幫煤，并釋放出內(nèi)排空間，當(dāng)具備內(nèi)排條件及時(shí)進(jìn)行內(nèi)排壓幫。從而實(shí)現(xiàn)回采非工作幫掛幫煤炭資源的同時(shí)，增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性，消除煤炭自燃安全隱患，提高煤礦安全經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程地質(zhì)概況

石頭梅一號(hào)露天煤礦首采區(qū)非工作幫邊坡上部為第四系松散層和新近系地層，為水平或近水平地層。邊坡下部為侏羅系地層，邊坡傾向與地層傾向一致，為順層邊幫。揭露煤層、地層與原勘查報(bào)告差異較大，勘查報(bào)告傾角為30°～45°，實(shí)際傾角為30°～90°，甚至局部存在倒轉(zhuǎn)。非工作幫邊坡屬于巖質(zhì)結(jié)構(gòu)邊坡，巖石類型以層狀的泥巖、粉砂巖、砂巖、砂礫巖和煤層為主。整體為層狀順向結(jié)構(gòu)，自東向西巖層傾角逐漸變陡（傾角自東向西為32°～51°），巖體軟弱相間，存在宏觀的軟弱結(jié)構(gòu)面，東側(cè)變形破壞模式主要以層狀滑塌為主，西側(cè)以傾倒式變形為主。邊坡物質(zhì)組成復(fù)雜、結(jié)構(gòu)分布的不規(guī)則。

首采區(qū)非工作幫地表標(biāo)高＋820 m，深部標(biāo)高＋765 m，垂直深度約55 m，首采區(qū)露煤標(biāo)高＋785 m，采場(chǎng)非工作幫東南、西南側(cè)到界＋770 平盤局部形成了煤臺(tái)階。隨采剝施工繼續(xù)推進(jìn)，采場(chǎng)深部標(biāo)高＋720 m，垂直深度約100 m，采煤工作面標(biāo)高＋730 m，采場(chǎng)非工作幫東南側(cè)＋770～＋750 平盤局部形成了煤臺(tái)階，西南側(cè)＋770～＋730 平盤局部形成了煤臺(tái)階，非工作幫存在掛幫煤現(xiàn)象，同時(shí)采場(chǎng)非工作幫上部臺(tái)階出現(xiàn)不同程度的裂隙發(fā)育與沉降。

遵照DZ/T 0215—2002 煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范要求，充分利用已有勘查工程，以首采區(qū)剝離出的煤層露頭為基準(zhǔn)，向東以70～140 m 間距新布設(shè)勘查線7 條。以淺部煤層露頭線為準(zhǔn)，自南向北依次布設(shè)鉆孔，對(duì)煤層露頭及等高線進(jìn)行加密控制。在原601線、L1、L2線剖面上淺部布設(shè)5 個(gè)鉆孔，對(duì)淺部煤層露頭進(jìn)行控制。詳細(xì)查明勘查區(qū)內(nèi)地層、構(gòu)造、煤層、煤質(zhì)、工程地質(zhì)條件等特征?？辈閰^(qū)內(nèi)煤層露頭已揭露，采用鉆探、測(cè)井、樣品采集與測(cè)試等。通過采坑揭露情況及已施工鉆孔成果研究分析，通過采場(chǎng)揭露現(xiàn)狀及補(bǔ)充勘查研究分析，延地層傾向煤層露頭較陡深部較緩。599 線淺部煤層露頭南傾，呈倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，沿地層走向，由西向東地層由倒轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?，逐漸回歸正常?？辈閰^(qū)控制9－1 號(hào)煤層厚度有一定的變化，但規(guī)律性較明顯，煤層穩(wěn)定程度確定為較穩(wěn)定型。

2 影響因素及技術(shù)措施

2.1 開采邊坡角

沿采場(chǎng)非工作幫邊坡選擇5 條剖面來進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性的分析計(jì)算。根據(jù)調(diào)查分析，采場(chǎng)非工作幫邊坡最可能的破壞方式主要有2 種：①沿著泥巖發(fā)生整體破壞，將該潛在破壞面定為推測(cè)泥巖滑面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算；②邊坡下部結(jié)構(gòu)面發(fā)生的局部破壞。通過將外部CAD 軟件中的模型圖導(dǎo)入U(xiǎn)dec 軟件進(jìn)行建模。數(shù)值模擬的模型選用1－1’、3－3’、5－5’、7－7’及9－9’工程地質(zhì)剖面圖，分別建立開挖前和開挖后的模型。數(shù)值模擬中的節(jié)理裂隙采用“Jset”命令來生成。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和數(shù)值模擬工程地質(zhì)剖面計(jì)算結(jié)果及分析，隨采場(chǎng)深度逐漸增加，采場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性逐步降低，其中采場(chǎng)非工作幫東側(cè)掛幫煤體易發(fā)生沿結(jié)構(gòu)面切割的楔形體滑動(dòng)，非工作幫西側(cè)掛幫煤體上方巖體易發(fā)生局部?jī)A倒變形[3]。

