受小傾角斷層影響的地表移動特征研究?

韓紅凱許家林王曉振

(1.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008; 2.中國礦業大學礦業工程學院,江蘇省徐州市,221116)

★煤炭科技·開拓與開采★

受小傾角斷層影響的地表移動特征研究?

韓紅凱1,2許家林1,2王曉振1,2

(1.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221008; 2.中國礦業大學礦業工程學院,江蘇省徐州市,221116)

為了研究受小傾角斷層影響條件下鐵路保護煤柱的留設方案,利用UDEC軟件模擬了采煤工作面處于出露地表的小傾角斷層下方不同位置時對地表移動特征的影響。結果表明:斷層露頭處地表會發生不連續變形,且當斷層露頭處于按正常地質條件下移動角劃定的開采范圍外時,工作面與斷層露頭的水平距離越近,該變形越明顯,斷層越易活化;工作面與斷層露頭的水平距離大于某一臨界值時,斷層露頭處的移動變形小于建筑物Ⅰ級破壞的臨界變形值。在榆樹坡煤礦1504工作面,該臨界值可取446.6 m,據此提出了鐵路保護煤柱的留設方案。

小傾角斷層 下沉盆地 鐵路保護煤柱 地表沉陷

目前我國“三下”壓煤量較大,礦井需要留設合理的保護煤柱來保護地面建筑、鐵路和水體。開采區域內覆巖存在斷層時,地表沉陷的正常規律常被掩蓋,表現出特殊的規律性。研究表明:當斷層傾角大于20°、落差大于10 m時,斷層對巖層和地表移動影響顯著,在上覆巖層移動變形的同時,巖層沿斷層面的滑動使斷層露頭處地表產生較大裂縫,并有臺階出現。有學者通過實地觀測得出:斷層露頭處的地表移動和變形值大大超過正常值,并出現了臺階下沉、臺階裂縫等地表非連續性破壞形態。斷層對地表移動變形的影響會引起村莊保護煤柱留設出現不當,白水煤礦二二采區22515工作面在斷層附近開采,雖然留設了村莊保護煤柱且斷層完全處于采動覆巖移動范圍外,但采空區上方巖層移動破壞了斷層面的極限平衡,使斷層出現了活化,產生了沿斷層面的滑動,在遠離沉陷區的位置仍出現了平行于斷層的大量臺階、裂縫,造成村莊房屋出現嚴重損壞。

目前在開采區域覆巖存在斷層的條件下留設村莊保護煤柱時,主要采用增加采煤工作面與斷層的距離,使斷層處于采動覆巖移動影響范圍外且使沉陷區盡量遠離斷層露頭來避免斷層出現活化。但當斷層傾角較小、煤層埋深較大且斷層出露地表條件下,斷層在覆巖內的延展距離會很大,采用上述方法留設保護煤柱會損失大量煤炭資源,所以不可避免地要在斷層的下方布置采煤工作面,此時斷層橫跨整個采動覆巖移動范圍,對于此類條件下斷層是否會影響正常的地表移動以及采用垂直剖面法留設保護煤柱是否合理的研究尚有所欠缺。為此,本文針對小傾角斷層出露地表條件下在斷層下方布置采煤工作面且斷層橫跨整個采動覆巖移動范圍這一開采情況,通過采用UDEC來研究反映小傾角斷層對地表移動特征的影響,進而指導類似地質條件下“三下”采煤保護煤柱的留設。

1 小傾角斷層條件下煤層開采模型的建立

1.1 地質背景

榆樹坡煤礦1504工作面煤層傾角平均為7°,平均埋深450 m,煤層厚度為8.05～18.45 m,平均12.27 m,頂板為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、砂巖,底板為泥巖、砂質泥巖、砂巖、粉砂巖,第四系松散層厚度小,采用長壁放頂煤采煤法,全部垮落法處理采空區。井田范圍內有鐵路通過,為了保護鐵路的安全,在煤炭資源開采前需要留設合理的鐵路保護煤柱,1504工作面附近有一條逆斷層,斷層落差為20 m,斷層傾角為30°,未探明斷層是否出露地表,鐵路也處于1504工作面附近。本文根據1504工作面的基本地質參數,利用UDEC軟件模擬了采煤工作面處于出露地表的小傾角斷層下方不同位置時地表的移動特征,進而評價該地質條件下采用垂直剖面法設計鐵路保護煤柱的合理性。

