新疆某露天矿端帮采煤机开采可行性研究

王术峰，刘福明，胡桂林

（新疆天池能源有限责任公司，新疆 昌吉 831100）

新疆地区逐渐成为我国能源重心[1]，露天开采因其开采规模大、生产能力强等特点已成为适应新疆地区地质地貌的主要资源开采方式[2]。而在露天开采过程中，受边坡安全约束，端帮下部所压覆的煤炭资源难以采出，导致大量煤炭资源浪费[3]。基于端帮采煤机的端帮开采工艺随着设备的不断改进[4]，逐渐成为回收端帮下压覆煤炭资源的重要途径之一，国内也有露天矿进行试点使用[5-6]。为进一步回收端帮下压覆的煤炭资源，以新疆某露天煤矿巨厚倾斜煤层端帮边坡为研究对象，从边坡稳定性角度讨论使用端帮采煤机开采的可行性。

新疆某露天矿位于准东煤田西部，简单单斜构造，巨厚倾斜煤层，平均煤层厚度76.46 m。矿山地层走向北东-东，倾向南东-南的单斜构造，倾角4°～15°，表现为浅部陡、深部缓的变化趋势。2020 年转向工作完成后，露天矿由纵采转为横采。原有西侧端帮建立内排土场，东侧端帮缓帮过渡为工作帮，北部底帮、南部顶帮成为横采期间的露天矿端帮。在露天矿向东侧推进过程中，煤层底板不断降深、地表标高不断增大，边坡高度增加，原在南帮所开采的靠帮开采工艺采出资源量逐年降低[7-8]，需对端帮采煤技术进行论证，保证在横采内排有利条件下完成端帮下压覆煤炭资源的回收。南端帮边坡角在靠帮开采后提升至34°，边坡高度255 m，单台阶高度15 m，台阶坡面角60°。30 m 与10 m 的宽度平盘交错留设，30 m 平盘宽度台阶作为运输通道连接工作帮与内排土场。其中，385、355、340 m 水平平盘宽度0 m，400、370 m 水平仅留设5 m 作为安全平盘。

2.1 端帮采煤机发展

端帮采煤机最初是由SHM 公司1994 年所研发的露井联合开采设备，通过远程操控设备截割头探入煤层，形成矩形采硐[4]。设备凭借灵活、操控性强、高效、可靠的特点，在国内外多煤层、地形复杂或剥采比大的矿山均有一定使用[9]。同时，国家四部委所发布的《煤炭生产技术与装备政策导向（2014 年版）》[10]，在政策上对露天矿采用端帮采煤机开采给予一定支持。国内对端帮采煤机开采技术的研究开始于2000 年前后[11-12]，现对端帮采煤机设备开采方法[13]、煤柱留设方式[14]、覆岩运动[15]等都有一定研究。为此，仅给出HW-300 端帮采煤机采用厚煤层截割头时的作业参数，用于可行性探讨。HW-300 端帮采煤机作业参数：设备长度23.3 m，设备宽度10.3 m，设备高度8.2 m，质量273.5 t，适应角度+5°～-15°，采掘速度30～45 m/h。

2.2 煤柱宽度计算理论

端帮采煤机在开采过程中采硐间需留设支撑煤柱，根据工程地质概况，每隔3～10 个支撑煤柱间需留设隔离煤柱。隔离煤柱宽度一般为支撑煤柱的3～4 倍[16]。对于隔离煤柱和支撑煤柱宽度的算法，普遍参照Mark-Bieniawski 经验公式[17]。根据煤层赋存情况，首先对煤层覆盖层平均密度进行计算：

式中：ρ 为覆盖层平均密度，kg/m3；
ρn为相应覆盖层密度，kg/m3；
hn为相应覆盖层厚度，m。

通过计算得出覆盖层平均密度为1.96 kg/m3。支撑煤柱强度SP＝SI（0.64+0.54WP/h），其中：SI为原始煤体强度，19 MPa；
WP为煤柱宽度，m；
h巷道采高，m。支撑煤柱所受应力LP＝p（WP+We）/WP，其中：p 为原始垂直应力，MPa；
We为采硐宽度，m。

