鐵法礦區(qū)巨厚火成巖覆巖下開(kāi)采地裂縫形成機(jī)理研究

楊帆　?？★w　郭正一　梁樹民

摘要：采用實(shí)地調(diào)查和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)采動(dòng)地裂縫進(jìn)行分類，并分析不同類型地裂縫的主要成因。針對(duì)鐵法礦區(qū)巨厚火成巖覆巖采動(dòng)誘發(fā)的地裂縫問(wèn)題，采用平衡拱一梁理論建立了火成巖體斷裂破壞的力學(xué)模型，利用FLAC3D數(shù)值軟件模擬計(jì)算了巨厚火成巖覆巖采動(dòng)過(guò)程中應(yīng)力分布規(guī)律和地表裂縫發(fā)育的機(jī)理。

關(guān)鍵詞：開(kāi)采沉陷；采動(dòng)地裂縫；巨厚火成巖；力學(xué)模型；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TD32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2016）01-0101-06

O 引言

煤炭開(kāi)采引起的地表沉陷是嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害和安全生產(chǎn)隱患，會(huì)給煤炭企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，已成為影響各大礦區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)安定的重要因素（范立民，1995；郭文兵等，2013）。其中，地表沉陷誘發(fā)的地裂縫災(zāi)害是地質(zhì)災(zāi)害中一種地面形變?yōu)暮?，廣泛發(fā)育于煤礦區(qū)內(nèi)（顏景生，2014；蘇凱峰，2014；白海波，2002；張玉寶，劉軍波，2013）。在眾多煤礦區(qū)地裂縫災(zāi)害中，尤其以厚硬火成巖覆巖斷裂后形成的地裂縫危害性最大。遼寧鐵法礦區(qū)有5個(gè)礦覆巖中侵入了火成巖（于成龍等，2013；梁越，2006；劉心廣，2010；朱建建，李娜，2007；軒大洋等，2012），火成巖厚度在24～400m。2010年4月，曉南礦西二采區(qū)老張莊村附近突然出現(xiàn)了一條大的地裂縫，長(zhǎng)1000m，寬5.8m，深約10m，后經(jīng)調(diào)查，在查采動(dòng)火成巖覆巖區(qū)發(fā)現(xiàn)8條大的地裂縫，這些地裂縫長(zhǎng)50～1000m，寬0.5～8m，深1～10m。在煤礦開(kāi)采形成大量開(kāi)采地裂縫的同時(shí)，還常常會(huì)引發(fā)滑坡、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致礦區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不可逆的破壞，并且給井下生產(chǎn)造成重大安全隱患，尤其是當(dāng)?shù)亓芽p與采空區(qū)貫通時(shí)，常發(fā)生漏風(fēng)、潰水、潰沙等安全事故（康建榮，2008；邢大韋等，1994；劉輝等，2013；許延春等，2009）。因此，加強(qiáng)對(duì)火成巖斷裂形成地裂縫機(jī)理的研究具有十分重要的理論價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

1 鐵法礦區(qū)采動(dòng)地裂縫類型及分布特征

1.1 煤炭開(kāi)采誘發(fā)地裂縫的類型

煤炭開(kāi)采誘發(fā)的地表裂縫多種多樣，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，有直線型、曲線型、雁裂型和排列型等。地裂縫長(zhǎng)度為0.5～1000m不等，可按照平面幾何形態(tài)、剖面形態(tài)、力學(xué)性質(zhì)、規(guī)模大小、形成時(shí)間對(duì)其進(jìn)行不同的分類。

1.2 鐵法礦區(qū)火成巖及地裂縫分布情況

鐵法能源集團(tuán)公司位于遼寧省調(diào)兵山市，鐵法礦區(qū)由3個(gè)煤田組成，即鐵法煤田、康平煤田和康北煤田，總含煤面積773.22km²，原始累計(jì)探明工業(yè)儲(chǔ)量22.59億噸。整個(gè)礦區(qū)侵入地層的火成巖主要為第三紀(jì)輝綠巖、噴出巖為玄武巖和英安巖；主要集中在大興和大隆井田，小青、曉南井田局部有出露，使本區(qū)煤層與煤質(zhì)受到較大的影響。鐵法礦區(qū)火成巖和地裂縫分布概況如表1所示，其主要特點(diǎn)有：

（1）火成巖大多隨煤層的頂?shù)装迦肭?，被影響煤層均受到不同程度的破壞，比如煤層被隔斷或者消失，火成巖侵入?yún)^(qū)域煤變質(zhì)程度較高。

（2）在地層含有礦區(qū)內(nèi)，部分火成巖距地表約20～60m，且覆蓋面積較大，可能造成嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，如地裂縫或者突發(fā)性塌陷。

