露天煤矿工作帮过断层参数控制方法

2023-06-01刘光伟黄云龙赵美玲

煤炭科学技术 2023年4期

刘光伟，黄云龙，曹博，王亮，赵美玲

（1.辽宁工程技术大学矿业学院, 辽宁阜新 123000；2.锡林郭勒盟蒙东矿业有限责任公司, 内蒙古锡林浩特 026000）

0 引言

大型露天煤矿在开采周期内需要进行巨量的土石方挖掘及搬运工作。因此，在生产过程中剥采比变化平稳，产能稳定接续，穿、采、运、排各生产环节衔接顺畅，是露天煤矿在整个开采周期内矿产资源安全高效开发利用的基本保障。

目前，已开发的大型露天矿山在采场范围内均不同程度的存在复杂地质构造，尤其是断层的出现，露天矿在推进至其影响区域时煤层厚度、倾角及上覆剥离物厚度剧烈变化，生产剥采比剧烈震荡，生产接续困难[1-2]。面对露天矿在开采过程中遇到断层致使矿山地质条件及开采条件复杂化的情况，若开采方式选择不当或者不能及时调整开采程序，将会造成开采难度加大、边坡稳定性下降、矿产资源浪费、产能接续困难，甚至是矿山提前关停等严重后果。因此，选择合理的工作帮过断层方式及开采程序对于提高断层区域资源采出率，增加矿山企业经济效益具有重要意义[3-5]。

围绕煤矿在生产过程中遇到断层时产生相关问题的研究，井工开采涉及较多且主要集中于工作面过断层围岩力学特性及失稳机制[6-7]、采掘工作面及巷道过断层技术[8-11]、工作面或巷道过断层支护及加固技术[12-15]等方面。露天开采大部分针对含断层边坡破坏特征和边坡稳定性进行分析研究[16-18]，而对于工作帮过断层开采方式、开采程序优化，重点研究了工作帮在断层倾向方向上推进时的产能过渡接续优化[19-20]。针对不同断层类型、工作帮以不同方式过断层时的剥采比控制定量分析相关研究较少，且最优工作帮过断层参数优化确定方法有待提高。

笔者基于前人的研究成果，通过对露天煤矿断层走向与工作线布置的位置关系及工作帮推进方式进行分析，构建了过断层工作帮推进模型，建立了工作线长度、断层主要几何要素、工作线与断层走向夹角和生产剥采比之间的数学关系。重点研究不同类型断层工作线长度计算方法、工作线相交于断层走向推进时生产剥采比的变化规律，并以胜利西二号露天煤矿为工程实例进行优化分析。

1 断层概述及工作帮过断层方式分析

1.1 断层概述

断层是被断裂面分割成两部分的岩层或岩体沿破裂面发生明显相对位移的一种断裂结构。断层发育广泛，是地壳中最重要的构造类型之一，其规模变化很大。断层规模不同，其影响程度也不同。大型断层通常构成区域地质格架，不仅控制区域地质的结构和演化，还控制和影响区域成矿作用；中小型断层常常直接决定某些矿床和矿体的形状，影响矿产资源的赋存，进而影响矿产资源的开发和矿井建设[21]。

相对于褶皱和节理，断层对露天矿生产的影响较为严重。由于断层破坏了煤层的连续性和完整性。致使露天矿生产剥采比、采剥运距发生大幅度变化，剥排关系复杂化，生产成本增加，严重影响露天矿产能的稳定接续和企业经济效益。

露天矿工作帮在推进过程中遇到断层时，工作帮与断层的相对位置关系并不固定，此外受帮坡角和经济合理剥采比影响，使得露天矿工作帮过断层及断层区域煤层回采具有多种方式。

1.2 工作线与断层走向平行

采煤工作线平行于断层走向布置时，由于断层导致的煤层错断，使得工作帮在推进的过程中会出现煤层突然缺失或者重复现象。当煤层缺失时，剥采比急剧增大，需要进行超前剥离或采用组合台阶方式来调整生产剥采比，使其小于经济合理剥采比。若上述方式依然无法满足生产剥采比小于经济合理剥采比的原则，则只能采取过断层期间降低产能的方式，即通过减小推进度或者缩短采煤工作线长度实现；煤层重复时，剥采比减小，为了保证产能的稳定及生产剥采比的平稳变化通常采取减小推进度的方式；上述情况的出现均不利于设备能力及设备效率的发挥。

