徐乃忠正断层存在的地表沉陷特殊性规律研究

第2卷第1期采矿与岩层控制工程学报Vol.2No.12020年2月JOURNALOFMININGANDSTRATACONTROLENGINEERINGFeb.2020011007-1徐乃忠，高超.正断层存在的地表沉陷特殊性规律研究[J].采矿与岩层控制工程学报，2020，2(1)：011007.XUNaizhong，GAOChao.Studyonthespecialrulesofsurfacesubsidenceaffectedbynormalfaults[J].JournalofMiningandStrataControlEngineering，2020，2(1)：011007.正断层存在的地表沉陷特殊性规律研究徐乃忠1，2，3，高超1，2(1.煤炭科学研究总院开采研究分院，北京100013；2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013；3.中国煤炭学会煤矿开采损害技术鉴定委员会，北京100013)摘要：工作面周边存在较大断层时，一般采用留设断层保护煤柱法，使覆岩移动不直接影响到断层。为分析受正断层影响的地表移动变形规律，通过工作面开采前后地表裂缝与房屋墙体裂缝损坏的现场调查，发现位于常规沉陷影响边界之外至断层露头范围内仍有平行于断层走向的地表裂缝及墙体裂缝性损害；应用FLAC模拟研究了正断层影响下的上盘煤层开采时地表沉陷特征及断层带应力变化特征。结果表明：受开采扰动影响的断层带附近原始构造应力得到释放并产生一定变形，反映至地表为非对称性的偏态下沉；建筑物下伏岩层有较大断层时，应在边界角法或沉陷预计法留设地面建筑保护煤柱的基础上，考虑留设合理宽度的断层安全煤柱；同时提出断层带周边的应力变化可作为断层受开采沉陷影响与否的判定依据。关键词：开采沉陷；正断层；偏态下沉；应力变化；断层安全煤柱中图分类号：TD325文献标志码：A文章编号：2096-7187(2020)01-1007-06StudyonthespecialrulesofsurfacesubsidenceaffectedbynormalfaultsXUNaizhong，GAOChao(1.CoalMiningBranch，ChinaCoalResearchInstitute，Beijing100013，China；2.CoalMining&DesigningDepartment，TiandiScience&TechnologyCo.，Ltd.，Beijing100013，China；3.CoalMiningDamageTechnicalAppraisalCommittee，ChinaCoalSociety，Beijing100013，China)Abstract：Whenthereisalargefaultaroundtheworkingface,designersoftenusemethodofprotectioncoalpillarforfaultstomakethefaultsbeyonddirectlyaffectedzone.Toanalyzethesurfacemovementanddeformationlawinfluencedbynormalfault,throughfieldinvestigationbeforeandaftermining,theauthorsfoundthatsurfacecracksparalleledtothefaultstrikeandwallcracksdamagestillexistbetweensubsidenceinfluencingboundaryandfaultoutcroparea.NumericalsimulationofFLAC3Dwasappliedandtheauthorsstudiedcharacteristicsofsurfacesubsidenceandthefaultstressvariationwhenhangingwallcoalseamminingofnormalfault.Resultsshowedthattheoriginaltectonicstressoffaultzoneaffectedbyminingreleasedandgeneratedacertaindeformationthenasymmetricalskewedsubsidencewillbeappearedonsurface.Areasonablewidthsecuritycoalpillaroffaultshouldbeconsideredbasedonmethodofboundaryangleorsubsidencepredictionwhenlargefaultexistsunderbuildings.Atthesametime,theauthorsputforwardthatstresschangesinfaultzonecanbeusedasabasisofminingsubsidencejudgement.Keywords：subsidence；normalfault；skewedsubsidence；stresschanges；securitycoalpillaroffault收稿日期：2019-01-28修回日期：2019-05-20责任编辑：李青基金项目：天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项资助项目(2018-TD-QN024)；国家科技重大专项资助项目(2016ZX05045-007)作者简介：徐乃忠(1961—)，男，江苏建湖人，研究员，博士生导师。E-mail：[e-mail]徐乃忠等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2，No.1(2020)：011007011007-2村庄房屋等建筑物下压煤及其保护煤柱留设是开采沉陷学科的主要研究内容之一，若开采区域周边发育有大型断层等地质构造，井下采矿活动可能对断层产生扰动影响，引起断层带附近的应力变化，反映至地表表现为断层露头区域的地表移动变形。