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第3 5 卷第6 期 2 0 0 6 年1 1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y V 0 1 .3 5N o .6 N o v .2 0 0 6 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 6 0 6 0 7 2 7 0 5 露天煤矿端帮残煤开采及边坡暴露时间分析 刘勇1,车兆学1 ,李志强2 ,才庆祥1 1 .中国矿业大学能源与安全工程学院,江苏徐州2 2 1 1 1 6 ; 2 .平朔煤炭工业公司安家岭露天煤矿,山西朔州0 3 6 0 0 6 摘要为了提高露天开采的煤炭资源回收率,掌控露天煤矿端帮残煤开采工程安排,提出了水平和 近水平大型露天煤矿汽车运输内排条件下,露天煤矿端帮露井联采、端帮陡帮开采、减少露天煤矿 端帮边坡暴露时间的措施.结果表明采掘工作帮帮坡角越大、内排土场工作帮帮坡角越大、工作 线推进强度越大、内排土场下部水平排土台阶高度越大、采场坑底宽度越小露天煤矿端帮边坡的 暴露时间越短;当露天煤矿端帮实行陡帮开采时,汽车运输内排通路可设在采场中部回填搭建. 关键词陡帮开采;端帮;内排;边坡 中图分类号T D8 2 4文献表识码A A n a l y s e so fE n dS l o p eR e m n a n tC o a lM i n i n g a n dS l o p eE x p o s u r eT i m e L I UY o n 9 1 ,C H EZ h a o x u e l ,L IZ h i q i a n 9 2 ,C A IQ i n g x i a n 9 1 1 .S c h o o lo fM i n i n ga n dS a f e t ye n g i n e e r i n g 。C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g &T e c h n o l o g y , X u z h o u 。J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ,C h i n a 2 .A n j i a l i n gS u r f a c eC o a lM i n e ,P i n g s h u oC o a tI n d u s t r i a lC o m p a n y ,S h u o z h o u ,S h a n x i0 3 6 0 0 6 ,C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt oe n h a n c et h ec o a lr e c o v e r yr a t eo fo p e n c a s tm i n i n g ,a n dc o m m a n ds u r f a c e c o a lm i n e ’Se n ds l o p er e m n a n tc o a lm i n i n ga r r a n g e ,t h em e a s u r e so fs u r f a c ec o a lm i n ee n dw a l l s u r f a c e u n d e r g r o u n du n i t em i n i n g ,e n dw a l ls t e e p w a l lm i n i n g ,a n dr e d u c i n gt h ee x p o s u r ed u r a t i o no fe n dw a l ls l o p ei ns u r f a c ec o a lm i n ew e r ep r o p o s e du n d e rt h ec o n d i t i o n so fi n t e r n a ld u m p i n gf o rh a u l a g es y s t e mi nh o r i z o n t a la n dn e a r h o r i z o n t a ll a r g es u r f a c ec o a lm i n e .T h er e s u l t ss h o w t h a tt h eb i g g e rt h ea n g l e so fw o r k i n gs l o p eo fp i ta n di n n e rd u m pi s ,t h ef a s t e rt h ew o r k i n gl e v e l a d v a n c e si s ,t h eh i g h e ru n d e r s i d eb e n c ho fi n n e rd u m pi s ,a n dt h es m a l l e rt h ew i d t ho fp i tb o t t o mi s ,t h es h o r t e rt h ee x p o s u r ed u r a t i