峰峰礦區(qū)正斷層活化造成地表異常沉陷影響因素研究

崔 鋒，于秋鴿，鄧偉男，劉鵬亮

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013； 2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

斷層是礦山開采活動(dòng)中經(jīng)常遇到的地質(zhì)構(gòu)造之一，斷層的存在破壞了巖層的連續(xù)性和完整性，一直以來都是影響煤礦安全開采的重要因素，當(dāng)工作面上覆巖層中含有斷層并且煤層開采造成斷層活化時(shí)，地表沉陷規(guī)律與普通地質(zhì)條件下具有顯著差別[1]。為了研究斷層對開采沉陷的影響，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的工作。煤炭科學(xué)研究院北京開采研究所通過總結(jié)撫順、阜新、遼源等礦區(qū)受斷層影響的地表移動(dòng)變形規(guī)律得到斷層露頭處臺(tái)階落差計(jì)算公式[2]；謝和平、于廣明將巖體內(nèi)節(jié)理視為初始損傷，利用損傷力學(xué)定性地研究了巖體移動(dòng)與節(jié)理傾角之間的關(guān)系[3]；談洪波利用位錯(cuò)理論研究了單條斷層和多條斷層錯(cuò)動(dòng)對地表變形特征的影響[4]；黃凱珠以汶川地震引起斷層滑移造成地表變形為背景，研究了共線型、階梯型逆斷層滑移地表變形的影響并得到共線型斷層對地表的破壞更加嚴(yán)重[5]；于秋鴿基于空間守恒研究了斷層對開采沉陷的影響得到斷層對開采沉陷空間具有放大作用[6]。為了研究斷層活化時(shí)地表異常沉陷影響因素，本文根據(jù)文獻(xiàn)[7]中斷層建模方法建立數(shù)值模型，最后導(dǎo)入FLAC3D賦參數(shù)模擬煤層開挖[7]，研究了斷層傾角、煤層厚度、工作面推進(jìn)長度、保護(hù)煤柱寬度、斷層帶充填物強(qiáng)度對地表沉陷的影響。

1 斷層活化對開采沉陷影響因素分析

斷層活化的根本原因是斷層上下盤在斷層面應(yīng)力的平衡被破壞使應(yīng)力重新分布的過程。以斷層上盤為開采盤，開采盤靠近斷層面的巖體中以斷層面為對角線取一微元體，當(dāng)斷層面應(yīng)力平衡時(shí)，微元體受力如圖1所示。

圖1 斷層上盤在斷層面微元體受力示意圖

對于圖1中微元體，其內(nèi)部斷層面正應(yīng)力和剪應(yīng)力的表達(dá)式為[8]：

式中，σ為斷層面正應(yīng)力，MPa；τ為斷層面剪應(yīng)力，MPa；σh、σv分別為微元體所受水平和垂直應(yīng)力，MPa；θ為斷層傾角，(°)。

當(dāng)斷層面應(yīng)力平衡被破壞上下兩盤間產(chǎn)生滑移時(shí)，以位于斷層帶內(nèi)并與斷層下盤相接觸的單位厚度的三角形微元體為研究對象，其受力模型如圖2所示。

圖2 斷層滑移力學(xué)模型圖

三角形微元體沿X、Y方向的受力為：

式中，F(xiàn)x為沿X方向的合力，MPa；Fy為沿Y方向的合力，MPa；ds為三角形微元體與斷層面的接觸面積，m2。

由于斷層下盤對三角形微元體的阻擋作用，微元體不可能沿著垂直于斷層面的方向運(yùn)動(dòng)，只能沿?cái)鄬用婊?，?dāng)斷層上下盤產(chǎn)生滑移時(shí)，滿足：

