韓紅凱許家林王曉振

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇省徐州市,221008; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221116)

★煤炭科技·開拓與開采★

受小傾角斷層影響的地表移動(dòng)特征研究?

韓紅凱1,2許家林1,2王曉振1,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇省徐州市,221008; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221116)

為了研究受小傾角斷層影響條件下鐵路保護(hù)煤柱的留設(shè)方案,利用UDEC軟件模擬了采煤工作面處于出露地表的小傾角斷層下方不同位置時(shí)對(duì)地表移動(dòng)特征的影響。結(jié)果表明:斷層露頭處地表會(huì)發(fā)生不連續(xù)變形,且當(dāng)斷層露頭處于按正常地質(zhì)條件下移動(dòng)角劃定的開采范圍外時(shí),工作面與斷層露頭的水平距離越近,該變形越明顯,斷層越易活化;工作面與斷層露頭的水平距離大于某一臨界值時(shí),斷層露頭處的移動(dòng)變形小于建筑物Ⅰ級(jí)破壞的臨界變形值。在榆樹坡煤礦1504工作面,該臨界值可取446.6 m,據(jù)此提出了鐵路保護(hù)煤柱的留設(shè)方案。

小傾角斷層 下沉盆地 鐵路保護(hù)煤柱 地表沉陷

目前我國(guó)“三下”壓煤量較大,礦井需要留設(shè)合理的保護(hù)煤柱來保護(hù)地面建筑、鐵路和水體。開采區(qū)域內(nèi)覆巖存在斷層時(shí),地表沉陷的正常規(guī)律常被掩蓋,表現(xiàn)出特殊的規(guī)律性。研究表明:當(dāng)斷層傾角大于20°、落差大于10 m時(shí),斷層對(duì)巖層和地表移動(dòng)影響顯著,在上覆巖層移動(dòng)變形的同時(shí),巖層沿?cái)鄬用娴幕瑒?dòng)使斷層露頭處地表產(chǎn)生較大裂縫,并有臺(tái)階出現(xiàn)。有學(xué)者通過實(shí)地觀測(cè)得出:斷層露頭處的地表移動(dòng)和變形值大大超過正常值,并出現(xiàn)了臺(tái)階下沉、臺(tái)階裂縫等地表非連續(xù)性破壞形態(tài)。斷層對(duì)地表移動(dòng)變形的影響會(huì)引起村莊保護(hù)煤柱留設(shè)出現(xiàn)不當(dāng),白水煤礦二二采區(qū)22515工作面在斷層附近開采,雖然留設(shè)了村莊保護(hù)煤柱且斷層完全處于采動(dòng)覆巖移動(dòng)范圍外,但采空區(qū)上方巖層移動(dòng)破壞了斷層面的極限平衡,使斷層出現(xiàn)了活化,產(chǎn)生了沿?cái)鄬用娴幕瑒?dòng),在遠(yuǎn)離沉陷區(qū)的位置仍出現(xiàn)了平行于斷層的大量臺(tái)階、裂縫,造成村莊房屋出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞。

目前在開采區(qū)域覆巖存在斷層的條件下留設(shè)村莊保護(hù)煤柱時(shí),主要采用增加采煤工作面與斷層的距離,使斷層處于采動(dòng)覆巖移動(dòng)影響范圍外且使沉陷區(qū)盡量遠(yuǎn)離斷層露頭來避免斷層出現(xiàn)活化。但當(dāng)斷層傾角較小、煤層埋深較大且斷層出露地表?xiàng)l件下,斷層在覆巖內(nèi)的延展距離會(huì)很大,采用上述方法留設(shè)保護(hù)煤柱會(huì)損失大量煤炭資源,所以不可避免地要在斷層的下方布置采煤工作面,此時(shí)斷層橫跨整個(gè)采動(dòng)覆巖移動(dòng)范圍,對(duì)于此類條件下斷層是否會(huì)影響正常的地表移動(dòng)以及采用垂直剖面法留設(shè)保護(hù)煤柱是否合理的研究尚有所欠缺。為此,本文針對(duì)小傾角斷層出露地表?xiàng)l件下在斷層下方布置采煤工作面且斷層橫跨整個(gè)采動(dòng)覆巖移動(dòng)范圍這一開采情況,通過采用UDEC來研究反映小傾角斷層對(duì)地表移動(dòng)特征的影響,進(jìn)而指導(dǎo)類似地質(zhì)條件下“三下”采煤保護(hù)煤柱的留設(shè)。

