刘俊昌
（中煤平朔集团有限公司，山西 朔州 036006）
露天开采过程中普遍存在边帮遗存“呆滞煤”问题[1]，致使大量煤炭资源被浪费。随着以边帮采煤机为主要开采设备的边帮开采工艺系统的不断完善和发展[2]，尤其是近年国内边帮采煤机制造业的逐步发展[3]，使边帮采煤机回收露天矿边帮滞留煤成为必然趋势。
对边帮开采条件下支撑煤柱稳定性分析主要是根据Mark-Bienawski 煤柱强度经验公式[4]对留设煤柱宽度进行计算。但由于我国矿山地质条件[5]复杂多变且煤层赋存条件复杂，难以单凭国外强度经验公式对留设煤柱宽度进行准确算。陈彦龙等[6]提出了支撑煤柱失稳判据，但未考虑煤柱在覆岩长期作用下的蠕变特性影响，不能保证煤柱的长期稳定性；
姜聚宇等[7]综合采用突变理论和蠕变试验及数值模拟等手段，对边坡支撑煤柱稳定性在边帮采煤机打硐回采条件下进行研究；
武懋等[8]通过数值模拟方法从端帮边坡的高应力区分布、变形破坏程度和破坏范围3 个方面进行研究，得出露天煤矿端帮相同开采工艺、不同煤层倾角条件下边坡稳定性变化规律；
曹兰柱等[9]将露井联采逆倾边坡的破坏模式首次划分为3 种类型，针对计算边坡稳定性提出了极限平衡分析法，因同样岩土体的残余应力值极难获得，导致目前很少有人使用这一方法。基于前人研究成果可知关于边帮采煤边坡的稳定性计算方法研究，尚未形成统一的算法，且边坡稳定性问题基本没有提及。
为此，基于边帮开采条件下支撑煤柱、边坡稳定性及二者相互影响的关系[10]；
围绕边帮采煤机回收露天矿边帮滞留资源进行安全及工艺方面的研究，并将研究成果与工程实践进行相结合具有重要意义。
1.1 资源储量统计
依据《山西省朔州市平朔矿区安太堡露天矿煤矿生产地质报告》；
安太堡露天矿生产技术科提供的安太堡露天矿地表境界以及相应的边坡角度和2019 年上半年安太堡露天矿三维地质矿床模型，利用三维地质软件建立了地层模型，并通过对矿床区块的约束计算出相应的边帮煤资源量。其回收范围内含3 层主要可采煤层分别为4-1、9、11 号煤层。煤层厚度变化不大：其中4-1号煤层平均厚度11.6 m，9 号煤层平均厚度12.4 m，11 号煤层平均厚度4.1 m；
3 层煤回收区域内储量分别为471、564、185 万t；
煤层倾角均为2°～3°；
4-1号煤层上覆岩层厚度平均值为131.98 m，4-1至9 号煤层间厚度平均值为36.11 m，9 至11 号煤层间厚度平均值为4.33 m。由于受露天矿生产计划和边帮采煤机设备能力的限制，计划只对4-1、9 号煤层的边帮煤进行回收，最大开采深度300 m，采高5.5 m，硐室间留设支撑煤柱，且每隔10 个硐室留设1 个永久煤柱。
1.2 回收工艺选择
EML 系列边帮采煤机是由山西天地煤机历时5年时间研制的国内首套边帮采煤成套设备，设备具有高度的自动化和智能化特点，通过远程遥控的操作方法将设备效率和设备作业的安全性大幅提高，设备技术参数超出国际水准，并吸收国内已实施项目的经验逐步升级改造。现已经研发出最新EML340 型系列产品，系统的安全可靠程度更高，结合本项目的开采条件及煤层赋存条件，计划选用EML340-33/55 型号边帮采煤机。
2.1 边帮模型及物理力学指标
根据安太堡露天矿2020 年第四季度采剥工程计划图中东帮形态，建立边坡二维计算网格模型。煤柱稳定性数值计算模型的网格划分如图1。
图1 煤柱稳定性数值计算模型的网格划分
模型高度270 m，长度968 m，厚度5.5 m，台阶高度15 m，平盘宽度10 m。4-1、9、11 煤开挖了采硐，建立了采硐模型。其中4、9-和11-也是煤层，只不过煤层厚度较薄，不是主要可采煤层。采硐高度5.5 m、宽3.3 m、深300 m。
结合过往物理力学性质试样成果，岩土体的物理力学性质指标见表1。
表1 岩土体的物理力学性质指标
2.2 煤层回采参数
