大倾角逆断层条件下开采地表移动规律的研究

丁建闯，闫方方

(1.华北科技学院建筑工程学院，北京东燕郊 101601;2.北京东方道迩信息技术有限责任公司，北京 100190)

0 引言

人类采掘资源所影响的范围主要在地壳，而地壳等复杂地质环境是在人类历史时期内，经过漫长而复杂的地质作用演化而来的，这包括板块运动，地心引力，以及在地心引力作用下的自重应力场和地质构造运动作用下的构造应力场共同作用下长期形成的。古德曼列举了包括地下开采、交通运输、地表建筑等19种与岩石力学问题有关甚至十分密切的工程项目，在“地质隐患评价”一栏中，居第一位的地质隐患就是断层［1］。

理想地质环境下，“三下”采煤对地表的影响主要有垂直方向的移动和变形(下沉、倾斜、扭曲和曲率)与水平方向的移动和变形(水平移动、拉伸和压缩变形)以及地表平面内的剪应变三类［2］。地表的移动和变形，破坏了原岩应力状态及建筑物与地基之间的初始平衡状态，伴随着力系平衡的重新建立，建筑物及构筑物中将产生附加应力，进而产生相应的移动和变形，这些不同形式的移动和变形，将对建(构)筑物造成不同程度的破坏。而且当人类采掘活动影响范围内存在各种地质构造和弱面，如断层、节理、裂隙、褶皱、层面以及软弱夹层等结构面，地表移动和变形分布的正常规律被掩盖，表现出特殊的规律性，给人类的有效预测和采取相应控制措施带来了难题，增加了后果的不可预测性，加重了地下开采难度［3］。

国内外对地下资源开采岩层与地表移动规律的研究，主要集中于常规地质条件下的分析［4］，对于复杂地质尤其是弱面断层条件下采动影响规律的研究还较少，而大倾角逆断层条件下的围岩应力场的有限元分析有待进一步研究。本文即利用FLAC2D就断层条件下开采引起的地表移动破坏规律进行了深入分析［5］。

1 断层对地表移动变形规律的实例分析

由于地质构造运动的存在，人类采掘范围内断层的存在不可避免，由于断层等弱面的强度远小于周围岩层强度，在岩层移动过程中容易产生沿断层面的剪切移动，不仅改变了地表移动变形范围，同时由于断层的滑移和变形集中，常常导致地表产生裂缝和台阶等不连续变形现象，引起地表建(构)筑物的破坏;对于导水断层，往往又是矿井突水和产生矿井水害的根源［6］。结合对采掘活动有重大影响的断层资料(表1)，对阜新、鹤壁、抚顺、辽源等典型矿区进行深入分析，得出如下结论:

1)断层面倾角α是岩体稳定至关重要的影响因素。当断层倾角α＞20°，断层落差△W ＞10 m时，地表和岩层移动及变形特征明显。

2)地表移动和变形最大值多集中于断层露头附近，断层露头正上方地表产生较大裂缝，出现台阶。台阶使地表下沉盆地分为明显的上盘部分和下盘部分。在多数情况下，上盘部分下沉系数和下沉速度较大;下盘部分下沉系数和下沉速度较小。随断层倾角的增大，两部分的地表移动特征差别也增加。

3)断层露头在盆地边缘，或断层面倾角大于断层带内岩体的内摩擦角(一般为25°～32°)，回采边界距断层面较近(如小于0.1 H)时，有害影响边界受断层面控制。特别是当断层面倾角与岩层倾角位于同一象限时，更容易产生沿断层面的滑动。当断层露头在盆地边缘时，距露头5～10 m以外的变形值很小，对地面建(构)筑物影响较小。

4)地表一旦出现断层露头台阶，当受到重复采动影响时，原有台阶的落差会增大，台阶处的移动和变形值增大，且台阶落差基本上与断层面倾角、断层落差、地表最大下沉值近似成正比关系，随这些量的增大破环影响将加剧［7］。

