某露天煤礦開采設(shè)計分析及研究

袁明飛 YUAN Ming-fei；陳玉霞 CHEN Yu-xia

（云南可保煤礦有限公司，昆明 652100）

0 引言

煤碳是國家不可再生能源之一，隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的露天開采也得到迅猛發(fā)展[1]-[3]。露天煤礦的開采是我國經(jīng)濟發(fā)展的命脈，也是時代發(fā)展的必然趨勢，為了減少露天開采對環(huán)境的破環(huán)，加之提倡綠色開采的理念，需要借助國內(nèi)外先進的開采技術(shù)，不斷的改進我國露天開采工藝，從而露天煤礦的開采設(shè)計對我國環(huán)境及能源結(jié)構(gòu)起著十分重要的作用[4]-[5]。

1 開采概況

1.1 位置交通 該煤礦位于云南省昆明市宜良縣境內(nèi)，地理坐標(biāo)為：東經(jīng)103°02′05＂～103°02′50＂、北緯24°57′20＂～24°59′11＂。采礦證核準的采場范圍由22個拐點坐標(biāo)組成，東西寬約1.0km，南北長約1.4km，采場面積為1.5527km2，開采標(biāo)高為1680~1890m，采場西距昆明42km，東至宜良縣城21km；南昆鐵路、昆石二級公路從采場南部通過，交通極為方便。

1.2 地形地貌 煤礦皂角露天坑開采范圍屬鳳鳴村褐煤礦區(qū)小街井田，位于小街向斜南部，總體為一近南北向山間盆地，四周為中山環(huán)繞，盆地內(nèi)為丘陵，相對高差40-60m，地勢北高南低，地形地貌較簡單，屬高原低中山河谷侵蝕地貌類型。

礦區(qū)盆地地貌特征決定了河溪由周邊向盆地內(nèi)匯集，礦區(qū)內(nèi)自北向南有三條小河為雙龍?zhí)逗印⑺渭业睾印⑾憔樱谂璧啬喜繀R合成擺夷河，它由西向東于可保村東南流出盆地，至宜良匯入南盤江，屬珠江水系。

采場露天開采境界內(nèi)無大的地表水體，礦界外發(fā)育有擺夷河和香菌河，雨季最大流量小于30m3/s，對礦床開采影響較小。斷層帶雖有一定的富水性，但呈條帶狀，在上第三系粘塑性地層中逐步被充填閉合，其導(dǎo)水性、富水性差。煤系主要含煤段（N11、N13、N15、N17）為孔隙、裂隙弱含水層，巖性以砂泥巖、含鈣泥巖和泥質(zhì)砂巖為主，砂體、砂礫層基本未分布，持水性強而重力給水性差。鉆孔單位涌水量q為0.0014l/s.m，已接近隔水層界限（q為0.001l/s.m），為煤層開采的直接充水弱含水層。采場含煤地層在同沉積和沉積后期產(chǎn)生了褶皺和斷裂，但沉積環(huán)境和巖層巖性相同，處于同一水文地質(zhì)單元和地下水系統(tǒng)，故采場的水文地質(zhì)類型為以大氣降水為主的簡單類型。

1.3 采場地層 采場地層由第四系表土和新第三系中新統(tǒng)小龍?zhí)睹航M（N1）構(gòu)成，小龍?zhí)睹航M分成四個煤組和四層泥灰?guī)r，現(xiàn)皂角露天坑主要采剝的是上部的兩層泥灰?guī)r和兩個煤組，即第四層泥灰?guī)r（N18）、第四煤組（N17）、第三層泥灰?guī)r（N16）、第三煤組（N15）。小街向斜為開采境界內(nèi)最大向斜，向斜軸向N10°E，兩翼傾角一般為10-15°，向斜東翼有F8斷層，西翼有F3、F13斷層，使連續(xù)的煤巖層被切斷。含煤段由粗細碎屑巖、泥質(zhì)巖、褐煤及炭質(zhì)巖組成。自下而上分述如下：

1.3.1 第三煤組（N15）巖性為砂質(zhì)粘土、粘土和煤層互層，部分地段夾有不膠結(jié)的疏松砂層。本煤組主要可采煤層為N15-1、N15-1（輔），煤層比較穩(wěn)定，煤層可采總厚約21.59m，平均含煤率29.35%，煤組厚度一般50～70m。

