丁建闖，閆方方

(1.華北科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，北京東燕郊 101601;2.北京東方道邇信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100190)

0 引言

人類采掘資源所影響的范圍主要在地殼，而地殼等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境是在人類歷史時(shí)期內(nèi)，經(jīng)過漫長(zhǎng)而復(fù)雜的地質(zhì)作用演化而來的，這包括板塊運(yùn)動(dòng)，地心引力，以及在地心引力作用下的自重應(yīng)力場(chǎng)和地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)共同作用下長(zhǎng)期形成的。古德曼列舉了包括地下開采、交通運(yùn)輸、地表建筑等19種與巖石力學(xué)問題有關(guān)甚至十分密切的工程項(xiàng)目，在“地質(zhì)隱患評(píng)價(jià)”一欄中，居第一位的地質(zhì)隱患就是斷層［1］。

理想地質(zhì)環(huán)境下，“三下”采煤對(duì)地表的影響主要有垂直方向的移動(dòng)和變形(下沉、傾斜、扭曲和曲率)與水平方向的移動(dòng)和變形(水平移動(dòng)、拉伸和壓縮變形)以及地表平面內(nèi)的剪應(yīng)變?nèi)悾?］。地表的移動(dòng)和變形，破壞了原巖應(yīng)力狀態(tài)及建筑物與地基之間的初始平衡狀態(tài)，伴隨著力系平衡的重新建立，建筑物及構(gòu)筑物中將產(chǎn)生附加應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的移動(dòng)和變形，這些不同形式的移動(dòng)和變形，將對(duì)建(構(gòu))筑物造成不同程度的破壞。而且當(dāng)人類采掘活動(dòng)影響范圍內(nèi)存在各種地質(zhì)構(gòu)造和弱面，如斷層、節(jié)理、裂隙、褶皺、層面以及軟弱夾層等結(jié)構(gòu)面，地表移動(dòng)和變形分布的正常規(guī)律被掩蓋，表現(xiàn)出特殊的規(guī)律性，給人類的有效預(yù)測(cè)和采取相應(yīng)控制措施帶來了難題，增加了后果的不可預(yù)測(cè)性，加重了地下開采難度［3］。

國(guó)內(nèi)外對(duì)地下資源開采巖層與地表移動(dòng)規(guī)律的研究，主要集中于常規(guī)地質(zhì)條件下的分析［4］，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)尤其是弱面斷層條件下采動(dòng)影響規(guī)律的研究還較少，而大傾角逆斷層條件下的圍巖應(yīng)力場(chǎng)的有限元分析有待進(jìn)一步研究。本文即利用FLAC2D就斷層條件下開采引起的地表移動(dòng)破壞規(guī)律進(jìn)行了深入分析［5］。

1 斷層對(duì)地表移動(dòng)變形規(guī)律的實(shí)例分析

由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的存在，人類采掘范圍內(nèi)斷層的存在不可避免，由于斷層等弱面的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于周圍巖層強(qiáng)度，在巖層移動(dòng)過程中容易產(chǎn)生沿?cái)鄬用娴募羟幸苿?dòng)，不僅改變了地表移動(dòng)變形范圍，同時(shí)由于斷層的滑移和變形集中，常常導(dǎo)致地表產(chǎn)生裂縫和臺(tái)階等不連續(xù)變形現(xiàn)象，引起地表建(構(gòu))筑物的破壞;對(duì)于導(dǎo)水?dāng)鄬樱质堑V井突水和產(chǎn)生礦井水害的根源［6］。結(jié)合對(duì)采掘活動(dòng)有重大影響的斷層資料(表1)，對(duì)阜新、鶴壁、撫順、遼源等典型礦區(qū)進(jìn)行深入分析，得出如下結(jié)論:

1)斷層面傾角α是巖體穩(wěn)定至關(guān)重要的影響因素。當(dāng)斷層傾角α＞20°，斷層落差△W ＞10 m時(shí)，地表和巖層移動(dòng)及變形特征明顯。

2)地表移動(dòng)和變形最大值多集中于斷層露頭附近，斷層露頭正上方地表產(chǎn)生較大裂縫，出現(xiàn)臺(tái)階。臺(tái)階使地表下沉盆地分為明顯的上盤部分和下盤部分。在多數(shù)情況下，上盤部分下沉系數(shù)和下沉速度較大;下盤部分下沉系數(shù)和下沉速度較小。隨斷層傾角的增大，兩部分的地表移動(dòng)特征差別也增加。