1.2 小傾角斷層條件下煤層開采模型

模型中巖性分布情況參考1504工作面附近鉆孔柱狀圖。采用1∶1的實際大小建立模型,模型長度為1100 m,高度為483 m,斷層傾角為30°,落差為20 m,由于第四系松散層厚度小且現場未探明斷層是否出露地表,出于安全考慮,模型中斷層出露地表,斷層露頭長度0.2 m,斷層露頭至模型左邊界的水平距離為213.4 m,工作面左邊界至按常規移動角劃定的開采影響范圍邊界的水平距離為156.9 m,斷層面至模型左邊界的水平距離為960.0 m,工作面處于斷層下方,斷層橫跨整個采動覆巖移動范圍。為簡化模型,模型中煤層的傾角為0°,煤層厚度為12 m,建模的單元根據各巖層的物理力學參數和厚度進行劃分。為了監測地表移動變形情況,在地表設置測線,模型左邊界為測線零點,測線長1100 m,測點間距10 m,共計111個測點。開采模型中工作面按實際長度取200 m,煤層開采模型簡圖如圖1所示。

根據圖1可以得到關系式:

式中:L——工作面與斷層露頭的水平距離,m;

a——工作面到斷層面的水平距離,m。

目前,我國采用的一組臨界變形值是傾斜變形i為3 mm/m、水平變形ε為2 mm/m、曲率K為0.2 mm/m2,由該臨界變形值來圈定下沉盆地的危險邊界,本文以鐵路保護煤柱留設時采用的該礦常規地質條件下的移動角來確定該下沉盆地的危險邊界。為了研究小傾角斷層對地表移動特征的影響,進而指導類似地質條件下“三下”采煤保護煤柱的留設,分別建立斷層露頭位置處于按常規移動角劃定的開采影響范圍外與開采影響范圍內各3個開采方案,共計6個方案,具體模型尺寸見表1。

表1 模型尺寸

2 小傾角斷層對地表移動特征的影響

2.1 斷層露頭處于按常規移動角劃定的開采影響范圍外

工作面與斷層露頭的水平距離為446.6 m、326.6 m和206.6 m時,開采區域分別為模型長度方向660～860 m、540～740 m和420～620 m的區域,煤層開采厚度為12 m。地下煤層采出后,采空區周圍巖體變形、破壞、移動,最終發展至地表,致地表沉陷或塌陷,通過UDEC軟件模擬得出開采后地表水平移動曲線,如圖2所示。

圖1 小傾角斷層下煤層開采模型

圖2 斷層露頭處于按常規移動角劃定的開采影響范圍外時地表水平移動曲線

工作面與斷層露頭的水平距離分別為446.6 m、326.6 m和206.6 m時,斷層露頭均處于按常規移動角劃定的開采影響范圍外。地表某一點的水平變形值可以按水平移動曲線的斜率計算得出,從圖2的水平移動曲線可以得出,工作面與斷層露頭的水平距離為446.6 m時,斷層露頭處最大水平變形值為1.7 mm/m,小于建筑物Ⅰ級破壞臨界變形值2 mm/m,地表變形值在Ⅰ級破壞范圍以內,對地表建筑物影響輕微;工作面與斷層露頭的水平距離為326.6 m時,斷層露頭處最大水平變形值達6.5 mm/m,大于建筑物Ⅰ級破壞臨界變形值,處于斷層露頭處的鐵路等會發生破壞;工作面與斷層露頭的水平距離為206.6 m時,斷層露頭處最大水平變形值高達16.8 mm/m,處于斷層露頭處的鐵路等會發生嚴重破壞。斷層露頭處至按常規移動角劃定的開采影響范圍邊界的區域內,地表水平變形僅為0.1 mm/m,處于該區域的建筑物等不會發生破壞?？梢钥闯霎敂鄬勇额^處于按常規移動角劃定的開采影響范圍外時,斷層露頭處地表發生了不連續變形,且斷層露頭與工作面水平距離越近,斷層露頭處地表移動變形量越大,但斷層露頭處至按常規移動角劃定的開采影響范圍邊界的區域內地表水平變形很小。可見,當工作面與斷層露頭的水平距離大于一臨界值時,斷層露頭處的移動變形小于建筑物Ⅰ級破壞臨界變形值,工作面與斷層露頭的水平距離為446.6 m時,斷層露頭處移動變形小于建筑物Ⅰ級破壞臨界變形值,該地質條件下該臨界值可取446.6 m。

