不同表層厚度下含斷層煤體開采覆巖下沉規律

曹呆軍

(山西蘭花同寶煤業有限公司, 山西 晉城 048400)

煤層開采后采空區發生應力重新分布,導致上覆巖層運移與變形,最終影響到地表形成下沉盆地[1-4]. 表層厚度以及地質構造會對覆巖的運移規律與應力分布狀態產生影響。針對上述開采沉陷問題,張玉卓等[5]探究了斷層傾角與巖層移動角等對覆巖運移規律的影響,表明以上因素對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覆巖破壞的內在機理與演化過程。孔憲森等[8]運用數值模擬方法與理論解析方法研究了斷層帶活化對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律研究起到了促進作用。為深入探究不同表層厚度對覆巖下沉規律與地表變形的影響,擬采用理論分析與數值模擬方法進行研究。

1 覆巖下沉規律與地表變形

1.1 全基巖覆巖下沉規律與地表變形

在全基巖地質條件下,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,同時阻隔了覆巖應力的傳播。當下方煤層進行開采時,上覆巖層發生連續的垮落變形,而這種連續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階下沉結構。覆巖下沉規律與地表變形示意圖見圖1.

圖1 全基巖覆巖下沉規律與地表變形示意圖

當斷層結構受到開采的影響產生拉剪滑移破壞變形,破斷的采空區上方基巖會向采空區的內部移動,下沉盆地的斷層邊界區域會出現抬高現象,同時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,當基巖厚度為H,基巖的破壞距離l≤L時(L為基巖的極限破壞距離),則基巖的懸臂結構不發生連續性破壞,斷層上盤的變形量較小。相應的,當l≥L時,斷層的上盤將會向斷層方向垮落,并導致大量的地表移動變形。

1.2 薄松散層覆巖下沉規律與地表變形

在薄松散層的地質條件下,下盤煤層開采后導致上覆巖層下沉[9-10]. 斷層起到了限制上盤巖層移動和變形的作用。然而,由于差異性沉降,上下盤之間產生了位移不連續。圖2直觀地展示了所涉及的變形狀態。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巖層的支撐力所引起的。當支撐力和重力共同作用產生的剪切力超過松散層的抗剪強度時,松散層發生剪切破壞。這種剪切破壞表現為間斷性的地表裂縫。

圖2 薄松散層覆巖下沉規律與地表變形示意圖

薄松散層發生剪切破壞后,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差異。隨著松散層厚度的占比逐漸增加,地表的臺階式下沉結構將逐漸轉變為間斷性地表裂縫。

1.3 厚松散層覆巖下沉規律與地表變形

厚松散層受到擾動影響時,松散層下部在采空區邊緣將會發生滑移,而中部容易發生剪切破壞[11-12]. 然而,由于厚松散層具有吸收非連續變形的能力,當斷層存在于基巖中且上覆厚松散層時,地表表現出連續性的下沉,而非臺階式下沉或間斷性地表裂縫。如圖3所示在無斷層情況下,地表呈現對稱的下凹形狀。然而,當斷層存在時,隨著煤層開采逐漸靠近斷層,斷層活化,以斷層上盤露頭位置為臨界點,誘發上覆厚松散層發生移動變形,使得松散層滑移的位置靠近采空區。相比無斷層一側,上盤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,導致斷層上盤基巖巖層以下盤開采擾動區域形成底部臨界點,呈現三角形破壞區域。在這種情況下,松散層滑移破壞的位置遠離采空區,導致地表移動變形范圍和變形值增加。

圖3 厚松散層覆巖下沉規律與地表變形及力學模型示意圖

將圖3所示的斷層破壞區域進行力學建模,斷層帶附近巖石抵抗滑移變形的能力來源于基巖巖石的內聚力與自身重力,而促使其發生滑移變形的能力來源于松散層的重力以及破壞區域的巖石重力。根據二者的比值可推導破壞區域穩定性判據:

Fs=Fk/F

(1)

式中:Fs為穩定性判據;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動力,kN.

破壞區域長度與基巖厚度的幾何關系:

L=h2/tanα+h2/tanβ

(2)

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

F與Fk的力學關系:

(3)

(4)

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

將上式進行聯立,得到斷層帶滑移破壞判據:

(5)

根據式(1)與式(5)進行分析,當Fs>1時,巖體抗滑能力高于驅動力,巖體將保持穩定;當0

2 數值模擬模型的建立

為再現不同表層厚度下含斷層煤體開采過程中的覆巖下沉規律,對覆巖的下沉運動進行可視化分析,采用FLAC3D數值軟件進行研究。

2.1 數值模擬模型

數值模擬的巖層共設置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理弱化特點,采用VORONOI隨機節理劃分方式,數值模擬的巖性參數見表1,表2. 模型的總高度為325 m,長度為1000 m,松散層與基巖的總厚度為300 m,煤層開采厚度為5 m,煤層底板厚度為5 m. 數值模擬模型見圖4,固定模型的左右邊界與底部邊界,對各組巖層施加重力,模型采用摩爾-庫倫準則進行計算。

表1 數值模擬巖性參數表

表2 數值模擬松散層與斷層節理參數表

圖4 數值模擬設計圖

2.2 數值模擬方案

實驗共設計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。通過調節松散層與基巖的比例對不同的表層厚度進行模擬,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%,具體方案參數見表3.

表3 數值模擬方案參數表

3 地表下沉規律比較分析

不同方案下的地表下沉曲線見圖5,當覆巖無松散層時,地表的最大下沉量為3.2 m;當覆巖存在薄松散層時,地表最大下沉量為3.6 m;當覆巖存在厚松散層時,地表的最大下沉量為4.2 m. 根據圖5分析可知,在全基巖條件下,模型在走向的320 m位置出現了臺階式的跌落點,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,同時由于松散層的巖性較弱,導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律圖

4 不同表層厚度下開采覆巖下沉規律

不同表層厚度下采場覆巖數值模擬變形云圖見圖6. 如圖6(a)所示,受到斷層的阻隔作用導致斷層下盤與上盤出現了明顯的滑移錯位,在地表產生了明顯的下沉臺階,上盤與下盤的錯位高度約為1.06 m. 數值模擬結果驗證了全基巖覆巖下沉規律與地表變形規律。

圖6 不同表層厚度下開采覆巖下沉規律圖

根據圖6(b)所示,斷層在受到采動影響后發生剪切滑移變形,其尖端產生的斷層裂縫向地表延伸。在延伸線方向,斷層上盤與下盤的錯位高度約為0.11 m,并伴隨產生地表裂縫,并且向斷層下盤發生偏折。由于松散層吸收了部分斷層的剪切滑移變形釋放的能量,產生了間斷性的地表裂縫。數值模擬結果驗證了薄松散層覆巖下沉規律與地表變形。

根據圖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出明顯的非對稱形式,斷層一側的地表下沉量大于無斷層一側的地表下沉量。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,并未在地表產生明顯的臺階式下沉或者間斷性地表裂縫。數值模擬結果驗證了厚松散層覆巖下沉規律與地表變形。

5 結 語

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律。根據斷層影響作用的不同,地表會相應的表現出臺階式下沉變形、間斷性地表裂縫與連續性大變形特征,并建立了厚松散層的基巖穩定性判據。

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,同時地表下沉曲線的影響范圍和光滑程度也逐漸增加。

3) 通過對開采條件下的覆巖變形云圖進行分析,對3種條件下的地表變形規律進行了有效驗證。同時表明,斷層影響下厚松散層覆巖在開采時將會產生明顯的非對稱式變形特征。