端邦开采技术在露天矿的应用与发展

第21卷收稿日期：2012-07-12作者简介：黄刘涛，卡特彼勒全球矿业产品经理，E-mail:liutao.huang@ 。

1端邦开采技术的背景与发展端邦开采技术是目前世界上最先进、最安全的煤矿开采技术，它将露天开采与井工开采技术结合起来，形成一套独特的开采方式，并代表着当今煤炭开采领域最高效的技术。

作为对露天、井工开采技术的主要补充，端邦开采越来越多地被用户接受并采用，成为现代矿山开采不可或缺的一部分。

在美国，2007年端邦开采的煤炭产量达到了其煤炭总产量的7%左右。

端邦开采属于无人工作面开采方法，将设备放置在待开采的煤层端邦前方，即可开采水平露头煤层，也可开采倾斜、较复杂条件的煤层。

在矿山开凿一系列平行的巷道。

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，巷道也无需顶板支护、通风照明以及降尘。

早期的端邦开采技术出现在20世纪40年代，源自于美国主要产煤区—阿巴拉契亚矿区。

当时还停留在螺旋钻采煤阶段（图1），螺旋钻开采方式比较适合应用在薄煤层开采中，螺旋钻钻头切割煤层，通过钻身的开膛螺纹，将采下的煤炭送出巷道，螺旋钻的开采深度一般可以达到30～80m 。

但是螺旋钻端邦开采的缺点也显而易见，由于钻身直径较大，前端螺旋杆的动力随巷道的深入而降低，在切割煤层过程中导致螺旋钻开采转速减慢，不能保障最大开采深度。

并且随着巷道的深入，产生的粉煤越来越多。

更重要的是，由于螺旋钻钻头的钢性结构不易调整，无法适应煤层发生突然变化（倾斜、断层），钻孔直径无法改变，使得资源回收率不高，通常只能达到30%左右。

从20世纪80年代开始，针对螺旋钻端邦开采所表现出的种种不足，研究人员在其基础上，不断的进行研发和改进，从螺旋钻开采系统，发展到双螺旋钻开采系统，直到开发出今天使用的第三代端邦开采系统（图2）。

比起之前的端邦开采系统，新系统更加安全、效率更高，使得端邦开采技术得到了空前的发展。

端邦开采技术在露天矿的应用与发展黄刘涛（卡特彼勒全球矿业，北京100102）摘要：针对开采应用，介绍了端邦开采工艺的背景以及在煤炭行业的发展历程。

从环保、成本、安全各个方面对现有的煤炭开采工艺进行比较，分析了端邦开采在煤炭工业中的重要意义。

结合充填工艺，可以形成一套独有的开采方式。

并探讨了在我国的应用前景。

关键词：端邦开采；新工艺；安全；露头煤；压煤；环保；高效；回采率；充填中图分类号：ＴＤ８０４文献标志码：Ａ文章编号：１００４－４０５１（２０１２）ｚｋ－０３４７－０４Highwall mining application and development in surface mining industryＨＵＡＮＧＬｉｕ－ｔａｏ（ＣａｔｅｒｐｉｌｌａｒＧｌｏｂａｌＭｉｎｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１０２，Ｃｈｉｎａ）Abstract:ＩｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅＨｉｇｈｗａｌｌｍｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｈｉｓｔｏｒｙａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｎｓｕｒｆａｃｅｍｉｎｉｎｇ．Ｉｔｉｓａｎｅｗｍｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｍｉｎｉｎｇｃｏａｌｔｈａｔｗｏｕｌｄｏｔｈｅｒｗｉｓｅｂｅｌｏｓｔａｎｄｉｔｉｓａｓａｆｅ，ｌｏｗｃｏｓｔａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｗａｙｔｏｔｈｏｓｅｒｅｓｏｕｒｃｅｓ．Ｈｉｇｈｗａｌｌｍｉｎｉｎｇｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｃｏａｌｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｉｔｉｓａｕｎｉｑｕｅｍｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｃｏｍｂｉｎｅｗｉｔｈｂａｃｋ－ｆｉｌｌｍｅｔｈｏｄａｎｄａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｅｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎＣｏａｌＩｎｄｕｓｔｒｙｏｆＣｈｉｎａ．Key words:ｈｉｇｈｗａｌｌｍｉｎｉｎｇ；ｎｅｗｍｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄ；ｓａｆｅ；ｃｏｎｔｏｕｒｍｉｎｉｎｇ；ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｂａｃｋ－ｆｉｌｌ；ｒｅｃｏｖｅｒｒａｔｅ第21卷增刊2012年8月中国矿业CHINA MINING MAGAZINEVol.21,zkAugust 2012露天采矿中国矿业第21卷最新设计的端邦开采系统，采用了先进的连续采煤机的电动截割头，截割巷道的宽度可以达到3.5m 。

