斷層煤柱尺寸對地表建筑物影響分析

馬志濤，張云月，張夢寒，徐漢文

(山東科技大學 礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590)

斷層煤柱尺寸對地表建筑物影響分析

馬志濤，張云月，張夢寒，徐漢文

(山東科技大學 礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590)

摘要：由于王樓煤礦二采區(qū)受多斷層影響，采區(qū)上方又有一個村莊，為最大限度地回收資源和降低對上部建筑物的損壞，通過巖體宏觀結(jié)構(gòu)調(diào)查分析及相關(guān)實驗研究提供的巖石力學成果，綜合確定巖體力學參數(shù)；考慮到尺寸效應(yīng)和地質(zhì)構(gòu)造面的影響，利用FLAC3D模擬開采過程中預留不同尺寸斷層保護煤柱，研究地表沉陷及地表建筑物的損壞情況。模擬結(jié)果表明：隨著保護煤柱寬度的增加，地表水平、傾斜變形和曲率都逐漸減小，建筑物的損壞程度也逐漸降低。斷層保護煤柱為25 m時，地表水平變形為2.8 mm/m，傾斜變形為1.9 mm/m，曲率為0.18×10-3/m，符合我國磚混結(jié)構(gòu)建筑物的損壞等級評判標準，能有效避免地面建筑物的損壞。

關(guān)鍵詞：地表沉陷；地表建筑物；斷層煤柱；數(shù)值模擬

采動沉陷過程中,斷層不僅能改變地表沉陷的影響范圍，而且能使地表變形增大[1]。為減小斷層對地表沉陷的影響、降低對地表建筑物的損害影響,必須留設(shè)合理的煤柱?，F(xiàn)有沉陷理論(如概率積分法)基本上都以均勻連續(xù)介質(zhì)假設(shè)作為理論前提，給斷層區(qū)地表沉陷預測和斷層保護煤柱的留設(shè)工作造成了困難[2]。專家學者對斷層保護煤柱留設(shè)做過一些研究,王臨清等[3]根據(jù)保護煤柱留設(shè)角計算保護煤柱范圍；趙華安等[4]根據(jù)應(yīng)力場、位移場和塑性區(qū)演化規(guī)律，提出合理的斷層煤柱留設(shè)尺寸。但是關(guān)于斷層煤柱尺寸對地表建筑物影響的研究則很少。

確定煤柱尺寸的傳統(tǒng)方法有理論計算、相似材料模擬實驗等。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。相比傳統(tǒng)方法,數(shù)值模擬是建立在客觀反映地質(zhì)構(gòu)造原型和模擬煤層開采過程力學效應(yīng)的基礎(chǔ)上，彌補了經(jīng)典沉陷理論的一些缺點[5]。張培森等[6]利用FLAC對斷層界面滑移量的變化規(guī)律進行分析，得到斷層界面垂向滑移量隨斷層傾角增大而增加；李偉等[7]通過模擬圍巖的塑性破壞情況，確定煤柱合理尺寸。需要指出，模型越能客觀反映地質(zhì)條件，就越能準確預計開采引起的地表變形與移動，所以在進行數(shù)值模擬之前，對地質(zhì)構(gòu)造原型的了解、研究和合理的簡化是非常重要的。本研究基于FLAC3D軟件,以王樓煤礦為例,分析預留不同尺寸斷層保護煤柱情況下地表建筑物的損壞情況,從而確定斷層保護煤柱的合理尺寸。該模擬結(jié)果為斷層煤柱的留設(shè)提供了理論依據(jù)，有利于更好地保護地面建筑物。

1地質(zhì)背景及數(shù)值計算模型的建立

王樓煤礦二采區(qū)的可采煤層傾角為0°～10°，平均采深279 m，煤層平均厚度3.1 m。區(qū)內(nèi)西南厚東北薄，屬河流及湖相沉積地層。表土層以粘土為主，厚度為60 m，其他各巖層主要以粉砂巖、細砂巖、中砂巖等為主。王樓井田以近南北向斷層為主，褶曲構(gòu)造不發(fā)育，在南部和北部也發(fā)育有近東西向斷層，區(qū)內(nèi)以斷裂構(gòu)造為主，近南北向斷層伴有附生斷層。本區(qū)的南西部靠邊界斷層附近構(gòu)造偏復雜，其余地段偏簡單。研究區(qū)域主要受3條斷層影響，斷層張開距離很小，傾角50°～65°。其中F12斷層落差為20 m，XF40斷層落差為42 m，XF43斷層落差為38 m。以該區(qū)域作為研究對象，建立區(qū)域二維平面模型，如圖1。并根據(jù)工程地質(zhì)FLAC對斷層的處理方法，采用interface命令進行編制，建立區(qū)域三維數(shù)值計算模型。模型的幾何外形尺寸為1 300 m×1 000 m×400 m，共劃分83 840個六面體單元。此次模擬參數(shù)距地表深度不大，僅考慮自重應(yīng)力場。表面邊界移動量較大，定義為自由邊界，不予約束，底面邊界移動小得多，定義為全約束邊界，左右邊界施加單約束邊界。

