王術(shù)峰，劉福明，胡桂林

（新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100）

新疆地區(qū)逐漸成為我國(guó)能源重心[1]，露天開采因其開采規(guī)模大、生產(chǎn)能力強(qiáng)等特點(diǎn)已成為適應(yīng)新疆地區(qū)地質(zhì)地貌的主要資源開采方式[2]。而在露天開采過程中，受邊坡安全約束，端幫下部所壓覆的煤炭資源難以采出，導(dǎo)致大量煤炭資源浪費(fèi)[3]?；诙藥筒擅簷C(jī)的端幫開采工藝隨著設(shè)備的不斷改進(jìn)[4]，逐漸成為回收端幫下壓覆煤炭資源的重要途徑之一，國(guó)內(nèi)也有露天礦進(jìn)行試點(diǎn)使用[5-6]。為進(jìn)一步回收端幫下壓覆的煤炭資源，以新疆某露天煤礦巨厚傾斜煤層端幫邊坡為研究對(duì)象，從邊坡穩(wěn)定性角度討論使用端幫采煤機(jī)開采的可行性。

1 礦山概況

新疆某露天礦位于準(zhǔn)東煤田西部，簡(jiǎn)單單斜構(gòu)造，巨厚傾斜煤層，平均煤層厚度76.46 m。礦山地層走向北東-東，傾向南東-南的單斜構(gòu)造，傾角4°～15°，表現(xiàn)為淺部陡、深部緩的變化趨勢(shì)。2020 年轉(zhuǎn)向工作完成后，露天礦由縱采轉(zhuǎn)為橫采。原有西側(cè)端幫建立內(nèi)排土場(chǎng)，東側(cè)端幫緩幫過渡為工作幫，北部底幫、南部頂幫成為橫采期間的露天礦端幫。在露天礦向東側(cè)推進(jìn)過程中，煤層底板不斷降深、地表標(biāo)高不斷增大，邊坡高度增加，原在南幫所開采的靠幫開采工藝采出資源量逐年降低[7-8]，需對(duì)端幫采煤技術(shù)進(jìn)行論證，保證在橫采內(nèi)排有利條件下完成端幫下壓覆煤炭資源的回收。南端幫邊坡角在靠幫開采后提升至34°，邊坡高度255 m，單臺(tái)階高度15 m，臺(tái)階坡面角60°。30 m 與10 m 的寬度平盤交錯(cuò)留設(shè)，30 m 平盤寬度臺(tái)階作為運(yùn)輸通道連接工作幫與內(nèi)排土場(chǎng)。其中，385、355、340 m 水平平盤寬度0 m，400、370 m 水平僅留設(shè)5 m 作為安全平盤。

2 端幫采煤機(jī)開采技術(shù)

2.1 端幫采煤機(jī)發(fā)展

端幫采煤機(jī)最初是由SHM 公司1994 年所研發(fā)的露井聯(lián)合開采設(shè)備，通過遠(yuǎn)程操控設(shè)備截割頭探入煤層，形成矩形采硐[4]。設(shè)備憑借靈活、操控性強(qiáng)、高效、可靠的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外多煤層、地形復(fù)雜或剝采比大的礦山均有一定使用[9]。同時(shí)，國(guó)家四部委所發(fā)布的《煤炭生產(chǎn)技術(shù)與裝備政策導(dǎo)向（2014 年版）》[10]，在政策上對(duì)露天礦采用端幫采煤機(jī)開采給予一定支持。國(guó)內(nèi)對(duì)端幫采煤機(jī)開采技術(shù)的研究開始于2000 年前后[11-12]，現(xiàn)對(duì)端幫采煤機(jī)設(shè)備開采方法[13]、煤柱留設(shè)方式[14]、覆巖運(yùn)動(dòng)[15]等都有一定研究。為此，僅給出HW-300 端幫采煤機(jī)采用厚煤層截割頭時(shí)的作業(yè)參數(shù)，用于可行性探討。HW-300 端幫采煤機(jī)作業(yè)參數(shù)：設(shè)備長(zhǎng)度23.3 m，設(shè)備寬度10.3 m，設(shè)備高度8.2 m，質(zhì)量273.5 t，適應(yīng)角度+5°～-15°，采掘速度30～45 m/h。

