某露天煤矿开采设计分析及研究

袁明飞 YUAN Ming-fei；陈玉霞 CHEN Yu-xia

（云南可保煤矿有限公司，昆明 652100）

0 引言

煤碳是国家不可再生能源之一，随着国家经济的快速发展，我国的露天开采也得到迅猛发展[1]-[3]。露天煤矿的开采是我国经济发展的命脉，也是时代发展的必然趋势，为了减少露天开采对环境的破环，加之提倡绿色开采的理念，需要借助国内外先进的开采技术，不断的改进我国露天开采工艺，从而露天煤矿的开采设计对我国环境及能源结构起着十分重要的作用[4]-[5]。

1 开采概况

1.1 位置交通 该煤矿位于云南省昆明市宜良县境内，地理坐标为：东经103°02′05＂～103°02′50＂、北纬24°57′20＂～24°59′11＂。采矿证核准的采场范围由22个拐点坐标组成，东西宽约1.0km，南北长约1.4km，采场面积为1.5527km2，开采标高为1680~1890m，采场西距昆明42km，东至宜良县城21km；南昆铁路、昆石二级公路从采场南部通过，交通极为方便。

1.2 地形地貌 煤矿皂角露天坑开采范围属凤鸣村褐煤矿区小街井田，位于小街向斜南部，总体为一近南北向山间盆地，四周为中山环绕，盆地内为丘陵，相对高差40-60m，地势北高南低，地形地貌较简单，属高原低中山河谷侵蚀地貌类型。

矿区盆地地貌特征决定了河溪由周边向盆地内汇集，矿区内自北向南有三条小河为双龙潭河、宋家地河、香菌河，在盆地南部汇合成摆夷河，它由西向东于可保村东南流出盆地，至宜良汇入南盘江，属珠江水系。

采场露天开采境界内无大的地表水体，矿界外发育有摆夷河和香菌河，雨季最大流量小于30m3/s，对矿床开采影响较小。断层带虽有一定的富水性，但呈条带状，在上第三系粘塑性地层中逐步被充填闭合，其导水性、富水性差。煤系主要含煤段（N11、N13、N15、N17）为孔隙、裂隙弱含水层，岩性以砂泥岩、含钙泥岩和泥质砂岩为主，砂体、砂砾层基本未分布，持水性强而重力给水性差。钻孔单位涌水量q为0.0014l/s.m，已接近隔水层界限（q为0.001l/s.m），为煤层开采的直接充水弱含水层。采场含煤地层在同沉积和沉积后期产生了褶皱和断裂，但沉积环境和岩层岩性相同，处于同一水文地质单元和地下水系统，故采场的水文地质类型为以大气降水为主的简单类型。

1.3 采场地层 采场地层由第四系表土和新第三系中新统小龙潭煤组（N1）构成，小龙潭煤组分成四个煤组和四层泥灰岩，现皂角露天坑主要采剥的是上部的两层泥灰岩和两个煤组，即第四层泥灰岩（N18）、第四煤组（N17）、第三层泥灰岩（N16）、第三煤组（N15）。小街向斜为开采境界内最大向斜，向斜轴向N10°E，两翼倾角一般为10-15°，向斜东翼有F8断层，西翼有F3、F13断层，使连续的煤岩层被切断。含煤段由粗细碎屑岩、泥质岩、褐煤及炭质岩组成。自下而上分述如下：

1.3.1 第三煤组（N15）岩性为砂质粘土、粘土和煤层互层，部分地段夹有不胶结的疏松砂层。本煤组主要可采煤层为N15-1、N15-1（辅），煤层比较稳定，煤层可采总厚约21.59m，平均含煤率29.35%，煤组厚度一般50～70m。

1.3.2 第三层泥灰岩（N16）岩性为灰～灰绿色泥灰岩及含砂质泥灰岩，均匀致密，裂隙发育。厚30～50m，一般比较稳定。

1.3.3 第四煤组（N17）岩性以煤层为主夹粘土、砂质粘土、炭质粘土。本煤组主要开采煤层N17-1、N17-2，煤层比较稳定，在小街向斜内煤组厚度由北向南逐渐变薄，N17-1与N17-2的层间距也随煤组变薄而变小。该煤组煤层的平均可采厚度约21.93m，平均含煤率41.73%，煤组厚度一般40～60m。