露天矿过断层开采期间，在保证边坡安全稳定的前提下，以开采断层煤的生产剥采比小于经济合理剥采比为原则，最大限度回收受断层影响的煤炭资源，使经济效益最大化。当回收断层区域煤炭资源剥采比大于经济合理剥采比时，保留断层面并留设煤柱，如图1 所示；当回收断层区域煤炭剥采比小于经济合理剥采比时，破坏断层面，将受断层影响煤炭全部采出，如图2 所示。

图1 留煤柱过断层示意Fig.1 Schematic diagram of retain coal pillars through faults

图2 原煤全部回采过断层示意Fig.2 Schematic diagram of all raw coal mining through faults

1.3 工作线与断层走向相交

工作线与断层走向相交时，煤层相对位置固定，断层区域煤炭回收方式与工作线平行断层走向布置时回收方式相同，分别为保留断层面留设煤柱和破坏断层面将受断层影响煤炭全部采出。

1）工作线与断层走向正交。当工作线与断层走向正交时，如图3 所示。工作帮在向前推进的过程中，断层上、下盘工作线长度基本固定，生产剥采比变化稳定。2）工作线与断层走向斜交。当工作线与断层走向斜交时，如图4 所示。工作帮在向前推进的过程中，断层上、下盘工作线长度呈线性变化，剥采比与断层上、下盘采剥工作线长度呈固定的函数关系。此外，生产剥采比的变化还受工作线与断层走向的相对位置即采剥工作线与断层走向夹角影响。

图3 工作线正交断层走向示意（留煤柱过正断层）Fig.3 Schematic diagram of orthogonality between working line and fault strike (reserved coal pillar passes through normal fault)

图4 工作线斜交断层走向示意（留煤柱过正断层）Fig.4 Schematic diagram of oblique intersection between the working line and fault strike (reserved coal pillar passes through normal fault)

重点对工作线与断层走向斜交时断层上（下）盘采剥工作线长度、工作线与断层走向夹角和生产剥采比之间的关系进行研究。

2 工作帮相交断层推进分析

2.1 工作帮相交断层推进工程模型

为了揭示采剥工作线布置方向与断层走向相交时生产剥采比随着工作帮推进时的变化规律，建立了工作帮沿断层推进工程模型。假设可采煤层1 层，煤层倾角为θ，厚度为h。断层类型为倾向断层，即煤层倾向与断层走向一致。断面倾角为λ，断层落差为hl，端帮帮坡角为β，工作线与断层走向夹角为ω（0°＜ω≤90°），断面倾角大于端帮帮坡角。工程位置模型如图5 所示。

图5 工作帮斜交过断层工程模型（以正断层为例）Fig.5 Engineering model of working slope oblique to fault (taking normal fault as an example)

2.2 工作帮推进过程中生产剥采比变化规律分析

生产剥采比是露天矿在一定生产时期剥离的岩石和采出的矿石的比值，是露天矿在实际生产过程中的一项非常重要的指标，它是决定露天矿剥岩总量、基建投资和生产成本的重要因素[22]。生产剥采比不仅受煤层赋存状况、地形条件的影响，还受到开采技术及开拓、开采程序的影响。因此，露天矿在生产过程中常通过调整开采参数和开采程序来达到均衡生产剥采比的目的。

