曹呆軍

(山西蘭花同寶煤業(yè)有限公司, 山西 晉城 048400)

煤層開(kāi)采后采空區(qū)發(fā)生應(yīng)力重新分布,導(dǎo)致上覆巖層運(yùn)移與變形,最終影響到地表形成下沉盆地[1-4]. 表層厚度以及地質(zhì)構(gòu)造會(huì)對(duì)覆巖的運(yùn)移規(guī)律與應(yīng)力分布狀態(tài)產(chǎn)生影響。針對(duì)上述開(kāi)采沉陷問(wèn)題,張玉卓等[5]探究了斷層傾角與巖層移動(dòng)角等對(duì)覆巖運(yùn)移規(guī)律的影響,表明以上因素對(duì)地表沉陷范圍具有控制作用。尹立明、于秋鴿等[6-7]分析了斷層滑移誘發(fā)覆巖破壞的內(nèi)在機(jī)理與演化過(guò)程?？讘椛萚8]運(yùn)用數(shù)值模擬方法與理論解析方法研究了斷層帶活化對(duì)表層建筑物沉降的影響。以上研究為斷層條件下的地表沉陷規(guī)律研究起到了促進(jìn)作用。為深入探究不同表層厚度對(duì)覆巖下沉規(guī)律與地表變形的影響,擬采用理論分析與數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究。

1 覆巖下沉規(guī)律與地表變形

1.1 全基巖覆巖下沉規(guī)律與地表變形

在全基巖地質(zhì)條件下,地表上方不存在覆蓋的松散層,因此,地表受斷層的影響較大。斷層直接破壞了覆巖的完整性,同時(shí)阻隔了覆巖應(yīng)力的傳播。當(dāng)下方煤層進(jìn)行開(kāi)采時(shí),上覆巖層發(fā)生連續(xù)的垮落變形,而這種連續(xù)變形在斷層位置被切斷。這種斷層切斷作用控制了地表變形的范圍,并在斷層帶附近形成明顯的臺(tái)階下沉結(jié)構(gòu)。覆巖下沉規(guī)律與地表變形示意圖見(jiàn)圖1.

圖1 全基巖覆巖下沉規(guī)律與地表變形示意圖

當(dāng)斷層結(jié)構(gòu)受到開(kāi)采的影響產(chǎn)生拉剪滑移破壞變形,破斷的采空區(qū)上方基巖會(huì)向采空區(qū)的內(nèi)部移動(dòng),下沉盆地的斷層邊界區(qū)域會(huì)出現(xiàn)抬高現(xiàn)象,同時(shí)伴隨著大量張拉裂縫的衍生。以高度為h的基巖衍生裂縫為例,當(dāng)基巖厚度為H,基巖的破壞距離l≤L時(shí)(L為基巖的極限破壞距離),則基巖的懸臂結(jié)構(gòu)不發(fā)生連續(xù)性破壞,斷層上盤(pán)的變形量較小。相應(yīng)的,當(dāng)l≥L時(shí),斷層的上盤(pán)將會(huì)向斷層方向垮落,并導(dǎo)致大量的地表移動(dòng)變形。

1.2 薄松散層覆巖下沉規(guī)律與地表變形

在薄松散層的地質(zhì)條件下,下盤(pán)煤層開(kāi)采后導(dǎo)致上覆巖層下沉[9-10]. 斷層起到了限制上盤(pán)巖層移動(dòng)和變形的作用。然而,由于差異性沉降,上下盤(pán)之間產(chǎn)生了位移不連續(xù)。圖2直觀地展示了所涉及的變形狀態(tài)。松散層在覆蓋基巖斷層露頭位置承受剪切力,這些剪切力是由松散層自身的重力和上盤(pán)巖層的支撐力所引起的。當(dāng)支撐力和重力共同作用產(chǎn)生的剪切力超過(guò)松散層的抗剪強(qiáng)度時(shí),松散層發(fā)生剪切破壞。這種剪切破壞表現(xiàn)為間斷性的地表裂縫。

圖2 薄松散層覆巖下沉規(guī)律與地表變形示意圖

薄松散層發(fā)生剪切破壞后,松散層厚度與覆巖下沉量的比值不同,地表變形形式存在相應(yīng)差異。隨著松散層厚度的占比逐漸增加,地表的臺(tái)階式下沉結(jié)構(gòu)將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殚g斷性地表裂縫。

