不同表层厚度下含断层煤体开采覆岩下沉规律

曹呆军

(山西兰花同宝煤业有限公司, 山西 晋城 048400)

煤层开采后采空区发生应力重新分布,导致上覆岩层运移与变形,最终影响到地表形成下沉盆地[1-4]. 表层厚度以及地质构造会对覆岩的运移规律与应力分布状态产生影响。针对上述开采沉陷问题,张玉卓等[5]探究了断层倾角与岩层移动角等对覆岩运移规律的影响,表明以上因素对地表沉陷范围具有控制作用。尹立明、于秋鸽等[6-7]分析了断层滑移诱发覆岩破坏的内在机理与演化过程。孔宪森等[8]运用数值模拟方法与理论解析方法研究了断层带活化对表层建筑物沉降的影响。以上研究为断层条件下的地表沉陷规律研究起到了促进作用。为深入探究不同表层厚度对覆岩下沉规律与地表变形的影响,拟采用理论分析与数值模拟方法进行研究。

1 覆岩下沉规律与地表变形

1.1 全基岩覆岩下沉规律与地表变形

在全基岩地质条件下,地表上方不存在覆盖的松散层,因此,地表受断层的影响较大。断层直接破坏了覆岩的完整性,同时阻隔了覆岩应力的传播。当下方煤层进行开采时,上覆岩层发生连续的垮落变形,而这种连续变形在断层位置被切断。这种断层切断作用控制了地表变形的范围,并在断层带附近形成明显的台阶下沉结构。覆岩下沉规律与地表变形示意图见图1.

图1 全基岩覆岩下沉规律与地表变形示意图

当断层结构受到开采的影响产生拉剪滑移破坏变形,破断的采空区上方基岩会向采空区的内部移动,下沉盆地的断层边界区域会出现抬高现象,同时伴随着大量张拉裂缝的衍生。以高度为h的基岩衍生裂缝为例,当基岩厚度为H,基岩的破坏距离l≤L时(L为基岩的极限破坏距离),则基岩的悬臂结构不发生连续性破坏,断层上盘的变形量较小。相应的,当l≥L时,断层的上盘将会向断层方向垮落,并导致大量的地表移动变形。

1.2 薄松散层覆岩下沉规律与地表变形

在薄松散层的地质条件下,下盘煤层开采后导致上覆岩层下沉[9-10]. 断层起到了限制上盘岩层移动和变形的作用。然而,由于差异性沉降,上下盘之间产生了位移不连续。图2直观地展示了所涉及的变形状态。松散层在覆盖基岩断层露头位置承受剪切力,这些剪切力是由松散层自身的重力和上盘岩层的支撑力所引起的。当支撑力和重力共同作用产生的剪切力超过松散层的抗剪强度时,松散层发生剪切破坏。这种剪切破坏表现为间断性的地表裂缝。

图2 薄松散层覆岩下沉规律与地表变形示意图

薄松散层发生剪切破坏后,松散层厚度与覆岩下沉量的比值不同,地表变形形式存在相应差异。随着松散层厚度的占比逐渐增加,地表的台阶式下沉结构将逐渐转变为间断性地表裂缝。

1.3 厚松散层覆岩下沉规律与地表变形

厚松散层受到扰动影响时,松散层下部在采空区边缘将会发生滑移,而中部容易发生剪切破坏[11-12]. 然而,由于厚松散层具有吸收非连续变形的能力,当断层存在于基岩中且上覆厚松散层时,地表表现出连续性的下沉,而非台阶式下沉或间断性地表裂缝。如图3所示在无断层情况下,地表呈现对称的下凹形状。然而,当断层存在时,随着煤层开采逐渐靠近断层,断层活化,以断层上盘露头位置为临界点,诱发上覆厚松散层发生移动变形,使得松散层滑移的位置靠近采空区。相比无断层一侧,上盘地表盆地的变形范围较小。随着上覆松散层厚度的增加,松散层以荷载的形式作用于基岩岩层,导致断层上盘基岩岩层以下盘开采扰动区域形成底部临界点,呈现三角形破坏区域。在这种情况下,松散层滑移破坏的位置远离采空区,导致地表移动变形范围和变形值增加。

图3 厚松散层覆岩下沉规律与地表变形及力学模型示意图

将图3所示的断层破坏区域进行力学建模,断层带附近岩石抵抗滑移变形的能力来源于基岩岩石的内聚力与自身重力,而促使其发生滑移变形的能力来源于松散层的重力以及破坏区域的岩石重力。根据二者的比值可推导破坏区域稳定性判据:

Fs=Fk/F

(1)

式中:Fs为稳定性判据;Fk为岩体抵抗滑移变形的阻力,kN;F为促使岩体滑移变形的驱动力,kN.

