端帮开采技术在露天煤矿的应用

黄天爽，赵铭芳，轩 峰，王子强

（华北利星行机械（北京）有限公司，北京 101102）

在我国，露天煤矿端帮、边帮由于受采区边界等开采限制，有部分煤层不能及时有效采出，或不得不被放弃，造成资源浪费，或采区出现采剥比大、煤层变薄的情况时，露采成本变大，影响经济效益。目前端帮开采有房柱式炮采、露天与井工联合开采或者相邻露天矿进行协调开采等方式。但是炮采和井工开采的回采率较低，安全隐患大；采用相邻露天矿协调开采，相邻2 个矿区又很难达成一致。在这样的情况下，适应绿色和智能机械化的端帮采煤机对边帮残煤资源进行回采成为重要的技术手段[1]。随着端帮采开采技术的发展，采用智能端帮采煤机，无人工作面开采，实现高效安全采煤，回采端帮压煤将成为减少资源浪费的主要手段。

1 端帮开采技术的发展和应用

1.1 端帮开采技术的发展

端帮开采技术属于高产高效低成本的开采技术，相比传统井工开采，安全性高。端帮开采无需人员进入巷道，只需几个人就可以完成整套设备的开采作业和日常维护。工作时将端帮采煤机安置在待开采端帮煤层的前方，可开采平露头煤层、也可开采倾斜、较复杂条件的煤层。最终在矿山形成一系列矩形、平行的巷道[2]。通过截割头模块和推进臂实现快速作业，整个系统的操作与维护，截割头截割煤层以及巷道内煤炭运输系统的控制，都在巷道外的地面进行，无需人员进入巷道工作，开采自动调节，安全智能化监控，巷道也无需顶板支护、通风照明和降尘。

20 世纪80 年代开始，从最早的螺旋钻采系统（大直径低转速“剃”煤）到双螺旋钻采系统，再到今天的第3 代智能端帮开采系统，端帮开采技术实现了快速发展。最新端帮开采系统，趋向智能自动化，更加安全、高效。新一代端帮开采技术源于卡特彼勒，端帮采煤机全球交付超过80 台，已成功应用在美国，印度，俄罗斯，澳大利亚等国家矿区。

1.2 端帮开采技术的应用

端帮开采属于无人工作面开采，应用多是由于经济环保等原因，露天和井工等传统采矿方法都无法进行开采而被丢弃的边帮边角煤资源。一般情况下，端帮开采采用露头煤等高线开采、沟壑开采、露天矿端帮资源回收[3]，端帮开采3 种应用方式如图1。3 种方式其中露天矿帮端资源回收，用于露天矿坑两侧端帮及最终端帮，或由于经济成本、地表环境等原因达到临界剥采比，不适合一般露天开采以及端帮压煤和排土场压煤的情况下，而进行开采的一种方式，辅助且高效地提升露天矿的回采率。

图1 端帮开采3 种应用方式

2 国外端帮开采技术的应用案例

1）智能化端帮采煤机。端帮开采工艺在美国、澳大利亚等国家的应用已经非常广泛和成熟。近些年，印度在露天矿端帮开采上有了全面的发展。得益于Caterpillar 端帮采煤机技术，印度GAINWELL 公司获得其授权并将端帮采煤机实现创新和本土化生产制造。GAINWELL 端帮采煤机代表着当今最全面最先进的端帮开采技术，智能自动化，并进一步促使印度端帮开采实现跃升。GAINWELLGHW300M 端帮采煤机全面占领印度市场，并广泛应用在印度塔塔钢铁集团（TATASTEELGROUP）和印度国家煤炭集团（CoalIndiaLimited,CIL）下属的露天矿场。

2）国外露天矿端帮开采应用。印度塔塔钢铁集团（TATA）WestBokaro 煤矿，2016 年引入卡特彼勒端帮采煤机。端帮开采与露天开采作业同时进行，运行稳定，效益可观[4]。智能端帮采煤机配置1.5 m 及4.5 m 截割头模块，FOG 光陀螺定位导向系统，伽马射线探测系统，人机互动监控系统，智能自动化控制。满足印度煤矿安全管理机构DGMS 认证要求的电气系统等。整套端帮采煤机系统配置推进臂49 个，单臂6 m。煤层厚度5～9 m，煤层角度-8°～15°，月产量可达10 万t。无需人员进入巷道，只需4 个人就完成全部开采作业。端帮采煤机的作业与露天开采内排同步进行。端帮开采过程中采用雷达监测边坡稳定性，全站仪监测台阶稳定，地表及边角沉降和滑坡监测，瓦斯监测，钻孔深度监测等全面监测系统。

