露天煤礦工作幫過斷層參數(shù)控制方法

劉光偉 ，黃云龍 ，曹 博 ，王 亮 ，趙美玲

（1.遼寧工程技術大學 礦業(yè)學院, 遼寧 阜新 123000；2.錫林郭勒盟蒙東礦業(yè)有限責任公司, 內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

0 引 言

大型露天煤礦在開采周期內(nèi)需要進行巨量的土石方挖掘及搬運工作。因此，在生產(chǎn)過程中剝采比變化平穩(wěn)，產(chǎn)能穩(wěn)定接續(xù)，穿、采、運、排各生產(chǎn)環(huán)節(jié)銜接順暢，是露天煤礦在整個開采周期內(nèi)礦產(chǎn)資源安全高效開發(fā)利用的基本保障。

目前，已開發(fā)的大型露天礦山在采場范圍內(nèi)均不同程度的存在復雜地質構造，尤其是斷層的出現(xiàn)，露天礦在推進至其影響區(qū)域時煤層厚度、傾角及上覆剝離物厚度劇烈變化，生產(chǎn)剝采比劇烈震蕩，生產(chǎn)接續(xù)困難[1-2]。面對露天礦在開采過程中遇到斷層致使礦山地質條件及開采條件復雜化的情況，若開采方式選擇不當或者不能及時調整開采程序，將會造成開采難度加大、邊坡穩(wěn)定性下降、礦產(chǎn)資源浪費、產(chǎn)能接續(xù)困難，甚至是礦山提前關停等嚴重后果。因此，選擇合理的工作幫過斷層方式及開采程序對于提高斷層區(qū)域資源采出率，增加礦山企業(yè)經(jīng)濟效益具有重要意義[3-5]。

圍繞煤礦在生產(chǎn)過程中遇到斷層時產(chǎn)生相關問題的研究，井工開采涉及較多且主要集中于工作面過斷層圍巖力學特性及失穩(wěn)機制[6-7]、采掘工作面及巷道過斷層技術[8-11]、工作面或巷道過斷層支護及加固技術[12-15]等方面。露天開采大部分針對含斷層邊坡破壞特征和邊坡穩(wěn)定性進行分析研究[16-18]，而對于工作幫過斷層開采方式、開采程序優(yōu)化，重點研究了工作幫在斷層傾向方向上推進時的產(chǎn)能過渡接續(xù)優(yōu)化[19-20]。針對不同斷層類型、工作幫以不同方式過斷層時的剝采比控制定量分析相關研究較少，且最優(yōu)工作幫過斷層參數(shù)優(yōu)化確定方法有待提高。

筆者基于前人的研究成果，通過對露天煤礦斷層走向與工作線布置的位置關系及工作幫推進方式進行分析，構建了過斷層工作幫推進模型，建立了工作線長度、斷層主要幾何要素、工作線與斷層走向夾角和生產(chǎn)剝采比之間的數(shù)學關系。重點研究不同類型斷層工作線長度計算方法、工作線相交于斷層走向推進時生產(chǎn)剝采比的變化規(guī)律，并以勝利西二號露天煤礦為工程實例進行優(yōu)化分析。

1 斷層概述及工作幫過斷層方式分析

1.1 斷層概述

斷層是被斷裂面分割成兩部分的巖層或巖體沿破裂面發(fā)生明顯相對位移的一種斷裂結構。斷層發(fā)育廣泛，是地殼中最重要的構造類型之一，其規(guī)模變化很大。斷層規(guī)模不同，其影響程度也不同。大型斷層通常構成區(qū)域地質格架，不僅控制區(qū)域地質的結構和演化，還控制和影響區(qū)域成礦作用；中小型斷層常常直接決定某些礦床和礦體的形狀，影響礦產(chǎn)資源的賦存，進而影響礦產(chǎn)資源的開發(fā)和礦井建設[21]。

相對于褶皺和節(jié)理，斷層對露天礦生產(chǎn)的影響較為嚴重。由于斷層破壞了煤層的連續(xù)性和完整性。致使露天礦生產(chǎn)剝采比、采剝運距發(fā)生大幅度變化，剝排關系復雜化，生產(chǎn)成本增加，嚴重影響露天礦產(chǎn)能的穩(wěn)定接續(xù)和企業(yè)經(jīng)濟效益。

