劉光偉 ，黃云龍 ，曹 博 ，王 亮 ，趙美玲

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

0 引 言

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

目前，已開(kāi)發(fā)的大型露天礦山在采場(chǎng)范圍內(nèi)均不同程度的存在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造，尤其是斷層的出現(xiàn)，露天礦在推進(jìn)至其影響區(qū)域時(shí)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(duì)露天礦在開(kāi)采過(guò)程中遇到斷層致使礦山地質(zhì)條件及開(kāi)采條件復(fù)雜化的情況，若開(kāi)采方式選擇不當(dāng)或者不能及時(shí)調(diào)整開(kāi)采程序，將會(huì)造成開(kāi)采難度加大、邊坡穩(wěn)定性下降、礦產(chǎn)資源浪費(fèi)、產(chǎn)能接續(xù)困難，甚至是礦山提前關(guān)停等嚴(yán)重后果。因此，選擇合理的工作幫過(guò)斷層方式及開(kāi)采程序?qū)τ谔岣邤鄬訁^(qū)域資源采出率，增加礦山企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義[3-5]。

圍繞煤礦在生產(chǎn)過(guò)程中遇到斷層時(shí)產(chǎn)生相關(guān)問(wèn)題的研究，井工開(kāi)采涉及較多且主要集中于工作面過(guò)斷層圍巖力學(xué)特性及失穩(wěn)機(jī)制[6-7]、采掘工作面及巷道過(guò)斷層技術(shù)[8-11]、工作面或巷道過(guò)斷層支護(hù)及加固技術(shù)[12-15]等方面。露天開(kāi)采大部分針對(duì)含斷層邊坡破壞特征和邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究[16-18]，而對(duì)于工作幫過(guò)斷層開(kāi)采方式、開(kāi)采程序優(yōu)化，重點(diǎn)研究了工作幫在斷層傾向方向上推進(jìn)時(shí)的產(chǎn)能過(guò)渡接續(xù)優(yōu)化[19-20]。針對(duì)不同斷層類型、工作幫以不同方式過(guò)斷層時(shí)的剝采比控制定量分析相關(guān)研究較少，且最優(yōu)工作幫過(guò)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(guò)對(duì)露天煤礦斷層走向與工作線布置的位置關(guān)系及工作幫推進(jìn)方式進(jìn)行分析，構(gòu)建了過(guò)斷層工作幫推進(jìn)模型，建立了工作線長(zhǎng)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(xué)關(guān)系。重點(diǎn)研究不同類型斷層工作線長(zhǎng)度計(jì)算方法、工作線相交于斷層走向推進(jìn)時(shí)生產(chǎn)剝采比的變化規(guī)律，并以勝利西二號(hào)露天煤礦為工程實(shí)例進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 斷層概述及工作幫過(guò)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(duì)位移的一種斷裂結(jié)構(gòu)。斷層發(fā)育廣泛，是地殼中最重要的構(gòu)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(gòu)成區(qū)域地質(zhì)格架，不僅控制區(qū)域地質(zhì)的結(jié)構(gòu)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(jìn)而影響礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)和礦井建設(shè)[21]。

相對(duì)于褶皺和節(jié)理，斷層對(duì)露天礦生產(chǎn)的影響較為嚴(yán)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(yùn)距發(fā)生大幅度變化，剝排關(guān)系復(fù)雜化，生產(chǎn)成本增加，嚴(yán)重影響露天礦產(chǎn)能的穩(wěn)定接續(xù)和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

露天礦工作幫在推進(jìn)過(guò)程中遇到斷層時(shí)，工作幫與斷層的相對(duì)位置關(guān)系并不固定，此外受幫坡角和經(jīng)濟(jì)合理剝采比影響，使得露天礦工作幫過(guò)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(shí)，由于斷層導(dǎo)致的煤層錯(cuò)斷，使得工作幫在推進(jìn)的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)煤層突然缺失或者重復(fù)現(xiàn)象。當(dāng)煤層缺失時(shí)，剝采比急劇增大，需要進(jìn)行超前剝離或采用組合臺(tái)階方式來(lái)調(diào)整生產(chǎn)剝采比，使其小于經(jīng)濟(jì)合理剝采比。若上述方式依然無(wú)法滿足生產(chǎn)剝采比小于經(jīng)濟(jì)合理剝采比的原則，則只能采取過(guò)斷層期間降低產(chǎn)能的方式，即通過(guò)減小推進(jìn)度或者縮短采煤工作線長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)；煤層重復(fù)時(shí)，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(jìn)度的方式；上述情況的出現(xiàn)均不利于設(shè)備能力及設(shè)備效率的發(fā)揮。

