露天矿特厚煤层端帮采煤分层开采研究

王宏岩

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 100015）

露天开采具有生产工艺简单、生产力强和安全性高的优势[1]。为了提高露天开采边坡的稳定性，必然产生边帮压煤，导致大量煤炭资源无法回收。当前露天煤矿边帮压煤的主要开采方法有陡帮开采、端帮开采、井工平巷开采、露井协调开采和邻近煤矿协调开采技术。其中端帮开采技术已经在国内外的一些露天矿安全落地，产生不错的经济效益，随着技术的不断升级改造，开采深度已经由最初的30 m 延伸至300 m，煤炭资源回收量大大增加[2]。并且端帮采煤技术不同于其他开采方法，其对露天矿的地质条件要求较低，应用场景广泛[3-4]。端帮采煤单层开采工艺已经相对成熟，在国内几个典型露天矿已经成功应用，但是针对于特厚煤层分层开采相关研究较少，特厚煤层需要设计分层开采，这对支承煤柱的要求大大提高。为此，以白音华一号露天煤矿南帮为例，展开特厚煤层端帮采煤分层开采研究。

1 矿山概况

白音华煤田位于内蒙古中东部大兴安岭南段西坡。属锡林浩特市西乌珠穆沁旗辖区。煤田总面积约510 km2，煤田走向为SW～NE，走向长约60 km，倾向宽平均约为8.5 km。主要可采煤层为1＃煤层、2＃煤层、3－1＃亚煤层、3－2＃亚煤层，3－1＃亚煤层分出3－1－1＃煤、3－1－2＃煤。1＃、2＃、3－1＃、3－2＃煤层为该区主要可采煤层。区内地层自上而下有第四系松散岩类、新近系上新统松软岩层和白垩系下统白音华组煤系地层。白音华组煤系地层由一套河、湖相、沼泽相沉积的深灰色、灰色为主的泥岩和单层较厚的煤层组成，其间夹粉砂岩、细砂岩、粗砂岩（砂砾岩）层，多为泥质胶结、呈软岩状，岩石抗稳定性差。

2 临时/永久煤柱宽度计算

2.1 煤柱强度理论分析

利用Mark－Bieniawski 公式来确定煤柱强度[5]。

对很长的煤柱，Mark－Bieniawski 公式可简化为：

式中：Sp为煤柱强度，MPa；S1为原处煤柱强度，MPa；W 为煤柱宽度，m；H 为煤柱高度，m；L 为煤粒长度，m。

从式（1）中可以看出：煤体强度越高，煤柱强度越高，煤柱强度随着煤柱高度的增加而降低。

2.2 上覆岩层载荷理论分析

对煤层进行采掘后，破坏了其原始应力状态，原来由采硐处原煤承担的上覆岩层载荷，将向采硐两侧的煤柱转移，使煤柱承受的应力升高，应力在采动影响范围内重新分布，煤柱将承担原始煤柱和采硐的全部或部分岩体的重量，使自身载荷升高[6]。

目前应用最广泛的煤柱平均应力荷载计算公式，是仅考虑覆岩自重应力场的辅助面积法。辅助面积法认为，当开采区域足够大，煤柱尺寸比较规则，岩层近水平赋存时，采硐上方的覆岩重力将全部转移到邻近的煤柱上[7]。此时各煤柱将共同承担载荷。其载荷大小等于煤柱及其周围1/2 采硐宽度范围内上方全部岩层的重力，计算公式为：