o no fs l o p ei s .W h e ns t e e ps l o p e w a l li su s e di ns u r f a c e m i n e ,t h er o a do ft r u c k c o m m u n i c a t i o ni n n e rd u m p i n gc a nb es e ti nt h em i d d l eo fp i tb yb a c k f i l l . K e yw o r d s s t e e p w a l l ;e n ds l o p e ;i n t e r n a ld u m p i n g ;s l o p e 正确分析和确定露天煤矿端帮边坡暴露时间, 改进露天煤矿的开拓运输系统,调整开采参数,可 掌控露天煤矿端帮采煤的工程推进和工程安排,最 大限度地提高煤炭资源回收率,增加企业的经济效 益. 传统露天采矿设计理论对水平和近水平大型 露天煤矿汽车运输内排条件下运输通路往往是设 在两端帮,所形成的端帮边坡角往往小于稳定边坡 角,由此造成端帮压煤;当露天煤矿实行端帮残煤 回收,露井联采时,端帮位置需要布置井巷运输通 收稿日期2 0 0 6 一0 2 2 0 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 4 7 4 0 6 9 作者简介刘勇 1 9 6 2 一 ,男,山西省大同市人,教授级高级工程师,博士研究生,从事露天煤矿生产与技术管理方面的研究 E - m m l p s l y 1 6 3 .c o i nT e l 0 3 4 9 2 0 5 2 2 9 7 万方数据 7 2 8中国矿业大学学报 第3 5 卷 道,由此造成井巷运输通道的保存时间与露天矿内 排土场的推进形成制约和影响,井巷运输通道需长 时间保留,而露天端帮由于进行内排需快速填埋; 露天矿边坡的稳定性与边坡所处位置的地质条件、 边坡高度、边坡暴露时间等因素有关[ 1 。4 ] ,当地质条 件、边坡高度一定时,边坡暴露时间越长出现滑坡 的可能性越大 蠕变滑坡 ,露天煤矿端帮实行靠帮 开采后边坡角变陡,出现滑坡的可能性增加,减少 边坡暴露时间可降低端帮边坡出现滑坡的几率.本 文结合安家岭露天煤矿条件,研究了提高露天煤矿 端帮边坡角、减少露天煤矿端帮边坡暴露时间的途 径和办法. 1 露天煤矿端帮残煤开采方式分析 安家岭露天煤矿是我国自行设计和建设的特 大型露天煤矿之一,采用单斗铲一汽车生产工艺, 分区开采、压帮内排.矿田面积4 8 .3 0k m 2 ,可采原 煤储量1 1 .5 7 亿t ,设计生产能力10 0 0 万t /a ,服 务年限7 9 .9a ,平均剥采比为5 .8 6m 3 /t .工作面由 西向东推进,设计工作线推进强度3 0 0m /a 左右. 可采煤层为4 “,9 8 ,1 18 煤3 层.目前,露天煤矿实 际生产能力已经达到年产原煤15 0 0 万t 左右.为 了提高煤炭资源回收率,露天煤矿实行露井联采, 即露天矿境界外的残煤实行井工开采,井巷运煤通 道建在露天煤矿的端帮上,随着露天煤矿内排土场 的推进,并巷运煤通道会被掩埋,由此井巷运煤通 道需定期移设.井巷运煤通道服务时间的长短影响 巷道的工程布置位置、服务时间及产量规模.露天 煤矿端帮边坡暴露时间长,则井巷运煤通道的服务 时间长,端帮井工开采的产量规模大.合理确定不 同位置露天煤矿端帮边坡暴露时间,可以合理掌控 露天煤矿端帮露井联采关系. 根据边坡稳定性分析,安家岭露天煤矿南端帮 总体边坡角保持3 8 。是稳定的.而根据采矿设计, 内排时期内排运输通路建在了南北端帮,由于内排 运输道路占用宽度大,造成实际形成的端帮边坡角 比稳定边坡角缓,实际形成的总体端帮边坡角为 3 4 。,端帮边坡构成黄土保安平盘宽度’1 5m ,岩石 保安平盘宽度1 0m ,黄土端帮运输平盘宽度4 0 m ,岩石运输平盘宽度为3 5m .南端帮的运输平盘 分别为13 3 0 ,13 0 0 ,12 7 0 及4 8 煤底板.北端帮 运输平盘分别为13 7 5 ,13 4 5 ,13 0 0 ,4 8 煤底板和 98 煤底板[ 5 。6 ] .露天煤矿若沿3 8 。稳定帮坡角开采, 则端帮边坡角可以提高4 。.以此角度为基础,在南 端帮实施靠帮陡帮开采可大大提高煤炭资源回收 率,获得可观的经济效益. 当露天煤矿南端帮按3 8 。稳定帮坡角开采时, 原设计的下部水平内排开拓运输系统就必须改造, 必须寻求新的汽车运输内排通路.下部水平开拓运 输系统的改进措施维持原设计南端帮12 7 0m 水 平以上的开拓运输系统布置及台阶的设计开采参 数,12 7 0m 水平至1 18 煤底板的边坡角度按4 2 。 开采,不再布置运输通路,下部水平内排运输通路 改在采场中部回填搭建.运输通路标高与98 煤顶 板持平,共搭建2 个 桥1 、桥2 ,如图1 ,随着采掘 工作帮的推进,运输通路交替使用.北端帮边坡稳 定条件较差,维持原设计通路及开采状况,不进行 陡帮靠帮开采. 