露天礦過(guò)斷層開(kāi)采期間，在保證邊坡安全穩(wěn)定的前提下，以開(kāi)采斷層煤的生產(chǎn)剝采比小于經(jīng)濟(jì)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(jì)效益最大化。當(dāng)回收斷層區(qū)域煤炭資源剝采比大于經(jīng)濟(jì)合理剝采比時(shí)，保留斷層面并留設(shè)煤柱，如圖1 所示；當(dāng)回收斷層區(qū)域煤炭剝采比小于經(jīng)濟(jì)合理剝采比時(shí)，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(guò)斷層示意Fig.1 Schematic diagram of retain coal pillars through faults

圖2 原煤全部回采過(guò)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(shí)，煤層相對(duì)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(shí)回收方式相同，分別為保留斷層面留設(shè)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(dāng)工作線與斷層走向正交時(shí)，如圖3 所示。工作幫在向前推進(jìn)的過(guò)程中，斷層上、下盤工作線長(zhǎng)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(dāng)工作線與斷層走向斜交時(shí)，如圖4 所示。工作幫在向前推進(jìn)的過(guò)程中，斷層上、下盤工作線長(zhǎng)度呈線性變化，剝采比與斷層上、下盤采剝工作線長(zhǎng)度呈固定的函數(shù)關(guān)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(duì)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(guò)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(guò)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(diǎn)對(duì)工作線與斷層走向斜交時(shí)斷層上（下）盤采剝工作線長(zhǎng)度、工作線與斷層走向夾角和生產(chǎn)剝采比之間的關(guān)系進(jìn)行研究。

2 工作幫相交斷層推進(jìn)分析

2.1 工作幫相交斷層推進(jìn)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(shí)生產(chǎn)剝采比隨著工作幫推進(jìn)時(shí)的變化規(guī)律，建立了工作幫沿?cái)鄬油七M(jìn)工程模型。假設(shè)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(guò)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(jìn)過(guò)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(shí)期剝離的巖石和采出的礦石的比值，是露天礦在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，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(kāi)采技術(shù)及開(kāi)拓、開(kāi)采程序的影響。因此，露天礦在生產(chǎn)過(guò)程中常通過(guò)調(diào)整開(kāi)采參數(shù)和開(kāi)采程序來(lái)達(dá)到均衡生產(chǎn)剝采比的目的。

2.2.1工作線長(zhǎng)度計(jì)算

目前露天煤礦工作線長(zhǎng)度主要通過(guò)以下2 種方式確定：①通過(guò)分析露天煤礦在一定生產(chǎn)能力情況下工作線長(zhǎng)度與推進(jìn)速度的關(guān)系，計(jì)算出技術(shù)可行的工作線長(zhǎng)度；分析在目標(biāo)產(chǎn)能下露天礦剝離總費(fèi)用與工作線長(zhǎng)度的關(guān)系，計(jì)算出經(jīng)濟(jì)合理的工作線長(zhǎng)度。最終確定滿足生產(chǎn)能力時(shí)剝離總費(fèi)用最小的工作線長(zhǎng)度即為露天煤礦合理的工作線長(zhǎng)度[23-25]。②利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建三維地質(zhì)模型及開(kāi)采模型，選取不同工作線長(zhǎng)度布置方案進(jìn)行模擬開(kāi)采，對(duì)比分析不同工作線長(zhǎng)度開(kāi)采時(shí)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，綜合確定露天煤礦合理工作線長(zhǎng)度[26]。

實(shí)際上露天煤礦在生產(chǎn)過(guò)程中，由于開(kāi)采工藝、設(shè)備和開(kāi)采條件的限制，年推進(jìn)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(zhǎng)度可按式（1）計(jì)算：