表1 断层影响系数K实测值

2 数值模拟

基于以上分析，可知当断层倾角大于20°，落差大于10m时，断层对开采沉陷的影响明显，它是岩层和地表移动变形破坏程度的临界值。为使研究问题不失一般性，本文针对煤层开采中存在逆断层且断层面倾角为20°的临界情况进行模拟分析。

2.1 采区概况及模型示意图

为精确预计岩层及地表移动规律，为地下开采提供可靠的第一手资料，本文采用具有强大的计算和广泛的模拟功能的国际通用的岩土工程专业软件FLAC，对断层条件下近水平煤层开采过程中引起的上覆岩层地表移动变形进行有限元分析，以确定开挖过程中岩层变形和地表沉降趋势［8］。

结合矿区实际地质状况，该模型选取具有代表性的一般条件下煤田地质情况，各岩层从上至下依次为有机淤泥或粘土层、中粗粒砂岩层、砂岩层、中细粒砂岩层、石灰岩层、煤层、泥岩层、粉砂岩层、砂岩层，为不失一般模型的通用性及研究问题方便，该模型长度为3000 m，深度为600 m，采用逆断层中的水平煤层及岩层，并利用坐标控制断层倾角为20°的临界情况。模型如图1。

各岩层参数参照表2。

图1 断层条件下开采岩层分布示意图

表2 岩层物理力学参数

2.2 数值模拟计算及结果分析

对该模型进行数值模拟时采用平面应变模型，Mohr－Coulomb应变软化塑性准则。整个模型为矩形区域，竖直方向从地表0 m模拟到地下600 m，水平方向从0 m模拟到3000 m(即模型长3000 m)，构成计算模型的平均单元共有60(X向)×30(Y向)=1800个平面单元，单元网格尺寸平均为32 m×32 m，断层倾角近似为20°(由控制)。程序中为了减少因网格划分引起的误差，网格的长宽比应不大于5，对于重点研究区域可以进行网格加密处理。模型两侧限制水平方向移动，模型底面限制垂直方向移动，图2为模型的岩性分布和初始地应力分布条件下的(水平和底部边界固定，重力9.81 N)初始应力平衡状态:

为预防破环范围超出左部边界固定条件，理论上开切眼距左边界应为1.2h(h为采深，此模型h=390 m)，因此，工作面开切眼距边界约500 m，模拟结果如图3～6:

图2 模型初始平衡状态

图3 水平位移云图

图4 竖向应力云图

图5 网格变形示意图

图6 监测点竖向位移示意图

图3～6为开挖145 m时，采空区围岩的水平位移云图、竖向应力云图、网格变形示意图与断层边界监测点的竖向位移示意图。对模拟结果分析如下:

1)整个模型水平移动甚微(大部分岩层及地表基本接近零)，只在开挖前后方半径约24m范围内存在水平移动。

2)竖向应力:各层竖向应力值近似呈水平分布，与实际矿区开采相符，数量级为107N，最大应力分别出现在开挖前后方的底部约251 m、880 m附近，也即在开挖前后方底部出现应力集中区。

3)网格变形情况:模型网格变形趋势也即围岩移动趋势，从模型变形前后的网格不难看出，网格的变形不会影响到断层的下盘区域，只发生在逆断层的上盘区域，最大网格变形点基本位于采空区中心正上方，且由于采动影响下断层的活化，在断层面附近出现不连续变形区域。同时采空区正上方及左右大部分范围内，网格均以下沉为主。

4)竖向位移:当工作面逐步推进超过100 m的过程中，竖向位移(地表及岩层下沉量)也逐渐增大，且由于断层的存在，最大下沉值不在采空区中心正上方位置，而是滞后(偏后方)，竖向位移数量级为10－1m。

对地表下沉曲线，围岩监测点下沉曲线，断层面监测点下沉曲线进行分析，同样能得到围岩的上述发展趋势［9］。

图7～10为开挖361 m时，围岩竖向位移云图、水平位移云图、网格变形示意图、采空区上方地表监测点竖向位移示意图。

图7 竖向位移云图

图8 水平位移云图

图9 网格变形示意图

图10 监测点竖向位移示意图

当模型开挖到300多米时，围岩出现塑性变形区，当运算时步达step=5000的数值模拟计算结果分析如下:

