復(fù)雜地質(zhì)條件下采煤誘發(fā)地表裂縫成因研究

王麗男

(遼寧省自然資源事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110034)

0 引言

針對煤礦地下開采導(dǎo)致地表大面積沉陷出現(xiàn)地裂縫的問題，目前多數(shù)國家研究的重點(diǎn)是用地裂縫反演其背景斷層的蠕滑特征。由于地質(zhì)開采條件的復(fù)雜性，盡管借助現(xiàn)代力學(xué)方法和計算技術(shù)可以部分解決巖層內(nèi)部移動變形方面的問題，目前仍主要建立在半經(jīng)驗公式上。近年來，工程地質(zhì)與巖土力學(xué)相結(jié)合的分析方法比較普遍，通過建立物理模型和數(shù)值模型，解決巖土體移動變形破壞的模式、機(jī)制及規(guī)律[1-6]。采煤誘發(fā)的地表裂縫的成因機(jī)理問題，國內(nèi)外研究的重點(diǎn)是煤礦采空區(qū)地面塌陷區(qū)域的地表裂縫，而對于復(fù)雜地質(zhì)條件下，采煤誘發(fā)的地表裂縫成因機(jī)理缺乏系統(tǒng)分析和綜合總結(jié)。

1 采煤誘發(fā)地表裂縫成因機(jī)理及特點(diǎn)

采煤誘發(fā)的地表裂縫多種多樣，按照其成因機(jī)理，礦區(qū)中出現(xiàn)的地表裂縫主要有沉降盆地邊緣的地表裂縫以及斷層活化引起的地表裂縫。如圖1所示。

圖1 采煤誘發(fā)的地表裂縫示意

1.1 沉降盆地邊緣產(chǎn)生的地表裂縫

一般地質(zhì)采礦條件下，受開采影響會在采空區(qū)上方的地表形成沉降盆地，其邊緣至采空區(qū)邊界之間，由于地表下沉程度的不同，使得地表移動向盆地中心方向呈凸型傾斜，當(dāng)采動產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過地表巖土的抗拉強(qiáng)度時，地表就會產(chǎn)生地裂縫[1]。如圖1(a)所示。只受采煤影響出現(xiàn)在盆地外邊緣的地表裂縫，走向多與盆地邊緣大致平行；地面表土呈直接拉裂狀，一般寬度較小；此類地表裂縫通常多條出現(xiàn)，且走向具有近似平行的規(guī)律性。

1.2 斷層活化引起的地表裂縫

一定條件下，斷層的存在會影響巖層和地表移動的范圍和規(guī)律，使開采沉陷表現(xiàn)出一定的特殊性。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)所采煤層的上覆巖層中存在斷層，且與上盤頂面之間的夾角大于20°時，對開采沉陷產(chǎn)生的影響最為明顯，主要表現(xiàn)在2個方面：一是導(dǎo)致開采沉陷的影響范圍發(fā)生改變，二是在斷層露頭處產(chǎn)生較大寬度的地表臺階狀裂縫[1-8]，如圖1(b)所示。在采空區(qū)影響范圍內(nèi)，地表臺階裂縫的發(fā)育方向與斷層走向近于一致，在斷層露頭處的地表移動變形集中而劇烈，地表裂縫特征明顯，斷層兩側(cè)則反之。

1.3 火成巖斷裂引起的地表裂縫

當(dāng)采空區(qū)的上覆巖層中賦存火成巖時，因其硬度大，抗拉、抗壓、抗剪能力強(qiáng)，對于地層變形起著一種“橋式屏蔽作用”。若上覆火成巖較薄或者存在弱面，由于采空區(qū)產(chǎn)生的影響，致使下部巖層下沉而火成巖局部懸空。懸空的火成巖在其上覆巖層重力和自身重量的綜合作用下會發(fā)生彎曲現(xiàn)象，當(dāng)形變的彎曲應(yīng)力超過火成巖層自身強(qiáng)度極限時，就會產(chǎn)生斷裂，從而在地表出現(xiàn)裂縫，如圖1(c)所示。上覆巖層中賦存較淺的火成巖斷裂誘發(fā)產(chǎn)生的地表裂縫，突發(fā)性極強(qiáng)，破壞性極大；開裂寬度、可視深度和延伸長度均較大；裂縫呈現(xiàn)拉裂狀，地表裂縫中間區(qū)域表土下陷。

2 地表裂縫形態(tài)特征分析

2.1 開采引起地表裂縫寬度與變形計算

如圖2所示，煤層走向主斷面上，設(shè)地表點(diǎn)M、N、P，其中M點(diǎn)的水平位移量UM為零，下沉量也為零；N點(diǎn)的水平位移量為Umax，下沉量達(dá)到最大為Wmax；P點(diǎn)的水平位移量為UP，下沉量為WP[7]。

圖2 煤層走向主斷面地表點(diǎn)位移示意

根據(jù)圖1可知，若以M點(diǎn)為原點(diǎn)，MN方向為X軸，建立坐標(biāo)系，則地表M點(diǎn)至地表N點(diǎn)的裂縫的總寬度l為

(1)

同理則地表任意兩點(diǎn)間的裂縫寬度lij為

lij=lj-li=

(2)

裂縫變形值ε(單位長度內(nèi)的裂縫寬度)為

(3)

利用摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則[7]預(yù)測裂縫發(fā)育最大深度h為

(4)

