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的地质构造，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。面对如此复杂的地质条件，若开采方式选择不当，会造成资源浪费、煤炭裸露自燃，污染环境，影响边坡稳定，且与露天煤矿绿色开采相违背。因此，过断层开采应尽可能多地回收受断层影响的资源，对提高矿山资源回收率、增加经济效益、保护矿山环境具有重要意义。

近年来，针对复杂地质构造条件下采区划分及生产能力接续已成为不少学者研究的热点，并取得了一定的研究成果。2012年曹博等^[1]针对逆断层、背斜等复杂地质构造条件建立三维模型，研究采区转向过渡方式的优化选择并通过安家岭露天矿进行实例验证。2014年，赵洪泽等^{[2, 7]}提出采用双坑配采动态调整生产剥采比的方法，并进行了相应的理论研究与实例分析。目前，已有的研究侧重于采用改变开采程序或开采参数来调整剥采比，针对过断层区域的开采方式优化选择及生产能力接续定量分析尚未涉及^[1-4]。因此，笔者主要研究露天矿过断层期间开采方式优化选择、剥采比控制及生产能力接续等一系列问题，即通过建立剥采比与断层落差、产状及煤层厚度数学模型，研究不同煤柱留设宽度对边坡稳定的影响；分析矿山工程发展速度与同时采煤台阶数的关系；计算确定过断层期间保证矿山工程平稳过渡接续的动态降深速度和生产能力接续方式等问题。

1 过断层开采方式

露天矿过断层开采期间，在保证边坡稳定的前提下，以开采断层煤的生产剥采比不大于经济剥采比为原则，最大限度回收受断层影响的煤炭，使经济效益最大化。过断层开采方式有两种：一是将受断层影响的煤炭全部采出，此时需多剥离一部分岩石，称为多剥离方式，如图 1(a、b)所示。二是留一部分断层煤柱，称为留煤柱方式，如图 2(a、b)所示。多剥离方式有利于提高矿田内资源回收率，留煤柱方式可减少境界内剥离量。

2 过断层剥采比数学模型构建

为了尽可能多的回收受断层影响的煤炭，以开采断层煤的生产剥采比不大于经济剥采比为原则^[5-7]，确定合理的过断层开采方式。因此，首要研究多剥离方式下，生产剥采比与断层倾角、台阶坡面角、最终帮坡角的关系，建立数学模型，分别计算开采正、逆断层煤产生的多剥离量及煤量。

2.1 多剥离量计算

1) 正断层：若断层倾角大于台阶坡面角，如图 3(a)所示，则多剥离量为

$\vartriangle {{V}_{1}}=\sum\limits_{i=1}^{n}{{{A}_{i}}},$

(1)

式中：${{A}_{0}}=\frac{{{H}^{2}}}{2}\left( \cot \gamma-\cot \beta \right)$；${{A}_{1}}=\frac{1}{2}{{H}^{2}}\left[\cot \beta-\cot \alpha \right]$；${{A}_{2}}=\left[B+H\left( \cot \beta-\cot \alpha \right) \right]H+\frac{1}{2}{{H}^{2}}\left( \cot \beta -\cot \alpha \right)$; ${{A}_{3}}=2\left[B+H\left( \cot \beta-\cot \alpha \right) \right]H+\frac{1}{2}{{H}^{2}}\left( \cot \beta -\cot \alpha \right)$; ${{A}_{n}}=\left( n-1 \right)\left[B+H\left( \cot \beta-\cot \alpha \right) \right]H+\frac{1}{2}{{H}^{2}}\left( \cot \beta -\cot \alpha \right)$。

则：

$\begin{matrix} \vartriangle {{V}_{1}}=\sum\limits_{i=0}^{n}{{{A}_{i}}}=\frac{1}{2}n\left( n-1 \right)\left[B+H\left( \cot \beta-\cot \alpha \right) \right]H+ \\ \frac{1}{2}n{{H}^{2}}\left( \cot \beta -\cot \alpha \right)+\frac{{{H}^{2}}}{2}\left( \cot \gamma -\cot \beta \right)\left( n=0, 1, 2\ldots \right)。 \\ \end{matrix}$

(2)

2) 正断层，若断层倾角小于台阶坡面角大于最终帮坡角，如图 3(b)所示，则多剥离量为

$\vartriangle {{V}_{2}}=\sum\limits_{i=1}^{n}{{{A}_{i}}},$

(3)

式中：${{A}_{0}}=\frac{{{H}^{2}}}{2}\left( \cot \gamma-\cot \beta \right)$；${{A}_{1}}=\frac{1}{2}H\left[2B+\left( \cot \beta-\cot \alpha \right)H \right]$；${{A}_{2}}=\frac{1}{2}H\left[4B+3\left( \cot \beta-\cot \alpha \right)H \right]$。

