峰峰矿区正断层活化造成地表异常沉陷影响因素研究

崔 锋，于秋鸽，邓伟男，刘鹏亮

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013； 2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013)

断层是矿山开采活动中经常遇到的地质构造之一，断层的存在破坏了岩层的连续性和完整性，一直以来都是影响煤矿安全开采的重要因素，当工作面上覆岩层中含有断层并且煤层开采造成断层活化时，地表沉陷规律与普通地质条件下具有显著差别[1]。为了研究断层对开采沉陷的影响，国内外学者做了大量的工作。煤炭科学研究院北京开采研究所通过总结抚顺、阜新、辽源等矿区受断层影响的地表移动变形规律得到断层露头处台阶落差计算公式[2]；谢和平、于广明将岩体内节理视为初始损伤，利用损伤力学定性地研究了岩体移动与节理倾角之间的关系[3]；谈洪波利用位错理论研究了单条断层和多条断层错动对地表变形特征的影响[4]；黄凯珠以汶川地震引起断层滑移造成地表变形为背景，研究了共线型、阶梯型逆断层滑移地表变形的影响并得到共线型断层对地表的破坏更加严重[5]；于秋鸽基于空间守恒研究了断层对开采沉陷的影响得到断层对开采沉陷空间具有放大作用[6]。为了研究断层活化时地表异常沉陷影响因素，本文根据文献[7]中断层建模方法建立数值模型，最后导入FLAC3D赋参数模拟煤层开挖[7]，研究了断层倾角、煤层厚度、工作面推进长度、保护煤柱宽度、断层带充填物强度对地表沉陷的影响。

1 断层活化对开采沉陷影响因素分析

断层活化的根本原因是断层上下盘在断层面应力的平衡被破坏使应力重新分布的过程。以断层上盘为开采盘，开采盘靠近断层面的岩体中以断层面为对角线取一微元体，当断层面应力平衡时，微元体受力如图1所示。

图1 断层上盘在断层面微元体受力示意图

对于图1中微元体，其内部断层面正应力和剪应力的表达式为[8]：

式中，σ为断层面正应力，MPa；τ为断层面剪应力，MPa；σh、σv分别为微元体所受水平和垂直应力，MPa；θ为断层倾角，(°)。

当断层面应力平衡被破坏上下两盘间产生滑移时，以位于断层带内并与断层下盘相接触的单位厚度的三角形微元体为研究对象，其受力模型如图2所示。

图2 断层滑移力学模型图

三角形微元体沿X、Y方向的受力为：

式中，Fx为沿X方向的合力，MPa；Fy为沿Y方向的合力，MPa；ds为三角形微元体与断层面的接触面积，m2。

由于断层下盘对三角形微元体的阻挡作用，微元体不可能沿着垂直于断层面的方向运动，只能沿断层面滑移，当断层上下盘产生滑移时，满足：

式中，φ为断层带岩体内摩擦角，(°)；c为断层带岩体粘聚力，MPa。

联立式(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)

当Fx>0时，微元体有向上滑移趋势；当Fx<0时，微元体有向下滑移趋势。由于ds恒大于0。由式(4)可知，影响地表沉陷规律的断层特征参数主要有断层倾角、断层带岩体内摩擦角和断层带岩体粘聚力。当断层倾角、断层带岩体内摩擦角和断层带岩体粘聚力一定时，断层面处的垂直应力和水平应力对地表沉陷规律造成影响，而断层面处的垂直应力和水平应力的大小除了受断层特征参数影响外还受工作面推进长度、煤层厚度、保护煤柱宽度的影响。下面利用数值模拟研究以上因素对地表沉陷的影响。

2 数值模拟分析

2.1 数值模型建立

根据峰峰矿区某工作面具体地质采矿条件建立数值模型，煤层埋深805m，煤层倾角0°，煤层走向长度600m，倾向长度100m；断层为正断层，落差15m，倾角70°，断层与工作面间的煤柱宽度为50m。

一般情况下，在实验室测得的岩石参数都是岩块的，工作面上覆岩层及其底板作为岩体存在，其岩性参数总体上弱于实验室测得数据，本文根据文献[9]中研究成果对岩体参数进行弱化，工作面上覆岩层及实测岩性参数见表1。