2.2 煤柱寬度計(jì)算理論

端幫采煤機(jī)在開采過程中采硐間需留設(shè)支撐煤柱，根據(jù)工程地質(zhì)概況，每隔3～10 個(gè)支撐煤柱間需留設(shè)隔離煤柱。隔離煤柱寬度一般為支撐煤柱的3～4 倍[16]。對(duì)于隔離煤柱和支撐煤柱寬度的算法，普遍參照Mark-Bieniawski 經(jīng)驗(yàn)公式[17]。根據(jù)煤層賦存情況，首先對(duì)煤層覆蓋層平均密度進(jìn)行計(jì)算：

式中：ρ 為覆蓋層平均密度，kg/m3；ρn為相應(yīng)覆蓋層密度，kg/m3；hn為相應(yīng)覆蓋層厚度，m。

通過計(jì)算得出覆蓋層平均密度為1.96 kg/m3。支撐煤柱強(qiáng)度SP＝SI（0.64+0.54WP/h），其中：SI為原始煤體強(qiáng)度，19 MPa；WP為煤柱寬度，m；h巷道采高，m。支撐煤柱所受應(yīng)力LP＝p（WP+We）/WP，其中：p 為原始垂直應(yīng)力，MPa；We為采硐寬度，m。

從而計(jì)算支撐煤柱穩(wěn)定性系數(shù)為：

式中：FP為支撐煤柱穩(wěn)定性系數(shù)；SP為支撐煤柱強(qiáng)度，MPa；LP為支撐煤柱所受應(yīng)力，MPa。

根據(jù)端幫采煤煤柱安全系數(shù)取值范圍，得到支撐煤柱寬度為4.5 m，穩(wěn)定性系數(shù)為1.77。

隔離煤柱參數(shù)計(jì)算中，隔離煤柱強(qiáng)度：

式中：SBP為隔離煤柱強(qiáng)度，MPa；WBP為隔離煤柱寬度，m。

每2 個(gè)隔離煤柱之間有N個(gè)支撐煤柱，得到隔離煤柱之間距離WPN＝N（WP+We）+We。隔離煤柱應(yīng)力LBP＝p（WPN+WBP）/WBP。

從而計(jì)算隔離煤柱穩(wěn)定性系數(shù)為：

計(jì)算得到隔離煤柱寬度20.0 m，隔離煤柱之間支撐煤柱數(shù)量為10。結(jié)合露天礦煤層開采特點(diǎn)，支撐煤柱上下布置有厚度11.5 m 的隔層[18]，端幫采煤機(jī)作業(yè)時(shí)服務(wù)340、355、370、385 m 4 個(gè)水平，采硐的傾角為-8°，適應(yīng)煤層傾向，采硐深度300 m。

3 邊坡二維穩(wěn)定性

3.1 端幫開采期間邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律

端幫采煤機(jī)位于340 m 水平臺(tái)階，逐步開挖，每開挖50 m 計(jì)算1 次邊坡穩(wěn)定性與應(yīng)力狀態(tài)。采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，巖土體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)

對(duì)不同工程位置處邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律和坡腳處邊坡最大水平位移進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。其中，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著采硐深度增加而不斷降低，近似呈二次函數(shù)發(fā)展規(guī)律。在采硐深度0～100 m 時(shí)下降較慢，采硐深度100～300 m 時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)下降速度增大，在二維不斷接近極限平衡狀態(tài)。

邊坡水平位移云圖如圖1，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與最大水平位移變化如圖2。

圖1 邊坡水平位移云圖

圖2 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與最大水平位移變化

由圖1 和圖2 可得：端幫采煤機(jī)開采50～100 m 時(shí)，水平位移集中在端幫臨空面附近，下部煤臺(tái)階的臨空面方向位移區(qū)域逐漸向端幫內(nèi)部發(fā)育，邊坡整體位移趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定；端幫采煤機(jī)開采100～200 m 時(shí)，最大水平位移相對(duì)穩(wěn)定，位移較大區(qū)域逐漸由端幫下部煤臺(tái)階臨空面向采硐上部偏移；隨著進(jìn)一步開采，邊坡最大位移突增，穩(wěn)定性系數(shù)降低至1.090，煤臺(tái)階位移由開采200 m 時(shí)的9.23 mm 增長(zhǎng)至14.89 mm；伴隨采硐開采，邊坡整體呈向下垮塌的趨勢(shì)。