露天礦工作幫在推進過程中遇到斷層時，工作幫與斷層的相對位置關系并不固定，此外受幫坡角和經(jīng)濟合理剝采比影響，使得露天礦工作幫過斷層及斷層區(qū)域煤層回采具有多種方式。

1.2 工作線與斷層走向平行

采煤工作線平行于斷層走向布置時，由于斷層導致的煤層錯斷，使得工作幫在推進的過程中會出現(xiàn)煤層突然缺失或者重復現(xiàn)象。當煤層缺失時，剝采比急劇增大，需要進行超前剝離或采用組合臺階方式來調整生產(chǎn)剝采比，使其小于經(jīng)濟合理剝采比。若上述方式依然無法滿足生產(chǎn)剝采比小于經(jīng)濟合理剝采比的原則，則只能采取過斷層期間降低產(chǎn)能的方式，即通過減小推進度或者縮短采煤工作線長度實現(xiàn)；煤層重復時，剝采比減小，為了保證產(chǎn)能的穩(wěn)定及生產(chǎn)剝采比的平穩(wěn)變化通常采取減小推進度的方式；上述情況的出現(xiàn)均不利于設備能力及設備效率的發(fā)揮。

露天礦過斷層開采期間，在保證邊坡安全穩(wěn)定的前提下，以開采斷層煤的生產(chǎn)剝采比小于經(jīng)濟合理剝采比為原則，最大限度回收受斷層影響的煤炭資源，使經(jīng)濟效益最大化。當回收斷層區(qū)域煤炭資源剝采比大于經(jīng)濟合理剝采比時，保留斷層面并留設煤柱，如圖1 所示；當回收斷層區(qū)域煤炭剝采比小于經(jīng)濟合理剝采比時，破壞斷層面，將受斷層影響煤炭全部采出，如圖2 所示。

圖1 留煤柱過斷層示意Fig.1 Schematic diagram of retain coal pillars through faults

圖2 原煤全部回采過斷層示意Fig.2 Schematic diagram of all raw coal mining through faults

1.3 工作線與斷層走向相交

工作線與斷層走向相交時，煤層相對位置固定，斷層區(qū)域煤炭回收方式與工作線平行斷層走向布置時回收方式相同，分別為保留斷層面留設煤柱和破壞斷層面將受斷層影響煤炭全部采出。

1）工作線與斷層走向正交。當工作線與斷層走向正交時，如圖3 所示。工作幫在向前推進的過程中，斷層上、下盤工作線長度基本固定，生產(chǎn)剝采比變化穩(wěn)定。2）工作線與斷層走向斜交。當工作線與斷層走向斜交時，如圖4 所示。工作幫在向前推進的過程中，斷層上、下盤工作線長度呈線性變化，剝采比與斷層上、下盤采剝工作線長度呈固定的函數(shù)關系。此外，生產(chǎn)剝采比的變化還受工作線與斷層走向的相對位置即采剝工作線與斷層走向夾角影響。

圖3 工作線正交斷層走向示意（留煤柱過正斷層）Fig.3 Schematic diagram of orthogonality between working line and fault strike (reserved coal pillar passes through normal fault)

圖4 工作線斜交斷層走向示意（留煤柱過正斷層）Fig.4 Schematic diagram of oblique intersection between the working line and fault strike (reserved coal pillar passes through normal fault)

重點對工作線與斷層走向斜交時斷層上（下）盤采剝工作線長度、工作線與斷層走向夾角和生產(chǎn)剝采比之間的關系進行研究。

2 工作幫相交斷層推進分析

2.1 工作幫相交斷層推進工程模型

為了揭示采剝工作線布置方向與斷層走向相交時生產(chǎn)剝采比隨著工作幫推進時的變化規(guī)律，建立了工作幫沿斷層推進工程模型。假設可采煤層1 層，煤層傾角為θ，厚度為h。斷層類型為傾向斷層，即煤層傾向與斷層走向一致。斷面傾角為λ，斷層落差為hl，端幫幫坡角為β，工作線與斷層走向夾角為ω（0°＜ω≤90°），斷面傾角大于端幫幫坡角。工程位置模型如圖5 所示。

