斷層活化與煤柱留設的影響關系研究及應用

楊煥祥

【摘 要】本文針對工作面回采后引發斷層活化，研究選用地質采礦技術條件下開采引起的地表移動變形邊界角作為主要參數，以確定建筑物保護煤柱線作為生產布置的依據。

【關鍵詞】保護煤柱；斷層活化；煤柱留設

0 前言

斷層活化一般解釋為斷層帶或斷層面沿走向和傾向所發生的活動變化地質構造。斷層活化使礦區地質條件復雜化，地表移動和變形表現出特殊的規律性。如果可采地層上覆巖層中有斷層存在，這就可能引起斷層上下盤沿斷層面相對移動。

1 區域地質采礦技術條件

為了延長礦井的生產年限，對新陶陽礦業3100采區部分工作面進行復采。3101（下）工作面上方地勢平坦大部分為農田，有大小不一個體粉坊12座及小型變電所和廠房等零星建筑物，太平公路從上方南側穿過，并有一座公路橋。與太平公路相連的農田大車路橫穿正上方。西側為新陶陽公司中三風井及注漿站，董莊鋪四村位于工作面以南174米處，多條高低壓線從工作面上方穿過。在3101（下）工作面與董莊鋪四村村址北邊界之間，存在有F39 和F4號斷層，其中F39斷層為中一與中三井田的邊界斷層，走向東西，傾向北，為南升北降的正斷層。此處落差43m，往東與F4號斷層合并，該斷層將中一井田主要含水層抬起，與中三井田下組煤對口，是導水性較強的斷層。F4斷層：中一井田北界。為一南升北降正斷層，總的延展方向是東西方向，中部向南凸出，形成一弧形。傾向北東～北西，傾角65～75°，落差20～235m。在第5、6兩條剖面線之間，該斷層與F40斷層交叉，與F40形成一個寬200～350m的地塹，從礦井井上下對照圖中可明顯看到，該斷層組露頭處的地面位置南端，村址北邊界最近的距離為90米。

2 斷層對開采沉陷規律的影響研究

2.1 斷層對開采沉陷的影響

如果開采區域影響范圍內的上覆巖層中有斷層存在，這就可能引起斷層的上下盤沿斷層面相對移動。斷層對開采沉陷產生的影響，主要表現在兩方面：一是斷層露頭處地表產生臺階狀裂縫，二是改變沉陷的影響范圍。

2.1.1 在垂直斷層走向的剖面上的影響情況

根據斷層面傾角和工作面基巖移動角之間的相對關系分三種情況：

（1）斷層面傾向和工作面基巖移動角傾向一致，斷層面傾角小于基巖移動角此時，則巖層沿著斷層面發生移動，其結果在斷層露頭處地表產生臺階，同時地表移動范圍增大。

（2）斷層面傾向與基巖移動角傾向一致，斷層面傾角大于基巖移動角，當井下工作面開采后，由于斷層兩側的基巖在移動過程中發生滑動，致使斷層露頭處地表很快形成臺階（一般快于正常采動影響的時間），所形成的臺階與臺階的高差一般也大于第一種情況的臺階。同時，采空區上方地表移動范圍縮小。

（3）斷層面傾向與工作面移動角傾向相反

此時，斷層面與移動角的影響線相交，斷層露頭處產生寬度較大的臺階狀裂縫，開采引起的巖層與地表移動范圍縮小。

2.1.2 在沿斷層走向的剖面上的影響情況

根據實際觀測資料，在沿斷層走向的剖面上，斷層露頭處的臺階是以主斷面為中心向兩側逐漸變小，斷層的破壞作用逐漸衰減。其影響范圍按下式計算：

l=H0ctgδ0

式中：l——影響范圍；

H0——平均采深；

δ0——走向邊界角。

2.2 斷層對地表移動與變形產生影響的原因

斷層對地表移動與變形產生影響的原因在于斷層帶處巖層的力學強度大大低于周圍巖層的力學強度。由于采動引起的應力的集中作用，致使斷層露頭處成為巖層變形集中的有利位置。在上覆巖層發生移動與變形的同時，巖層還沿著斷層面發生滑動，于是在斷層露頭處的地表就出現臺階狀的破壞。同時，由于斷層的變形集中作用，也使盆地內移動與變形的正常分布發生改變。在斷層露頭處的地表變形加劇，大大超過其正常值，位于斷層露頭兩側附近的地表變形變得緩和，且小于其正常值。利用斷層對地面影響的規律，可指導地面建筑物的合理布置。

3 采后建筑物變形與斷層活化情況

3.1 采后建筑物受破壞程度

3101上分層和下分層開采后，在村址北部最后一排房屋發生斑裂的現象，發生斑裂的裂隙在5～60mm之間。

3.2 采后斷層活化狀況

因3101（下）分層工作面與村之間隱伏F39斷層，村址下方隱伏F4斷層，雖然工作面布置時已充分考慮到斷層影響問題，但是該斷層落差大工作面開采影響可能涉及到斷層而引起斷層活化，測點A7、A8、A9有不同程度下降，F39斷層基巖位置處（即測點A10）也有所下沉（22mm），通過巖移觀測數據說明引起F39斷層輕微活化。依該區域地質采礦技術條件和已總結分析的肥城礦區角值參數規律，計算得該區域的邊界角約為74.9°，移動角約為79°，實際發生的裂縫位置換算成角值約為76.5°。由此說明，實際回采區域的開采，引起了F39斷層帶的活化。因村莊房屋成排建筑，受抗變型能力極差，受F39斷層帶活化牽引，開采引起的巖層與地表移動變形出現異常變化，尤其在斷層地面露頭附近，出現了非連續變形集中，從而加劇了村北最后一排房屋裂縫的加大，因此在設計工作面時應以移動角與邊界角的平均值圈定的村莊保護煤柱作為生產布置的依據。

4 保護煤柱的留設

在開采影響范圍內遇有斷層存在時，首先應確實查明斷層的位置、產狀及斷層的擺動情況，正確推斷出其在地面的露頭位置，分析斷層露頭位置附近的地面設施情況及其承受移動變形的能力，再以科學、合理的參數，留設斷層及保護對象的保護煤柱。實際操作時，應選用具體地質采礦技術條件下開采引起的地表移動變形邊界角（條件允許時，也可選用邊界角與移動角的平均值）作為留設保護煤柱的主要參數。

保護煤柱留設的主要方法和計算結果為：

開采引起的地表移動變形邊界角計算公式為：

β0=68.5943-0.0229（H-h）-0.3834α±5.07

開采引起的地表移動變形移動角計算公式為：

β=73.5453-0.3583α-0.7852±5.6

式中：h——表土層厚度；

H——開采深度；

m——開采厚度；

α——開采層傾角。

無論采用移動角，還是采用移動角與邊界角的平均值，甚至采用邊界角進行斷層保護煤柱的留設，其目的主要是使開采引起的主要移動變形范圍不波及到斷層，避免因開采引起斷層的活化而導致斷層地面露頭處出現裂縫等非連續變形。具體留設原理與方法見圖1。

5 結論

在留設保護煤柱時：①當不考慮開采影響引起斷層活化時，原則上應以移動角與邊界角的平均值圈定的村莊保護煤柱作為生產布置的依據。②若考慮斷層引起的開采影響時，建議依移動角圈定的斷層保護煤柱作為生產布置的依據。穩妥的方法是以①作為最終保護煤柱邊界線，且在①和②之間采用不超過50%回采率的條帶開采法進行開采，此時，布置的采、留位置應以②圈定的范圍線起先留后采的布置方式，避免損失可采儲量。

[責任編輯：丁艷]