1 小傾角斷層條件下煤層開采模型的建立

1.1 地質(zhì)背景

榆樹坡煤礦1504工作面煤層傾角平均為7°,平均埋深450 m,煤層厚度為8.05～18.45 m,平均12.27 m,頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂巖,底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖、粉砂巖,第四系松散層厚度小,采用長(zhǎng)壁放頂煤采煤法,全部垮落法處理采空區(qū)。井田范圍內(nèi)有鐵路通過,為了保護(hù)鐵路的安全,在煤炭資源開采前需要留設(shè)合理的鐵路保護(hù)煤柱,1504工作面附近有一條逆斷層,斷層落差為20 m,斷層傾角為30°,未探明斷層是否出露地表,鐵路也處于1504工作面附近。本文根據(jù)1504工作面的基本地質(zhì)參數(shù),利用UDEC軟件模擬了采煤工作面處于出露地表的小傾角斷層下方不同位置時(shí)地表的移動(dòng)特征,進(jìn)而評(píng)價(jià)該地質(zhì)條件下采用垂直剖面法設(shè)計(jì)鐵路保護(hù)煤柱的合理性。

1.2 小傾角斷層條件下煤層開采模型

模型中巖性分布情況參考1504工作面附近鉆孔柱狀圖。采用1∶1的實(shí)際大小建立模型,模型長(zhǎng)度為1100 m,高度為483 m,斷層傾角為30°,落差為20 m,由于第四系松散層厚度小且現(xiàn)場(chǎng)未探明斷層是否出露地表,出于安全考慮,模型中斷層出露地表,斷層露頭長(zhǎng)度0.2 m,斷層露頭至模型左邊界的水平距離為213.4 m,工作面左邊界至按常規(guī)移動(dòng)角劃定的開采影響范圍邊界的水平距離為156.9 m,斷層面至模型左邊界的水平距離為960.0 m,工作面處于斷層下方,斷層橫跨整個(gè)采動(dòng)覆巖移動(dòng)范圍。為簡(jiǎn)化模型,模型中煤層的傾角為0°,煤層厚度為12 m,建模的單元根據(jù)各巖層的物理力學(xué)參數(shù)和厚度進(jìn)行劃分。為了監(jiān)測(cè)地表移動(dòng)變形情況,在地表設(shè)置測(cè)線,模型左邊界為測(cè)線零點(diǎn),測(cè)線長(zhǎng)1100 m,測(cè)點(diǎn)間距10 m,共計(jì)111個(gè)測(cè)點(diǎn)。開采模型中工作面按實(shí)際長(zhǎng)度取200 m,煤層開采模型簡(jiǎn)圖如圖1所示。

根據(jù)圖1可以得到關(guān)系式:

式中:L——工作面與斷層露頭的水平距離,m;

a——工作面到斷層面的水平距離,m。

目前,我國(guó)采用的一組臨界變形值是傾斜變形i為3 mm/m、水平變形ε為2 mm/m、曲率K為0.2 mm/m2,由該臨界變形值來圈定下沉盆地的危險(xiǎn)邊界,本文以鐵路保護(hù)煤柱留設(shè)時(shí)采用的該礦常規(guī)地質(zhì)條件下的移動(dòng)角來確定該下沉盆地的危險(xiǎn)邊界。為了研究小傾角斷層對(duì)地表移動(dòng)特征的影響,進(jìn)而指導(dǎo)類似地質(zhì)條件下“三下”采煤保護(hù)煤柱的留設(shè),分別建立斷層露頭位置處于按常規(guī)移動(dòng)角劃定的開采影響范圍外與開采影響范圍內(nèi)各3個(gè)開采方案,共計(jì)6個(gè)方案,具體模型尺寸見表1。