圖5 工作幫斜交過斷層工程模型（以正斷層為例）Fig.5 Engineering model of working slope oblique to fault (taking normal fault as an example)

2.2 工作幫推進過程中生產(chǎn)剝采比變化規(guī)律分析

生產(chǎn)剝采比是露天礦在一定生產(chǎn)時期剝離的巖石和采出的礦石的比值，是露天礦在實際生產(chǎn)過程中的一項非常重要的指標，它是決定露天礦剝巖總量、基建投資和生產(chǎn)成本的重要因素[22]。生產(chǎn)剝采比不僅受煤層賦存狀況、地形條件的影響，還受到開采技術及開拓、開采程序的影響。因此，露天礦在生產(chǎn)過程中常通過調整開采參數(shù)和開采程序來達到均衡生產(chǎn)剝采比的目的。

2.2.1工作線長度計算

目前露天煤礦工作線長度主要通過以下2 種方式確定：①通過分析露天煤礦在一定生產(chǎn)能力情況下工作線長度與推進速度的關系，計算出技術可行的工作線長度；分析在目標產(chǎn)能下露天礦剝離總費用與工作線長度的關系，計算出經(jīng)濟合理的工作線長度。最終確定滿足生產(chǎn)能力時剝離總費用最小的工作線長度即為露天煤礦合理的工作線長度[23-25]。②利用計算機輔助設計系統(tǒng)構建三維地質模型及開采模型，選取不同工作線長度布置方案進行模擬開采，對比分析不同工作線長度開采時的技術、經(jīng)濟指標，綜合確定露天煤礦合理工作線長度[26]。

實際上露天煤礦在生產(chǎn)過程中，由于開采工藝、設備和開采條件的限制，年推進度是基本固定的。在生產(chǎn)能力確定的情況下，其采煤工作線也基本為定值。因此，工作線長度可按式（1）計算：

式中：Lm為采煤工作線長度（取1/2 煤層厚度處），m；Ap為 露天礦年生產(chǎn)能力，t/a；v為年推進速度，m/a；γ為原煤密度，t/m3；μ為采出率，%。

1）工作幫沿斷層走向推進時，采煤工作線分為上盤工作線和下盤工作線，當斷層區(qū)域留煤柱回采時，工作線長度受斷層上、下盤采煤工作線長度、斷層平錯和留設煤柱長度影響，如圖6 所示。分析幾何關系可得留煤柱情況下：

圖6 留斷層煤柱工作線長度計算Fig.6 Calculation of working line length of coal pillar in reserved fault

正斷層工作線長度為

逆斷層工作線長度為

其中

式中，L為工作線長度，m；Ls為斷層上盤采煤工作線長度，m；Lx為斷層下盤采煤工作線長度，m；lp為斷層平錯，m；lp′為 斷層視平錯，m；Lz為留設煤柱長度，m。

2）當斷層區(qū)域煤層可全部回采時，工作線長度僅受斷層上、下盤采煤工作線長度及斷層平錯影響。因此：

正斷層工作線長度為

逆斷層工作線長度為

由上述分析可知，采煤工作線長度由斷層上、下盤2 部分工作線長度構成，且工作線長度隨斷層落差、斷面傾角及工作線與斷層夾角變化而變化。

2.2.2 生產(chǎn)剝采比計算分析

以工作線布置方向為x軸，工作幫推進方向為y軸，垂直于x-y平面為z軸，建立空間坐標系，如圖7所示。設x軸正方向為斷面傾向，假定地表水平。依據(jù)建立的空間直角坐標系和工作幫沿斷層推進斷面圖，計算工作幫推進過程中各位置的斷面剝采比，即生產(chǎn)剝采比。

圖7 空間直角坐標系示意（留煤柱過正斷層）Fig.7 Schematic diagram of space rectangular coordinate system (reserved coal pillar passes through normal fault)