式中：Lm為采煤工作線長(zhǎng)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(jìn)速度，m/a；γ為原煤密度，t/m3；μ為采出率，%。

1）工作幫沿?cái)鄬幼呦蛲七M(jìn)時(shí)，采煤工作線分為上盤工作線和下盤工作線，當(dāng)斷層區(qū)域留煤柱回采時(shí)，工作線長(zhǎng)度受斷層上、下盤采煤工作線長(zhǎng)度、斷層平錯(cuò)和留設(shè)煤柱長(zhǎng)度影響，如圖6 所示。分析幾何關(guān)系可得留煤柱情況下：

圖6 留斷層煤柱工作線長(zhǎng)度計(jì)算Fig.6 Calculation of working line length of coal pillar in reserved fault

正斷層工作線長(zhǎng)度為

逆斷層工作線長(zhǎng)度為

其中

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

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

正斷層工作線長(zhǎng)度為

逆斷層工作線長(zhǎng)度為

由上述分析可知，采煤工作線長(zhǎng)度由斷層上、下盤2 部分工作線長(zhǎng)度構(gòu)成，且工作線長(zhǎng)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(jì)算分析

以工作線布置方向?yàn)閤軸，工作幫推進(jìn)方向?yàn)閥軸，垂直于x-y平面為z軸，建立空間坐標(biāo)系，如圖7所示。設(shè)x軸正方向?yàn)閿嗝鎯A向，假定地表水平。依據(jù)建立的空間直角坐標(biāo)系和工作幫沿?cái)鄬油七M(jìn)斷面圖，計(jì)算工作幫推進(jìn)過(guò)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(biāo)系示意（留煤柱過(guò)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(jì)算。依據(jù)斷面圖中幾何關(guān)系分析可得，工作幫推進(jìn)過(guò)程斷層區(qū)域原煤全部回采時(shí)（圖8）斷面剝離量計(jì)算如下：

圖8 斷層煤全部回采斷面剝離量計(jì)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(kāi)采深度，m；λ＇為斷面視傾角，（°），當(dāng)工作線方向與斷層走向正交時(shí)λ＇=λ。

逆斷層：

工作幫推進(jìn)過(guò)程中斷層區(qū)域煤層無(wú)法全部回采而留設(shè)煤柱時(shí)（圖9），斷面剝離量計(jì)算如下：

圖9 留煤柱回采斷面剝離量計(jì)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(dāng)斷面視傾角小于端幫幫坡角時(shí)（圖10），正斷層不存在斷層區(qū)域留設(shè)斷層煤柱情況。斷層上升盤下部巖層無(wú)需進(jìn)行剝離，而逆斷層仍需考慮是否留設(shè)煤柱情況。正斷層情況下斷面剝離量計(jì)算如下：

圖10 斷面視傾角小于端幫角斷面剝離量計(jì)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(jì)算。工作幫沿?cái)鄬幼呦蛲七M(jìn)時(shí)，斷面煤量?jī)H與煤層可采工作線長(zhǎng)度有關(guān)，即斷面煤量為除去留設(shè)斷層煤柱的原煤量。計(jì)算如式（14）：

式中：P為斷面煤量，t/m。

工作幫沿?cái)鄬幼呦蛲七M(jìn)過(guò)程中，開(kāi)采深度，斷層上、下盤工作線長(zhǎng)度隨著工程位置的改變始終發(fā)生變化。

當(dāng)工作線與斷層走向正交時(shí)，僅開(kāi)采深度發(fā)生變化。具體變化關(guān)系可用下式表達(dá)。

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

當(dāng)工作線與斷層走向斜交時(shí)有：

其中

式中：θ′為工作線與斷層走向斜交時(shí)煤層視傾角，（°）；Ld為斷層走向長(zhǎng)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(zhǎng)度，0

3）剝采比計(jì)算。生產(chǎn)剝采比可看作工作幫推進(jìn)單位距離時(shí)的剝離量與原煤量之比。根據(jù)已建立的空間直角坐標(biāo)系，現(xiàn)將工作幫推進(jìn)過(guò)程中生產(chǎn)剝采比變化定義如下：