式中：p 为煤柱载荷，MPa；ρ 为上覆岩层平均密度，2.50 t/m3；h 为上覆岩层厚度，m；B 为采硐宽度，m；g 为重力加速度，m/s2。

2.3 煤柱稳定性安全系数

露井联合端帮开采技术在美国的应用过程中，临时煤柱的安全系数为1.3～1.6，永久煤柱的安全系数为2.0，实际的安全系数SF公式为：

由公式分析可得，随着煤层埋置深度的增大和煤柱间距的增大，边坡稳定安全系数减小；而随着煤柱宽度增加，边坡稳定安全系数随之增大。

2.4 煤柱高度（开采高度）确定

根据式（2），煤柱强度随着煤柱高度的增加而降低，当煤柱宽度W 与煤柱高度H 的比值越大，煤柱强度越大。因此设计煤柱高度（开采高度）时，在保证生产效率的同时，尽量降低开采高度[8]。根据选用的采煤设备型号，截割高度1.8～3.5 m，为保证设备的作业效率，采硐设计开采高度3.5 m，采硐尺寸横纵比0.8，接近正方形结构，采硐结构相对稳定。厚煤层采用分层开采的形式，不再提高采硐高度。

2.5 煤柱宽度计算

考虑到煤层抗压强度变化较大，为保证煤柱的稳定性，临时煤柱稳定性系数取1.5。永久煤柱按照每隔10～20 个采硐留设1 个，这样可以防止山体垮塌的多米诺骨牌效应。根据白音华一号露天煤矿开采现状及煤层赋存条件，考虑到露天矿地质条件较差，参考国内实践经验[9]，本次研究加强煤柱每隔5个采硐留设1 个。支撑煤柱宽度计算表见表1。

表1 支撑煤柱宽度计算表

在端帮采煤机开采时，应适时测试顶板及煤层岩石力学性质，根据岩性的变化，对临时煤柱和煤柱进行调整。根据开采过程边帮稳定情况，在生产过程中适当调整煤柱宽度及永久煤柱间临时采硐的间隔数量。煤边帮采煤机工作宽度示意图如图1。

图1 煤边帮采煤机煤柱留设示意图（采高3.5 m）

3 特厚煤层开采工艺

3.1 水平隔层厚度

当煤层厚度较大时，为提升煤炭资源回收率，可采用分层开采的方式回采边帮压煤。上下层采硐垂直布置，中间预留水平隔层。

在水平隔层厚度设计上基本原则是隔层内形成足够厚度垮落拱结构，垮落拱体上部的稳定结构能够保证煤柱之间的连接，避免煤柱发生侧向倒塌。

水平隔层是垂直压应力为0 的薄隔层，对于具有裂隙的煤来说，其稳定性较差。按照岩石力学破坏机理，受水平最大主应力的隔层，其下方煤硐顶拱高度按25°破坏角计算，拱体结构高度0.65 m，其上方即为具有承载能力的稳定结构体。为保证安全，结构体厚度取2 m。因此，总隔层厚度理论值应不小于2.65 m。考虑采硐坡度控制偏差，实际作业过程中隔层厚不小于3 m。理论隔层厚度Lg可按下式计算：

式中：Lg为隔层厚度，m；hB为稳定拱结构体厚度，根据煤体强度和结构完整性决定，取2 m；θ 为煤破坏角，（°）。

3.2 厚煤层开采方式

厚煤层需进行分层开采，根据煤层厚度，对所开采煤层按照采硐－隔层－采硐的方式沿煤层走势进行分层，分层后根据现场实际条件，采用自上而下或者自下而上2 种方式进行采煤作业。

1）自上而下进行回收。边帮采煤机在硐口以10°的坡度向煤层顶板开采，到达煤层顶板后，沿煤层顶板走势掘进，上部分层开采完毕后，设备退出；开采下部煤层前，根据采煤机开采上部煤层的运动轨迹，预留出3 m 厚的水平隔层。此方法的优点：开采上、下煤层时，设备均布置在采硐的外部平盘上，避免了设备的频繁移设；开采下部煤层时，水隔层不承受垂直压力，更加安全。此方法的缺点：开采上部煤层时，斜坡道过长，煤层回采率降低；开采斜坡过程中，生产效率较低。