表1 模型尺寸

2 小傾角斷層對(duì)地表移動(dòng)特征的影響

2.1 斷層露頭處于按常規(guī)移動(dòng)角劃定的開采影響范圍外

工作面與斷層露頭的水平距離為446.6 m、326.6 m和206.6 m時(shí),開采區(qū)域分別為模型長(zhǎng)度方向660～860 m、540～740 m和420～620 m的區(qū)域,煤層開采厚度為12 m。地下煤層采出后,采空區(qū)周圍巖體變形、破壞、移動(dòng),最終發(fā)展至地表,致地表沉陷或塌陷,通過UDEC軟件模擬得出開采后地表水平移動(dòng)曲線,如圖2所示。

圖1 小傾角斷層下煤層開采模型

圖2 斷層露頭處于按常規(guī)移動(dòng)角劃定的開采影響范圍外時(shí)地表水平移動(dòng)曲線

工作面與斷層露頭的水平距離分別為446.6 m、326.6 m和206.6 m時(shí),斷層露頭均處于按常規(guī)移動(dòng)角劃定的開采影響范圍外。地表某一點(diǎn)的水平變形值可以按水平移動(dòng)曲線的斜率計(jì)算得出,從圖2的水平移動(dòng)曲線可以得出,工作面與斷層露頭的水平距離為446.6 m時(shí),斷層露頭處最大水平變形值為1.7 mm/m,小于建筑物Ⅰ級(jí)破壞臨界變形值2 mm/m,地表變形值在Ⅰ級(jí)破壞范圍以內(nèi),對(duì)地表建筑物影響輕微;工作面與斷層露頭的水平距離為326.6 m時(shí),斷層露頭處最大水平變形值達(dá)6.5 mm/m,大于建筑物Ⅰ級(jí)破壞臨界變形值,處于斷層露頭處的鐵路等會(huì)發(fā)生破壞;工作面與斷層露頭的水平距離為206.6 m時(shí),斷層露頭處最大水平變形值高達(dá)16.8 mm/m,處于斷層露頭處的鐵路等會(huì)發(fā)生嚴(yán)重破壞。斷層露頭處至按常規(guī)移動(dòng)角劃定的開采影響范圍邊界的區(qū)域內(nèi),地表水平變形僅為0.1 mm/m,處于該區(qū)域的建筑物等不會(huì)發(fā)生破壞?？梢钥闯霎?dāng)斷層露頭處于按常規(guī)移動(dòng)角劃定的開采影響范圍外時(shí),斷層露頭處地表發(fā)生了不連續(xù)變形,且斷層露頭與工作面水平距離越近,斷層露頭處地表移動(dòng)變形量越大,但斷層露頭處至按常規(guī)移動(dòng)角劃定的開采影響范圍邊界的區(qū)域內(nèi)地表水平變形很小?？梢?當(dāng)工作面與斷層露頭的水平距離大于一臨界值時(shí),斷層露頭處的移動(dòng)變形小于建筑物Ⅰ級(jí)破壞臨界變形值,工作面與斷層露頭的水平距離為446.6 m時(shí),斷層露頭處移動(dòng)變形小于建筑物Ⅰ級(jí)破壞臨界變形值,該地質(zhì)條件下該臨界值可取446.6 m。

2.2 斷層露頭處于按常規(guī)移動(dòng)角劃定的開采影響范圍內(nèi)

工作面與斷層露頭的水平距離為46.6 m、6.6 m和－13.4 m時(shí),開采區(qū)域分別為模型長(zhǎng)度方向260～460 m、220～420 m和200～400 m的區(qū)域,煤層開采厚度為12 m。通過UDEC軟件模擬得出開采后地表水平移動(dòng)曲線,如圖3所示。