1.3 厚松散層覆巖下沉規(guī)律與地表變形

厚松散層受到擾動(dòng)影響時(shí),松散層下部在采空區(qū)邊緣將會(huì)發(fā)生滑移,而中部容易發(fā)生剪切破壞[11-12]. 然而,由于厚松散層具有吸收非連續(xù)變形的能力,當(dāng)斷層存在于基巖中且上覆厚松散層時(shí),地表表現(xiàn)出連續(xù)性的下沉,而非臺(tái)階式下沉或間斷性地表裂縫。如圖3所示在無(wú)斷層情況下,地表呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)的下凹形狀。然而,當(dāng)斷層存在時(shí),隨著煤層開(kāi)采逐漸靠近斷層,斷層活化,以斷層上盤(pán)露頭位置為臨界點(diǎn),誘發(fā)上覆厚松散層發(fā)生移動(dòng)變形,使得松散層滑移的位置靠近采空區(qū)。相比無(wú)斷層一側(cè),上盤(pán)地表盆地的變形范圍較小。隨著上覆松散層厚度的增加,松散層以荷載的形式作用于基巖巖層,導(dǎo)致斷層上盤(pán)基巖巖層以下盤(pán)開(kāi)采擾動(dòng)區(qū)域形成底部臨界點(diǎn),呈現(xiàn)三角形破壞區(qū)域。在這種情況下,松散層滑移破壞的位置遠(yuǎn)離采空區(qū),導(dǎo)致地表移動(dòng)變形范圍和變形值增加。

圖3 厚松散層覆巖下沉規(guī)律與地表變形及力學(xué)模型示意圖

將圖3所示的斷層破壞區(qū)域進(jìn)行力學(xué)建模,斷層帶附近巖石抵抗滑移變形的能力來(lái)源于基巖巖石的內(nèi)聚力與自身重力,而促使其發(fā)生滑移變形的能力來(lái)源于松散層的重力以及破壞區(qū)域的巖石重力。根據(jù)二者的比值可推導(dǎo)破壞區(qū)域穩(wěn)定性判據(jù):

Fs=Fk/F

(1)

式中:Fs為穩(wěn)定性判據(jù);Fk為巖體抵抗滑移變形的阻力,kN;F為促使巖體滑移變形的驅(qū)動(dòng)力,kN.

破壞區(qū)域長(zhǎng)度與基巖厚度的幾何關(guān)系:

L=h2/tanα+h2/tanβ

(2)

式中:L為破壞區(qū)域長(zhǎng)度,m;h2為巖體破壞區(qū)域厚度,m;β為巖體滑動(dòng)面與水平面夾角,(°);α為斷層傾角,(°).

F與Fk的力學(xué)關(guān)系:

(3)

(4)

式中:h1為松散層厚度,m;γ為容重,N/m3;φ為巖體內(nèi)摩擦角,(°);c為巖體內(nèi)聚力,MPa.

將上式進(jìn)行聯(lián)立,得到斷層帶滑移破壞判據(jù):

(5)

根據(jù)式(1)與式(5)進(jìn)行分析,當(dāng)Fs>1時(shí),巖體抗滑能力高于驅(qū)動(dòng)力,巖體將保持穩(wěn)定;當(dāng)0

2 數(shù)值模擬模型的建立

為再現(xiàn)不同表層厚度下含斷層煤體開(kāi)采過(guò)程中的覆巖下沉規(guī)律,對(duì)覆巖的下沉運(yùn)動(dòng)進(jìn)行可視化分析,采用FLAC3D數(shù)值軟件進(jìn)行研究。

2.1 數(shù)值模擬模型

數(shù)值模擬的巖層共設(shè)置5層,分別為松散層、中砂巖、粉砂巖、煤層與泥巖,并在其中布置斷層,斷層的寬度為2 m,斷層落差為10 m,傾角為70°. 為模擬松散層與斷層的節(jié)理弱化特點(diǎn),采用VORONOI隨機(jī)節(jié)理劃分方式,數(shù)值模擬的巖性參數(shù)見(jiàn)表1,表2. 模型的總高度為325 m,長(zhǎng)度為1000 m,松散層與基巖的總厚度為300 m,煤層開(kāi)采厚度為5 m,煤層底板厚度為5 m. 數(shù)值模擬模型見(jiàn)圖4,固定模型的左右邊界與底部邊界,對(duì)各組巖層施加重力,模型采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。

表1 數(shù)值模擬巖性參數(shù)表

表2 數(shù)值模擬松散層與斷層節(jié)理參數(shù)表

圖4 數(shù)值模擬設(shè)計(jì)圖

2.2 數(shù)值模擬方案

實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)3種方案,分別為全基巖條件、薄松散層條件與厚松散層條件。通過(guò)調(diào)節(jié)松散層與基巖的比例對(duì)不同的表層厚度進(jìn)行模擬,全基巖條件的松散層占比為0%、薄松散層條件的松散層占比為17%、厚松散層條件的松散層占比為67%,具體方案參數(shù)見(jiàn)表3.