式中，φ為斷層帶巖體內(nèi)摩擦角，(°)；c為斷層帶巖體粘聚力，MPa。

聯(lián)立式(2)和(3)得：

Fx=τds+σvds·cosθsinθ-σhds·sinθcosθ

=(σtanφ+c)·ds+σv·ds·cosθsinθ-

σh·ds·sinθcosθ

=[(σv·cos2θ+σh·sin2θ)·tanφ+c]·ds+

σv·ds·cosθsinθ-σh·ds·sinθcosθ

(4)

當(dāng)Fx>0時(shí)，微元體有向上滑移趨勢；當(dāng)Fx<0時(shí)，微元體有向下滑移趨勢。由于ds恒大于0。由式(4)可知，影響地表沉陷規(guī)律的斷層特征參數(shù)主要有斷層傾角、斷層帶巖體內(nèi)摩擦角和斷層帶巖體粘聚力。當(dāng)斷層傾角、斷層帶巖體內(nèi)摩擦角和斷層帶巖體粘聚力一定時(shí)，斷層面處的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力對地表沉陷規(guī)律造成影響，而斷層面處的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的大小除了受斷層特征參數(shù)影響外還受工作面推進(jìn)長度、煤層厚度、保護(hù)煤柱寬度的影響。下面利用數(shù)值模擬研究以上因素對地表沉陷的影響。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)峰峰礦區(qū)某工作面具體地質(zhì)采礦條件建立數(shù)值模型，煤層埋深805m，煤層傾角0°，煤層走向長度600m，傾向長度100m；斷層為正斷層，落差15m，傾角70°，斷層與工作面間的煤柱寬度為50m。

一般情況下，在實(shí)驗(yàn)室測得的巖石參數(shù)都是巖塊的，工作面上覆巖層及其底板作為巖體存在，其巖性參數(shù)總體上弱于實(shí)驗(yàn)室測得數(shù)據(jù)，本文根據(jù)文獻(xiàn)[9]中研究成果對巖體參數(shù)進(jìn)行弱化，工作面上覆巖層及實(shí)測巖性參數(shù)見表1。

表1 工作面上覆巖層及其巖性其參數(shù)

2.2 斷層傾角對地表沉陷影響分析

針對峰峰礦區(qū)正斷層傾角角度集中在50°～80°區(qū)間的實(shí)際情況，分別模擬斷層傾角為50°、60°、70°及80°時(shí)斷層對開采沉陷的影響，各模擬方案地表下沉曲線如圖3所示。由圖3可知：隨著斷層傾角的增大，地表最大下沉值逐漸增大，斷層露頭處地表下沉臺(tái)階落差不斷增大，地表最大下沉的分布位置向斷層一側(cè)偏移；斷層傾角的變化僅對斷層一側(cè)的地表沉陷有明顯的影響，距離斷層越遠(yuǎn)，地表沉陷受斷層影響越小。

圖3 不同斷層傾角條件下地表下沉曲線

斷層傾角的大小對開采沉陷影響顯著，斷層傾角較小時(shí)，斷層露頭處地表損害集中區(qū)域距離開采位置較遠(yuǎn)，開采沉陷影響范圍較大；斷層傾角較大時(shí)，斷層露頭處地表移動(dòng)變形較劇烈，從而導(dǎo)致斷層露頭附近地表及房屋損壞嚴(yán)重。

2.3 煤層厚度對地表沉陷影響分析

分別模擬煤層厚度為5m、10m、15m及20m時(shí)斷層對開采沉陷的影響，各模擬方案地表下沉曲線如圖4所示。由圖4可知：隨著煤層厚度的增加，地表下沉值逐漸增大，導(dǎo)致了斷層露頭處地表下沉臺(tái)階落差的不斷增大，地表沉陷范圍也有所增大。