1.3.4 第四层泥灰岩（N18）为灰绿～深灰色泥灰岩，质纯细腻，致密均匀，性脆，具有明显层理。本层顶部因受侵蚀直接与第四系（Q）接触。

1.3.5 第四系（Q）为残积、坡积和冲积层，岩性由砾石、粘土、砂土组成，厚度0～30m。

综上所述，采场剥离岩层主要为第四系表土、松软的泥灰岩和煤组内夹的粘土、炭质粘土类岩体。可采煤层物理力学性质一般，煤层顶、底板岩体物理力学性质普遍较弱，主要为软弱岩组，具可塑性，局部地段饱和后在动水压力作用下可能产生流砂，岩性、岩体具各向异性，岩体的稳固性主要取决于岩性、岩层结构和饱水情况。岩层和煤层具有不透水性和隔水性，属第一类第二型工程地质条件。总体上，皂角露天坑地层属层状软岩类为主的中等～复杂类型。

1.4 煤层赋存 现采场内主要开采煤层为N17-1、N17-2、N15-1、N15-1（辅）共四层煤层。开采煤层自上而下叙述如下：

1.4.1 N17-1煤层 在N18含钙泥岩下，煤层底板为炭质泥岩，煤层厚度0.39～14.02m，平均6.30m。煤层由南向北变薄，局部含矸1-2层，夹矸厚度0.20～3.74m平均1m左右，属结构简单较稳定煤。

1.4.2 N17-2煤层 距N17-1煤层5～47m，顶板为炭质泥岩，底板为N16含钙泥岩。煤层分布范围与N17-1煤层相同，煤层厚度0.27～30.81m，平均13.21m，厚而稳定，一般多在8m以上，厚度由向斜轴部向翼部逐渐变薄。煤层含矸1-3层，夹矸厚度0.15～11.29m，属结构简单较稳定煤层。

1.4.3 N15-1煤层 距N17-2煤层32～43m，平均39m，顶板为N16含钙泥岩，底板为炭质泥岩。煤层厚度在0.15～26.05m间，一般多在5～10m，平均6.45m，向斜轴部厚、翼部薄，局部地区可见夹矸1-4层，夹矸厚度0.10～8.15m，平均厚度1.50m，属结构较简单较稳定煤。

1.4.4 N15-1（辅）煤层 上距N15-1煤层2～24m，煤层顶板为泥岩、炭质泥岩，底板为泥岩、炭质泥岩。煤层厚度变化较大，在0.43m～23.75m，平均6.65m。煤层变薄尖灭普遍，夹矸1-2层，夹矸厚度0.21～3.79m，为结构简单较稳定煤层。

2 开采工艺及方法

2.1 开采工艺 根据绿色环保及最经济合理的原则，该露天采用煤岩分流组沟开拓，公路运输，开拓坑线为直进、折返和螺旋的开拓方式。采用单斗挖掘机采装→自卸汽车运输→推土机排土的间断式开采工艺，产品方案为原煤，露天坑的煤和剥离物均为软岩，可直接采装，无钻孔、爆破工艺环节。

2.2 开采方法 工作线沿煤层走向布置，分台阶水平扩帮推进，扩帮宽度达到新水平延深降段条件时，进行新水平延深工作；采场工作帮是指采场在正常推进过程中，由布置采剥工作面的各台阶、平盘组成的，随采剥工程发展而不断向推进方向推移发展的阶梯坡面。在各工作平盘，布置有生产设备，进行采装、运输等开采作业。根据生产情况进行适当调整，严禁并段采煤和剥离，并将边坡角控制在设计允许值内。采煤作业参数表1所示。

表1 采煤作业参数表

2.3 排土方式及要素 根据煤炭设计研究院编制的皂角露天坑开采技术方案，排土方式以外排为主，在生产应急、抢险等特殊情况下在采场安排内排。外排为公司周边部分关闭露天采坑的地形恢复回填；内排在采场南帮逐步进行，东北帮及北帮开采空间满足内排条件时，根据生产情况进行内排。排土场工作帮由各水平工作平盘、台阶组成，各平盘以其标高命名，如：1792、1784、1776…依此类推。

3 开采作业内容及参数

3.1 采煤工作面分析 采煤工作面布置在采场工作帮的各个采煤工作平盘，是采装设备进行采煤作业的场所。各工作台阶的推进采用条带开采方式进行，采煤工作面以采煤条带的形式布置。

采装区：是采装设备进行采装作业的区域。在该区，采煤台阶已完成相应的准备工作，供采装设备装车；运输通路已形成，汽车可出入工作面进行运输。

准备区：在该区，完成台阶放线、安全挡墙修筑等工作。采煤工作面完成煤面清理，采装设备进行采装，则成为采装区。

采煤工作面台阶高为8~10m，台阶坡面角60度，采宽为10~15m的条带。因煤层赋存情况变化较大和配煤要求，有部分煤岩互层台阶采煤工作面，需根据现场具体情况开展选采工作。

3.2 采煤剥离面分析 剥离工作面布置在采场工作帮的各个剥离工作平盘，是采装设备进行剥离作业的场所。各工作台阶的推进采用条带开采方式进行，剥离工作面以剥离条带的形式布置。