图1南端帮靠帮开采下部水平开拓运输系统布置 F i g .1H h a u l a g es y s t e md i s p o s a lw i t hl a t e r a ld e v e l o p m e n t o fs o u t he n d s l o p ee x p l o i t e da l o n gs t e a d ya n g l e 作业水平及台阶高度划分4 “煤与其上部的 剥离台阶保留5m 的保安平台.98 煤与其上部的 4 确半台阶并段.1 18 煤与其上部的夹层台阶并段. 在4 8 煤底板处留1 7 .5m 宽的保安平台,台阶边缘 修筑2m 高的挡墙,以拦截可能从上部台阶滚落 的岩石,同时也可以布置疏干管道和供电系统等. 其余各台阶留5m 宽的保安平台.此外端帮到界 平盘实施预裂爆破,保持台阶的完整.南端帮实行 靠帮开采后12 7 0m 水平以下边坡构成情况如 图2 ,南端帮原设计边坡与靠帮开采边坡对比如 图3 . 图2南端帮靠帮开采边坡构成 F i g .2S l o p es t r u c t u r eo fs o u t h e n ds l o p ee x p l o i t e da l o n gs t e a d ya n g l e 万方数据 第6 期刘勇等露天煤矿端帮残煤开采及边坡暴露时间分析 7 2 9 坡 图3南端帮设计边坡与靠帮开采边坡对比 F i g .3 C o m p a r a t i o no fs o u t he n ds l o p eo f d e s i g ns l o p ea n ds l o p ee x p l o i t e da l o n gs t e a d ya n g l e 2 端帮边坡暴露时间分析 压帮内排条件下端帮边坡暴露时间分析如图 4 .图中粗实线和粗虚线分别表示采掘工作帮和排 土边帮年初位置,细实线和细虚线分别表示各月待 推进位置,从图中可以看出,端帮边坡上部水平位 置暴露时间长,下部水平位置暴露时间短.地表位 置 最上部水平 暴露时间最长,坑底位置 最下部 水平 暴露时间最短.如果井巷运煤通道建在露天 煤矿端帮的上部水平位置 距地表较近时 ,则运煤 通道保留的时间长,而如果井巷运煤通道建在露天 煤矿端帮的下部水平位置 距坑底较近时 ,则运煤 通道保留的时间短. 图4端帮边坡暴露时间分析 F i g .4 T i m ea n a l y s i so fe n ds l o p ee x p o s u r e 通过图4 得端帮边坡暴露时间 £一H c t a nT c t a nY D 1 2 , 1 铆 式中t 为目标点位置高度为H 时的边坡暴露时 间,月;H 为目标点边坡位置高度,m ;9 为目标点 位置的采掘工作帮帮坡角,。;y 为对应高度位置内 排土场工作帮帮坡角,。;D 为露天煤矿坑底宽度, m ;- o 为采场工作帮推进速度 取采场工作帮与排土 工作帮推进速度相同 ,m /a . 通过式 1 可以看出,端帮边坡某一位置的暴 露时间随着所处位置高度,露天煤矿坑底宽度的增 加而增加;随着目标点位置采掘工作帮帮坡角、对 应高度位置内排土场工作帮帮坡角的减小而增加; 随着工作帮与排土工作帮推进速度的减小而增加. 3 实例分析 安家岭露天煤矿按设计生产实际形成的4 8 煤 底板以下采掘工作帮坡角为1 3 。,内排土工作帮坡 角为2 0 。,工作帮推进速度为3 0 0m /a ,坑底宽度为 5 0m ,通过式 1 可以得出露天煤矿端帮不同部位 的暴露时间 见表1 .由表1 可以看出,若分别在 露天煤矿端帮9 8 煤顶板、48 煤底板、12 7 0m 水平 位置建井巷运煤通道或建露天矿生产供电系统、疏 干排水管道系统等,则工程能够维持的时间是不同 的,不同位置间工程能够维持的时间相差9 .4 和 2 3 .5 个月. 裹1不同高度部位暴露时间 T a b l e1 E x p o s u r et i m e so fe n ds l o p e sf o rd i f f e rh e i g h t 根据对式 1 的分析,如果增加内排场最下部 水平的排土台阶高度,即将12 1 0m 水平的排土台 阶与12 4 0m 水平的排土台阶并段,使排土台阶高 度由原来的4 5m 增加到7 5m ,则内排场相应位置 的帮坡角为3 5 。 为排土台阶坡面角 ,运输系统布 置如图5 .不同部位暴露时间见表2 . 图5 南端帮并段内排运输系统布置 F i g .5H a u l a g es y s t e md i s p o s a lo fs o u t he n ds l o p e w i t hi n t e r n a ld u m p i n g 表2高段排土时不同高度部位暴露时间 T a b l e2 E x p o s u r et i m e so fe n ds l o p e sf o rd i f f e rh e i g h t w i t hh i g hw a l ld u m p i n g 由表2 可以看出,内排场最下部水平排土台阶 高度增加3 0m 后露天煤矿端帮9 8 煤顶板、4 8 煤 底板、12 7 0m 水平位置的暴露时间与原设计情况 表1 值 分别减少1 .1 ,2 .9 和2 .2 个月.说明内排 场最下部水平排土台阶高度增大,内排土场工作帮 帮坡角增大,端帮不同高度位置的边帮暴露时间减 少. 