1.3.2 第三層泥灰?guī)r（N16）巖性為灰～灰綠色泥灰?guī)r及含砂質(zhì)泥灰?guī)r，均勻致密，裂隙發(fā)育。厚30～50m，一般比較穩(wěn)定。

1.3.3 第四煤組（N17）巖性以煤層為主夾粘土、砂質(zhì)粘土、炭質(zhì)粘土。本煤組主要開采煤層N17-1、N17-2，煤層比較穩(wěn)定，在小街向斜內(nèi)煤組厚度由北向南逐漸變薄，N17-1與N17-2的層間距也隨煤組變薄而變小。該煤組煤層的平均可采厚度約21.93m，平均含煤率41.73%，煤組厚度一般40～60m。

1.3.4 第四層泥灰?guī)r（N18）為灰綠～深灰色泥灰?guī)r，質(zhì)純細膩，致密均勻，性脆，具有明顯層理。本層頂部因受侵蝕直接與第四系（Q）接觸。

1.3.5 第四系（Q）為殘積、坡積和沖積層，巖性由礫石、粘土、砂土組成，厚度0～30m。

綜上所述，采場剝離巖層主要為第四系表土、松軟的泥灰?guī)r和煤組內(nèi)夾的粘土、炭質(zhì)粘土類巖體。可采煤層物理力學(xué)性質(zhì)一般，煤層頂、底板巖體物理力學(xué)性質(zhì)普遍較弱，主要為軟弱巖組，具可塑性，局部地段飽和后在動水壓力作用下可能產(chǎn)生流砂，巖性、巖體具各向異性，巖體的穩(wěn)固性主要取決于巖性、巖層結(jié)構(gòu)和飽水情況。巖層和煤層具有不透水性和隔水性，屬第一類第二型工程地質(zhì)條件。總體上，皂角露天坑地層屬層狀軟巖類為主的中等～復(fù)雜類型。

1.4 煤層賦存 現(xiàn)采場內(nèi)主要開采煤層為N17-1、N17-2、N15-1、N15-1（輔）共四層煤層。開采煤層自上而下敘述如下：

1.4.1 N17-1煤層 在N18含鈣泥巖下，煤層底板為炭質(zhì)泥巖，煤層厚度0.39～14.02m，平均6.30m。煤層由南向北變薄，局部含矸1-2層，夾矸厚度0.20～3.74m平均1m左右，屬結(jié)構(gòu)簡單較穩(wěn)定煤。

1.4.2 N17-2煤層 距N17-1煤層5～47m，頂板為炭質(zhì)泥巖，底板為N16含鈣泥巖。煤層分布范圍與N17-1煤層相同，煤層厚度0.27～30.81m，平均13.21m，厚而穩(wěn)定，一般多在8m以上，厚度由向斜軸部向翼部逐漸變薄。煤層含矸1-3層，夾矸厚度0.15～11.29m，屬結(jié)構(gòu)簡單較穩(wěn)定煤層。

1.4.3 N15-1煤層 距N17-2煤層32～43m，平均39m，頂板為N16含鈣泥巖，底板為炭質(zhì)泥巖。煤層厚度在0.15～26.05m間，一般多在5～10m，平均6.45m，向斜軸部厚、翼部薄，局部地區(qū)可見夾矸1-4層，夾矸厚度0.10～8.15m，平均厚度1.50m，屬結(jié)構(gòu)較簡單較穩(wěn)定煤。

1.4.4 N15-1（輔）煤層 上距N15-1煤層2～24m，煤層頂板為泥巖、炭質(zhì)泥巖，底板為泥巖、炭質(zhì)泥巖。煤層厚度變化較大，在0.43m～23.75m，平均6.65m。煤層變薄尖滅普遍，夾矸1-2層，夾矸厚度0.21～3.79m，為結(jié)構(gòu)簡單較穩(wěn)定煤層。

2 開采工藝及方法

2.1 開采工藝 根據(jù)綠色環(huán)保及最經(jīng)濟合理的原則，該露天采用煤巖分流組溝開拓，公路運輸，開拓坑線為直進、折返和螺旋的開拓方式。采用單斗挖掘機采裝→自卸汽車運輸→推土機排土的間斷式開采工藝，產(chǎn)品方案為原煤，露天坑的煤和剝離物均為軟巖，可直接采裝，無鉆孔、爆破工藝環(huán)節(jié)。