表1 工作面上覆岩层及其岩性其参数

2.2 断层倾角对地表沉陷影响分析

针对峰峰矿区正断层倾角角度集中在50°～80°区间的实际情况，分别模拟断层倾角为50°、60°、70°及80°时断层对开采沉陷的影响，各模拟方案地表下沉曲线如图3所示。由图3可知：随着断层倾角的增大，地表最大下沉值逐渐增大，断层露头处地表下沉台阶落差不断增大，地表最大下沉的分布位置向断层一侧偏移；断层倾角的变化仅对断层一侧的地表沉陷有明显的影响，距离断层越远，地表沉陷受断层影响越小。

图3 不同断层倾角条件下地表下沉曲线

断层倾角的大小对开采沉陷影响显著，断层倾角较小时，断层露头处地表损害集中区域距离开采位置较远，开采沉陷影响范围较大；断层倾角较大时，断层露头处地表移动变形较剧烈，从而导致断层露头附近地表及房屋损坏严重。

2.3 煤层厚度对地表沉陷影响分析

分别模拟煤层厚度为5m、10m、15m及20m时断层对开采沉陷的影响，各模拟方案地表下沉曲线如图4所示。由图4可知：随着煤层厚度的增加，地表下沉值逐渐增大，导致了断层露头处地表下沉台阶落差的不断增大，地表沉陷范围也有所增大。

图4 不同煤层厚度条件下地表下沉曲线

煤层厚度的大小对开采沉陷的影响主要体现在对地表移动变形值的大小的影响，对开采沉陷影响范围的影响较小。

2.4 工作面长度对地表沉陷影响分析

工作面推进长度实质上相当于工作面开采的充分度，为了模拟不充分开采到充分开采的情况，在保持断层与工作面间煤柱宽度不变的情况下，分别模拟工作面的开采长度为300m、460m、620m、780m及950m时断层对开采沉陷的影响，各模拟方案地表下沉曲线如图5所示。由图5可知：随着工作面开采长度的增加，地表下沉值逐渐增大，导致了断层露头处地表下沉台阶落差不断增大，地表沉陷范围也有所增大；当工作面开采长度接近充分采动时，地表在断层露头处的台阶落差不再变化，断层下盘侧地表沉陷范围也不再扩展。

图5 不同工作面开采长度条件下地表下沉曲线

工作面开采长度对开采沉陷的影响在工作面从不充分采动到充分采动的过程中表现的比较明显，当工作面接近或达到充分采动以后，工作面开采长度对开采沉陷的影响在断层露头处不再有比较明显的体现。

2.5 保护煤柱宽度对地表沉陷影响分析

分别模拟断层与工作面间煤柱宽度为50m、60m、70m、80m及90m时断层对开采沉陷的影响，各模拟方案地表下沉曲线如图6所示。由图6可知：随着断层与工作面间煤柱宽度的增大，开采位置逐渐远离断层，地表最大下沉值随之减小，地表最大下沉位置向采空区偏移，断层露头处地表下沉台阶落差不断减小。

图6 不同保护煤柱宽度条件下地表下沉曲线

从上述模拟结果的对比中可以发现，断层与工作面间煤柱宽度越大，断层对开采沉陷的影响越小，当断层与工作面间煤柱宽度达到一定值时，开采将影响不到断层，进而断层对开采沉陷也不会产生任何的影响。

2.6 断层带充填物强度对地表沉陷影响分析

断层上下盘之间的填充物属于破碎松散体，衡量断层填充物强度的指标主要是粘聚力及内摩擦角[10]。分别模拟断层填充物粘聚力为0.3MPa、0.5MPa及0.7MPa时和内摩擦角为15°、20°及30°时断层对开采沉陷的影响，各模拟方案地表下沉曲线如图7所示。

图7 不同断层填充物粘聚力及内摩擦角条件下地表下沉曲线

由图7可知：不同断层填充物强度指标条件下地表下沉曲线没有明显的变化，6条地表下沉曲线完合重合，因此可以推断断层填充物强度指标的变化基本不会对开采沉陷造成影响。

3 结 论

1)断层活化对地表沉陷影响因素主要有断层倾角、煤层厚度、工作面推进长度、保护煤柱宽度、断层带岩体内摩擦角、断层带岩体粘聚力等。

2)断层倾角越大，断层露头处地表下沉台阶落差越大，地表最大下沉值越大；煤层厚度越大，地表下沉值越大，断层露头处地表下沉台阶落差越大；工作面推进长度越大，地表下沉值越大，断层露头处地表下沉台阶落差越大，当工作面推进长度使地表下沉达到充分采动时，断层露头处地表下沉台阶不再增大；断层带充填物强度对地表沉陷影响不大。