3）国外端帮开采工程承包模式。印度国家煤炭集团（CIL）下属东南煤业公司（SouthEasternCoalfieldsLimited,SECL）的Sharda 露天矿为基本废弃闭坑的露天煤矿，此煤矿厚煤层基本已经采完，存大量可采的0.9～1.5 m 薄煤层及少量厚煤层。在引入GAINWELL 端帮开采技术后，每年超过80 万t 的煤从该矿用端帮采煤机采出，让废弃的Sharda 煤矿焕发新生，延长超过15 年的生命力。目前SECL 的端帮开采业务外包给印度CuprumBagrodiaLimited（CBL）公司。CBL 公司是专注于采矿及建筑设备，土石方剥离和端帮采煤的专业化公司。CBL 公司获得Sharda 露天矿端帮开采承包合同后，联合端帮开采工程设计公司进一步推动了端帮开采技术在印度本土的全面发展。CBL 公司目前拥有5 套端帮采煤机，成为印度最大的端帮开采工程承包公司。这为中国端帮开采工程承包运营模式提供了思路和参考。

3 端帮开采技术应用的工艺要求

1）要有详细的地质勘察资料。使用端帮采煤机的先决条件就是顶板条件要稳定，同时需要提供详细的覆盖层厚度及煤、顶板岩石的抗压强度等数据。根据相关数据，按最大覆盖层厚度进行计算，得到安全切口间距。端帮采煤机自身设计考虑到巷道内顶板垮落的情况，能做到“进得快，出得来”。煤层厚度至少大于80 cm，煤层在开采方向300 m 距离内断层较少。煤层走势平缓，煤层倾角最好在-12°～+5°之间。采区区段支撑煤柱强度能够支撑覆盖层，隔离煤柱能够维持山体的稳定性。

2）在端帮开采过程中，由于开采巷道不需要进行支护，所以在每2 个相邻开采巷道间，都留有支撑安全临时煤柱，保持覆盖层以及巷道的稳定，防止垮落。考虑安全因素，每20 个支撑煤柱，都建议预定永久隔离煤柱。永久隔离煤柱的宽度通常是支撑煤柱宽度的3～4 倍。当然，端帮开采初步设计相关计算方法应得到当地煤炭监管部门得审核和批准。典型端帮开采煤柱分布如图2。

图2 典型端帮开采煤柱分布

3）支撑煤柱和永久煤柱的宽度都要经过严格的力学分析和地质模型来计算确定。不同矿山有着不同的地质条件，支撑煤柱和永久煤柱的宽度可能因地而异。目前国际上应用最广泛的端帮开采煤柱稳定性设计计算采用美国科学家研发的Mark-Bieniawski 公式[5]，即美国NIOSH 机构（美国国家职业安全卫生研究所）认证的ARMPS-HWM 程序软件，或FLAC-3DUDEC 岩土分析软件确定：永久煤柱之间的巷道数目；单个安全煤柱的宽度；永久煤柱的宽度；整体设计的稳定系数。

4 国内端帮开采技术试行论证及应用市场前景

目前，在鄂尔多斯地区已经开始探索端帮开采，2019 年11 月鄂尔多斯能源局结合德隆煤矿和华能井露天煤矿的连续采煤机试行经验，组织召开了露天煤矿端帮煤回收总结论证会。国内端帮开采尚属起步阶段，在政策及监管规范上都有待进一步完善。鄂尔多斯端帮开采试行论证会从工程设计及政府政策等不同角度对端帮开采技术给予了支持。

1）从设计院角度。对边帮压煤回收的端帮工程地质条件深入研究，严格遵守端边帮煤回收初步设计及开采工艺进行作业，加强对边坡端帮的管理和监测，应用前沿科技手段，自动实时监测边坡稳定情况，做好滑坡预防及应急措施，完善边帮采煤工艺，加强掘进方向定位，智能化安全开采，采硐瓦斯，粉尘及有害气体数据自动监测上传，行业标准与规范的出台和支持。

2）从政府能源局角度。无缝对接相邻露天矿，不留设到界煤柱，跨界剥离，进一步提高资源回收率。边采边充填，进一步提高回采率。端帮采煤机远程控制，边坡稳定性实时监测，数据上传，出台鼓励政策，审批流程简化。集中连片开采，统一复垦。

3）从政府煤监局角度。煤监局行政权力不包含露天矿边帮煤回收安全设施设计批复业务，不受理露天矿边帮煤回收安全设施设计审查，建议由煤矿企业自主组织，并由煤矿企业批复开工备案。

我国的露天煤矿端帮压覆煤炭资源较大，在山西中煤平朔，内蒙古，新疆，宁夏等地方，均有大量端帮煤资源回收的机会。除了大规模的露天矿山可作为主力进行生产外，还存在大量的中小型露天矿山和山坡露头煤资源，由于开采条件及技术，经济成本等因素，这些资源都无法得到有效的开采利用。如果考虑使用端帮开采技术或采用工程承包等方式，开采回收这些资源的问题可以得到有效的解决[6]。

5 结语

1）结合印度应用案例，对端帮开采技术应用做了阐述，为我国端帮开采技术发展提供借鉴。端帮开采的高效智能化及无人工作面开采，将为露天矿端帮及沟壑露头煤开采提供解决方案。

2）端帮开采需要考虑端帮边坡稳定性，给出了国外通用的支撑煤柱及永久隔离煤柱设计计算及小程序软件供参考。

3）相比国外先进智能的端帮开采设备，国内端帮开采设备可靠性差，开机率低，地质条件针对性差，系统控制不完善。

4）国内端帮开采尚属起步论证阶段，需要国家政策和规范的进一步完善，前景任重道远。