1）斷面剝離量計算。依據(jù)斷面圖中幾何關系分析可得，工作幫推進過程斷層區(qū)域原煤全部回采時（圖8）斷面剝離量計算如下：

圖8 斷層煤全部回采斷面剝離量計算示意Fig.8 Schematic diagram of calculation of section stripping amount when fault coal is fully mined

正斷層：

其中：

式中：V為斷面剝離量，m3/m；H為地表至斷層上升盤開采深度，m；λ＇為斷面視傾角，（°），當工作線方向與斷層走向正交時λ＇=λ。

逆斷層：

工作幫推進過程中斷層區(qū)域煤層無法全部回采而留設煤柱時（圖9），斷面剝離量計算如下：

圖9 留煤柱回采斷面剝離量計算示意Fig.9 Schematic diagram of calculation of section stripping amount during mining of retained coal pillar

正斷層：

逆斷層：

當斷面視傾角小于端幫幫坡角時（圖10），正斷層不存在斷層區(qū)域留設斷層煤柱情況。斷層上升盤下部巖層無需進行剝離，而逆斷層仍需考慮是否留設煤柱情況。正斷層情況下斷面剝離量計算如下：

圖10 斷面視傾角小于端幫角斷面剝離量計算示意Fig.10 Calculation diagram of section stripping amount when section apparent inclination is less than end slope angle

2）斷面煤量計算。工作幫沿斷層走向推進時，斷面煤量僅與煤層可采工作線長度有關，即斷面煤量為除去留設斷層煤柱的原煤量。計算如式（14）：

式中：P為斷面煤量，t/m。

工作幫沿斷層走向推進過程中，開采深度，斷層上、下盤工作線長度隨著工程位置的改變始終發(fā)生變化。

當工作線與斷層走向正交時，僅開采深度發(fā)生變化。具體變化關系可用下式表達。

式中：Hc為初始工程位置時地表至斷層上升盤的深度，m；l為工作幫推進距離，m。

當工作線與斷層走向斜交時有：

其中

式中：θ′為工作線與斷層走向斜交時煤層視傾角，（°）；Ld為斷層走向長度，m。

令Lsc、Lxc分別為初始工程位置的斷層上、下盤采煤工作線長度，0

3）剝采比計算。生產(chǎn)剝采比可看作工作幫推進單位距離時的剝離量與原煤量之比。根據(jù)已建立的空間直角坐標系，現(xiàn)將工作幫推進過程中生產(chǎn)剝采比變化定義如下：

式中，ns為推進到任意工程位置的生產(chǎn)剝采比，m3/t。

令ns=f(Lsc,ω,l)或ns=f(Lxc,ω,l)，當工作線正交于斷層走向布置時有 λ′=λ、lp′=lp、θ′=θ，斷層上、下盤采煤工作線長度在工作幫沿斷層走向推進的過程中不發(fā)生變化。此時ns=f(Lsc,l)或ns=f(Lxc,l)，且滿足Ls=Lsc，Lx=Lxc。繪制ns函數(shù)圖像如圖11 所示。

圖11 工作線正交斷層走向時生產(chǎn)剝采比變化規(guī)律Fig.11 Variation law of production stripping ratio when working line is orthogonal to fault strike

分析函數(shù)圖像可知，當工作線與斷層走向正交時，生產(chǎn)剝采比與推進距離呈正相關關系。斷層下降盤采煤工作線長度越大，初始生產(chǎn)剝采比越大。因此，在實際生產(chǎn)過程中應調整斷層上、下盤采剝工作線長度，以使生產(chǎn)剝采比小于經(jīng)濟合理剝采比。

當工作線斜交于斷層走向布置時，斷層上、下盤采煤工作線長度在工作幫推進過程中始終發(fā)生變化。此時ns=f(Lsc,ω,l)或ns=f(Lxc,ω,l)，Ls和Lx隨著工作幫在斷層區(qū)域推進的變化情況見式（18）。此時ns為關于Lsc（Lxc）、ω、l的多元函數(shù)，為了更好地揭示工作線與斷層走向夾角以及初始上、下盤采煤工作線長度發(fā)生變化時生產(chǎn)剝采比隨著工作幫推進的變化規(guī)律。通過設定工作線與斷層走向夾角值ω，進而分析在不同初始上、下盤采煤工作線長度情況下生產(chǎn)剝采比隨著工作幫推進的變化規(guī)律。