3.2 分層開采邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律

為進(jìn)一步提高端幫開采過程中的經(jīng)濟(jì)效益，使端幫采煤機(jī)服務(wù)4 個(gè)煤臺(tái)階，計(jì)算分層開采過程中邊坡二維穩(wěn)定性。端幫采煤機(jī)分層開采模型計(jì)算結(jié)果如圖3。

圖3 端幫采煤機(jī)分層開采模型計(jì)算結(jié)果

圖3（a）為邊坡豎直方向位移，端幫頂部550 m水平臺(tái)階以上開始出現(xiàn)較大程度的邊坡沉降趨勢(shì)，趨勢(shì)逐漸向下部煤臺(tái)階發(fā)育；相比未開采階段降低，采硐分層開采結(jié)束后，底鼓區(qū)域（340 m 水平煤臺(tái)階）的破壞形式由剪切破壞逐步向拉伸破壞發(fā)育，導(dǎo)致豎直位移整體減?。蛔畲筘?fù)方向位移峰值與未開采狀態(tài)相比降低了3.77 m，受采硐及上覆巖層自重應(yīng)力影響，沉降趨勢(shì)增大。邊坡水平方向位移較未開采時(shí)整體減小（圖3（b）），主要由于煤柱群，削弱了原水平位移峰值區(qū)域的剪切破壞，邊坡整體位移由向臨空面剪出轉(zhuǎn)為向下垮塌。圖3（c）為邊坡最大剪應(yīng)變?cè)隽糠植?，反映了端幫潛滑面位置，剪?yīng)變?cè)隽恐饕诿褐荷喜?，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低至1.035，較未開挖時(shí)降低0.145，邊坡處于極限平衡狀態(tài)。

4 邊坡三維穩(wěn)定性

進(jìn)一步對(duì)端幫采煤機(jī)分層開采期間，邊坡三維模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析。分析包括2 個(gè)方案：①端幫采煤機(jī)位于工作幫作業(yè)，開采后的采硐在端幫暴露一定時(shí)間后被內(nèi)排土場(chǎng)掩埋，端幫采煤機(jī)從上至下分層開采，與單斗挖掘機(jī)分層開挖相同；②端幫采煤機(jī)位于內(nèi)排土場(chǎng)作業(yè)，開采后的采硐在很短時(shí)間內(nèi)即可被內(nèi)排土場(chǎng)掩埋，端幫采煤機(jī)從下至上在分層填埋的內(nèi)排臺(tái)階上作業(yè)，需要在內(nèi)排土場(chǎng)重新布設(shè)溝道。邊坡三維模型計(jì)算結(jié)果如圖4。

圖4 邊坡三維計(jì)算結(jié)果

在不對(duì)邊坡進(jìn)行分層開采時(shí)，邊坡在數(shù)值方向位移分布呈上部臺(tái)階（575 臺(tái)階及以上地表）沉降和下部臺(tái)階（400 m 水平以下煤臺(tái)階及內(nèi)排土場(chǎng)）底鼓趨勢(shì)，基本均勻地分布在工作幫已推進(jìn)但內(nèi)排土場(chǎng)尚未壓上區(qū)域。邊坡水平位移集中在370～490 m 水平，呈圓弧形滑動(dòng)。最大剪應(yīng)變?cè)隽考杏谶吰孪虏棵号_(tái)階340 m 水平處，三維穩(wěn)定性系數(shù)為1.613，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.1 端幫采煤機(jī)位于工作幫作業(yè)

當(dāng)端幫采煤機(jī)布置在工作幫時(shí)，采硐在內(nèi)排土場(chǎng)內(nèi)部于工作幫均有分布，每1 組采硐數(shù)量為10個(gè)，支撐煤柱寬度4.5 m，隔離煤柱寬度20 m。端幫采煤機(jī)位于工作幫邊坡穩(wěn)定性計(jì)算如圖5。