2.2.1工作线长度计算

目前露天煤矿工作线长度主要通过以下2 种方式确定：①通过分析露天煤矿在一定生产能力情况下工作线长度与推进速度的关系，计算出技术可行的工作线长度；分析在目标产能下露天矿剥离总费用与工作线长度的关系，计算出经济合理的工作线长度。最终确定满足生产能力时剥离总费用最小的工作线长度即为露天煤矿合理的工作线长度[23-25]。②利用计算机辅助设计系统构建三维地质模型及开采模型，选取不同工作线长度布置方案进行模拟开采，对比分析不同工作线长度开采时的技术、经济指标，综合确定露天煤矿合理工作线长度[26]。

实际上露天煤矿在生产过程中，由于开采工艺、设备和开采条件的限制，年推进度是基本固定的。在生产能力确定的情况下，其采煤工作线也基本为定值。因此，工作线长度可按式（1）计算：

式中：Lm为采煤工作线长度（取1/2 煤层厚度处），m；Ap为露天矿年生产能力，t/a；v为年推进速度，m/a；γ为原煤密度，t/m3；μ为采出率，%。

1）工作帮沿断层走向推进时，采煤工作线分为上盘工作线和下盘工作线，当断层区域留煤柱回采时，工作线长度受断层上、下盘采煤工作线长度、断层平错和留设煤柱长度影响，如图6 所示。分析几何关系可得留煤柱情况下：

图6 留断层煤柱工作线长度计算Fig.6 Calculation of working line length of coal pillar in reserved fault

正断层工作线长度为

逆断层工作线长度为

其中

式中，L为工作线长度，m；Ls为断层上盘采煤工作线长度，m；Lx为断层下盘采煤工作线长度，m；lp为断层平错，m；lp′为断层视平错，m；Lz为留设煤柱长度，m。

2）当断层区域煤层可全部回采时，工作线长度仅受断层上、下盘采煤工作线长度及断层平错影响。因此：

正断层工作线长度为

逆断层工作线长度为

由上述分析可知，采煤工作线长度由断层上、下盘2 部分工作线长度构成，且工作线长度随断层落差、断面倾角及工作线与断层夹角变化而变化。

2.2.2 生产剥采比计算分析

以工作线布置方向为x轴，工作帮推进方向为y轴，垂直于x-y平面为z轴，建立空间坐标系，如图7所示。设x轴正方向为断面倾向，假定地表水平。依据建立的空间直角坐标系和工作帮沿断层推进断面图，计算工作帮推进过程中各位置的断面剥采比，即生产剥采比。

图7 空间直角坐标系示意（留煤柱过正断层）Fig.7 Schematic diagram of space rectangular coordinate system (reserved coal pillar passes through normal fault)

1）断面剥离量计算。依据断面图中几何关系分析可得，工作帮推进过程断层区域原煤全部回采时（图8）断面剥离量计算如下：

图8 断层煤全部回采断面剥离量计算示意Fig.8 Schematic diagram of calculation of section stripping amount when fault coal is fully mined

正断层：

其中：

式中：V为断面剥离量，m3/m；H为地表至断层上升盘开采深度，m；λ＇为断面视倾角，（°），当工作线方向与断层走向正交时λ＇=λ。

逆断层：

工作帮推进过程中断层区域煤层无法全部回采而留设煤柱时（图9），断面剥离量计算如下：

图9 留煤柱回采断面剥离量计算示意Fig.9 Schematic diagram of calculation of section stripping amount during mining of retained coal pillar

正断层：

逆断层：

当断面视倾角小于端帮帮坡角时（图10），正断层不存在断层区域留设断层煤柱情况。断层上升盘下部岩层无需进行剥离，而逆断层仍需考虑是否留设煤柱情况。正断层情况下断面剥离量计算如下：

图10 断面视倾角小于端帮角断面剥离量计算示意Fig.10 Calculation diagram of section stripping amount when section apparent inclination is less than end slope angle