断层的存在可能会影响岩层移动及地表移动变形的正常传播规律，部分产状断层可能对地表沉陷起加剧、催化作用。为研究断层赋存条件下的地表沉陷规律，我国开采沉陷学者进行了不断的探索。张玉卓等推导了受断层影响条件下的地表移动变形函数数学表达式，并在云南田坝矿进行了应用；张华兴等推导了受断层影响的断层带上离层空间形态及其影响、对断层影响的地表移动影响规律及地表沉陷函数式进行了研究；戴华阳认为采矿活动是弱面扰动的外部条件，利用有限元分析了弱面非连续变形的力学成因，并推导了地表非连续变形的计算方法；郭文兵以地表裂缝的实测资料为基础，推导了受断层影响的地表台阶型裂缝发育规律；吴侃将受断层影响的地表移动变形作为一个等效倾斜采空区的开采，首先计算出实际开采区和等效开采区的地表移动变形，并建立受断层切割影响的地表变形预计模型；崔希民等基于郭庄煤矿实测资料研究了断层对地表沉陷范围和非连续变形的影响规律，探讨了断层露头附近台阶型裂缝计算方法；杨建立等应用数值模拟研究了有无断层影响下的覆岩与地表移动变形差异；于秋鸽等基于空间守恒原理，推导出断层面受采动影响产生的离层空间；黄平路等应用实测数据验证了特殊地质构造对地表沉陷速度加速作用；郭文兵等采用数值模拟的研究手段验证了受采动影响后的断层活化，得出地表沉陷范围的扩大化特征；韩红凯等采用UDEC模拟研究了采动直接波及到小倾角断层影响的地表非连续变形特征，并提出了断层保护煤柱的留设方法。综上可知，以往学者主要针对工作面过断层后，断层对岩层的移动变形及地表的非连续性变形进行研究；且对当井下采动直接波及断层时(“两带”发育至断层体)地表沉陷规律已有一定的研究，反映至地表将出现台阶型裂缝与非对称性沉陷范围的变化；对于采动未直接波及至断层但断层受采动影响应力得以释放情况下的地表移动变形鲜有研究。本文采用FLAC对以鄂尔多斯某矿109工作面受断层影响的地表移动规律进行了模拟，分析了受该工作面采动影响的地表移动变形特征及断层应力变化特征。1断层影响下的地表沉陷特殊性实例分析1.1工作面概述(1)工作面概况研究区域位于内蒙古东胜煤田北部边缘，行政区划属于鄂尔多斯市达拉特旗。109工作面采深约171m、开采2-3煤层，煤层连续性较好；工作面平均煤层厚度3.40m，煤层倾角1°～5°，为近水平煤层开采；地表大部地段被第四系风积砂覆盖，开切眼侧钻孔揭露表土层厚度为14m；工作面采用综采工艺，全部垮落法管理顶板。(2)煤层顶、底板及岩性煤层顶、底板主要为砂质泥岩及泥岩，局部为中砂岩及细砂岩。直接顶岩层厚度为5.05～21.35m，根据钻孔岩石力学试验结果，抗压强度为8.6～19.1MPa。底板以砂质泥岩为主、细砂岩次之，抗压强度为9.2～17.8MPa。(3)断层概况井田近似为一单斜构造，109工作面开切眼侧有F5正断层，倾角为65°～70°，断距为12～14m，断层破碎带平均宽度为9.8m，表土层厚度为14m。矿方为保证井下的安全生产同时为保护地面的建筑物不受采动影响，在井下留设了断层保护煤柱，F5断层距离109工作面开切眼侧最小平面距离为122m。如图1所示。F5断层122.0109工作面108.214.0表土层开采影响范围边界87.0基岩层煤层157.0单位:m65°图1109工作面与F5断层的相对位置关系Fig.1Relativerelationshipbetween109workingfaceandF5fault徐乃忠等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2，No.1(2020)：011007011007-31.2地面房屋裂缝性损害调查109工作面对应地表征地补偿范围线以外仍有部分地面村庄。该区域居民房屋大部分已建10余年甚至20余年，少部分房屋新建不久。房屋的建筑结构形式也有一定的差异，有人字型木梁的砖木结构，也有砖混结构。2016年10月，工作面刚开始开采，经现场入户调查掌握到地面房屋除自然失修的老旧裂缝以外，房屋墙面及薄弱结构部位未出现裂缝性损坏。2017年3月，再次经踏勘与现场入户调查，发现F5断层露头附近的几处居民房屋在薄弱结构部位有一定程度的裂缝损坏。同时沿F5断层走向对应地表断层露头附近发现宽度为3～15mm的台阶裂缝与张开型地表裂缝。1.3沉陷预计分析从该矿首采面布置的地表移动观测站实测数据出发，并参照相关规程、规范选取了109工作面地表沉陷计算参数为：下沉系数q＝0.73，主要影响角正切tanβ＝1.50，开采影响传播角θ＝87.8°，水平移动系数b＝0.38，拐点偏移距S＝0。地表的下沉计算等值线、F5断层及地面房屋的相对位置平面图如图2所示。10100500100020002016年11月2016年10月109工作面工作面开切眼沉陷影响范围边界F5断层F5断层露头地面村庄沉陷影响范围边界图2109工作面开采后地表下沉等值线Fig.2Surfacesubsidencecontourmapof109workingface109工作面常规条件下(未考虑断层影响)的地面开采影响范围最外侧边界距离工作面边界为108.2m，断层露头位于沉陷预计边界以外87.0m处。然而现场入户调查与踏勘中发现在预计范围之外与断层露头之间区域，发现有大量地表裂缝，这些地表裂缝具有发育范围较长、大致平行于断层走向、裂缝宽度3～8mm等特点，房屋墙体裂缝与地表裂缝相对应；且这些房屋的裂缝及地表裂缝具有明显的采动影响发育特征。这些都证明了工作面开采对断层有一定的扰动影响并将影响传播至地表，仅用常规边界角法或沉陷预计法留设地面建筑保护煤柱进行地面建筑物保护的方法科学性较差。2正断层影响数值模拟为分析工作面受断层影响及其受采动影响应力及地表移动变形规律，应用FLAC建立数值模型，对受正断层影响的地表移动变形特征和断层周边的应力特征进行了模拟研究