石头梅露天煤矿非工作帮煤炭资源开采实践

时间：2024-07-28

刘兴学，李阳，崔志伟，哈斯特尔，阿尔帕提江，张小冬

（新疆能源（集团）有限责任公司哈密分公司，新疆哈密 839000）

石头梅一号露天煤矿地表境界面积27.47 km2，设计生产规模5.0 Mt/a，服务年限187.2 年。剥离采用单斗-卡车开采工艺，采煤工艺为单斗-卡车＋半移动破碎站半连续工艺。煤矿建设期，首采区南侧非工作帮出现挂帮煤，依据采场补充勘查成果确定了挂帮煤范围。考虑挂帮煤长期暴露氧化将会引发煤炭自燃火灾事故，进而影响边坡稳定，甚至导致边坡片帮、坍塌、滑坡等事故[1-2]。在开采初期进行非工作帮边坡稳定性分析，设计非工作帮边坡角24°，在确保安全的条件下，进行＋750 m 水平以上台阶削帮并回采挂帮煤。后期随着采剥工程逐步推进，把＋750 m 水平以下原设计位置的挂帮煤开采纳入月度采剥计划，在采剥作业的同时开采挂帮煤，并释放出内排空间，当具备内排条件及时进行内排压帮。从而实现回采非工作帮挂帮煤炭资源的同时，增强边坡稳定性，消除煤炭自燃安全隐患，提高煤矿安全经济效益。

1 工程地质概况

石头梅一号露天煤矿首采区非工作帮边坡上部为第四系松散层和新近系地层，为水平或近水平地层。边坡下部为侏罗系地层，边坡倾向与地层倾向一致，为顺层边帮。揭露煤层、地层与原勘查报告差异较大，勘查报告倾角为30°～45°，实际倾角为30°～90°，甚至局部存在倒转。非工作帮边坡属于岩质结构边坡，岩石类型以层状的泥岩、粉砂岩、砂岩、砂砾岩和煤层为主。整体为层状顺向结构，自东向西岩层倾角逐渐变陡（倾角自东向西为32°～51°），岩体软弱相间，存在宏观的软弱结构面，东侧变形破坏模式主要以层状滑塌为主，西侧以倾倒式变形为主。边坡物质组成复杂、结构分布的不规则。

首采区非工作帮地表标高＋820 m，深部标高＋765 m，垂直深度约55 m，首采区露煤标高＋785 m，采场非工作帮东南、西南侧到界＋770 平盘局部形成了煤台阶。随采剥施工继续推进，采场深部标高＋720 m，垂直深度约100 m，采煤工作面标高＋730 m，采场非工作帮东南侧＋770～＋750 平盘局部形成了煤台阶，西南侧＋770～＋730 平盘局部形成了煤台阶，非工作帮存在挂帮煤现象，同时采场非工作帮上部台阶出现不同程度的裂隙发育与沉降。

遵照DZ/T 0215—2002 煤、泥炭地质勘查规范要求，充分利用已有勘查工程，以首采区剥离出的煤层露头为基准，向东以70～140 m 间距新布设勘查线7 条。以浅部煤层露头线为准，自南向北依次布设钻孔，对煤层露头及等高线进行加密控制。在原601线、L1、L2线剖面上浅部布设5 个钻孔，对浅部煤层露头进行控制。详细查明勘查区内地层、构造、煤层、煤质、工程地质条件等特征。勘查区内煤层露头已揭露，采用钻探、测井、样品采集与测试等。通过采坑揭露情况及已施工钻孔成果研究分析，通过采场揭露现状及补充勘查研究分析，延地层倾向煤层露头较陡深部较缓。599 线浅部煤层露头南倾，呈倒转现象，沿地层走向，由西向东地层由倒转变为直立，逐渐回归正常。勘查区控制9－1 号煤层厚度有一定的变化，但规律性较明显，煤层稳定程度确定为较稳定型。

2 影响因素及技术措施

2.1 开采边坡角

沿采场非工作帮边坡选择5 条剖面来进行边坡稳定性的分析计算。根据调查分析，采场非工作帮边坡最可能的破坏方式主要有2 种：①沿着泥岩发生整体破坏，将该潜在破坏面定为推测泥岩滑面进行稳定性计算；②边坡下部结构面发生的局部破坏。通过将外部CAD 软件中的模型图导入Udec 软件进行建模。数值模拟的模型选用1－1’、3－3’、5－5’、7－7’及9－9’工程地质剖面图，分别建立开挖前和开挖后的模型。数值模拟中的节理裂隙采用“Jset”命令来生成。根据现场调查和数值模拟工程地质剖面计算结果及分析，随采场深度逐渐增加，采场边坡的稳定性逐步降低，其中采场非工作帮东侧挂帮煤体易发生沿结构面切割的楔形体滑动，非工作帮西侧挂帮煤体上方岩体易发生局部倾倒变形[3]。

根据补充勘探成果，结合采场实际揭露情况，经大量试算，选取3－3’工程地质剖面图，建立坡度为19°～24°的模型。选取7－7’工程地质剖面图，建立非工作帮边坡坡度模型，进行数值模拟研究，非工作帮整体边坡角以露天矿深部境界为界向上反形成边坡角24°，边坡安全系数为1.24～1.44，边坡稳定性较好。可最大限度回采挂帮煤炭资源，剥采比远小于经济合理剥采比。