（3）整個(gè)礦區(qū)各個(gè)煤田均有火成巖的存在，并且與煤層有一定的關(guān)系，或者在頂板，或者在底板。這種地質(zhì)構(gòu)造能引起地表不規(guī)則移動(dòng)和變形，極可能產(chǎn)生地表裂縫和地表不規(guī)則塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。

地裂縫按其分布狀況大致可分為兩類：一類是對(duì)應(yīng)于開(kāi)采邊界的裂縫，另一類為開(kāi)采動(dòng)態(tài)裂縫。按照采煤誘發(fā)地表裂縫的形成原因，鐵法礦區(qū)的地表裂縫主要有：下沉盆地邊緣產(chǎn)生的地裂縫，由斷層采動(dòng)活化引起的地裂縫，由火成巖斷裂引起的地裂縫，綜合作用影響形成的地裂縫。

2 采動(dòng)火成巖覆巖斷裂的力學(xué)模型

依據(jù)鐵法礦區(qū)物探結(jié)果，將火成巖覆巖巖體形狀分為楔形、矩形、橢圓形，如圖1所示。所有巖體形狀均可由這3種組合而成，如有弱面的火成巖（圖2a），以及沒(méi)有弱面火成巖（圖2b）。有弱面火成巖，受到均勻荷載時(shí)，斷裂處就位于弱面處；沒(méi)有弱面火成巖，斷裂處的形成則與荷載、采空區(qū)有關(guān)（khachai，Shupletsov，1998；Shap-letsov，1990）。

火成巖體在地層中的分布主要有：（1）分布在地表，即火成巖體出露于地表或者火成巖體淺埋于地表下；（2）位于地層中間部位，即火成巖體位于可采煤層和地表的中間部位；（3）位于頂板，即火成巖在煤層上方不遠(yuǎn)處部位；（4）位于底板，即火成巖體位于開(kāi)采煤層底板或者距離底板不遠(yuǎn)處。

采空區(qū)與火成巖體的關(guān)系可分為：（1）全覆蓋火成巖體，即火成巖體位于采空區(qū)上方，且火成巖體覆蓋整個(gè)采空區(qū)，如圖3a所示；（2）半覆蓋火成巖體，即火成巖體位于采空區(qū)上方，但是沒(méi)有全部覆蓋采空區(qū)，如圖3b所示。平衡拱與采空區(qū)之間的分布可分為3類：（1）與平衡拱有兩個(gè)交點(diǎn)，如圖4a所示，由此可形成簡(jiǎn)支梁模型，根據(jù)簡(jiǎn)支梁模型可準(zhǔn)確算出有兩個(gè)交點(diǎn)時(shí)火成巖體的破斷距；（2）與平衡拱有一個(gè)交點(diǎn)，如圖4b所示，形成一端固支的簡(jiǎn)支梁模型，根據(jù)力學(xué)知識(shí)也能準(zhǔn)確得出其火成巖的斷裂部位；（3）與平衡拱沒(méi)有交點(diǎn)，如圖4a、b所示，此條件下火成巖與采空區(qū)之間關(guān)系相對(duì)而言較簡(jiǎn)單，此種情況下的火成巖不論是分布在地表、底層中間還是底板，其與地表的移動(dòng)關(guān)系都較簡(jiǎn)單，且建模較為方便。

綜上，在建立模型時(shí)，以均勻?qū)訝罨鸪蓭r為主要研究對(duì)象，其他形狀（楔形、橢圓形）暫不作為主要研究對(duì)象。在此條件下，主要以一端固支且與平衡拱最少有一個(gè)交點(diǎn)的情況下為主要研究對(duì)象，如圖4a、b所示，使得建模更為簡(jiǎn)便?；鸪蓭r覆巖斷裂處拉應(yīng)力公式大致分為兩種：式（1）中，L為簡(jiǎn)支梁模式下發(fā)生火成巖覆巖斷裂的極限跨距，L_j為懸臂梁模式下火成巖覆巖斷裂極限跨距；σ_t為覆巖抗拉強(qiáng)度；q為均布荷載；μ為泊松比；γ為覆巖自身重量；h為覆巖巖層的平均厚度。

式（2）中，σ-為覆巖的抗拉強(qiáng)度；q為均布荷載，其中q=pg（H-L）；μ為泊松比；s為覆巖的懸空長(zhǎng)度；b為覆巖的懸空寬度；h為覆巖巖層的平均厚度。

巨厚火成巖具有整體結(jié)構(gòu)，其極限破斷距計(jì)算公式有3類，其中公式（3）為彎拉破壞模型，式（4）為兩端固支梁模型，式（5）為正方形巖板模型：式中，L為巖層極限破斷步距；H₀為火成巖厚度；q為巖梁（板）上覆荷載；q₁為硬巖層上的軟巖的重量；k為薄板的形狀系數(shù)；b_m為巖板的極限尺寸。