2）断面煤量计算。工作帮沿断层走向推进时，断面煤量仅与煤层可采工作线长度有关，即断面煤量为除去留设断层煤柱的原煤量。计算如式（14）：

式中：P为断面煤量，t/m。

工作帮沿断层走向推进过程中，开采深度，断层上、下盘工作线长度随着工程位置的改变始终发生变化。

当工作线与断层走向正交时，仅开采深度发生变化。具体变化关系可用下式表达。

式中：Hc为初始工程位置时地表至断层上升盘的深度，m；l为工作帮推进距离，m。

当工作线与断层走向斜交时有：

其中

式中：θ′为工作线与断层走向斜交时煤层视倾角，（°）；Ld为断层走向长度，m。

令Lsc、Lxc分别为初始工程位置的断层上、下盘采煤工作线长度，0

3）剥采比计算。生产剥采比可看作工作帮推进单位距离时的剥离量与原煤量之比。根据已建立的空间直角坐标系，现将工作帮推进过程中生产剥采比变化定义如下：

式中，ns为推进到任意工程位置的生产剥采比，m3/t。

令ns=f(Lsc,ω,l)或ns=f(Lxc,ω,l)，当工作线正交于断层走向布置时有 λ′=λ、lp′=lp、θ′=θ，断层上、下盘采煤工作线长度在工作帮沿断层走向推进的过程中不发生变化。此时ns=f(Lsc,l)或ns=f(Lxc,l)，且满足Ls=Lsc，Lx=Lxc。绘制ns函数图像如图11 所示。

图11 工作线正交断层走向时生产剥采比变化规律Fig.11 Variation law of production stripping ratio when working line is orthogonal to fault strike

分析函数图像可知，当工作线与断层走向正交时，生产剥采比与推进距离呈正相关关系。断层下降盘采煤工作线长度越大，初始生产剥采比越大。因此，在实际生产过程中应调整断层上、下盘采剥工作线长度，以使生产剥采比小于经济合理剥采比。

当工作线斜交于断层走向布置时，断层上、下盘采煤工作线长度在工作帮推进过程中始终发生变化。此时ns=f(Lsc,ω,l)或ns=f(Lxc,ω,l)，Ls和Lx随着工作帮在断层区域推进的变化情况见式（18）。此时ns为关于Lsc（Lxc）、ω、l的多元函数，为了更好地揭示工作线与断层走向夹角以及初始上、下盘采煤工作线长度发生变化时生产剥采比随着工作帮推进的变化规律。通过设定工作线与断层走向夹角值ω，进而分析在不同初始上、下盘采煤工作线长度情况下生产剥采比随着工作帮推进的变化规律。

由于工作帮在推进过程中受断层走向延伸距离的影响，因此工作线与断层走向夹角不同时，工作帮沿断层区域推进距离也不同，致使ω发生变化时，l的取值范围也会随之发生变化。为了消除在不同ω时，l取值变化范围不一致的情况，需要对l取值进行归一化处理，使其去量纲化，进而将l的取值映射在y轴上（0，1）区间内。采用常用的min-max 归一化方法对l的取值进行处理，min-max 归一化原理如式（20）：

对于l，归一化处理后的lnew如式（21）所示：

设Lsc、Lxc的单位变化量为ΔL，ω的单位变化量为Δω。则断面初始生产剥采比随Lsc(Lxc)、ω增加时变化规律如图12 所示。

图12 初始生产剥采比与Lsc(Lxc)、ω 关系Fig.12 Diagram of relationship between initial production stripping ratio and Lsc(Lxc)、ω

为了更加直观地表示ω对生产剥采比变化规律的影响，绘制ω不同时生产剥采比随着断层初始上升盘采剥工作线长度和推进距离变化的图像（其中ω1<ω2＜ω3），如图13 所示。由图12、13 可知：ω越小时，初始生产剥采比越大，且生产剥采比增长越快。

图13 ω 取值不同时生产剥采比变化规律Fig.13 Variation law of production stripping ratio with different ω values

分析上述图像可得：工作帮斜交于断层走向推进时，断面初始生产剥采比与断层初始上升盘工作线长度、工作线与断层走向夹角呈负相关关系，且工作线与断层走向夹角越小，单位推进距离内生产剥采比的变化量越大，即生产剥采比变化越剧烈。