通过电缆直接向电动截割头提供动力，避免了螺旋钻开采深度限制所造成的资源损失，使得开采深度超过300m ，也避免了粉煤现象。

最值得关注的是，使用了可以自动调节开采高度的电动截割头，解放了传统上认为端邦开采多应用于薄煤层的思路，使其可以扩大到对中厚煤层的开采。

在目前，端邦开采可以对4.5m 厚的煤层一次性的进行截割开采。

并且这种自动调节采高的截割头，在煤层厚度突然发生变化的情况下，可以在巷道内自适应进行相应调节，确保开采能够继续进行。

2端邦开采技术的应用首先要指出的是端邦开采工艺和传统的露天开采和井工开采并不冲突，它应用的多是由于经济原因，露天与井工都无法进行开采而将被丢弃的边角资源。

端邦开采工艺在美国已经取得了非常广泛、成熟的应用，并逐步的向全球推广。

针对于露天开采以及井工开采都无法涉及的矿山资源，比如薄煤层资源、露头煤资源、露天煤矿端邦压煤、排土场压煤以及倾斜煤层等，这些过去因为较难开采而丢弃的煤炭资源。

相对于露天开采与井工开采，端邦开采工艺在大多数条件下，不需要剥离覆盖层或者建井工作，开采后对自然环境的影响小（图3、图4），更无需操作、维护人员入巷道进行工作，符合当今社会对绿色开采，环保建设、安全生产的要求。

更为重要的是开采效率高，采用端邦开采工艺，只需要3到4人的班组，一台套设备一年可以出产超过100万t 的净煤。

图3端邦开采现场图4端邦开采对环境的影响在超过经济剥采比的矿山区域，或者露天矿现有技术无法开采而不被许可的区域（井田边界，边角以及矿界煤带的资源回采），在延长露天矿开采年限方面，以及矿山由露天向井工开采的过渡期间，端邦开采技术都显示出了其独特的不可替代的作用与价值。

一般情况下，端邦开采在应用上有以下三种模式：露头煤等高线开采、沟壑开采以及露天矿端邦资源回收（图5）。

图5端邦开采的三种应用模式图1螺旋钻端邦开采图2现今的端邦开采系统348第21卷黄刘涛：端邦开采技术在露天矿的应用与发展露头煤等高线开采是根据煤层的分布，在煤层露头的山体一侧，依靠设备进行水平开采，然后沿煤层走势，开采多条预定深度的巷道进行作业。

在开采过程中，无需进行覆盖层剥离作业，可最大限度地开采煤炭资源。

沟壑开采是特殊的端邦开采方式，在矿山地貌有天然沟壑或者在其他开采方式都不适合的情况下，可人工修整天然沟壑或者规划挖掘人工沟槽，然后将设备放置在沟槽内，沿露煤线对两侧的资源进行开采。

露天矿端邦资源回收，则是用于露天矿坑两侧端邦以及最终工作面，或者超过经济剥采比，不适合一般露天开采以及端邦压煤和排土场压煤的情况下，进行开采的一种方式。

端邦开采工艺在开采的具体应用中，有不可忽视的优势，因为不需要露天矿剥离覆盖层作业或者只需进行少量剥离工作，也不像井工矿需要前期建井作业。

端邦开采是非常高效、快速的采煤工艺，由于设备组装以及矿山前期准备工作量很少（在露天开采过程中已经基本完成或接近完成），只需3～5d，就可以进行开采出煤，回收资源。