2.2 开采范围

采用3Dmine 软件依据已探明的煤层顶底板建立首采区煤层模型，建立非工作帮原设计模型、非工作帮挂帮煤开采后设计模型和非工作帮内排压帮后设计模型[4]。非工作帮挂帮煤开采前后对照剖面如图1。

图1 非工作帮挂帮煤开采前后对照剖面

＋710 台阶上部为设计采剥位置，＋710、＋680 台阶为设计采剥后内排剥离物形成的压帮台阶。采场非工作帮地表至＋750 m 水平为削帮减重区域，＋710、＋680 台阶为内排压帮区域。

计算得：削帮工程量111 万m3；可开采煤量35万t；内排压帮工程量130 万m3；剥采比3.2 m/t，小于本矿经济合理剥采比8.5 m/t。

2.3 削帮减重

采场非工作帮边坡属于岩质结构边坡，岩石类型以层状的泥岩、粉砂岩、砂岩、砂砾岩和煤层为主。整体为层状顺向结构，自东向西岩层倾角逐渐变陡，局部岩层倾角达到90°甚至存在倒转。岩体软弱相间，存在宏观的软弱结构面，东侧变形破坏模式主要以层状滑塌为主；西侧以倾倒式变形为主。边坡物质组成复杂、结构分布的不规则，非工作帮边坡易发生变形滑坡[5-6]。因采场非工作帮削帮作业空间有限，为确保边坡的稳定，需加快削帮作业速度，将削帮工程划分为3 个作业区：①第1 作业区从采场东南角地表由东向西剥离推进，承担地表～＋800 m 水平以上岩层采装，外运至外排土场；②第2 作业区从非工作帮＋770 平盘中部向东剥离推进，与第1 作业区同时开工，承担＋770～＋750 m 水平以上岩层采装，外运至外排土场，同时回采＋770～＋750 m 水平边坡挂帮煤；③第3 作业区从东帮＋800 平盘剥离推进，在第1作业区向西推进150 m 时，第3 作业区开始作业，承担＋800～＋770 m 水平以上岩层采装，剥离物外运至外排土场。

2.4 回采挂帮煤

根据石头梅首采区非工作帮煤层赋存特征、采场现状、开采工艺及边坡稳定性，综合分析将非工作帮挂帮煤炭资源回采划分为2 个区[7]：①＋750 m 水平以上挂帮煤回采，在削帮减重采装岩层的同时回采挂帮煤体；②＋750 m 水平以下挂帮煤开采，在编制月度采剥计划时，把＋750 m 水平以下原设计位置的挂帮煤开采纳入月度采剥计划，在后期采剥作业同时完成＋750 m 水平以下挂帮煤的开采。

2.5 内排压帮

随着采剥工程的不断推进，释放出内排空间，当具备局部内排空间条件时，及时进行内排压帮，可以增强边坡的稳定性[8]。内排压帮作业划分为2 阶段：①第1 阶段内排压帮：随着采剥工程不断降深，当＋710～＋680 m 水平具备局部内排空间时，及时进行内排压帮作业；②第2 阶段内排压帮：采剥工程继续降深，当＋680～＋650 m 水平具备局部内排空间时，及时进行内排压帮作业。露天煤矿随着采剥持续推进，提前组织内排剥离物，可缩短剥离运输距离，节约投资成本的同时，提高非工作帮边坡的稳定性。

2.6 安全技术措施

方案实施过程中还应注意采取相应的安全措施：①加强作业人员边坡安全教育，提升安全意识；②控制合理的边坡角，根据边坡稳定性研究分析来留设最终边坡角；③完善采场的防排水系统，做好疏干排水工程，防止积水浸泡边坡岩体；④对于有可能发生滑动的地段，应及时设置安全警戒线，并采取有效的控制措施消除危害，避免造成重大损失；⑤施工中对坚硬岩层采用免爆设备松动，不采用松动爆破；⑥降低动载荷，采用限速的办法，减少工程设备及车辆对边坡的扰动；⑦对释放出的内排空间及时内排压帮，加强安全监督检查，确保作业安全；⑧对采场非工作帮作业区采用GNSS 监测系统[9]、边坡雷达监测系统和深部位移监测系统三重位移监测系统加强监测及数据分析，并配专人观察边坡稳定情况，如有台阶松动、坍塌等前兆，立即停止作业，撤离人员和设备，并向矿调度上报。

3 安全经济效益

1）消除安全隐患。开采非工作帮挂帮煤，从源头消除挂帮煤长时间暴露氧化，导致温度升高而发生煤炭自燃火灾事故。同时，避免了煤炭燃烧引起边坡滑坡事故的发生，确保非工作帮边坡的稳定。

2）经济效益。经计算，非工作帮挂帮煤开采需剥离土石方量111 万m3，可回采煤量35 万t[10]，平均剥采比3.2 m/t，小于本矿经济合理剥采比8.5 m/t，实现内排剥离物130 万m3。剥离费用1 650 万元，采煤费用360 万元，内排剥离物节省费用50 万元，采煤收益15 750 万元，预计可产生收益13 790 万元。