若工作帮推进速度按3 5 0m /a 考虑 露天煤矿 实际达到值 ,则不同部位暴露时间见表3 . 万方数据 7 3 0中国矿业大学学报 第3 5 卷 表3推进速度增大时不同高度部位暴露时间 T a b l e 3 E x p o s u r et i m e so fe n ds l o p e sf o rd i f f e rh e i g h t w i t ha d v a n c es p e e de n l a r g i n g 由表3 知,露天煤矿工作帮推进速度达到3 5 0 m /a 后,端帮位置9 8 煤顶板、4 8 煤底板和12 7 0m 水平位置的暴露时间与原设计情况 表1 中的值 分别减少2 .1 ,5 .0 和4 .5 个月.说明露天煤矿工作 帮推进速度增大,端帮不同高度位置的边帮暴露时 间减少. 所以,增加内排土场最下部水平的排土台阶高 度及增加工作帮推进速度,可减少露天煤矿端帮边 坡暴露时间,效果十分明显. 根据安太堡露天煤矿的生产实际,当排弃岩石 时,排土台阶可以达到1 0 0m 左右.安家岭露天煤 矿与安太堡露天煤矿毗邻,所以,对安家岭露天煤 矿将内排场最下部排土水平由现在的12 1 0m 调 整为12 4 0m ,台阶高度由4 5m 增加到7 5m 是完 全有可能的.由此对减少端帮边坡暴露时间,克服 蠕变滑坡是有好处的,而且可以减少排土运距,降 低运输成本. 安家岭露天煤矿南端帮实行靠帮开采煤岩量 计算如图3 及表4 . 裹4南端帮靠帮开采煤岩■ T a b l e 4 Q u a n t i t i e so fc o a la n dr o c kf o r s o u t he n ds l o p ee x p l o i t e da l o n gs t e a d ya n g l e 煤岩种类面积/m 2 影S U 响m 距毛7 煤Y 量t / 岩石m 量s / 9 8 煤 1 1 煤 9 煤顶岩石 1 18 煤顶岩石 剥采比/ m 3 t 一1 注煤容重按1 .5 3t /m 3 ,回采率按9 5 %计. 根据安家岭露天煤矿南端帮煤层赋存情 况‘7 8 | ,4 8 ,98 和1 18 煤的厚度分别为1 2 .5 ,1 1 .3 和4 .5m ,按影响距离3 0 0m 计算 设计的年推进 度 ,可获得的煤量为2 6 .5 6 万t ,剥采比为1 .3 7 m 3 /t . 取纯剥离成本1 0 元/m 3 ,纯采煤成本7 元/t . 煤炭销售价格1 2 0 元/t 计.南端帮靠帮开采所产 生的经济效益为 纯剥离成本3 5 .5 8 万m 3 /a 1 0 元/m 3 3 5 5 .8 ,万元/a ; 纯采煤成本2 7 .9 6 万t /a 7 元/t 1 9 5 .7 2 , 刀兀a ; 销售收入2 6 .5 6 万t /a 1 2 0 元/t 一31 8 7 .2 , 万元/a ; 经济效益31 8 7 .2 0 一 3 5 5 .8 0 1 9 5 .7 2 一 26 3 5 .6 8 ,万元/a . 由此可见,安家岭露天煤矿南端帮实行靠帮开 采,经济效果十分显著. 4 结论 1 结合安家岭露天煤矿条件,提出了汽车运 输内排条件下运输通路改在采场中部回填搭建.由 此露天煤矿端帮边坡角可提高4 。左右,可提高煤 炭资源回收率,增加企业经济效益; 2 实施露天煤矿端帮靠帮开采,可以采取增 加露天煤矿采掘工作帮帮坡角、内排土场工作帮帮 坡角、增加内排土场下部水平排土台阶高度、降低 采场和内排土场之间的坑底宽度等技术措施来减 少露天煤矿端帮边坡的暴露时间,提高端帮边坡的 稳定性和靠帮开采的安全性; 3 运用露天采矿学原理分析研究了压帮内排 条件下露天煤矿端帮边坡暴露时间与开采过程之 间的时空关系,为实施露天煤矿端帮靠帮开采提供 了理论依据和技术方法,提高了煤炭资源回收率, 并可以获得显著的经济效益.而且,随着露天煤矿 生产能力的增大和推进速度的加快,取得的综合效 益越加明显. 参考文献 [ 1 ]周昌寿,杜竞中,郭增涛,等.露天煤矿边坡稳定 [ M ] .徐州中国矿业大学出版社,1 9 9 0 . 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L l UY o n g .C o m b i n e dw e l lm i n i n gw i t hs u r f a c em i n i n ga n di m p r o v i n gt h er e s o u r c e sc a l l b a c k [ J ] .O p e n c a s tM i n i n gT e c h n o l o g y ,2 0 0 4 4 1 1 1 2 . [ 6 ]尚涛,才庆祥,张幼蒂,等.我国大型露天煤矿若干 生产工艺问题分析[ J ] .中国矿业大学学报,2 0 0 5 ,3 4 2 1 3 8 1 4 2 . S H A N GT a o 。C A IQ i n g x i a n g 。