根據(jù)補(bǔ)充勘探成果，結(jié)合采場(chǎng)實(shí)際揭露情況，經(jīng)大量試算，選取3－3’工程地質(zhì)剖面圖，建立坡度為19°～24°的模型。選取7－7’工程地質(zhì)剖面圖，建立非工作幫邊坡坡度模型，進(jìn)行數(shù)值模擬研究，非工作幫整體邊坡角以露天礦深部境界為界向上反形成邊坡角24°，邊坡安全系數(shù)為1.24～1.44，邊坡穩(wěn)定性較好?？勺畲笙薅然夭蓲鞄兔禾抠Y源，剝采比遠(yuǎn)小于經(jīng)濟(jì)合理剝采比。

2.2 開采范圍

采用3Dmine 軟件依據(jù)已探明的煤層頂?shù)装褰⑹撞蓞^(qū)煤層模型，建立非工作幫原設(shè)計(jì)模型、非工作幫掛幫煤開采后設(shè)計(jì)模型和非工作幫內(nèi)排壓幫后設(shè)計(jì)模型[4]。非工作幫掛幫煤開采前后對(duì)照剖面如圖1。

圖1 非工作幫掛幫煤開采前后對(duì)照剖面

＋710 臺(tái)階上部為設(shè)計(jì)采剝位置，＋710、＋680 臺(tái)階為設(shè)計(jì)采剝后內(nèi)排剝離物形成的壓幫臺(tái)階。采場(chǎng)非工作幫地表至＋750 m 水平為削幫減重區(qū)域，＋710、＋680 臺(tái)階為內(nèi)排壓幫區(qū)域。

計(jì)算得：削幫工程量111 萬m3；可開采煤量35萬t；內(nèi)排壓幫工程量130 萬m3；剝采比3.2 m/t，小于本礦經(jīng)濟(jì)合理剝采比8.5 m/t。

2.3 削幫減重

采場(chǎng)非工作幫邊坡屬于巖質(zhì)結(jié)構(gòu)邊坡，巖石類型以層狀的泥巖、粉砂巖、砂巖、砂礫巖和煤層為主。整體為層狀順向結(jié)構(gòu)，自東向西巖層傾角逐漸變陡，局部巖層傾角達(dá)到90°甚至存在倒轉(zhuǎn)。巖體軟弱相間，存在宏觀的軟弱結(jié)構(gòu)面，東側(cè)變形破壞模式主要以層狀滑塌為主；西側(cè)以傾倒式變形為主。邊坡物質(zhì)組成復(fù)雜、結(jié)構(gòu)分布的不規(guī)則，非工作幫邊坡易發(fā)生變形滑坡[5-6]。因采場(chǎng)非工作幫削幫作業(yè)空間有限，為確保邊坡的穩(wěn)定，需加快削幫作業(yè)速度，將削幫工程劃分為3 個(gè)作業(yè)區(qū)：①第1 作業(yè)區(qū)從采場(chǎng)東南角地表由東向西剝離推進(jìn)，承擔(dān)地表～＋800 m 水平以上巖層采裝，外運(yùn)至外排土場(chǎng)；②第2 作業(yè)區(qū)從非工作幫＋770 平盤中部向東剝離推進(jìn)，與第1 作業(yè)區(qū)同時(shí)開工，承擔(dān)＋770～＋750 m 水平以上巖層采裝，外運(yùn)至外排土場(chǎng)，同時(shí)回采＋770～＋750 m 水平邊坡掛幫煤；③第3 作業(yè)區(qū)從東幫＋800 平盤剝離推進(jìn)，在第1作業(yè)區(qū)向西推進(jìn)150 m 時(shí)，第3 作業(yè)區(qū)開始作業(yè)，承擔(dān)＋800～＋770 m 水平以上巖層采裝，剝離物外運(yùn)至外排土場(chǎng)。