式中，c為土壤粘聚力，kPa；φ為土壤內(nèi)摩擦角,(°)；μ為泊松比；γ為土壤比重,kN/m3。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，裂縫的最大寬度l與最大深度h大體成正比例關(guān)系，即

l=0.015h

(5)

2.2 受斷層影響下地表裂縫形態(tài)特征分析

根據(jù)波蘭學(xué)者科瓦爾蘇克提出的研究結(jié)論表明：當(dāng)斷層傾角大于邊界角時，計算地表臺階裂縫落差W和裂縫寬度l時，需要綜合考慮巖層沿斷層的位移量和無斷層時位移量[8]。即

(6)

式中，ΔWF和ΔlF分別為斷層上下盤沿層面滑移所產(chǎn)生的垂直移動分量和水平分量；ΔWε和Δlε分別為無斷層時斷層露頭位置的下沉量和地表拉伸變形所產(chǎn)生的裂縫寬度。

ΔWε=m×q×cosα×ekx

式中，m為采厚，m；q為下沉系數(shù)；H為采深,m；α為煤層傾角,(°)；k為系數(shù)(由采深和邊界角確定)；x為斷層露頭至采空區(qū)邊界的距離,m；h為沖擊層厚度,m。

Δlε由式(5)確定

ΔlF=ΔWF×ctgαF

(7)

3 實例分析

以某煤田內(nèi)一地裂縫為例，該煤田開采方式為綜采放頂煤開采，全部垮落法管理頂板。地裂縫呈東西走向，與東西方向夾角約7°，最大寬度約150 mm。表1是根據(jù)開采沉陷預(yù)計理論，利用地表移動參數(shù)計算出來的地表下沉預(yù)計成果，從表中可以看到，受開采影響有可能導(dǎo)致地表裂縫產(chǎn)生的最大水平移動值為-621.685 mm，+781.006 mm。

表1 地表沉陷預(yù)計成果

在該研究區(qū)內(nèi)，參考實驗數(shù)據(jù)，利用公式(4)、(5)計算得到，裂縫深度h=5 465 mm，寬度l=81.975 mm(泊松比μ=0.25，土壤內(nèi)摩擦角φ=20°，土壤粘聚力c=30 kPa，土壤容重γ=19.6 kN/m3)。結(jié)果表明：預(yù)計所得的地表裂縫最大寬度比實測結(jié)果150 mm要小，可能是參數(shù)取值有偏差所致，此外，單獨(dú)的采空區(qū)影響下，裂縫的開裂寬度一般不會太大。

3.1 斷層對地表裂縫的影響

通過剖面圖3分析，地表裂縫鄰近處存在多條斷層，其中有可能對地表裂縫的產(chǎn)生影響斷層有F38和F39。該井田的開采沉陷影響邊界角為58°，F(xiàn)38的斷層面傾向與工作面移動角傾向相反，斷層面上部分處于工作面W2-706的采動影響范圍內(nèi)，而斷層面的下部分處于工作面W2-706的采動影響范圍外。當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層處，由于上部斷層面的阻隔使得斷層面處的巖層不連續(xù)，致使采空區(qū)上方巖層移動與變形在斷層面兩側(cè)終止，于是集中作用并延伸至地表露頭處(即A點(diǎn))就會出現(xiàn)寬度較大的臺階狀裂縫。

圖3 地表裂縫的某地質(zhì)剖面

從圖上可知斷層F39在工作面W2-706的采動影響范圍之外，且未在地表露頭，因此斷層F39只會使沉陷的影響范圍變大，加劇地表裂縫的形成。

3.2 火成巖對地表裂縫的影響分析

該煤田的火成巖侵入時期為第三紀(jì)的喜山期。從圖2剖面可以看到，裂縫下部巖層中存在巨厚火成巖。此片火成巖賦存深度小，對該區(qū)域的開采沉陷影響至關(guān)重要。地表裂縫東側(cè)的火成巖呈塊狀，西側(cè)的火成巖呈分支狀態(tài)，自上而下共有3個分支。

隨著地下煤炭的開采，開采工作面W2-706的采空區(qū)影響向上發(fā)展至火成巖下方，由于最下分支和中間分支火成巖厚度均較小，所以兩處火成巖會受采動影響在壓力作用下發(fā)生斷裂。隨著開采工作面的繼續(xù)推進(jìn)，采動影響發(fā)展至最上部火成巖下方，火成巖下部區(qū)域懸空。當(dāng)火成巖下部懸空區(qū)發(fā)展至火成巖的弱面B點(diǎn)處時，懸空區(qū)上部的火成巖和松散層的自重力在B點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力集中，致使火成巖在B點(diǎn)發(fā)生斷裂，從而出現(xiàn)超大地表裂縫。

4 結(jié)論

采煤會誘發(fā)地表裂縫的產(chǎn)生，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，受斷層的影響會加劇地表裂縫的產(chǎn)生，且表現(xiàn)為一定的規(guī)律性。文中以某煤田內(nèi)地表裂縫為研究對象，分析了其形成原因及形態(tài)特征。可知，煤炭開采是該地表裂縫形成的根本原因，復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造條件也是造成該裂縫的重要原因，但對其具體形態(tài)特征需進(jìn)一步探究。該問題的探討可為礦區(qū)中采煤誘發(fā)的地表裂縫災(zāi)害的防治提供理論基礎(chǔ)，對保障礦區(qū)采煤工作的進(jìn)行具有一定的現(xiàn)實意義。