2.2 開采方法 工作線沿煤層走向布置，分臺階水平擴幫推進，擴幫寬度達到新水平延深降段條件時，進行新水平延深工作；采場工作幫是指采場在正常推進過程中，由布置采剝工作面的各臺階、平盤組成的，隨采剝工程發(fā)展而不斷向推進方向推移發(fā)展的階梯坡面。在各工作平盤，布置有生產(chǎn)設(shè)備，進行采裝、運輸?shù)乳_采作業(yè)。根據(jù)生產(chǎn)情況進行適當(dāng)調(diào)整，嚴禁并段采煤和剝離，并將邊坡角控制在設(shè)計允許值內(nèi)。采煤作業(yè)參數(shù)表1所示。

表1 采煤作業(yè)參數(shù)表

2.3 排土方式及要素 根據(jù)煤炭設(shè)計研究院編制的皂角露天坑開采技術(shù)方案，排土方式以外排為主，在生產(chǎn)應(yīng)急、搶險等特殊情況下在采場安排內(nèi)排。外排為公司周邊部分關(guān)閉露天采坑的地形恢復(fù)回填；內(nèi)排在采場南幫逐步進行，東北幫及北幫開采空間滿足內(nèi)排條件時，根據(jù)生產(chǎn)情況進行內(nèi)排。排土場工作幫由各水平工作平盤、臺階組成，各平盤以其標(biāo)高命名，如：1792、1784、1776…依此類推。

3 開采作業(yè)內(nèi)容及參數(shù)

3.1 采煤工作面分析 采煤工作面布置在采場工作幫的各個采煤工作平盤，是采裝設(shè)備進行采煤作業(yè)的場所。各工作臺階的推進采用條帶開采方式進行，采煤工作面以采煤條帶的形式布置。

采裝區(qū)：是采裝設(shè)備進行采裝作業(yè)的區(qū)域。在該區(qū)，采煤臺階已完成相應(yīng)的準備工作，供采裝設(shè)備裝車；運輸通路已形成，汽車可出入工作面進行運輸。

準備區(qū)：在該區(qū)，完成臺階放線、安全擋墻修筑等工作。采煤工作面完成煤面清理，采裝設(shè)備進行采裝，則成為采裝區(qū)。

采煤工作面臺階高為8~10m，臺階坡面角60度，采寬為10~15m的條帶。因煤層賦存情況變化較大和配煤要求，有部分煤巖互層臺階采煤工作面，需根據(jù)現(xiàn)場具體情況開展選采工作。

3.2 采煤剝離面分析 剝離工作面布置在采場工作幫的各個剝離工作平盤，是采裝設(shè)備進行剝離作業(yè)的場所。各工作臺階的推進采用條帶開采方式進行，剝離工作面以剝離條帶的形式布置。

采裝區(qū)：是采裝設(shè)備進行采裝作業(yè)的區(qū)域。在該區(qū)，剝離臺階已完成相應(yīng)的準備工作，供采裝設(shè)備裝車；運輸通路已形成，汽車可出入工作面進行運輸。

準備區(qū)：在該區(qū)，完成臺階放線、安全擋墻修筑等工作。剝離工作面完成準備工作，采裝設(shè)備進行采裝，則成為采裝區(qū)。

剝離工作面段高為8~10m，臺階坡面角65度，采寬為10~15m的條帶。因現(xiàn)場情況變化較大，有部分剝離工作面，需根據(jù)現(xiàn)場具體情況開展剝離工作。

3.3 開采作業(yè)參數(shù) 開采工作面一般由采裝設(shè)備裝車區(qū)、汽車入換區(qū)、汽車待裝區(qū)組成。對開采工作面的要求是：在確保安全生產(chǎn)前提下，使采裝設(shè)備效率得以充分發(fā)揮，運輸設(shè)備得以順利入換，盡量減少整備工作量，使整備的設(shè)備盡量能與采裝設(shè)備進行平行作業(yè)。

邊坡角及平盤寬度：根據(jù)邊坡現(xiàn)狀及設(shè)計位置進行分析及邊坡穩(wěn)定驗算結(jié)果，露天坑各剖面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 該露天坑各剖面位置關(guān)系示意圖