圖4 不同煤層厚度條件下地表下沉曲線

煤層厚度的大小對開采沉陷的影響主要體現(xiàn)在對地表移動(dòng)變形值的大小的影響，對開采沉陷影響范圍的影響較小。

2.4 工作面長度對地表沉陷影響分析

工作面推進(jìn)長度實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于工作面開采的充分度，為了模擬不充分開采到充分開采的情況，在保持?jǐn)鄬优c工作面間煤柱寬度不變的情況下，分別模擬工作面的開采長度為300m、460m、620m、780m及950m時(shí)斷層對開采沉陷的影響，各模擬方案地表下沉曲線如圖5所示。由圖5可知：隨著工作面開采長度的增加，地表下沉值逐漸增大，導(dǎo)致了斷層露頭處地表下沉臺(tái)階落差不斷增大，地表沉陷范圍也有所增大；當(dāng)工作面開采長度接近充分采動(dòng)時(shí)，地表在斷層露頭處的臺(tái)階落差不再變化，斷層下盤側(cè)地表沉陷范圍也不再擴(kuò)展。

圖5 不同工作面開采長度條件下地表下沉曲線

工作面開采長度對開采沉陷的影響在工作面從不充分采動(dòng)到充分采動(dòng)的過程中表現(xiàn)的比較明顯，當(dāng)工作面接近或達(dá)到充分采動(dòng)以后，工作面開采長度對開采沉陷的影響在斷層露頭處不再有比較明顯的體現(xiàn)。

2.5 保護(hù)煤柱寬度對地表沉陷影響分析

分別模擬斷層與工作面間煤柱寬度為50m、60m、70m、80m及90m時(shí)斷層對開采沉陷的影響，各模擬方案地表下沉曲線如圖6所示。由圖6可知：隨著斷層與工作面間煤柱寬度的增大，開采位置逐漸遠(yuǎn)離斷層，地表最大下沉值隨之減小，地表最大下沉位置向采空區(qū)偏移，斷層露頭處地表下沉臺(tái)階落差不斷減小。

圖6 不同保護(hù)煤柱寬度條件下地表下沉曲線

從上述模擬結(jié)果的對比中可以發(fā)現(xiàn)，斷層與工作面間煤柱寬度越大，斷層對開采沉陷的影響越小，當(dāng)斷層與工作面間煤柱寬度達(dá)到一定值時(shí)，開采將影響不到斷層，進(jìn)而斷層對開采沉陷也不會(huì)產(chǎn)生任何的影響。

2.6 斷層帶充填物強(qiáng)度對地表沉陷影響分析

斷層上下盤之間的填充物屬于破碎松散體，衡量斷層填充物強(qiáng)度的指標(biāo)主要是粘聚力及內(nèi)摩擦角[10]。分別模擬斷層填充物粘聚力為0.3MPa、0.5MPa及0.7MPa時(shí)和內(nèi)摩擦角為15°、20°及30°時(shí)斷層對開采沉陷的影響，各模擬方案地表下沉曲線如圖7所示。

圖7 不同斷層填充物粘聚力及內(nèi)摩擦角條件下地表下沉曲線

由圖7可知：不同斷層填充物強(qiáng)度指標(biāo)條件下地表下沉曲線沒有明顯的變化，6條地表下沉曲線完合重合，因此可以推斷斷層填充物強(qiáng)度指標(biāo)的變化基本不會(huì)對開采沉陷造成影響。

3 結(jié) 論

1)斷層活化對地表沉陷影響因素主要有斷層傾角、煤層厚度、工作面推進(jìn)長度、保護(hù)煤柱寬度、斷層帶巖體內(nèi)摩擦角、斷層帶巖體粘聚力等。

2)斷層傾角越大，斷層露頭處地表下沉臺(tái)階落差越大，地表最大下沉值越大；煤層厚度越大，地表下沉值越大，斷層露頭處地表下沉臺(tái)階落差越大；工作面推進(jìn)長度越大，地表下沉值越大，斷層露頭處地表下沉臺(tái)階落差越大，當(dāng)工作面推進(jìn)長度使地表下沉達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，斷層露頭處地表下沉臺(tái)階不再增大；斷層帶充填物強(qiáng)度對地表沉陷影響不大。