从而计算支撑煤柱稳定性系数为：

式中：FP为支撑煤柱稳定性系数；
SP为支撑煤柱强度，MPa；
LP为支撑煤柱所受应力，MPa。

根据端帮采煤煤柱安全系数取值范围，得到支撑煤柱宽度为4.5 m，稳定性系数为1.77。

隔离煤柱参数计算中，隔离煤柱强度：

式中：SBP为隔离煤柱强度，MPa；
WBP为隔离煤柱宽度，m。

每2 个隔离煤柱之间有N个支撑煤柱，得到隔离煤柱之间距离WPN＝N（WP+We）+We。隔离煤柱应力LBP＝p（WPN+WBP）/WBP。

从而计算隔离煤柱稳定性系数为：

计算得到隔离煤柱宽度20.0 m，隔离煤柱之间支撑煤柱数量为10。结合露天矿煤层开采特点，支撑煤柱上下布置有厚度11.5 m 的隔层[18]，端帮采煤机作业时服务340、355、370、385 m 4 个水平，采硐的倾角为-8°，适应煤层倾向，采硐深度300 m。

3.1 端帮开采期间边坡稳定性变化规律

端帮采煤机位于340 m 水平台阶，逐步开挖，每开挖50 m 计算1 次边坡稳定性与应力状态。采用摩尔-库伦本构模型，岩土体力学参数见表1。

表1 岩土体力学参数

对不同工程位置处边坡稳定性系数变化规律和坡脚处边坡最大水平位移进行统计。其中，边坡稳定性系数随着采硐深度增加而不断降低，近似呈二次函数发展规律。在采硐深度0～100 m 时下降较慢，采硐深度100～300 m 时稳定性系数下降速度增大，在二维不断接近极限平衡状态。

边坡水平位移云图如图1，边坡稳定性系数与最大水平位移变化如图2。

图1 边坡水平位移云图

图2 边坡稳定性系数与最大水平位移变化

由图1 和图2 可得：端帮采煤机开采50～100 m 时，水平位移集中在端帮临空面附近，下部煤台阶的临空面方向位移区域逐渐向端帮内部发育，边坡整体位移趋势相对稳定；
端帮采煤机开采100～200 m 时，最大水平位移相对稳定，位移较大区域逐渐由端帮下部煤台阶临空面向采硐上部偏移；
随着进一步开采，边坡最大位移突增，稳定性系数降低至1.090，煤台阶位移由开采200 m 时的9.23 mm 增长至14.89 mm；
伴随采硐开采，边坡整体呈向下垮塌的趋势。

3.2 分层开采边坡稳定性变化规律

为进一步提高端帮开采过程中的经济效益，使端帮采煤机服务4 个煤台阶，计算分层开采过程中边坡二维稳定性。端帮采煤机分层开采模型计算结果如图3。

图3 端帮采煤机分层开采模型计算结果

图3（a）为边坡竖直方向位移，端帮顶部550 m水平台阶以上开始出现较大程度的边坡沉降趋势，趋势逐渐向下部煤台阶发育；
相比未开采阶段降低，采硐分层开采结束后，底鼓区域（340 m 水平煤台阶）的破坏形式由剪切破坏逐步向拉伸破坏发育，导致竖直位移整体减小；
最大负方向位移峰值与未开采状态相比降低了3.77 m，受采硐及上覆岩层自重应力影响，沉降趋势增大。边坡水平方向位移较未开采时整体减小（图3（b）），主要由于煤柱群，削弱了原水平位移峰值区域的剪切破坏，边坡整体位移由向临空面剪出转为向下垮塌。图3（c）为边坡最大剪应变增量分布，反映了端帮潜滑面位置，剪应变增量主要在煤柱群上部，边坡稳定性系数降低至1.035，较未开挖时降低0.145，边坡处于极限平衡状态。

进一步对端帮采煤机分层开采期间，边坡三维模型进行稳定性分析。分析包括2 个方案：①端帮采煤机位于工作帮作业，开采后的采硐在端帮暴露一定时间后被内排土场掩埋，端帮采煤机从上至下分层开采，与单斗挖掘机分层开挖相同；
②端帮采煤机位于内排土场作业，开采后的采硐在很短时间内即可被内排土场掩埋，端帮采煤机从下至上在分层填埋的内排台阶上作业，需要在内排土场重新布设沟道。边坡三维模型计算结果如图4。