则：

$\begin{matrix} \vartriangle {{V}_{2}}=\sum\limits_{i=0}^{n}{{{A}_{i}}}=\frac{1}{2}H\left[n\left( n+1 \right)B+{{n}^{2}}\left( \cot \beta-\cot \alpha \right)H \right]+ \\ \frac{{{H}^{2}}}{2}\left( \cot \gamma -\cot \beta \right)\left( n=0, 1, 2\ldots \right)。 \\ \end{matrix}$

(4)

3) 正断层：若断层倾角小于最终帮坡角，多剥离量计算结果与2)相同。

4) 逆断层：如图 3(c)所示，则多剥离量为

$\vartriangle {{V}_{3}}=\sum\limits_{i=1}^{n}{{{A}_{i}}},$

(5)

式中：${{A}_{0}}=\frac{{{H}^{2}}}{2}\left( \cot \gamma-\cot \beta \right)$；${{A}_{1}}=\frac{{{H}^{2}}}{2}\left( \cot \alpha +\cot \beta \right)$；${{A}_{2}}=\left[B+H\left( \cot \alpha +\cot \beta \right) \right]H+\frac{{{H}^{2}}}{2}\left( \cot \alpha +\cot \beta \right)$；${{A}_{3}}=2\left[B+H\left( \cot \alpha +\cot \beta \right) \right]H+\frac{{{H}^{2}}}{2}\left( \cot \alpha +\cot \beta \right)$；${{A}_{n}}=\left( n-1 \right)\left[B+H\left( \cot \alpha +\cot \beta \right) \right]H+\frac{{{H}^{2}}}{2}\left( \cot \alpha +\cot \beta \right)$。

则：

$\begin{align} & \vartriangle {{V}_{3}}=\sum\limits_{i=0}^{n}{{{A}_{i}}}=\frac{n\left( n-1 \right)}{2}\left[B+\left( \cot \beta +\cot \alpha \right)H \right]H+ \\ & \frac{n}{2}{{H}^{2}}\left( \cot \alpha +\cot \beta \right)+\frac{{{H}^{2}}}{2}\left( \cot \gamma -\cot \beta \right)\left( n=0, 1, 2\ldots \right)。 \\ \end{align}$

(6)

2.2 煤量计算

多剥离方式下，过正断层与逆断层，回收煤量为一定值ΔP_煤，如图 3(d)所示。

$\begin{matrix} \vartriangle {{P}_{煤}}=\left( n-1 \right)\left[B+H\left( \cot \beta-\cot \alpha \right) \right]H+\frac{m}{2}{{H}^{2}}\left( \cot \beta -\cot \alpha \right)+ \\ \frac{{{H}^{2}}}{2}\left( \cot \gamma -\cot \beta \right)\left( n=0, 1, 2\ldots, m=1, 2, 3\ldots \right)。 \\ \end{matrix}$

(7)

2.3 过断层剥采比

通过上述分析可知，过断层剥采比与断层落差、台阶坡面角、煤层倾角成正比，与煤层厚度、断层倾角成反比。当开采断层煤时：

若n=(V+ΔV_断层岩)/(P+ΔP_断层煤)≤n_j，保证过断层期间边坡稳定的前提下，采用多剥离方式；

若n=(V+ΔV_断层岩)/(P+ΔP_断层煤)≥n_j，需根据不同位置的落差与煤层厚度关系，确定出合理的煤柱留设宽度。

3 实例研究

胜利东二号露天矿开采境界内主采煤层为4煤、5煤和6煤，平均厚度分别为10.51、30.66和61.43 m，属于厚煤层，煤层倾角5~8°，局部12°。目前，剥离采用单斗-卡车间断工艺，采煤采用单斗-卡车-半固定破碎站半连续工艺。首采区在向西向北推进过程中，进入F₆₁正断层影响区域，该断层落差30~72 m，倾角57°，如图 4所示。受断层影响，煤层上覆剥离物厚度增大，采深增大，剥采比增大，运距增加，生产成本急剧增加。因此，过断层期间边坡稳定、剥采比控制及生产能力接续是该矿亟待解决的问题。

3.1 南帮边坡稳定性分析

由于南帮F₆₁正断层落差较大，不利于边坡稳定，并且其边坡角度直接影响过断层开采方式的选取。因此，有必要对过断层期间南帮边坡的稳定性进行研究，确定其合理、稳定的边坡角度^[8]。应用FLAC软件，计算了不同煤柱留设宽度、不同边坡角度情况下的南帮边坡稳定性，计算结果如图 5所示。