由于工作幫在推進過程中受斷層走向延伸距離的影響，因此工作線與斷層走向夾角不同時，工作幫沿斷層區(qū)域推進距離也不同，致使ω發(fā)生變化時，l的取值范圍也會隨之發(fā)生變化。為了消除在不同ω時，l取值變化范圍不一致的情況，需要對l取值進行歸一化處理，使其去量綱化，進而將l的取值映射在y軸上（0，1）區(qū)間內(nèi)。采用常用的min-max 歸一化方法對l的取值進行處理，min-max 歸一化原理如式（20）：

對于l，歸一化處理后的lnew如式（21）所示：

設Lsc、Lxc的單位變化量為ΔL，ω的單位變化量為Δω。則斷面初始生產(chǎn)剝采比隨Lsc(Lxc)、ω增加時變化規(guī)律如圖12 所示。

圖12 初始生產(chǎn)剝采比與Lsc(Lxc)、ω 關系Fig.12 Diagram of relationship between initial production stripping ratio and Lsc(Lxc)、ω

為了更加直觀地表示ω對生產(chǎn)剝采比變化規(guī)律的影響，繪制ω不同時生產(chǎn)剝采比隨著斷層初始上升盤采剝工作線長度和推進距離變化的圖像（其中ω1<ω2＜ω3），如圖13 所示。由圖12、13 可知：ω越小時，初始生產(chǎn)剝采比越大，且生產(chǎn)剝采比增長越快。

圖13 ω 取值不同時生產(chǎn)剝采比變化規(guī)律Fig.13 Variation law of production stripping ratio with different ω values

分析上述圖像可得：工作幫斜交于斷層走向推進時，斷面初始生產(chǎn)剝采比與斷層初始上升盤工作線長度、工作線與斷層走向夾角呈負相關關系，且工作線與斷層走向夾角越小，單位推進距離內(nèi)生產(chǎn)剝采比的變化量越大，即生產(chǎn)剝采比變化越劇烈。

綜上所述：筆者認為露天煤礦工作幫相交斷層推進時應滿足以下原則：

1）工作幫推進過斷層期間生產(chǎn)剝采比小于經(jīng)濟合理剝采比，即ns

2）工作幫與斷層走向夾角ω應盡可能大，且不大于實際開采可以實現(xiàn)的最大夾角值ωmax。

3）斷層上、下盤采剝工作線長度應不小于設備作業(yè)、走行、調配所需的最小工作線長度Lzd，即Ls>Lzd且Lx>Lzd。

因此，工作幫在推進到斷層區(qū)域時應及時調整工作幫進入斷層時上、下盤采剝工作線長度以及盡量保證工作幫垂直斷層走向或與斷層走向保持較大夾角推進，避免工作線與斷層走向夾角過小或者工作幫平行斷層走向推進，從而確保工作幫過斷層期間生產(chǎn)剝采比變化平穩(wěn)且滿足經(jīng)濟合理剝采比要求。

利用計算機編程可實現(xiàn)工作幫過斷層參數(shù)的枚舉及自動循環(huán)判斷，進而確定出滿足剝采比條件及工作線長度條件的最優(yōu)工作幫過斷層參數(shù)，如圖14所示。

圖14 最優(yōu)工作幫過斷層參數(shù)確定流程Fig.14 Determination process of optimal parameters of working slope through fault