4-1、9、11 号煤的力学强度已通过单轴抗压强度试验进行测定，取4-1号煤煤样强度为15.2 MPa，9、11 号煤为16.3 MPa。确定煤样强度后，通过有效面积理论与煤柱安全系数综合确定煤柱宽度与煤柱高度。
有效面积理论认为，在开采范围较大且煤柱规则时，煤柱承担的载荷为：
式中：p 为煤柱所承担载荷，MPa；
ρ 为上覆岩层平均密度，2 500 kg/m3；
h 为上覆岩层厚度，m；
B 为采硐宽度，3.3 m；
W 为煤柱宽度，m；
g 为重力加速度，9.8 N/kg。
支撑煤柱安全系数一般为1.3～1.6，永久煤柱安全系数为2.0。煤层埋藏越深，煤柱的宽度需要相应增加，否则将使边坡存在失稳风险。煤柱宽度与高度的比值越大，煤柱强度越大。煤柱宽度计算参数见表2。
表2 煤柱宽度计算参数
根据选用的设备规格参数，4-1与9 号煤层设计最大开采高度为5.5 m。隔离煤柱稳定性系数取1.50，永久煤柱安全系数取2.0。计算得到4-1、9、11号煤支撑煤柱宽度分别为3.2、3.8、3.5 m，永久煤柱宽度分别为5.0、5.5、5.5 m。
边帮采煤机作业平盘布置如图2。确定边帮采煤最小作业平盘宽度为80 m，其中：设备长度A 为11 m、行走平台长度B 为33 m、卸料部宽度C 为6 m、煤堆半径D 为10 m、运输道路宽度E 为20 m。
图2 边帮采煤机作业平盘布置
2.3 煤柱群模型数值计算
对不同煤层在不同煤柱安全系数下的煤柱宽度进行计算，在FLAC 软件中建立煤柱群模型。对不同煤层在煤柱宽度变化时的应力、位移和塑性区的变化进行研究；
对计算得到的煤柱宽度进行验证。煤柱群数值计算模型如图3。
图3 煤柱群数值计算模型
计算模型由9 个支撑煤柱和2 个永久煤柱组成，4-1、9、11 号煤层煤柱高度分别为5.5、5.5、4.0 m，采硐深度分别为280、300、300 m，采硐宽度均为3.3 m。为避免边界效应对计算结果的影响，4-1、9 号煤层煤柱群上部5.0 m 为煤层，下部5.0 m 为砂泥岩互层；
11 号煤上下均为5.0 m 的砂泥岩互层。其次，采硐末端额外建立50 m 长的单元，模型总长度为L＋50 m，依据土压力计算公式q＝ρgH 计算出垂直均布压力，其中：ρ 为上覆岩层平均密度；
H 为上覆岩层厚度。
2.3.1 4-1号煤层煤柱群稳定性分析
煤柱群应力分析的煤柱宽度为3.20 m，煤柱安全系数取1.50。其中：最大水平应力为618.3 kPa，位于模型底部；
竖直应力在模型顶部呈明显应力梯度，最大处为480 kPa。最大竖直应力为1.26 MPa，位于采硐内部。4-1号煤计算模型上部线性载荷作用长度为240 m，大小为1.97 kPa/m。当安全系数在0.5～1.1时，煤柱处于极限平衡状态。
不同安全系数下最大竖直位移如图4，不同安全系数下塑性区分布如图5。图5 中：红色部分为受剪切破坏区域；
蓝色部分为受拉破坏区域。
图4 边坡剪应力等值云线图
图5 不同安全系数下塑性区分布
由图4 可知：随着安全系数不断增大，竖直方向的最大位移不断减小；
安全系数小于1.1 时，位移减小幅度较大，从1.729 m 减小至0.120 m，减小近93%，此时煤柱宽度增加有效减小了煤柱破坏、采硐垮塌的风险；
模型的位移突变点应在安全系数为1.1～1.3 之间，届时煤柱群模型处于极限平衡状态。
通过图5 塑性区分布也可以明显看到：安全系数在0.5～1.1 时破坏严重，在1.3 之后模型完整，破坏区域显著减小，1.5 之后模型破坏区域极少，不再展示。
2.3.2 9、11 号煤层煤柱群稳定性分析
对9、11 号煤在不同安全系数计算下的煤柱宽度进行建模计算，9、11 号煤的煤柱安全系数均在0.5～1.3 之间时。4-1号煤层则在1.1～1.3 之间达到极限平衡状态，煤层赋存深度的增加致使边帮采煤需要留设更宽的煤柱。通过竖直计算也能够确定安全系数取值到1.5 能够满足安全生产的实际需求。表现为模型极限平衡状态时，安全系数应在1.3～1.5之间。不同煤柱宽度的取值均能保证其在边帮开采过程中煤柱群保持稳定。