1)竖向位移:基本规律与模型开挖145 m时相近，不同之处在于随工作面推进，应力集中区转移到采空区中心上方偏后方位置，说明随工作面推进，应力集中区也呈现出发展转移趋势，而应力集中区出现之处，应给予足够重视。

2)水平位移:除与模型开挖145 m时出现的规律基本相似外，还呈现出向前上方进一步发展的趋势，采空区上下方、前方岩层及地表以断层面为界向前方推移，最大值出现在以断层面为界的工作面前上方，这也导致了上下盘岩体存在沿断层面滑动的可能性，从而在断层露头处形成台阶或裂缝，这与模型开挖145m时网格变形趋势相一致。

3)网格变形曲线与概率积分法得到的下沉曲线基本一致，由于断层的存在，下沉曲线不关于采空区对称而是滞后，这一点也可由该软件所预计的地表移动曲线得到验证。

4 结论

基于以上有限元分析可知，FLAC软件预计结果完全可为断层地质条件下开采提供可靠的第一手资料［10］，并可知断层条件下开采时:

1)断层对岩体破坏具有―定的“屏蔽”效应，当地下开采引起的岩体破坏波及到断层带附近时，岩体破坏的发展可在断层面处截止。即上盘开采带来的地表及岩层移动变形不会影响到断层下盘处，并以断层面为界。

2)当工作面推进到826 m并继续推进时，此时地表下沉值接近2 m，顶板最大下沉值达17.5 m，如继续进行开采，应采取适当的采煤方法和顶板管理方法，并对地面建(构)筑物采取必要的采前预计和采后加固的措施。

3)从开切眼开始，在工作面逐步向前推进的过程中，严防顶、底板处出现的应力集中所带来的破坏影响，如在水体下采煤和承压水体上采煤时，要防止矿井发生突水事故，保证矿井安全生产;在水库、蓄水池和运河等地面水体下采煤时，除要防止矿井发生突水事故外，还要保证它们不受开采的影响而破坏;并时刻注意断层露头处产生的台阶、裂缝及台阶状塌陷坑。

4)模拟结果的宏观分析，可为常规测量观测点和观测线的布设提供指导，进而达到精确预计地表和岩层移动的效果。

利用国际通用的岩石力学软件FLAC模拟断层对地表移动的影响规律，可以有效指导地面监测点的布设、地面建(构)筑物的合理布置及井下工作面的优化布置，以减小断层露头处变形集中带来的采动损害和采区矿井突水事故的发生［11］。但由于断层结构的复杂性及断层种类的多样性，包括构造断层的形成时间、断层规模、断层面状态、断层倾角、开挖处与断层的距离、开挖方向与断层走向之间的关系、松散层厚度等多种因素对地表移动变形的控制作用目前还难以定量预测［12］，本文只就特殊条件下断层的影响规律进行了分析，各种复杂条件下全面深入的分析有待进一步研究。

［1］ 中国矿业学院，阜新矿业学院，焦作矿业学院.煤矿岩层与地表移动［M］.北京:煤炭工业出版社，1981.

［2］ 煤炭科学研究总院北京开采研究所.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用［M］.北京:煤炭工业出版社，1981.

［3］ 何国清，杨伦，凌赓娣，等.矿山开采沉陷学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1994.

［4］ LEE，A.J.The Effect of Faulting on Mining Subsidence，The Mining Engineer，Engineer，1966，(8):735 － 745.

［5］ 刘波，韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［6］ 崔希民.弱面对地表移动范围和不连续变形的影响［J］.湖南科技大学学报(自然科学版)，2009，24(2):1－4.

［7］ 张玉卓，姚建国，仲惟林.断层影响下地表移动规律的统计和数值模拟研究［J］.煤炭学报，1989，(1):23－31.

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［10］ 邓喀中，张冬至.深部开采条件下地表沉陷预测及控制探讨［A］.1999全国矿山测量学术会议论文集［C］.1999.

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