Z H A N GY o u d i ,e t a 1 .A n a l y s i so fs o m et e c h n o l o g i c a lp r o b l e m sf o rl a r g e s u r f a c ec o a lm i n e si nC h i n a [ J ] .J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g &T e c h n o l o n y ,2 0 0 5 ,3 4 2 1 3 8 一 1 4 2 . E 7 ] 刘泽民,王社林,才庆祥.安家岭露天煤矿端帮采煤 方法研究I - J ] .中国矿业大学学报,2 0 0 1 ,3 0 5 5 1 5 5 1 7 . L I UZ e - m i n ,W A N GS h e - l i n ,C A IQ i n g x i a n g .A p p l i c a t i o no ft o p - c o a lc a v i n gm e t h o di nA n j i a l i n gs u r - f a c em i n e [ J ] .J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g &T e c h n o l o g y ,2 0 0 1 ,3 0 5 5 1 5 5 1 7 . E 8 3尚涛,舒继森,才庆祥,等.露天煤矿端帮采煤与露 天采排工程的时空关系[ J ] .中国矿业大学学报, 2 0 0 1 ,3 0 I 2 7 - 2 9 . S H A N GT a o ,S H Uj i s e n ,C A IQ i n g x i a n g ,e ta 1 . S p a c e - t i m er e l a t i o n s h i p b e t w e e ne n d - s l o p ec o a le x 。 t r a c t i o na n dd u m p i n ga n dm i n i n go fo p e n - p i t s [ J ] . J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g Y ,2 0 0 1 ,3 0 1 2 7 ~2 9 . 责任编辑王继红 上接第7 1 7 页 [ 8 3 [ 9 ] e ta 1 .A n a l y s i so fp h o t o e m i s s i o nl i n e si ns i l i c o nn i t r i d e dl a y e rf o r m e db yl o w 。e n e r g yn i t r g e ni o ni m p l a n - t a t i o ni ns i l i c o n [ J ] .V a c u u m ,1 9 9 9 ,5 3 4 2 7 4 3 3 . U E D AM ,B E L O T 0AF ,R E U T H E RH ,e ta 1 . P l a s m ai m m e r s i o ni o ni m p l a n t a t i o no fn i t r o g e ni nS i f c I r m a t i o no fS i 0 2 ,S i 3N 4a n ds t r e s s e dl a y e r su n d e r t h e r m a la n ds p u t t e r i n ge f f e c t [ J ] .S u r f a c ea n dC o a t i n gT e c h n o l o g y ,2 0 0 1 ,1 3 6 2 4 4 2 4 8 . G IJ P T ABK 。B H U S H A NB .N a n o i n d e n t a t i o ns t u d i e so fi o ni m p l a n t e ds i l i c o n [ J ] .S u r f a c ea n dC o a t i n g s T e c h n o l o g y ,1 9 9 4 ,6 8 6 9 5 6 4 5 7 0 . [ 1 0 3L E K K IJ ,S T A T C H U R AZ ,P R E I K S C H A SN ,e t a 1 .F r i c t i o na n dw e a ro fa r g o n - i m p l a n t e ds i l i c o n c r y s t a l s [ J ] .J o u r n a lM a t e rR e s ,1 9 9 4 ,9 9 1 9 5 . [ 1 1 ] K O D A L IP ,H A W L E YM ,W A L T E RKC ,e ta 1 . T r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so fc a r b o n - a n dn i t r o g e n - i m p l a n t e dS i 1 0 0 口] .W e a r ,1 9 9 7 ,2 0 5 1 4 4 1 5 2 . 责任编辑姚志昌 万方数据
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