在开采过程中，巷道内无需人员进入，也不需要支护工作，由自运输系统将煤炭从巷道内运出。

端邦工艺的开采成本比起露天以及井工开采来说，要相对低廉。

采用了在开采巷道外部进行控制操作，应用无人工作面开采技术，端邦开采设备可以直接对薄煤层进行开采，而不需要传统工艺中，人工进入巷道进行薄煤层开采作业。

端邦设备也可以在不适合连续采煤机和梭车运行的倾斜煤层，以及多煤层区域进行开采。

端邦开采工艺的操作以及维护人员，只需在开采巷道外的地面进行工作，无需进入巷道。

所以，不用考虑顶板冒落，巷道内瓦斯、烟尘对人体产生的危害，也不用担心发生危险时，作业人员在井下狭小作业空间自我保护和逃生问题。

端邦开采完全可以在这些对井工开采产生严重影响的不利条件下继续进行作业。

对于露天和井工煤矿，经过严谨的开采规划，已经将井田范围内绝大多数的资源应用传统方式进行开采，但是整体矿区，由于露天矿端邦、边角压煤或大量残留的支护煤柱而导致回收率降低，在有些形状不规则的开采区域，传统开采甚至无法进行作业。

这些情况，都可以采用端邦开采工艺进行开采，来提高整体回采率。

3端邦开采技术在应用中的改进在此需要强调的是，端邦开采并不是适用于所有的煤矿资源条件。

通常，适合端邦开采的煤矿需要满足以下几个条件：1）顶板支撑性较好。

如果顶板支撑性不好的话（软、碎），需要预留一定厚度的煤层充当假顶支撑。

2）煤层厚度至少大于80cm，并且煤层在开采方向300m距离内断层的数量少。

3）煤层走势平缓，煤层倾角最好能在-12°到+5°之间。

端邦开采并不能回采所有的端邦资源。

在端邦开采过程中，由于开采巷道不需要进行支护，所以在每两个相邻开采巷道间，都留有支撑煤柱（图6），保持覆盖层以及巷道的稳定，防止垮落。

而且考虑到安全因素，每20个支撑煤柱，都建议预留永久煤柱（图7）。

永久煤柱的宽度，通常是支撑煤柱宽度的3～4倍。

图6支撑煤柱图7支撑煤柱和永久煤柱支撑煤柱和永久煤柱的宽度，都是要经过严格的受力分析和数学计算来确定。

不同矿山有着不同的地质条件，所以每个矿山的支撑煤柱与永久煤柱的宽度各不相同。

经过20年的研究和应用，根据各自的行业规定以及相关条例，各个国家都发展出适用于自己国家的端邦开采支撑煤柱计算公式，其中应用最为广泛的是美国研发出的Mark-Bieniawski公式。

端邦开采的回采率受到种种因素的影响，比如煤层厚度，煤层顶、底板条件，支撑煤柱与永久煤柱的宽度等等。

根据美国的端邦开采实例，在矿山相同条件下，端邦开采回采率与待开采煤层厚度的关系经统计，如图8所示。

349中国矿业第21卷图8端邦开采回采率与煤层厚度的关系在很多情况下，由于具体矿山条件的限制，或者开采环境容易受外界条件的影响，如降水量、地震带、冲击地压等等，端邦开采的回采率并不十分尽如人意。

一般情况下，待开采煤层越厚，其回采率越低，煤层厚度加大，留下作为支撑煤柱的宽度也相应会越大。

单一的使用端邦开采工艺，并不能回采全部的资源，使得资源丢弃的问题没有得到完全解决。

针对这种情况，我们提出将端邦开采工艺与井工充填工艺结合起来，发展出新型的、适用于绝大多数高价值煤矿的“充填式端邦开采工艺”。

在井工矿，充填已经作为成熟的技术在“三下采煤”的开采中得到广泛的应用（图9）。

图9井工煤矿巷道充填接顶效果应用充填式端邦开采工艺，并不需要严格的计算来确定其最小支撑煤柱的宽度来提高回采率。

在具体的开采过程中，我们预留支撑煤柱的宽度，要大于开采巷道的宽度；在进行端邦开采的过程中，将开采过的巷道进行整体充填，再将原先的支撑煤柱和永久煤柱进行回采。