圖1　二維平面模型(F12，XF40，XF43為斷層)

2數(shù)值計算參數(shù)的選取

根據(jù)研究區(qū)域地質(zhì)條件和相關(guān)實驗研究提供的巖石力學成果[3-8]，綜合尺寸效應(yīng)和地質(zhì)構(gòu)造面的影響，對實驗所得參數(shù)進行相應(yīng)調(diào)整和簡化，數(shù)值模擬物理力學參數(shù)的選取依據(jù)表土層、煤和巖石和斷層進行分類。

1)表土層物理力學參數(shù)選取

表土層是塑性較強的彈塑性地質(zhì)材料，可產(chǎn)生較大的塑性流動。因此本研究對表土計算采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則。表土層的物理力學參數(shù)如表1。

表1　表土層物理力學參數(shù)

2)巖石與煤層物理力學參數(shù)選取

大量巖石力學實驗證實[8]，巖石破壞后強度有所降低，產(chǎn)生強度弱化現(xiàn)象，虎克-布朗(Hoek-Brown)強度準則能較為準確地反映巖石這一力學特性。故本次模擬對巖石和煤采用Hoek-Brown強度準則，其巖體強度公式為：

(1)

其中：σ1，σ3分別是巖體破壞時的最大和最小主應(yīng)力；Rc為完整巖石的單軸抗壓強度；m，s表示巖體質(zhì)量的兩個無量綱常數(shù)。巖石與煤物理力學參數(shù)見表2。

表2　巖石與煤物理力學參數(shù)

3)斷層物理力學參數(shù)選取

在采動影響下，斷層將在很大程度上影響巖層移動規(guī)律，斷層物理力學參數(shù)見表3。

表3　斷層物理力學參數(shù)

3 地面建筑物損壞等級評判標準

1)建筑物的損壞評判標準

地面建筑物的損壞是地表變形傳遞給建筑物而引起的。在采動過程中，地表產(chǎn)生下沉、傾斜、水平移動和變形，建筑物則隨之產(chǎn)生類似的變形。根據(jù)對我國建筑物下采礦的實際觀測資料分析研究[9]，對于一般磚石結(jié)構(gòu)的建筑物，地表所允許的最大變形及曲率定義為：地表傾斜i=3 mm/m，水平變形ε=2 mm/m，曲率K=0.2×10-3/m。

2)位移與變形的關(guān)系

我國評判建筑物破壞等級的標準是地表傾斜和水平變形值的大小，模擬計算結(jié)果是地表移動量，應(yīng)將模擬計算得到的位移值進行一定計算。傾斜變形為下沉對x的一階導數(shù)，曲率為下沉對x的二階導數(shù)，水平變形為水平移動對x的一階導數(shù)，設(shè)A、B表示開采前、后地面上的兩點，在開采后地表形成了下沉盆地，A變到A'點，B變到B'點，單元出現(xiàn)變形形態(tài)[10]，如圖2。則其單位長度內(nèi)傾斜變形為：

(2)

1—開采前建筑物；2—開采后建筑物；3—地表；4—下沉盆地

其中：WA、WB分別表示A、B兩點地表移動的垂直分量；XA、XB分別表示A、B兩點間的水平距離。

曲率的計算公式為：

(3)

單位長度內(nèi)水平變形為：

(4)

其中：UA、UB分別表示A、B兩點地表移動的水平分量；XA、XB分別表示A、B兩點間的水平距離。

4數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

根據(jù)建立的數(shù)值計算模型，運算達到平衡狀態(tài)，然后模擬煤層開挖使其收斂，采空區(qū)位于區(qū)域X=100～1 200 m，Y=100～900 m。根據(jù)FLAC3D的計算結(jié)果，得到煤層開采后地表下沉云圖(圖3)。將計算結(jié)果運用SURFER繪制地表移動變形等值線，得到煤層開采后地表下沉等值線圖(圖4)。

圖3　煤層開采后地表下沉云圖

圖4　煤層開采后地表下沉等值線圖

由模擬結(jié)果可知，地下煤層的采出，導致地表出現(xiàn)下沉，形成一個沉陷區(qū)(地表移動盆地)，地表下沉中心位置偏離開采區(qū)域中心的上方。經(jīng)過監(jiān)測點數(shù)據(jù)的提取，得到地表最大下沉量為1.64 m。

本研究對在斷層兩側(cè)分別留設(shè)15，20，25，30和35 m煤柱進行數(shù)值模擬。分析不同煤柱尺寸下地表的變形，得到不同尺寸保護煤柱下地表變形曲線圖，如圖5所示。并制成地表最大沉降值及村莊內(nèi)監(jiān)測點的變形值表(表4)。