2.2 斷層露頭處于按常規移動角劃定的開采影響范圍內

工作面與斷層露頭的水平距離為46.6 m、6.6 m和－13.4 m時,開采區域分別為模型長度方向260～460 m、220～420 m和200～400 m的區域,煤層開采厚度為12 m。通過UDEC軟件模擬得出開采后地表水平移動曲線,如圖3所示。

工作面與斷層露頭的水平距離為46.6 m、6.6 m和－13.4 m時,斷層露頭均處于按常規移動角劃定的開采影響范圍內。地面某一點的水平變形值可以根據水平移動曲線的低斜率得出,從圖3的地表水平移動曲線可以得出,工作面與斷層露頭的水平距離為46.6 m時,斷層露頭處最大水平變形值為31.9 mm/m,大于建筑物Ⅰ級破壞臨界變形值,處于斷層露頭處的鐵路等會發生破壞;工作面與斷層露頭的水平距離為6.6 m時,斷層露頭處最大水平變形值高達63.9 mm/m,處于斷層露頭處的鐵路等會發生嚴重的破壞;工作面與斷層露頭的水平距離為－13.4 m時,斷層露頭處最大水平變形值高達124.4 mm/m,處于斷層露頭處的鐵路等會發生十分嚴重的破壞?？梢钥闯霎敂鄬勇额^處于按常規移動角劃定的開采影響范圍內時,斷層露頭處地表也發生了明顯的不連續變形。

圖3 斷層露頭處于按常規移動角劃定的開采影響范圍內時地表水平移動曲線

簡單來說,出現上述現象是由于煤炭開采后,原巖應力遭到破壞,應力得到重新分布,斷層的存在使得上下盤的應力出現了不連續分布,由于斷層的強度要遠弱于附近巖體的強度,使斷層露頭處成為巖層與地表變形集中的有利位置,引發了斷層露頭處出現非連續性變形,斷層出現了活化現象。

3 榆樹坡煤礦1504工作面鐵路保護煤柱留設

斷層露頭、鐵路和按常規移動角劃定的開采影響范圍邊界的相對位置關系如圖4所示。1504工作面開采后,鐵路等是否會發生破壞取決于其與斷層露頭和按常規移動角劃定的開采影響范圍邊界的相對位置。當斷層露頭處于按常規移動角劃定的開采影響范圍內時,斷層露頭線AB段,斷層露頭AB段的水平變形值可達63.9 mm/m,處于該區域的建筑物會發生嚴重破壞。當斷層露頭處于按常規移動角劃定的開采影響范圍外時,斷層露頭BE段,斷層露頭CD段距離1504工作面326.6 m附近,CD段的水平變形值達6.5 mm/m,處于斷層露頭CD段內的建筑物會發生破壞;斷層露頭D點距離1504工作面446.6 m附近,D點水平變形值為1.7 mm/m,且D點移動變形均小于建筑物Ⅰ級破壞臨界變形值,D點的水平變形大于E點的水平變形,DE段的水平變形值小于2 mm/m,處于斷層露頭DE段內的建筑物不會發生破壞;斷層露頭BC段距離1504工作面206.6 m附近,BC段的水平變形值達16.8 mm/m,處于斷層露頭BC段內的鐵路會發生破壞。由于鐵路處于按常規移動角劃定的開采影響范圍邊界以外,但鐵路與斷層露頭交匯于斷層露頭BC段,故1504工作面附近的鐵路僅在斷層露頭BC段內有破壞危險。