工作面與斷層露頭的水平距離為46.6 m、6.6 m和－13.4 m時(shí),斷層露頭均處于按常規(guī)移動(dòng)角劃定的開采影響范圍內(nèi)。地面某一點(diǎn)的水平變形值可以根據(jù)水平移動(dòng)曲線的低斜率得出,從圖3的地表水平移動(dòng)曲線可以得出,工作面與斷層露頭的水平距離為46.6 m時(shí),斷層露頭處最大水平變形值為31.9 mm/m,大于建筑物Ⅰ級(jí)破壞臨界變形值,處于斷層露頭處的鐵路等會(huì)發(fā)生破壞;工作面與斷層露頭的水平距離為6.6 m時(shí),斷層露頭處最大水平變形值高達(dá)63.9 mm/m,處于斷層露頭處的鐵路等會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的破壞;工作面與斷層露頭的水平距離為－13.4 m時(shí),斷層露頭處最大水平變形值高達(dá)124.4 mm/m,處于斷層露頭處的鐵路等會(huì)發(fā)生十分嚴(yán)重的破壞。可以看出當(dāng)斷層露頭處于按常規(guī)移動(dòng)角劃定的開采影響范圍內(nèi)時(shí),斷層露頭處地表也發(fā)生了明顯的不連續(xù)變形。

圖3 斷層露頭處于按常規(guī)移動(dòng)角劃定的開采影響范圍內(nèi)時(shí)地表水平移動(dòng)曲線

簡(jiǎn)單來說,出現(xiàn)上述現(xiàn)象是由于煤炭開采后,原巖應(yīng)力遭到破壞,應(yīng)力得到重新分布,斷層的存在使得上下盤的應(yīng)力出現(xiàn)了不連續(xù)分布,由于斷層的強(qiáng)度要遠(yuǎn)弱于附近巖體的強(qiáng)度,使斷層露頭處成為巖層與地表變形集中的有利位置,引發(fā)了斷層露頭處出現(xiàn)非連續(xù)性變形,斷層出現(xiàn)了活化現(xiàn)象。

3 榆樹坡煤礦1504工作面鐵路保護(hù)煤柱留設(shè)

斷層露頭、鐵路和按常規(guī)移動(dòng)角劃定的開采影響范圍邊界的相對(duì)位置關(guān)系如圖4所示。1504工作面開采后,鐵路等是否會(huì)發(fā)生破壞取決于其與斷層露頭和按常規(guī)移動(dòng)角劃定的開采影響范圍邊界的相對(duì)位置。當(dāng)斷層露頭處于按常規(guī)移動(dòng)角劃定的開采影響范圍內(nèi)時(shí),斷層露頭線AB段,斷層露頭AB段的水平變形值可達(dá)63.9 mm/m,處于該區(qū)域的建筑物會(huì)發(fā)生嚴(yán)重破壞。當(dāng)斷層露頭處于按常規(guī)移動(dòng)角劃定的開采影響范圍外時(shí),斷層露頭BE段,斷層露頭CD段距離1504工作面326.6 m附近,CD段的水平變形值達(dá)6.5 mm/m,處于斷層露頭CD段內(nèi)的建筑物會(huì)發(fā)生破壞;斷層露頭D點(diǎn)距離1504工作面446.6 m附近,D點(diǎn)水平變形值為1.7 mm/m,且D點(diǎn)移動(dòng)變形均小于建筑物Ⅰ級(jí)破壞臨界變形值,D點(diǎn)的水平變形大于E點(diǎn)的水平變形,DE段的水平變形值小于2 mm/m,處于斷層露頭DE段內(nèi)的建筑物不會(huì)發(fā)生破壞;斷層露頭BC段距離1504工作面206.6 m附近,BC段的水平變形值達(dá)16.8 mm/m,處于斷層露頭BC段內(nèi)的鐵路會(huì)發(fā)生破壞。由于鐵路處于按常規(guī)移動(dòng)角劃定的開采影響范圍邊界以外,但鐵路與斷層露頭交匯于斷層露頭BC段,故1504工作面附近的鐵路僅在斷層露頭BC段內(nèi)有破壞危險(xiǎn)。