图4 边坡三维计算结果

在不对边坡进行分层开采时，边坡在数值方向位移分布呈上部台阶（575 台阶及以上地表）沉降和下部台阶（400 m 水平以下煤台阶及内排土场）底鼓趋势，基本均匀地分布在工作帮已推进但内排土场尚未压上区域。边坡水平位移集中在370～490 m 水平，呈圆弧形滑动。最大剪应变增量集中于边坡下部煤台阶340 m 水平处，三维稳定性系数为1.613，边坡处于稳定状态。

4.1 端帮采煤机位于工作帮作业

当端帮采煤机布置在工作帮时，采硐在内排土场内部于工作帮均有分布，每1 组采硐数量为10个，支撑煤柱宽度4.5 m，隔离煤柱宽度20 m。端帮采煤机位于工作帮边坡稳定性计算如图5。

图5 端帮采煤机位于工作帮边坡稳定性计算

端帮采煤机开采过程中，边坡竖直位移分布变化较大，上部台阶沉降区域在430～490 m 水平间，沉降区域随着端帮采煤机开采出现了明显下移，下部台阶底鼓区域明显减少，仅分布在340 内排台阶和370 内排台阶与南帮的交界区域，边坡沉降量与底鼓量较未开采时小幅度下降。南帮水平位移峰值分别向两侧分布，集中区域在下部340 煤台阶和490～520 m 水平之间。最大剪切应变增量向煤柱群上侧集中，最大值分布在采硐内部，边坡稳定性系数降低至0.994，较未开采时的1.613 大幅下降，边坡处于失稳状态。

通过在边坡不同水平切割剖面，分别得到340、355、370、385 m 水平剪应变增量云图（图略）。最大剪应变增量分布规律与标高水平关系较大，随着切片位置的上移，最大剪应变增量分布范围逐渐增大，并向工作帮方向偏移，说明开挖后采硐在暴露情况下稳定性较差。其中370 m 水平集中最为明显，支撑煤柱与隔离煤柱均出现不同程度失稳，煤柱群连锁失稳，边坡整体垮塌。

4.2 端帮采煤机位于内排土场作业

当端帮采煤机布置在内排土场时，采硐在内排土场内部于工作帮均有分布，所暴露的采硐较少。端帮采煤机位于内排土场边坡稳定性计算如图6。

图6 端帮采煤机位于内排土场边坡稳定性计算

端帮采煤机在内排土场开采时竖直位移不再分布于南帮中部，而是向内排土场方向（煤柱群上方）偏移，460～490 m 水平沉降明显，400、430 内排台阶存在不同程度底鼓。边坡水平位移也同样集中在煤柱群上方，位移峰值位于490～550 m 水平区域及下部430、445 m 水平采硐硐口处。边坡稳定性系数降低至1.164，相对稳定于端帮采煤机位于工作帮作业。

1）端帮采煤机开采强度与边坡稳定性呈负相关，在二维计算过程中，边坡稳定性系数与采硐开采深度呈二次函数发展规律，采硐深度0～100 m 时稳定性系数变化较小，采硐深度超过100 m 之后稳定性系数减小速度增大。单个采硐开采至300 m 时，边坡稳定性系数降低至1.066。

2）在端帮采煤机进行分层开采时，滑体受煤柱群影响由未开采时圆弧形向临空面滑动，改变为煤柱群上方覆岩垮塌，稳定性系数进一步降低至1.035。

3）讨论了端帮采煤机服务位置对边坡稳定性的影响。当端帮采煤机位于工作帮作业时，开采结束的采硐暴露时间久、面积大，三维稳定性系数已降低至0.994，煤柱群连锁失稳，边坡垮塌；
端帮采煤机位于内排土场作业时，开采后的端帮暴露时间短，三维稳定性系数为1.164，边坡稳定性较差，后期生产时需要减少端帮采煤机服务水平数量或对开采后的采硐进行适时充填。