2.4 回采掛幫煤

根據(jù)石頭梅首采區(qū)非工作幫煤層賦存特征、采場(chǎng)現(xiàn)狀、開采工藝及邊坡穩(wěn)定性，綜合分析將非工作幫掛幫煤炭資源回采劃分為2 個(gè)區(qū)[7]：①＋750 m 水平以上掛幫煤回采，在削幫減重采裝巖層的同時(shí)回采掛幫煤體；②＋750 m 水平以下掛幫煤開采，在編制月度采剝計(jì)劃時(shí)，把＋750 m 水平以下原設(shè)計(jì)位置的掛幫煤開采納入月度采剝計(jì)劃，在后期采剝作業(yè)同時(shí)完成＋750 m 水平以下掛幫煤的開采。

2.5 內(nèi)排壓幫

隨著采剝工程的不斷推進(jìn)，釋放出內(nèi)排空間，當(dāng)具備局部?jī)?nèi)排空間條件時(shí)，及時(shí)進(jìn)行內(nèi)排壓幫，可以增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性[8]。內(nèi)排壓幫作業(yè)劃分為2 階段：①第1 階段內(nèi)排壓幫：隨著采剝工程不斷降深，當(dāng)＋710～＋680 m 水平具備局部?jī)?nèi)排空間時(shí)，及時(shí)進(jìn)行內(nèi)排壓幫作業(yè)；②第2 階段內(nèi)排壓幫：采剝工程繼續(xù)降深，當(dāng)＋680～＋650 m 水平具備局部?jī)?nèi)排空間時(shí)，及時(shí)進(jìn)行內(nèi)排壓幫作業(yè)。露天煤礦隨著采剝持續(xù)推進(jìn)，提前組織內(nèi)排剝離物，可縮短剝離運(yùn)輸距離，節(jié)約投資成本的同時(shí)，提高非工作幫邊坡的穩(wěn)定性。

2.6 安全技術(shù)措施

方案實(shí)施過程中還應(yīng)注意采取相應(yīng)的安全措施：①加強(qiáng)作業(yè)人員邊坡安全教育，提升安全意識(shí)；②控制合理的邊坡角，根據(jù)邊坡穩(wěn)定性研究分析來留設(shè)最終邊坡角；③完善采場(chǎng)的防排水系統(tǒng)，做好疏干排水工程，防止積水浸泡邊坡巖體；④對(duì)于有可能發(fā)生滑動(dòng)的地段，應(yīng)及時(shí)設(shè)置安全警戒線，并采取有效的控制措施消除危害，避免造成重大損失；⑤施工中對(duì)堅(jiān)硬巖層采用免爆設(shè)備松動(dòng)，不采用松動(dòng)爆破；⑥降低動(dòng)載荷，采用限速的辦法，減少工程設(shè)備及車輛對(duì)邊坡的擾動(dòng)；⑦對(duì)釋放出的內(nèi)排空間及時(shí)內(nèi)排壓幫，加強(qiáng)安全監(jiān)督檢查，確保作業(yè)安全；⑧對(duì)采場(chǎng)非工作幫作業(yè)區(qū)采用GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[9]、邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和深部位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三重位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析，并配專人觀察邊坡穩(wěn)定情況，如有臺(tái)階松動(dòng)、坍塌等前兆，立即停止作業(yè)，撤離人員和設(shè)備，并向礦調(diào)度上報(bào)。

3 安全經(jīng)濟(jì)效益

1）消除安全隱患。開采非工作幫掛幫煤，從源頭消除掛幫煤長(zhǎng)時(shí)間暴露氧化，導(dǎo)致溫度升高而發(fā)生煤炭自燃火災(zāi)事故。同時(shí)，避免了煤炭燃燒引起邊坡滑坡事故的發(fā)生，確保非工作幫邊坡的穩(wěn)定。

2）經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)計(jì)算，非工作幫掛幫煤開采需剝離土石方量111 萬m3，可回采煤量35 萬t[10]，平均剝采比3.2 m/t，小于本礦經(jīng)濟(jì)合理剝采比8.5 m/t，實(shí)現(xiàn)內(nèi)排剝離物130 萬m3。剝離費(fèi)用1 650 萬元，采煤費(fèi)用360 萬元，內(nèi)排剝離物節(jié)省費(fèi)用50 萬元，采煤收益15 750 萬元，預(yù)計(jì)可產(chǎn)生收益13 790 萬元。

4 結(jié)語

在露天煤礦開采中，通過研究分析非工作幫安全經(jīng)濟(jì)邊坡角，對(duì)非工作幫掛幫煤炭資源進(jìn)行回采，可消除邊坡掛幫煤炭自燃的火災(zāi)事故隱患、增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性、提高煤炭資源回采率、降低投資成本、提高安全經(jīng)濟(jì)效益。