由圖5可見，隨著保護煤柱寬度的增加，地表水平、傾斜變形和曲率都逐漸減小，當保護煤柱為15 m時，最大下沉值為1.48 m，保護煤柱從15 m增大到35 m，地表最大沉降值逐漸減小，當保護煤柱為35 m時，最大下沉值為0.81 m，地表下沉中心位置向兩側(cè)移動，最后出現(xiàn)了兩個下沉盆地。模擬表明：當斷層保護煤柱為25 m時，水平變形、傾斜變形和曲率分別為2.8 mm/m、1.9 mm/m和0.18×10-3/m，均符合磚混結(jié)構(gòu)建筑物的損壞等級評判標準，能有效保護地面建筑物。圖6給出了保護煤柱為25 m時的地表下沉等值線圖，可見地表出現(xiàn)了兩個下沉盆地，其中左側(cè)盆地最大沉降值為1.02 m，右側(cè)盆地最大沉降值為0.81 m。

圖5　不同尺寸保護煤柱下地表變形曲線圖

預留煤柱尺寸/m地表最大沉降值/mX方向最大水平位移/mY方向最大水平位移/m傾斜變形/(mm/m)水平變形/(mm/m)曲率/(10-3/m)是否符合標準151.480.520.585.72.80.39否201.290.480.503.42.20.26否251.020.390.422.81.90.18是300.810.260.242.21.60.14是350.760.220.121.91.20.12是

圖6　煤柱為25 m地表下沉等值線圖

二采區(qū)工作面開采后，對引起的地表下沉和建筑物房屋受損進行現(xiàn)場觀測，得到左側(cè)下沉盆地為1.12 m，右側(cè)下沉盆地為0.88 mm。區(qū)內(nèi)大部分建筑物裂縫寬度不超過4 mm，多條裂縫的總寬度也不超過10 mm。所以看作I級損壞，不進行維修或者進行簡單維修后仍然可以居住使用。初步證實了數(shù)值模擬預計方法的正確性。

5結(jié)論

1)由于斷層的存在，地表下沉盆地的中心位置即最大位置并不在開采的中心區(qū)域，而是發(fā)生了偏移。當采區(qū)斷層較多時這種影響更加復雜，二采區(qū)地表下沉盆地的中心位置隨保護煤柱尺寸的增加向遠離斷層的方向偏移，最后出現(xiàn)了兩個下沉盆地。

2)隨著保護煤柱尺寸的增大X方向水平移動和Y方向水平移動都逐漸減小，其中沿斷層走向方向(Y方向)的減小速度較傾向(X方向)快，在走向方向影響較大。

3)當開采礦區(qū)含有斷層時，通過數(shù)值模擬研究，能較為準確地通過地表下沉的最大值、水平變形及傾斜變形來確定合理的煤柱尺寸，達到保護地面建筑物的目的。

4)數(shù)值模擬結(jié)果比實際觀測結(jié)果小，因為巖體本身存在著節(jié)理裂隙、斷層伴有復生斷層、采礦爆破振動等影響。目前的巖體力學理論還不能完全解釋采礦所帶來的地壓問題等多種原因，應(yīng)對采動過程中受影響較大的地表建筑物采取一定的防護措施。

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(責任編輯：呂海亮)

Damage Analysis of Fault Pillars of Different Sizes to Surface Buildings

MA Zhitao, ZHANG Yunyue, ZHANG Menghan, XU Hanwen

(College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

Abstract:Due to the influence of multi-faults and the village above the 2# panel of Wanglou Mine, the parameters of rock mass mechanics were determined by investigating rock structure and studying rock mechanics results provided by relevant experimental researches, for the purpose of reclaiming resources and reducing the damage to the surface buildings to the utmost extent. Considering the influence of size effect and geological structural plane, the surface subsidence and damage of fault pillars of different sizes to surface buildings were studied based on the simulation of varisized protective pillar of fault in mining process with FLAC3D. The results show that the horizontal deformation, tilt deformation, curvature and the damage to buildings are gradually reduced with the increase of coal pillar′s widths. When the fault pillar is 25 m wide, the horizontal deformation, tilt deformation and curvature are 2.8 mm/m, 1.9 mm/m and 0.18×10-3/m respectively, which can effectively avoid the damage to the surface buildings.

Key words:surface subsidence; surface buildings; faults pillar; numerical simulation

收稿日期：2015-09-04

作者簡介：馬志濤(1974—),男,山東煙臺人，副教授，博士,主要從事礦山巖石力學、巖層破壞及穩(wěn)定性控制等方面的教學及科研工作.E-mail:mzt123@sina.com

中圖分類號：TD822.3

文獻標志碼：A

文章編號：1672-3767(2016)02-0044-06