式中，ns為推進(jìn)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(dāng)工作線正交于斷層走向布置時(shí)有 λ′=λ、lp′=lp、θ′=θ，斷層上、下盤采煤工作線長(zhǎng)度在工作幫沿?cái)鄬幼呦蛲七M(jìn)的過(guò)程中不發(fā)生變化。此時(shí)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(shí)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(dāng)工作線與斷層走向正交時(shí)，生產(chǎn)剝采比與推進(jìn)距離呈正相關(guān)關(guān)系。斷層下降盤采煤工作線長(zhǎng)度越大，初始生產(chǎn)剝采比越大。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)調(diào)整斷層上、下盤采剝工作線長(zhǎng)度，以使生產(chǎn)剝采比小于經(jīng)濟(jì)合理剝采比。

當(dāng)工作線斜交于斷層走向布置時(shí)，斷層上、下盤采煤工作線長(zhǎng)度在工作幫推進(jìn)過(guò)程中始終發(fā)生變化。此時(shí)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(jìn)的變化情況見(jiàn)式（18）。此時(shí)ns為關(guān)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(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)生產(chǎn)剝采比隨著工作幫推進(jìn)的變化規(guī)律。通過(guò)設(shè)定工作線與斷層走向夾角值ω，進(jìn)而分析在不同初始上、下盤采煤工作線長(zhǎng)度情況下生產(chǎn)剝采比隨著工作幫推進(jìn)的變化規(guī)律。

由于工作幫在推進(jìn)過(guò)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(shí)，工作幫沿?cái)鄬訁^(qū)域推進(jìn)距離也不同，致使ω發(fā)生變化時(shí)，l的取值范圍也會(huì)隨之發(fā)生變化。為了消除在不同ω時(shí)，l取值變化范圍不一致的情況，需要對(duì)l取值進(jìn)行歸一化處理，使其去量綱化，進(jìn)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(duì)l的取值進(jìn)行處理，min-max 歸一化原理如式（20）：

對(duì)于l，歸一化處理后的lnew如式（21）所示：

設(shè)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(shí)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(guān)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(duì)生產(chǎn)剝采比變化規(guī)律的影響，繪制ω不同時(shí)生產(chǎn)剝采比隨著斷層初始上升盤采剝工作線長(zhǎng)度和推進(jìn)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(shí)，初始生產(chǎn)剝采比越大，且生產(chǎn)剝采比增長(zhǎng)越快。

圖13 ω 取值不同時(shí)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(jìn)時(shí)，斷面初始生產(chǎn)剝采比與斷層初始上升盤工作線長(zhǎng)度、工作線與斷層走向夾角呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且工作線與斷層走向夾角越小，單位推進(jìn)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(rèn)為露天煤礦工作幫相交斷層推進(jìn)時(shí)應(yīng)滿足以下原則：

1）工作幫推進(jìn)過(guò)斷層期間生產(chǎn)剝采比小于經(jīng)濟(jì)合理剝采比，即ns

2）工作幫與斷層走向夾角ω應(yīng)盡可能大，且不大于實(shí)際開(kāi)采可以實(shí)現(xiàn)的最大夾角值ωmax。

3）斷層上、下盤采剝工作線長(zhǎng)度應(yīng)不小于設(shè)備作業(yè)、走行、調(diào)配所需的最小工作線長(zhǎng)度Lzd，即Ls>Lzd且Lx>Lzd。

因此，工作幫在推進(jìn)到斷層區(qū)域時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)整工作幫進(jìn)入斷層時(shí)上、下盤采剝工作線長(zhǎng)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(jìn)，避免工作線與斷層走向夾角過(guò)小或者工作幫平行斷層走向推進(jìn)，從而確保工作幫過(guò)斷層期間生產(chǎn)剝采比變化平穩(wěn)且滿足經(jīng)濟(jì)合理剝采比要求。

利用計(jì)算機(jī)編程可實(shí)現(xiàn)工作幫過(guò)斷層參數(shù)的枚舉及自動(dòng)循環(huán)判斷，進(jìn)而確定出滿足剝采比條件及工作線長(zhǎng)度條件的最優(yōu)工作幫過(guò)斷層參數(shù)，如圖14所示。