由小傾角斷層對(duì)地表移動(dòng)特征的影響可知,“三下”采煤采用垂直剖面法留設(shè)保護(hù)煤柱的同時(shí)還應(yīng)考慮斷層露頭處出現(xiàn)的不連續(xù)變形小于建筑物Ⅰ級(jí)破壞臨界變形值。當(dāng)采煤工作面與斷層露頭的水平距離大于某一臨界值時(shí),斷層露頭處的移動(dòng)變形小于建筑物Ⅰ級(jí)破壞臨界變形值,滿足保護(hù)鐵路的要求,該地質(zhì)條件下該臨界距離為446.6 m。1504采煤工作面宜沿著斷層露頭線布置,使其與斷層露頭保持446.6 m的水平距離,即留設(shè)寬度為446.6 m的鐵路保護(hù)煤柱,可以保證所有斷層露頭線處移動(dòng)變形均小于建筑物Ⅰ級(jí)破壞臨界變形值,如圖4中方案一所示。此外,由于1504工作面附近的鐵路僅在斷層露頭BC段內(nèi)有破壞危險(xiǎn),僅需要在斷層露頭BC段對(duì)應(yīng)的原工作面位置留設(shè)446.6 m的鐵路保護(hù)煤柱即可保證BC段鐵路移動(dòng)變形小于建筑物Ⅰ級(jí)破壞臨界變形值,如圖4中方案二所示。

4 結(jié)論

(1)采煤工作面處于小傾角斷層下方時(shí),斷層露頭處地表會(huì)發(fā)生不連續(xù)變形,當(dāng)斷層露頭處于按常規(guī)移動(dòng)角劃定的開采影響范圍邊界外時(shí),采煤工作面與斷層露頭的水平距離越近,斷層露頭處的水平變形越大,斷層越易活化,但斷層露頭處至按常規(guī)移動(dòng)角劃定的開采影響范圍邊界的區(qū)域內(nèi)地表水平變形很小。

圖4 斷層露頭與按常規(guī)移動(dòng)角劃定的開采影響范圍邊界的相對(duì)位置簡(jiǎn)圖

(2)受小傾角斷層的影響,當(dāng)斷層露頭處于按常規(guī)移動(dòng)角劃定的開采影響范圍邊界外時(shí),“三下”采煤采用垂直剖面法留設(shè)保護(hù)煤柱的同時(shí)還應(yīng)保證斷層露頭處的不連續(xù)變形小于建筑物Ⅰ級(jí)破壞臨界變形值。工作面與斷層露頭的水平距離大于某一臨界值時(shí),斷層露頭處的移動(dòng)變形小于建筑物Ⅰ級(jí)破壞臨界變形值,處于斷層露頭處的鐵路不會(huì)發(fā)生破壞。榆樹坡煤礦1504工作面地質(zhì)條件下,該臨界值為446.6 m,據(jù)此提出了鐵路保護(hù)煤柱的留設(shè)方案。

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Research on characteristics of surface movement influenced by a low-angle fault

Han Hongkai1,2,Xu Jialin1,2,Wang Xiaozhen1,2
(1.State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China; 2.School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China)

In order to determine the design scheme of railway protection coal pillar influenced by a low-angle fault,the UDEC was applied to simulate the ground movement when the working face was in different positions under a low-angle fault which cropped out the earth surface.The results showed that,the ground discontinuous deformation would appear in the position of fault outcrop;furthermore,when the fault outcrop was outside the mining range defined by the displacement angle in normal geological conditions,the shorter the distance between the working face and fault outcrop was,the more distinct the deformation was and the easier to activate the fault would be.When the distance between working face and fault outcrop was longer than a certain critical value,the movement deformation in the position of fault outcrop was smaller than the critical deformation value of building damage of classⅠ.In No.1504 working face of Yushupo Coal Mine,the critical value was 446.6 m.The design scheme of the railway protection coal pillar was proposed based on the analysis above.

low-angle fault,subsidence basin,railway protection coal pillar,surface subsidence

TD823.83

A

韓紅凱(1991－),男,河南輝縣人,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)碩士研究生在讀,主要研究方向?yàn)閹r層移動(dòng)與綠色開采。

(責(zé)任編輯 郭東芝)

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51404246),江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20140205)