圖5 端幫采煤機(jī)位于工作幫邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

端幫采煤機(jī)開采過程中，邊坡豎直位移分布變化較大，上部臺(tái)階沉降區(qū)域在430～490 m 水平間，沉降區(qū)域隨著端幫采煤機(jī)開采出現(xiàn)了明顯下移，下部臺(tái)階底鼓區(qū)域明顯減少，僅分布在340 內(nèi)排臺(tái)階和370 內(nèi)排臺(tái)階與南幫的交界區(qū)域，邊坡沉降量與底鼓量較未開采時(shí)小幅度下降。南幫水平位移峰值分別向兩側(cè)分布，集中區(qū)域在下部340 煤臺(tái)階和490～520 m 水平之間。最大剪切應(yīng)變?cè)隽肯蛎褐荷蟼?cè)集中，最大值分布在采硐內(nèi)部，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低至0.994，較未開采時(shí)的1.613 大幅下降，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。

通過在邊坡不同水平切割剖面，分別得到340、355、370、385 m 水平剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D（圖略）。最大剪應(yīng)變?cè)隽糠植家?guī)律與標(biāo)高水平關(guān)系較大，隨著切片位置的上移，最大剪應(yīng)變?cè)隽糠植挤秶饾u增大，并向工作幫方向偏移，說明開挖后采硐在暴露情況下穩(wěn)定性較差。其中370 m 水平集中最為明顯，支撐煤柱與隔離煤柱均出現(xiàn)不同程度失穩(wěn)，煤柱群連鎖失穩(wěn)，邊坡整體垮塌。

4.2 端幫采煤機(jī)位于內(nèi)排土場(chǎng)作業(yè)

當(dāng)端幫采煤機(jī)布置在內(nèi)排土場(chǎng)時(shí)，采硐在內(nèi)排土場(chǎng)內(nèi)部于工作幫均有分布，所暴露的采硐較少。端幫采煤機(jī)位于內(nèi)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算如圖6。

圖6 端幫采煤機(jī)位于內(nèi)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

端幫采煤機(jī)在內(nèi)排土場(chǎng)開采時(shí)豎直位移不再分布于南幫中部，而是向內(nèi)排土場(chǎng)方向（煤柱群上方）偏移，460～490 m 水平沉降明顯，400、430 內(nèi)排臺(tái)階存在不同程度底鼓。邊坡水平位移也同樣集中在煤柱群上方，位移峰值位于490～550 m 水平區(qū)域及下部430、445 m 水平采硐硐口處。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低至1.164，相對(duì)穩(wěn)定于端幫采煤機(jī)位于工作幫作業(yè)。

5 結(jié)語

1）端幫采煤機(jī)開采強(qiáng)度與邊坡穩(wěn)定性呈負(fù)相關(guān)，在二維計(jì)算過程中，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與采硐開采深度呈二次函數(shù)發(fā)展規(guī)律，采硐深度0～100 m 時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)變化較小，采硐深度超過100 m 之后穩(wěn)定性系數(shù)減小速度增大。單個(gè)采硐開采至300 m 時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低至1.066。

2）在端幫采煤機(jī)進(jìn)行分層開采時(shí)，滑體受煤柱群影響由未開采時(shí)圓弧形向臨空面滑動(dòng)，改變?yōu)槊褐荷戏礁矌r垮塌，穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)一步降低至1.035。

3）討論了端幫采煤機(jī)服務(wù)位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。當(dāng)端幫采煤機(jī)位于工作幫作業(yè)時(shí)，開采結(jié)束的采硐暴露時(shí)間久、面積大，三維穩(wěn)定性系數(shù)已降低至0.994，煤柱群連鎖失穩(wěn)，邊坡垮塌；端幫采煤機(jī)位于內(nèi)排土場(chǎng)作業(yè)時(shí)，開采后的端幫暴露時(shí)間短，三維穩(wěn)定性系數(shù)為1.164，邊坡穩(wěn)定性較差，后期生產(chǎn)時(shí)需要減少端幫采煤機(jī)服務(wù)水平數(shù)量或?qū)﹂_采后的采硐進(jìn)行適時(shí)充填。