表3 數(shù)值模擬方案參數(shù)表

3 地表下沉規(guī)律比較分析

不同方案下的地表下沉曲線見(jiàn)圖5,當(dāng)覆巖無(wú)松散層時(shí),地表的最大下沉量為3.2 m;當(dāng)覆巖存在薄松散層時(shí),地表最大下沉量為3.6 m;當(dāng)覆巖存在厚松散層時(shí),地表的最大下沉量為4.2 m. 根據(jù)圖5分析可知,在全基巖條件下,模型在走向的320 m位置出現(xiàn)了臺(tái)階式的跌落點(diǎn),原因是由于斷層切斷作用控制了地表變形的范圍,這與前文所述的論點(diǎn)一致。隨著松散層厚度逐漸增加,地表下沉曲線也逐漸變得光滑,同時(shí)由于松散層的巖性較弱,導(dǎo)致了地表下沉的總量逐漸增大。

圖5 不同表層厚度條件下地表下沉規(guī)律圖

4 不同表層厚度下開(kāi)采覆巖下沉規(guī)律

不同表層厚度下采場(chǎng)覆巖數(shù)值模擬變形云圖見(jiàn)圖6. 如圖6(a)所示,受到斷層的阻隔作用導(dǎo)致斷層下盤(pán)與上盤(pán)出現(xiàn)了明顯的滑移錯(cuò)位,在地表產(chǎn)生了明顯的下沉臺(tái)階,上盤(pán)與下盤(pán)的錯(cuò)位高度約為1.06 m. 數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證了全基巖覆巖下沉規(guī)律與地表變形規(guī)律。

圖6 不同表層厚度下開(kāi)采覆巖下沉規(guī)律圖

根據(jù)圖6(b)所示,斷層在受到采動(dòng)影響后發(fā)生剪切滑移變形,其尖端產(chǎn)生的斷層裂縫向地表延伸。在延伸線方向,斷層上盤(pán)與下盤(pán)的錯(cuò)位高度約為0.11 m,并伴隨產(chǎn)生地表裂縫,并且向斷層下盤(pán)發(fā)生偏折。由于松散層吸收了部分?jǐn)鄬拥募羟谢谱冃吾尫诺哪芰?產(chǎn)生了間斷性的地表裂縫。數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證了薄松散層覆巖下沉規(guī)律與地表變形。

根據(jù)圖6(c)中所示的0.1 m下沉等值線所示,斷層影響下的覆巖變形呈現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱(chēng)形式,斷層一側(cè)的地表下沉量大于無(wú)斷層一側(cè)的地表下沉量。隨著松散層厚度的增加,斷層帶剪切滑移變形釋放的能量大部分被松散層所吸收,并未在地表產(chǎn)生明顯的臺(tái)階式下沉或者間斷性地表裂縫。數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證了厚松散層覆巖下沉規(guī)律與地表變形。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 分析了全基巖條件下、薄松散層條件下、厚松散層條件下的地表變形與覆巖下沉規(guī)律。根據(jù)斷層影響作用的不同,地表會(huì)相應(yīng)的表現(xiàn)出臺(tái)階式下沉變形、間斷性地表裂縫與連續(xù)性大變形特征,并建立了厚松散層的基巖穩(wěn)定性判據(jù)。

2) 全基巖條件下、薄松散層條件下、厚松散層條件下的地表最大下沉量分別為3.2 m、3.6 m與4.2 m,同時(shí)地表下沉曲線的影響范圍和光滑程度也逐漸增加。

3) 通過(guò)對(duì)開(kāi)采條件下的覆巖變形云圖進(jìn)行分析,對(duì)3種條件下的地表變形規(guī)律進(jìn)行了有效驗(yàn)證。同時(shí)表明,斷層影響下厚松散層覆巖在開(kāi)采時(shí)將會(huì)產(chǎn)生明顯的非對(duì)稱(chēng)式變形特征。