3 工程實例

勝利西二號露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟錫林浩特市西北部寶力根(勝利)蘇木境內(nèi)，設計規(guī)模10.0 Mt/a。采煤工藝為：單斗-卡車-地面半固定破碎站半連續(xù)工藝，剝離為單斗-卡車間斷工藝。境界內(nèi)地層總體走向NW，傾向NE，為產(chǎn)狀平緩的單斜構造。境界內(nèi)發(fā)育多條斷層，其中F13 正斷層位置如圖15 所示。開采境界內(nèi)6 號煤層全區(qū)發(fā)育，為主采煤層。6 號煤層平均可采厚度19.25 m，煤層沿斷層走向水平賦存。采煤工作線長度為2 km，開采深度為180 m，端幫幫坡角為25°。原煤售價200.54 元/t，剝離成本5.83 元/m3，采煤總成本62.69元/t。工作幫按現(xiàn)行推進方式推進至首采區(qū)北部境界之后向東轉向進入二采區(qū)時會出現(xiàn)工作線與F13斷層走向平行的情況，對露天礦的生產(chǎn)接續(xù)極為不利。因此，需要提前規(guī)劃設計工作線布置方式及進入斷層時的參數(shù)，以保證生產(chǎn)的穩(wěn)定接續(xù)。F13 正斷層各要素參數(shù)如下：

圖15 勝利西二號露天礦采場現(xiàn)狀及F13 斷層位置Fig.15 Current situation of the stope of Shengli West No.2 open-pit mine and the location of F13 fault

依據(jù)《煤炭工業(yè)露天礦設計規(guī)范（2015）》：當采用卡車運輸時，單斗挖掘機的工作線長度不宜小于300 m[27]。采用價格法計算勝利西二號露天煤礦的經(jīng)濟合理剝采比為23.645 m3/t。計算過程如下：

式中：Dl為露天開采原煤售價，元/t；a0為露天開采原煤成本，元/t；b0為露天剝離成本，元/m3。

根據(jù)上述參數(shù)建立工作幫沿斷層推進工程模型并進行斷層區(qū)域原煤回采可行性分析，計算出斷層區(qū)域原煤全部回采時剝采比為1.08 m3/t。因此工作幫在斷層區(qū)域推進時不需要留設斷層煤柱。

西二號露天煤礦采煤工作線與F13 斷層正交時，工作幫在推進過程中不利于采區(qū)轉向。因此工作線布置方向與現(xiàn)狀工作線方向相同為由東向西布置，即與斷層走向夾角為70°，則工作幫在斷層區(qū)域推進距離為1 409.54 m。采用上述分析方法可得出滿足經(jīng)濟合理剝采比及工作線長度要求的初始下盤采煤工作線長度為815～2 000 m?？紤]東幫擴幫作業(yè)工程量及斷層上盤最小采煤工作線長度等因素，最終確定工作幫過斷層初始下盤采煤工作線長度為1 700 m。工作幫沿斷層走向推進時，初始上盤采煤工作線長度為300 m，最小下盤采煤工作線長度為1 187 m，均滿足設備作業(yè)、走行、調配所需的最小工作線長度要求，且保證了工作幫在向北推進進入斷層區(qū)域時，東幫擴幫作業(yè)工程量最小。

4 結 論

1）工作線與斷層走向相交情況下，工作幫推進過程中生產(chǎn)剝采比受斷層上（下）盤采煤工作線長度及工作線與斷層走向夾角影響，且斷面初始生產(chǎn)剝采比與斷層初始上升盤工作線長度、工作線與斷層走向夾角呈負相關關系。

2）工作線與斷層走向夾角固定時，工作幫推進過程中生產(chǎn)剝采比與斷層下降盤工作線長度呈正相關關系。工作線與斷層走向夾角越小，生產(chǎn)剝采比變化越劇烈。

3）基于工作幫與斷層走向相交推進時生產(chǎn)剝采比變化規(guī)律分析，確定了初始上、下盤采剝工作線長度和工作線與斷層走向夾角優(yōu)化確定原則，并通過計算機程序實現(xiàn)工作了幫過斷層最優(yōu)參數(shù)的選取確定。

4）應用上述方法對勝利西二號露天煤礦進行優(yōu)化分析，最終確定工作線與斷層走向夾角為70°，初始下盤采煤工作線為1 700 m 時可滿足經(jīng)濟合理剝采比要求、設備作業(yè)條件以及生產(chǎn)過渡接續(xù)穩(wěn)定。