由小傾角斷層對地表移動特征的影響可知,“三下”采煤采用垂直剖面法留設保護煤柱的同時還應考慮斷層露頭處出現的不連續變形小于建筑物Ⅰ級破壞臨界變形值。當采煤工作面與斷層露頭的水平距離大于某一臨界值時,斷層露頭處的移動變形小于建筑物Ⅰ級破壞臨界變形值,滿足保護鐵路的要求,該地質條件下該臨界距離為446.6 m。1504采煤工作面宜沿著斷層露頭線布置,使其與斷層露頭保持446.6 m的水平距離,即留設寬度為446.6 m的鐵路保護煤柱,可以保證所有斷層露頭線處移動變形均小于建筑物Ⅰ級破壞臨界變形值,如圖4中方案一所示。此外,由于1504工作面附近的鐵路僅在斷層露頭BC段內有破壞危險,僅需要在斷層露頭BC段對應的原工作面位置留設446.6 m的鐵路保護煤柱即可保證BC段鐵路移動變形小于建筑物Ⅰ級破壞臨界變形值,如圖4中方案二所示。

4 結論

(1)采煤工作面處于小傾角斷層下方時,斷層露頭處地表會發生不連續變形,當斷層露頭處于按常規移動角劃定的開采影響范圍邊界外時,采煤工作面與斷層露頭的水平距離越近,斷層露頭處的水平變形越大,斷層越易活化,但斷層露頭處至按常規移動角劃定的開采影響范圍邊界的區域內地表水平變形很小。

圖4 斷層露頭與按常規移動角劃定的開采影響范圍邊界的相對位置簡圖

(2)受小傾角斷層的影響,當斷層露頭處于按常規移動角劃定的開采影響范圍邊界外時,“三下”采煤采用垂直剖面法留設保護煤柱的同時還應保證斷層露頭處的不連續變形小于建筑物Ⅰ級破壞臨界變形值。工作面與斷層露頭的水平距離大于某一臨界值時,斷層露頭處的移動變形小于建筑物Ⅰ級破壞臨界變形值,處于斷層露頭處的鐵路不會發生破壞。榆樹坡煤礦1504工作面地質條件下,該臨界值為446.6 m,據此提出了鐵路保護煤柱的留設方案。

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Research on characteristics of surface movement influenced by a low-angle fault

Han Hongkai1,2,Xu Jialin1,2,Wang Xiaozhen1,2
(1.State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China; 2.School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China)

In order to determine the design scheme of railway protection coal pillar influenced by a low-angle fault,the UDEC was applied to simulate the ground movement when the working face was in different positions under a low-angle fault which cropped out the earth surface.The results showed that,the ground discontinuous deformation would appear in the position of fault outcrop;furthermore,when the fault outcrop was outside the mining range defined by the displacement angle in normal geological conditions,the shorter the distance between the working face and fault outcrop was,the more distinct the deformation was and the easier to activate the fault would be.When the distance between working face and fault outcrop was longer than a certain critical value,the movement deformation in the position of fault outcrop was smaller than the critical deformation value of building damage of classⅠ.In No.1504 working face of Yushupo Coal Mine,the critical value was 446.6 m.The design scheme of the railway protection coal pillar was proposed based on the analysis above.

low-angle fault,subsidence basin,railway protection coal pillar,surface subsidence

TD823.83

A

韓紅凱(1991－),男,河南輝縣人,中國礦業大學采礦工程專業碩士研究生在讀,主要研究方向為巖層移動與綠色開采。

(責任編輯 郭東芝)

國家自然科學基金資助項目(51404246),江蘇省自然科學基金資助項目(BK20140205)