圖14 最優(yōu)工作幫過(guò)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(shí)例

勝利西二號(hào)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(shè)計(jì)規(guī)模10.0 Mt/a。采煤工藝為：?jiǎn)味?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(gòu)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(kāi)采境界內(nèi)6 號(hào)煤層全區(qū)發(fā)育，為主采煤層。6 號(hào)煤層平均可采厚度19.25 m，煤層沿?cái)鄬幼呦蛩劫x存。采煤工作線長(zhǎng)度為2 km，開(kāi)采深度為180 m，端幫幫坡角為25°。原煤售價(jià)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(jìn)方式推進(jìn)至首采區(qū)北部境界之后向東轉(zhuǎn)向進(jìn)入二采區(qū)時(shí)會(huì)出現(xiàn)工作線與F13斷層走向平行的情況，對(duì)露天礦的生產(chǎn)接續(xù)極為不利。因此，需要提前規(guī)劃設(shè)計(jì)工作線布置方式及進(jìn)入斷層時(shí)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(hào)露天礦采場(chǎng)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(shè)計(jì)規(guī)范（2015）》：當(dāng)采用卡車運(yùn)輸時(shí)，單斗挖掘機(jī)的工作線長(zhǎng)度不宜小于300 m[27]。采用價(jià)格法計(jì)算勝利西二號(hào)露天煤礦的經(jīng)濟(jì)合理剝采比為23.645 m3/t。計(jì)算過(guò)程如下：

式中：Dl為露天開(kāi)采原煤售價(jià)，元/t；a0為露天開(kāi)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?cái)鄬油七M(jìn)工程模型并進(jìn)行斷層區(qū)域原煤回采可行性分析，計(jì)算出斷層區(qū)域原煤全部回采時(shí)剝采比為1.08 m3/t。因此工作幫在斷層區(qū)域推進(jìn)時(shí)不需要留設(shè)斷層煤柱。

西二號(hào)露天煤礦采煤工作線與F13 斷層正交時(shí)，工作幫在推進(jìn)過(guò)程中不利于采區(qū)轉(zhuǎn)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(jìn)距離為1 409.54 m。采用上述分析方法可得出滿足經(jīng)濟(jì)合理剝采比及工作線長(zhǎng)度要求的初始下盤采煤工作線長(zhǎng)度為815～2 000 m?？紤]東幫擴(kuò)幫作業(yè)工程量及斷層上盤最小采煤工作線長(zhǎng)度等因素，最終確定工作幫過(guò)斷層初始下盤采煤工作線長(zhǎng)度為1 700 m。工作幫沿?cái)鄬幼呦蛲七M(jìn)時(shí)，初始上盤采煤工作線長(zhǎng)度為300 m，最小下盤采煤工作線長(zhǎng)度為1 187 m，均滿足設(shè)備作業(yè)、走行、調(diào)配所需的最小工作線長(zhǎng)度要求，且保證了工作幫在向北推進(jìn)進(jìn)入斷層區(qū)域時(shí)，東幫擴(kuò)幫作業(yè)工程量最小。

4 結(jié) 論

1）工作線與斷層走向相交情況下，工作幫推進(jìn)過(guò)程中生產(chǎn)剝采比受斷層上（下）盤采煤工作線長(zhǎng)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(zhǎng)度、工作線與斷層走向夾角呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2）工作線與斷層走向夾角固定時(shí)，工作幫推進(jìn)過(guò)程中生產(chǎn)剝采比與斷層下降盤工作線長(zhǎng)度呈正相關(guān)關(guān)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(jìn)時(shí)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(zhǎng)度和工作線與斷層走向夾角優(yōu)化確定原則，并通過(guò)計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)工作了幫過(guò)斷層最優(yōu)參數(shù)的選取確定。

4）應(yīng)用上述方法對(duì)勝利西二號(hào)露天煤礦進(jìn)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(shí)可滿足經(jīng)濟(jì)合理剝采比要求、設(shè)備作業(yè)條件以及生產(chǎn)過(guò)渡接續(xù)穩(wěn)定。