3 采動(dòng)火成巖覆巖斷裂數(shù)值模擬

模型以曉南煤礦82-82號(hào)勘探剖面線地質(zhì)采礦條件為原型，建立平面應(yīng)變數(shù)學(xué)模型，模擬煤層為7號(hào)煤層，為緩傾斜煤層，平均傾角為6°，數(shù)學(xué)模型按水平煤層考慮，采厚0.8～7.3m，平均采厚為2.8m，模擬工作面平均采深510m，工作面長(zhǎng)度按7號(hào)勘探剖面上開(kāi)采長(zhǎng)度400m，建立200m×500m×623m的平面模型，數(shù)值計(jì)算模型如圖5所示。模型中均采用Mohr-Coulomb判斷巖體的屈服準(zhǔn)則破壞，并且均不考慮塑性流動(dòng)（不考慮剪脹）。由圖5的模型可以得到開(kāi)采厚度為6m的煤層覆巖的應(yīng)力分布，如圖6～7所示。

當(dāng)采面推進(jìn)200m時(shí)，切眼處和掘進(jìn)處前方均出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，其垂直應(yīng)力最大-3.0×10⁷Pa（一表示壓應(yīng)力），工作面上、下方為減壓區(qū)，各巖層應(yīng)力狀態(tài)由下向上逐漸減小?？拷ぷ髅嫣幋嬖诖怪睉?yīng)力正向分布，說(shuō)明巖層移動(dòng)、變形、彎曲過(guò)程中存在受拉應(yīng)力或不受力的情況。工作面推進(jìn)300m，采動(dòng)覆巖應(yīng)力集中區(qū)域范圍增大，其垂直應(yīng)力最大為-3.2×10⁷Pa，減壓區(qū)范圍也逐漸增加，工作面上方緩慢降低。在工作面不斷推進(jìn)的過(guò)程中，在采空區(qū)上盤將會(huì)出現(xiàn)最大拉應(yīng)力集中區(qū)。頂板拉應(yīng)力大部分位于頂板中間附近。在采空區(qū)頂板中央形成等值應(yīng)力跡線拱，在未充填情況下靠近頂板中央為拉應(yīng)力，往上等值跡線拱徑逐漸變大，拉應(yīng)力減小，最終變?yōu)閴簯?yīng)力，越往上拱徑越大，壓應(yīng)力越大。在采空區(qū)左右兩側(cè)各存在一個(gè)高壓應(yīng)力集中區(qū)，往遠(yuǎn)處則壓應(yīng)力又逐漸變小，但變化梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于礦體附近應(yīng)力變化梯度。

由圖8可見(jiàn)，當(dāng)工作面推進(jìn)到火成巖下方時(shí)，火成巖所受應(yīng)力明顯集中，由于火成巖厚度較大、強(qiáng)度較高，對(duì)上覆巖體的移動(dòng)和變形起到了控制作用。隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)暴露面積不斷增大，火成巖受到的拉應(yīng)力也不斷增大，與巖體抗拉強(qiáng)度逐步接近，當(dāng)水平應(yīng)力達(dá)到1.243×10，Pa時(shí)，火成巖斷裂破壞，這是導(dǎo)致地表產(chǎn)生裂縫及塌陷的最主要力源。

圖9為采區(qū)塑性區(qū)分布，從圖中可以看出，煤層開(kāi)采后，塑性區(qū)主要分布在煤層頂板巖層上和地表土層下，地表土層主要受剪切破壞；而煤層頂?shù)装鍘r層則會(huì)出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，在采空區(qū)頂部出現(xiàn)拉張破壞，這主要是由于采空區(qū)外部巖層向采空區(qū)垮落，產(chǎn)生拉張應(yīng)力的作用。

4 結(jié)論

本文針對(duì)巨厚火成巖覆巖下開(kāi)采對(duì)地裂縫的形成機(jī)理進(jìn)行探索性研究，采取數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料整理、理論分析相結(jié)合的科研手段，對(duì)采動(dòng)地裂縫進(jìn)行分類，并分析不同類型地裂縫的主要成因。對(duì)巨厚火成巖下開(kāi)采上覆巖層的應(yīng)力分布情況及火成巖體斷裂的部位進(jìn)行了分析研究，得出以下結(jié)論：

（1）火成巖作為關(guān)鍵層控制著地裂縫的發(fā)育，火成巖的斷裂是形成地裂縫的主要原因。應(yīng)用平衡拱一梁理論建立火成巖覆巖的力學(xué)模型，可以揭示地裂縫發(fā)育的力學(xué)機(jī)理。

（2）采用有限差分軟件FLAC3D對(duì)曉南礦進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討了巨厚火成巖下煤層開(kāi)挖后地表的沉陷規(guī)律。通過(guò)采場(chǎng)上覆巖體的塑性云圖的擴(kuò)展情況分析了覆巖塑性破壞范圍，通過(guò)主應(yīng)力云圖分析了覆巖內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律和采區(qū)上方地表裂縫及塌陷的形成原因。