采装区：是采装设备进行采装作业的区域。在该区，剥离台阶已完成相应的准备工作，供采装设备装车；运输通路已形成，汽车可出入工作面进行运输。

准备区：在该区，完成台阶放线、安全挡墙修筑等工作。剥离工作面完成准备工作，采装设备进行采装，则成为采装区。

剥离工作面段高为8~10m，台阶坡面角65度，采宽为10~15m的条带。因现场情况变化较大，有部分剥离工作面，需根据现场具体情况开展剥离工作。

3.3 开采作业参数 开采工作面一般由采装设备装车区、汽车入换区、汽车待装区组成。对开采工作面的要求是：在确保安全生产前提下，使采装设备效率得以充分发挥，运输设备得以顺利入换，尽量减少整备工作量，使整备的设备尽量能与采装设备进行平行作业。

边坡角及平盘宽度：根据边坡现状及设计位置进行分析及边坡稳定验算结果，露天坑各剖面位置关系如图1所示。

图1 该露天坑各剖面位置关系示意图

边坡主要包括皂角露天坑北帮、东帮、西帮、南帮及排土场边坡，采场边坡地层岩性为半固结的泥岩和煤层组成，部分区域为皂角露天初期生产剥离及已退出地方露天剥离的人工填土层或“顺向顺层”产状地层边坡，边坡稳定保障措施。该煤矿皂角露天坑最终设计位置稳定边坡角详见表2所示。

表2 各帮边坡不同工况下最终设计位置稳定边坡角

3.4 排土作业参数 排土方式以外排为主，在生产应急、抢险等特殊情况下在采场安排内排。外排为周边部分关闭露天采坑的地形恢复回填；内排在采场南帮逐步进行，东北帮及北帮开采空间满足内排条件时，根据生产情况进行内排。①排土工作面由汽车卸载区，推土机推土区组成。对排土工作面的要求是，确保安全生产，排土场推土机效率充分发挥，运输设备顺利入换。②每个排土工作面汽车卸载区应保证至少2辆汽车能同时卸载作业。对汽车卸载车位最少数量要求为：每小时需卸载60车以下（相当于支持3-4台挖掘机作业），2个车位；每小时需卸载60-80车以下（相当于支持4-5台挖掘机作业），3个车位；每小时需卸载80-100车以下（相当于支持5-6台挖掘机作业），4个车位；每小时需卸载100车以上，5个车位。③排土时，应首先排弃排土工作面推进方向的左侧区域，依次排完整幅，之后继续按此排弃顺序排土，典型的排土工作面布置如图2。图示是正常作业情况下，排土工作面最紧凑的布置。当工作空间较大时，可比照此图，根据现场实际情况，适当调整布置，以达到高效率作业的目的。④外排排土工作面台阶高为10~20m，内排排土工作面台阶高为8~10m。排土工作平盘宽度40m，台阶坡面角35°，外排边坡角控制在设计范围（18°）以内，内排土场位于南帮时，边坡角控制在15°以内；内排土场位于北帮时，边坡角控制在18°以内。

图2 典型排土工作面布置图

4 采煤作业参数

①采煤工作线沿煤层走向布置，分台阶水平推进扩帮，扩帮宽度达到开拓延深条件后进行新水平准备和延深。在生产过程中，严禁并段采煤、并段剥离。②东北帮（偏北）边坡角严格控制在22°以内，东北帮（偏东）边坡角严格控制在18°以内，北帮及西北帮边坡角严格控制在19°以内。③为确保北帮1712水平的采煤及剥离正常作业，需在明年雨季期间，加强抽排水工作，将水仓水位抽至1710以下安全水位，保证下部水平采煤及剥离作业不受影响，同时注意水仓周围作业时的安全。④做好选采工作：东北帮煤层含矸层数多，西北帮上部零星露头煤层煤质不稳定，为提高煤质，需加强选采工作，用推土机或小型挖掘机对所揭露煤层顶板进行清扫，采煤作业时应避免煤层夹矸及底板岩体混入原煤中而影响煤质，各台阶或地段按煤质分级进行销售或临时堆放。⑤北帮开采区域采深较高，作业时严格按稳定边坡角或设计要求组织作业，注意观察台阶和边坡稳定情况，遇危险情况及时撤离，保证人员、设备安全。

5 结论

通过对该煤矿进行分析可得，工程位置合理交通极为方便，地形地貌和水文地质的调查合理，采用煤岩分流组沟开拓和单斗挖掘机采装—自卸汽车运输—推土机排土的间断式开采，煤层共含有四层，该煤矿年产总量70万吨满足要求。