由图 5可知：将断层煤全部采出时，由于断层被大部分清理掉且煤层顶板的软弱岩层范围较小，稳定帮坡角为18°。当煤柱宽度范围在100~150 m时，南帮边坡受断层和弱层的影响较大，稳定帮坡角降低到16°。当煤柱宽度大于150 m时，断层对边坡稳定性影响较小。

3.2 过断层开采方式的确定

为了尽可能多的回收断层煤，优先考虑采用多剥离方式回收受断层影响的煤炭。多剥离方式下的多剥离量和煤量可根据公式(3)、(7)计算，具体参数选取及计算结果如表 1所示。

按照纯剥离成本15.7元/m³、纯采煤成本16.5元/t、煤炭销售价格85元/t计算，多剥离方式下的纯剥离成本3 264.03万元，纯采煤成本5 209.05万元，煤炭销售26 834.50万元。多剥离方式盈利18 361.42万元。因此，过断层期间采用多剥离方式。

3.3 过断层期间生产能力接续

露天矿生产能力取决于矿山工程的水平推进速度、垂直延深速度及可能同时布置的采矿工作面数，而三者之间又存在着相互制约关系^[9-13]。

3.3.1 延深速度与水平推进速度的关系

矿山工程的垂直延深速度v_y与工作台阶水平推进速度v_t成正比，其关系式为

${{v}_{y}}=\frac{{{v}_{t}}}{\cot \alpha +\cot \beta },$

(8)

式中：α为工作帮坡角，12°；β为延深方向与水平面夹角，18°。

按工作帮水平推进速度200 m/a计算，胜利东二号露天矿降深速度为25.7 m/a。

3.3.2 延深速度与同时布置采矿工作面数的关系

露天矿生产能力也取决于可能同时布置的采矿工作面数，对于单一煤层而言(图 6)，可能同时工作的采煤台阶数可按式(9)计算^[14]

$n=\frac{N}{b+{{h}_{\text{t}}}\cot {{\alpha }_{\text{t}}}}=\frac{m}{\left( 1+\tan \varphi \cot \alpha \right)\left( b+{{h}_{\text{t}}}\cot {{\alpha }_{\text{t}}} \right)}。$

(9)

过断层期间，为保证露天矿产量要求，其降深速度取相邻两年同时作业台阶的高差与v_y之间的最大值，即两者间存在如下关系

${{{{v}'}}_{y}}=\max \left( \vartriangle n\cdot {{h}_{\text{t}}}, {{v}_{y}} \right),$

(10)

式中：v_y^′为露天矿过断层期间垂直降深速度。

胜利东二号露天矿2014年、2015年计划产量分别为8.0 Mt和12.0 Mt，通过计算，同时工作的采煤台阶数分别为3个和5.5个。因此，2015年需增加2.5个采煤台阶，降深37.5 m。根据式(10)可知，2015年需要超前降深11.8 m。

3.3.3 超前降深方式优化

实现超前降深，有两种途径：一是采用超前剥离方式^[15-16]，准备出新水平开拓条件；二是采用组合台阶方式，提高工作帮坡角，达到超前降深条件。两开采方式如图 7所示。

1) 超前剥离方式。为满足生产能力接续要求，采用超前剥离方式，为实现降深37.5 m，水平推进速度应达到250 m，工作帮坡角12°，生产剥采比为6.83 m³/t。

2) 组合台阶方式。采用组合台阶开采方式时，工作帮煤台阶采用3组70、40 m组合形式，采煤台阶工作帮坡角15°，整体工作帮坡角13°，水平推进速度200 m，生产剥采比5.5 m³/t。

通过表 2的煤岩量及生产剥采比对比分析，胜利东二号露天矿在过F₆₁断层期间，采用组合台阶提高采煤台阶工作帮坡角，实现超前降深方式，保证了生产能力接续，并有效降低了生产剥采比。

4 结论

1) 露天煤矿过断层开采可采用多剥离方式与留煤柱方式；过断层期间，在确保边坡稳定的前提下，应尽可能多地回收断层煤，提高矿山资源回收率。

2) 厚煤层露天矿过断层开采，剥采比与断层落差、台阶坡面角、煤层倾角成正比；与煤层厚度、断层倾角成反比，并以剥采比不大于经济剥采比为原则，确保经济效益。

3) 以胜利东二号露天矿过F₆₁断层为例，分析了南帮边坡的稳定性。随着断层煤柱留设宽度的增加，边坡稳定性逐渐降低，合理帮坡角由18°降低到16°。当煤柱宽度超过150 m时，断层对边坡稳定性影响较小。

4) 胜利东二号露天矿过F₆₁断层期间采用多剥离方式，多回收煤炭3.157×10⁶ t，盈利18 361.42万元，经济效益显著。采用组合台阶方式提高工作帮坡角，有效地控制了剥离洪峰的提前到来，保证了过断层期间生产能力的接续。