破坏区域长度与基岩厚度的几何关系:

L=h2/tanα+h2/tanβ

(2)

式中:L为破坏区域长度,m;h2为岩体破坏区域厚度,m;β为岩体滑动面与水平面夹角,(°);α为断层倾角,(°).

F与Fk的力学关系:

(3)

(4)

式中:h1为松散层厚度,m;γ为容重,N/m3;φ为岩体内摩擦角,(°);c为岩体内聚力,MPa.

将上式进行联立,得到断层带滑移破坏判据:

(5)

根据式(1)与式(5)进行分析,当Fs>1时,岩体抗滑能力高于驱动力,岩体将保持稳定;当0

2 数值模拟模型的建立

为再现不同表层厚度下含断层煤体开采过程中的覆岩下沉规律,对覆岩的下沉运动进行可视化分析,采用FLAC3D数值软件进行研究。

2.1 数值模拟模型

数值模拟的岩层共设置5层,分别为松散层、中砂岩、粉砂岩、煤层与泥岩,并在其中布置断层,断层的宽度为2 m,断层落差为10 m,倾角为70°. 为模拟松散层与断层的节理弱化特点,采用VORONOI随机节理划分方式,数值模拟的岩性参数见表1,表2. 模型的总高度为325 m,长度为1000 m,松散层与基岩的总厚度为300 m,煤层开采厚度为5 m,煤层底板厚度为5 m. 数值模拟模型见图4,固定模型的左右边界与底部边界,对各组岩层施加重力,模型采用摩尔-库伦准则进行计算。

表1 数值模拟岩性参数表

表2 数值模拟松散层与断层节理参数表

图4 数值模拟设计图

2.2 数值模拟方案

实验共设计3种方案,分别为全基岩条件、薄松散层条件与厚松散层条件。通过调节松散层与基岩的比例对不同的表层厚度进行模拟,全基岩条件的松散层占比为0%、薄松散层条件的松散层占比为17%、厚松散层条件的松散层占比为67%,具体方案参数见表3.

表3 数值模拟方案参数表

3 地表下沉规律比较分析

不同方案下的地表下沉曲线见图5,当覆岩无松散层时,地表的最大下沉量为3.2 m;当覆岩存在薄松散层时,地表最大下沉量为3.6 m;当覆岩存在厚松散层时,地表的最大下沉量为4.2 m. 根据图5分析可知,在全基岩条件下,模型在走向的320 m位置出现了台阶式的跌落点,原因是由于断层切断作用控制了地表变形的范围,这与前文所述的论点一致。随着松散层厚度逐渐增加,地表下沉曲线也逐渐变得光滑,同时由于松散层的岩性较弱,导致了地表下沉的总量逐渐增大。

图5 不同表层厚度条件下地表下沉规律图

4 不同表层厚度下开采覆岩下沉规律

不同表层厚度下采场覆岩数值模拟变形云图见图6. 如图6(a)所示,受到断层的阻隔作用导致断层下盘与上盘出现了明显的滑移错位,在地表产生了明显的下沉台阶,上盘与下盘的错位高度约为1.06 m. 数值模拟结果验证了全基岩覆岩下沉规律与地表变形规律。

图6 不同表层厚度下开采覆岩下沉规律图

根据图6(b)所示,断层在受到采动影响后发生剪切滑移变形,其尖端产生的断层裂缝向地表延伸。在延伸线方向,断层上盘与下盘的错位高度约为0.11 m,并伴随产生地表裂缝,并且向断层下盘发生偏折。由于松散层吸收了部分断层的剪切滑移变形释放的能量,产生了间断性的地表裂缝。数值模拟结果验证了薄松散层覆岩下沉规律与地表变形。

根据图6(c)中所示的0.1 m下沉等值线所示,断层影响下的覆岩变形呈现出明显的非对称形式,断层一侧的地表下沉量大于无断层一侧的地表下沉量。随着松散层厚度的增加,断层带剪切滑移变形释放的能量大部分被松散层所吸收,并未在地表产生明显的台阶式下沉或者间断性地表裂缝。数值模拟结果验证了厚松散层覆岩下沉规律与地表变形。

5 结 语

1) 分析了全基岩条件下、薄松散层条件下、厚松散层条件下的地表变形与覆岩下沉规律。根据断层影响作用的不同,地表会相应的表现出台阶式下沉变形、间断性地表裂缝与连续性大变形特征,并建立了厚松散层的基岩稳定性判据。

2) 全基岩条件下、薄松散层条件下、厚松散层条件下的地表最大下沉量分别为3.2 m、3.6 m与4.2 m,同时地表下沉曲线的影响范围和光滑程度也逐渐增加。

3) 通过对开采条件下的覆岩变形云图进行分析,对3种条件下的地表变形规律进行了有效验证。同时表明,断层影响下厚松散层覆岩在开采时将会产生明显的非对称式变形特征。