2）自下而上进行回收。边帮采煤机沿煤层底板掘进，开采下部煤层，开采完毕后，设备退出；开采上部煤层前，根据采煤机开采下部煤层的运动轨迹，预留出3 m 厚的水平隔层；在硐室外的平盘进行内排，将边帮采煤机作业平盘垫高，标高与上部煤层底部标高一致。将设备放置对应的内排土场上，边帮采煤机开采上部煤层，开采完毕后，设备退出。该方法的优点：设备作业过程中，设备岩煤层走势掘进，避免了大坡度作业，作业效率高；回采率相对较高。缺点：对于内排台阶需进行一些加固措施，进而增加一些成本；设备移设频繁，作业程序复杂，有效作业时间减少；开采上部煤层时，水平隔层承受采煤机自重及作业震动的压力，存在安全隐患，为了保证作业安全，简化作业程序，因此设计推荐采用自上而下的方式对厚煤层进行开采。

4 复杂地质体特厚煤层开采稳定性分析

4.1 复杂地质体模型构建

根据煤层顶、底板等高线可得得到各煤层的顶、底板控制面，在FLAC3D中形成相应的面几何体。在几何面的控制下生成地层模型，可以更加真实的模拟煤层赋存状态，包括煤层起伏变化以及厚度的空间变异性[10]。露天矿边坡的全局模型如图2。

图2 露天矿边坡的全局模型

目前露天矿坑南北向4 300 m，东西向2 500 m，呈不规则形状，目前剥离区域最深约260 m。重点分析南帮特厚煤层压煤回收过程中双层回采煤柱及边坡覆岩的稳定性，因此，截取南帮区域形成局部模型，局部模型东西向1 530 m，南北向覆盖整个坡体，约760 m。为了提高计算效率，根据煤层赋存情况将南帮模型自西向东划分为I、II 和III 3 个区域，II 区为特厚煤层赋存区域，对II 区进行模拟开挖，研究煤柱及边坡覆岩的破坏特征。露天矿边坡的局部模型如图3。

图3 露天矿边坡的局部模型

4.2 模型参数和开挖方案

白音华一号露天矿数值模拟采用的岩石物理力学参数见表2。

表2 煤岩体力学参数

采用上行开采方式对图3 中的II 号区域模型进行开挖，根据连采机型号参数，确定开挖巷洞宽度3 m，高度3.5 m，最大深度300 m，采用分布开挖模式进行数值计算，每步开挖1 个巷洞，开挖过程中首先留设小煤柱，研究回采过程中坡体覆岩采动力学行为及其稳定性。

4.3 特厚煤层区域分层开采可行性分析

中部区域3-1#煤层局部厚度可达8～10 m，为了提高资源回收率，拟采用分层方法增加累积回收厚度。分析得到双层开采条件下，局部区域巷洞围岩破坏程度迅速增加，降低围岩自稳能力。

分层开采条件下，对开采威胁最大的为层间遗留煤柱能否保持完整，保护巷洞开挖机械安全和坡体覆岩的整体稳定性。因此，截取局部分层开采截面，对层间遗留煤柱弹塑性状态进行分析。截面上3-1#煤厚度变薄，仅在东侧出露区域煤层厚度较大，变薄区层间遗留煤柱完全进入破坏状态，若层间煤柱发生垮塌，连采机跌落，会造成停采甚至损坏设备。东侧局部层间遗留煤柱厚度可达3 m，可以保持稳定，靠近出露区的3-1#煤虽然厚度大，但由于位于自由面，煤柱承载能力降低，厚层间煤柱同样完全进入破坏状态，无法保证生产安全。

5 结语

1）西侧3-1#煤层较薄，层间留设煤柱完全破坏，东部3-1 煤位于出露区，自由面的存在导致层间留设煤柱支撑能力降低，分层开采条件下完全进入破坏状态，回采过程中层间煤柱垮塌风险性高。

2）双层开采厚煤层分析结果显示，分层开采导致边坡覆岩整体自稳能力降低。

3）特厚煤层分层开采时要加强对自由面附近水平隔层煤柱的支护。