3.1 边帮煤回收顺序
当回采煤层为4-1号煤层时，边坡稳定性系数为1.145；
当回采煤层为4-1、9 号煤层时，边坡稳定性系数为1.124；
当回采煤层为4-1、9、11 号煤层时，边坡稳定性系数为1.094。
当回采9 号煤层边帮煤时，边坡最大正主应力值达到89.3 kPa，4 种计算情况中的边坡正主应力的最大值。当回采4-1号煤层边帮煤时，边坡最大反向主应力值为15.4 MPa，是计算情况中的边坡反向主应力的最大值。
边坡塑性区分布如图6。坡岩土体主要发生剪切破坏，破坏区域主要为相对软弱岩土层。局部出现拉伸破坏。随着回采顺序的进行，塑性区分布范围逐渐向下方扩大，直至11 号煤层回采采硐底面。
图6 边坡塑性区分布
从边坡稳定性系数变化可以得知：先回采4-1煤比先回采11 号煤的整体边坡稳定性系数更高，更有利于下一阶段煤层的回收。从位移变化、应力变化和塑性区的变化对比分析可以得知：先回采4-1煤比先回采11 号煤对整体边坡影响更小，也就更有利于下一阶段煤层的回收。回采完4-1号煤和9 号煤后，整体边坡稳定性系数已经趋近于临界值，如果继续回采11 号煤，会出现位移、应力及塑性区的大幅变化，对边坡造成较大的不利影响。确定边帮煤回收煤层为4-1、9 号煤层，11 号煤层暂不进行回收。煤柱宽度是综合考量上覆载荷大小与煤层承载能力得到，11 号煤是否开采对4-1、9 煤的煤柱宽度不存在直接影响。
3.2 边帮煤回收与采剥工程协调开采
由《安太堡露天矿2020 年生产计划》可知2020年第四季度南部内排土场形成，矿坑南部剩余作业平盘为1 045～1 135 m 水平；
预计2020 年末4-1号煤层所在台阶可推进至边帮煤回收范围内，并具备边帮采煤机作业条件，开始进行东南帮4-1号煤层边帮煤回收，初始回收位置在东南帮1075 平盘上。
经计算得4-1号煤层单个硐室煤量为0.76 万t，结合露天矿采剥工作帮推进速度、内排跟进速度、边帮煤壁暴露长度和设备能力等因素，计划回收硐室的推进速度为30 m/月，总进尺1 120～1 400 m，月产量为3.04～3.8 万t。实际回收速度要根据露天矿工作帮实时推进速度和内排土场实时跟进速度进行相应调整。随着工作帮的开拓降深预计从边帮开采4-1号煤层开始约7 个月后边帮煤回收范围内可露出9 号煤层，当满足边帮采煤作业空间要求时将边帮采煤机调移至9 号煤层（1 030 m 水平平盘）。
边帮煤回收成套设备生产能力为70 万t/a，当同时回收4-1、9 号煤层时年回收量即已超65 万t，再考虑到采煤机调移、维修、保养等影响因素，设备无富余能力开采11 号煤层，因9 号与11 号煤层平均层间距离仅为5 m，如果同时回收这2 个煤层，极易影响边帮及硐室的稳定性。
1）基于安太堡露天煤矿现状，明确边帮煤回收区域和回收区域资源储量统计后，确定安太堡露天矿边帮煤回收采用EML 型边帮采煤机回收工艺。
2）通过犀牛软件、Griddle 插件以及FLAC3D有限元分析软件对东帮建立分析模型。基于煤柱强度理论、有效面积理论和工程实践经验，4-1、9、11 号煤层的煤柱高度分别为5.5、5.5、4.0 m；
支撑煤柱宽度分别为3.2、3.5、3.8 m，隔离煤柱宽度分别为5.0、5.5、5.5 m；
每10 个采硐设置1 个隔离煤柱。根据数值模拟结果证实确定的煤柱参数和数量是安全且合理的。
3）分别对边坡稳定性系数、位移、应力和塑性区的进行比较，证明了在边坡煤回采干扰下的边坡仍处于稳定状态。确定边帮煤回收煤层为4-1、9 号煤层，11 号煤层暂不进行回收。对安太堡露天现状进行分析讨论，由此煤矿实现了边帮煤回收与采剥工程之间的协调开采工艺。
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