综上所述：笔者认为露天煤矿工作帮相交断层推进时应满足以下原则：

1）工作帮推进过断层期间生产剥采比小于经济合理剥采比，即ns

2）工作帮与断层走向夹角ω应尽可能大，且不大于实际开采可以实现的最大夹角值ωmax。

3）断层上、下盘采剥工作线长度应不小于设备作业、走行、调配所需的最小工作线长度Lzd，即Ls>Lzd且Lx>Lzd。

因此，工作帮在推进到断层区域时应及时调整工作帮进入断层时上、下盘采剥工作线长度以及尽量保证工作帮垂直断层走向或与断层走向保持较大夹角推进，避免工作线与断层走向夹角过小或者工作帮平行断层走向推进，从而确保工作帮过断层期间生产剥采比变化平稳且满足经济合理剥采比要求。

利用计算机编程可实现工作帮过断层参数的枚举及自动循环判断，进而确定出满足剥采比条件及工作线长度条件的最优工作帮过断层参数，如图14所示。

图14 最优工作帮过断层参数确定流程Fig.14 Determination process of optimal parameters of working slope through fault

3 工程实例

胜利西二号露天煤矿位于内蒙古自治区锡林郭勒盟锡林浩特市西北部宝力根(胜利)苏木境内，设计规模10.0 Mt/a。采煤工艺为：单斗-卡车-地面半固定破碎站半连续工艺，剥离为单斗-卡车间断工艺。境界内地层总体走向NW，倾向NE，为产状平缓的单斜构造。境界内发育多条断层，其中F13 正断层位置如图15 所示。开采境界内6 号煤层全区发育，为主采煤层。6 号煤层平均可采厚度19.25 m，煤层沿断层走向水平赋存。采煤工作线长度为2 km，开采深度为180 m，端帮帮坡角为25°。原煤售价200.54 元/t，剥离成本5.83 元/m3，采煤总成本62.69元/t。工作帮按现行推进方式推进至首采区北部境界之后向东转向进入二采区时会出现工作线与F13断层走向平行的情况，对露天矿的生产接续极为不利。因此，需要提前规划设计工作线布置方式及进入断层时的参数，以保证生产的稳定接续。F13 正断层各要素参数如下：

图15 胜利西二号露天矿采场现状及F13 断层位置Fig.15 Current situation of the stope of Shengli West No.2 open-pit mine and the location of F13 fault

依据《煤炭工业露天矿设计规范（2015）》：当采用卡车运输时，单斗挖掘机的工作线长度不宜小于300 m[27]。采用价格法计算胜利西二号露天煤矿的经济合理剥采比为23.645 m3/t。计算过程如下：

式中：Dl为露天开采原煤售价，元/t；a0为露天开采原煤成本，元/t；b0为露天剥离成本，元/m3。

根据上述参数建立工作帮沿断层推进工程模型并进行断层区域原煤回采可行性分析，计算出断层区域原煤全部回采时剥采比为1.08 m3/t。因此工作帮在断层区域推进时不需要留设断层煤柱。

西二号露天煤矿采煤工作线与F13 断层正交时，工作帮在推进过程中不利于采区转向。因此工作线布置方向与现状工作线方向相同为由东向西布置，即与断层走向夹角为70°，则工作帮在断层区域推进距离为1 409.54 m。采用上述分析方法可得出满足经济合理剥采比及工作线长度要求的初始下盘采煤工作线长度为815～2 000 m。考虑东帮扩帮作业工程量及断层上盘最小采煤工作线长度等因素，最终确定工作帮过断层初始下盘采煤工作线长度为1 700 m。工作帮沿断层走向推进时，初始上盘采煤工作线长度为300 m，最小下盘采煤工作线长度为1 187 m，均满足设备作业、走行、调配所需的最小工作线长度要求，且保证了工作帮在向北推进进入断层区域时，东帮扩帮作业工程量最小。