邊坡主要包括皂角露天坑北幫、東幫、西幫、南幫及排土場邊坡，采場邊坡地層巖性為半固結(jié)的泥巖和煤層組成，部分區(qū)域為皂角露天初期生產(chǎn)剝離及已退出地方露天剝離的人工填土層或“順向順層”產(chǎn)狀地層邊坡，邊坡穩(wěn)定保障措施。該煤礦皂角露天坑最終設(shè)計位置穩(wěn)定邊坡角詳見表2所示。

表2 各幫邊坡不同工況下最終設(shè)計位置穩(wěn)定邊坡角

3.4 排土作業(yè)參數(shù) 排土方式以外排為主，在生產(chǎn)應(yīng)急、搶險等特殊情況下在采場安排內(nèi)排。外排為周邊部分關(guān)閉露天采坑的地形恢復(fù)回填；內(nèi)排在采場南幫逐步進行，東北幫及北幫開采空間滿足內(nèi)排條件時，根據(jù)生產(chǎn)情況進行內(nèi)排。①排土工作面由汽車卸載區(qū)，推土機推土區(qū)組成。對排土工作面的要求是，確保安全生產(chǎn)，排土場推土機效率充分發(fā)揮，運輸設(shè)備順利入換。②每個排土工作面汽車卸載區(qū)應(yīng)保證至少2輛汽車能同時卸載作業(yè)。對汽車卸載車位最少數(shù)量要求為：每小時需卸載60車以下（相當(dāng)于支持3-4臺挖掘機作業(yè)），2個車位；每小時需卸載60-80車以下（相當(dāng)于支持4-5臺挖掘機作業(yè)），3個車位；每小時需卸載80-100車以下（相當(dāng)于支持5-6臺挖掘機作業(yè)），4個車位；每小時需卸載100車以上，5個車位。③排土?xí)r，應(yīng)首先排棄排土工作面推進方向的左側(cè)區(qū)域，依次排完整幅，之后繼續(xù)按此排棄順序排土，典型的排土工作面布置如圖2。圖示是正常作業(yè)情況下，排土工作面最緊湊的布置。當(dāng)工作空間較大時，可比照此圖，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，適當(dāng)調(diào)整布置，以達到高效率作業(yè)的目的。④外排排土工作面臺階高為10~20m，內(nèi)排排土工作面臺階高為8~10m。排土工作平盤寬度40m，臺階坡面角35°，外排邊坡角控制在設(shè)計范圍（18°）以內(nèi)，內(nèi)排土場位于南幫時，邊坡角控制在15°以內(nèi)；內(nèi)排土場位于北幫時，邊坡角控制在18°以內(nèi)。

圖2 典型排土工作面布置圖

4 采煤作業(yè)參數(shù)

①采煤工作線沿煤層走向布置，分臺階水平推進擴幫，擴幫寬度達到開拓延深條件后進行新水平準備和延深。在生產(chǎn)過程中，嚴禁并段采煤、并段剝離。②東北幫（偏北）邊坡角嚴格控制在22°以內(nèi)，東北幫（偏東）邊坡角嚴格控制在18°以內(nèi)，北幫及西北幫邊坡角嚴格控制在19°以內(nèi)。③為確保北幫1712水平的采煤及剝離正常作業(yè)，需在明年雨季期間，加強抽排水工作，將水倉水位抽至1710以下安全水位，保證下部水平采煤及剝離作業(yè)不受影響，同時注意水倉周圍作業(yè)時的安全。④做好選采工作：東北幫煤層含矸層數(shù)多，西北幫上部零星露頭煤層煤質(zhì)不穩(wěn)定，為提高煤質(zhì)，需加強選采工作，用推土機或小型挖掘機對所揭露煤層頂板進行清掃，采煤作業(yè)時應(yīng)避免煤層夾矸及底板巖體混入原煤中而影響煤質(zhì)，各臺階或地段按煤質(zhì)分級進行銷售或臨時堆放。⑤北幫開采區(qū)域采深較高，作業(yè)時嚴格按穩(wěn)定邊坡角或設(shè)計要求組織作業(yè)，注意觀察臺階和邊坡穩(wěn)定情況，遇危險情況及時撤離，保證人員、設(shè)備安全。

5 結(jié)論

通過對該煤礦進行分析可得，工程位置合理交通極為方便，地形地貌和水文地質(zhì)的調(diào)查合理，采用煤巖分流組溝開拓和單斗挖掘機采裝—自卸汽車運輸—推土機排土的間斷式開采，煤層共含有四層，該煤礦年產(chǎn)總量70萬噸滿足要求。