楊帆　常俊飛　郭正一　梁樹民

摘要：采用實地調(diào)查和數(shù)理統(tǒng)計的方法對采動地裂縫進行分類，并分析不同類型地裂縫的主要成因。針對鐵法礦區(qū)巨厚火成巖覆巖采動誘發(fā)的地裂縫問題，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)值軟件模擬計算了巨厚火成巖覆巖采動過程中應(yīng)力分布規(guī)律和地表裂縫發(fā)育的機理。

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

中圖分類號：TD32 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）01-0101-06

O 引言

煤炭開采引起的地表沉陷是嚴重的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害和安全生產(chǎn)隱患，會給煤炭企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失，已成為影響各大礦區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和社會安定的重要因素（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1000m，寬5.8m，深約10m，后經(jīng)調(diào)查，在查采動火成巖覆巖區(qū)發(fā)現(xiàn)8條大的地裂縫，這些地裂縫長50～1000m，寬0.5～8m，深1～10m。在煤礦開采形成大量開采地裂縫的同時，還常常會引發(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，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，加強對火成巖斷裂形成地裂縫機理的研究具有十分重要的理論價值和應(yīng)用價值。

1 鐵法礦區(qū)采動地裂縫類型及分布特征

1.1 煤炭開采誘發(fā)地裂縫的類型

煤炭開采誘發(fā)的地表裂縫多種多樣，據(jù)不完全統(tǒng)計，有直線型、曲線型、雁裂型和排列型等。地裂縫長度為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、形成時間對其進行不同的分類。

1.2 鐵法礦區(qū)火成巖及地裂縫分布情況

鐵法能源集團公司位于遼寧省調(diào)兵山市，鐵法礦區(qū)由3個煤田組成，即鐵法煤田、康平煤田和康北煤田，總含煤面積773.22km²，原始累計探明工業(yè)儲量22.59億噸。整個礦區(qū)侵入地層的火成巖主要為第三紀輝綠巖、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，其主要特點有：

（1）火成巖大多隨煤層的頂?shù)装迦肭郑挥绊懨簩泳艿讲煌潭鹊钠茐?，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，可能造成嚴重的地質(zhì)災(zāi)害，如地裂縫或者突發(fā)性塌陷。

（3）整個礦區(qū)各個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：一類是對應(yīng)于開采邊界的裂縫，另一類為開采動態(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），以及沒有弱面火成巖（圖2b）。有弱面火成巖，受到均勻荷載時，斷裂處就位于弱面處；沒有弱面火成巖，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處部位；（4）位于底板，即火成巖體位于開采煤層底板或者距離底板不遠處。

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）與平衡拱有兩個交點，如圖4a所示，由此可形成簡支梁模型，根據(jù)簡支梁模型可準確算出有兩個交點時火成巖體的破斷距；（2）與平衡拱有一個交點，如圖4b所示，形成一端固支的簡支梁模型，根據(jù)力學(xué)知識也能準確得出其火成巖的斷裂部位；（3）與平衡拱沒有交點，如圖4a、b所示，此條件下火成巖與采空區(qū)之間關(guān)系相對而言較簡單，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，其與地表的移動關(guān)系都較簡單，且建模較為方便。

綜上，在建立模型時，以均勻?qū)訝罨鸪蓭r為主要研究對象，其他形狀（楔形、橢圓形）暫不作為主要研究對象。在此條件下，主要以一端固支且與平衡拱最少有一個交點的情況下為主要研究對象，如圖4a、b所示，使得建模更為簡便?；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 采動火成巖覆巖斷裂數(shù)值模擬

模型以曉南煤礦82-82號勘探剖面線地質(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，工作面長度按7號勘探剖面上開采長度400m，建立200m×500m×623m的平面模型，數(shù)值計算模型如圖5所示。模型中均采用Mohr-Coulomb判斷巖體的屈服準則破壞，并且均不考慮塑性流動（不考慮剪脹）。由圖5的模型可以得到開采厚度為6m的煤層覆巖的應(yīng)力分布，如圖6～7所示。

當(dāng)采面推進200m時，切眼處和掘進處前方均出現(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。靠近工作面處存在垂直應(yīng)力正向分布，說明巖層移動、變形、彎曲過程中存在受拉應(yīng)力或不受力的情況。工作面推進300m，采動覆巖應(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。在工作面不斷推進的過程中，在采空區(qū)上盤將會出現(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)各存在一個高壓應(yīng)力集中區(qū)，往遠處則壓應(yīng)力又逐漸變小，但變化梯度遠遠小于礦體附近應(yīng)力變化梯度。

由圖8可見，當(dāng)工作面推進到火成巖下方時，火成巖所受應(yīng)力明顯集中，由于火成巖厚度較大、強度較高，對上覆巖體的移動和變形起到了控制作用。隨著工作面的推進，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，與巖體抗拉強度逐步接近，當(dāng)水平應(yīng)力達到1.243×10，Pa時，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

本文針對巨厚火成巖覆巖下開采對地裂縫的形成機理進行探索性研究，采取數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測資料整理、理論分析相結(jié)合的科研手段，對采動地裂縫進行分類，并分析不同類型地裂縫的主要成因。對巨厚火成巖下開采上覆巖層的應(yīng)力分布情況及火成巖體斷裂的部位進行了分析研究，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)機理。

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