3)斷層露頭在盆地邊緣，或斷層面傾角大于斷層帶內(nèi)巖體的內(nèi)摩擦角(一般為25°～32°)，回采邊界距斷層面較近(如小于0.1 H)時(shí)，有害影響邊界受斷層面控制。特別是當(dāng)斷層面傾角與巖層傾角位于同一象限時(shí)，更容易產(chǎn)生沿?cái)鄬用娴幕瑒?dòng)。當(dāng)斷層露頭在盆地邊緣時(shí)，距露頭5～10 m以外的變形值很小，對(duì)地面建(構(gòu))筑物影響較小。

4)地表一旦出現(xiàn)斷層露頭臺(tái)階，當(dāng)受到重復(fù)采動(dòng)影響時(shí)，原有臺(tái)階的落差會(huì)增大，臺(tái)階處的移動(dòng)和變形值增大，且臺(tái)階落差基本上與斷層面傾角、斷層落差、地表最大下沉值近似成正比關(guān)系，隨這些量的增大破環(huán)影響將加?。?］。

表1 斷層影響系數(shù)K實(shí)測(cè)值

2 數(shù)值模擬

基于以上分析，可知當(dāng)斷層傾角大于20°，落差大于10m時(shí)，斷層對(duì)開采沉陷的影響明顯，它是巖層和地表移動(dòng)變形破壞程度的臨界值。為使研究問題不失一般性，本文針對(duì)煤層開采中存在逆斷層且斷層面傾角為20°的臨界情況進(jìn)行模擬分析。

2.1 采區(qū)概況及模型示意圖

為精確預(yù)計(jì)巖層及地表移動(dòng)規(guī)律，為地下開采提供可靠的第一手資料，本文采用具有強(qiáng)大的計(jì)算和廣泛的模擬功能的國(guó)際通用的巖土工程專業(yè)軟件FLAC，對(duì)斷層條件下近水平煤層開采過程中引起的上覆巖層地表移動(dòng)變形進(jìn)行有限元分析，以確定開挖過程中巖層變形和地表沉降趨勢(shì)［8］。

結(jié)合礦區(qū)實(shí)際地質(zhì)狀況，該模型選取具有代表性的一般條件下煤田地質(zhì)情況，各巖層從上至下依次為有機(jī)淤泥或粘土層、中粗粒砂巖層、砂巖層、中細(xì)粒砂巖層、石灰?guī)r層、煤層、泥巖層、粉砂巖層、砂巖層，為不失一般模型的通用性及研究問題方便，該模型長(zhǎng)度為3000 m，深度為600 m，采用逆斷層中的水平煤層及巖層，并利用坐標(biāo)控制斷層傾角為20°的臨界情況。模型如圖1。

各巖層參數(shù)參照表2。

圖1 斷層條件下開采巖層分布示意圖

表2 巖層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算及結(jié)果分析

對(duì)該模型進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)采用平面應(yīng)變模型，Mohr－Coulomb應(yīng)變軟化塑性準(zhǔn)則。整個(gè)模型為矩形區(qū)域，豎直方向從地表0 m模擬到地下600 m，水平方向從0 m模擬到3000 m(即模型長(zhǎng)3000 m)，構(gòu)成計(jì)算模型的平均單元共有60(X向)×30(Y向)=1800個(gè)平面單元，單元網(wǎng)格尺寸平均為32 m×32 m，斷層傾角近似為20°(由控制)。程序中為了減少因網(wǎng)格劃分引起的誤差，網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比應(yīng)不大于5，對(duì)于重點(diǎn)研究區(qū)域可以進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。模型兩側(cè)限制水平方向移動(dòng)，模型底面限制垂直方向移動(dòng)，圖2為模型的巖性分布和初始地應(yīng)力分布條件下的(水平和底部邊界固定，重力9.81 N)初始應(yīng)力平衡狀態(tài):

為預(yù)防破環(huán)范圍超出左部邊界固定條件，理論上開切眼距左邊界應(yīng)為1.2h(h為采深，此模型h=390 m)，因此，工作面開切眼距邊界約500 m，模擬結(jié)果如圖3～6:

圖2 模型初始平衡狀態(tài)

圖3 水平位移云圖

圖4 豎向應(yīng)力云圖

圖5 網(wǎng)格變形示意圖

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移示意圖

圖3～6為開挖145 m時(shí)，采空區(qū)圍巖的水平位移云圖、豎向應(yīng)力云圖、網(wǎng)格變形示意圖與斷層邊界監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移示意圖。對(duì)模擬結(jié)果分析如下:

1)整個(gè)模型水平移動(dòng)甚微(大部分巖層及地表基本接近零)，只在開挖前后方半徑約24m范圍內(nèi)存在水平移動(dòng)。

2)豎向應(yīng)力:各層豎向應(yīng)力值近似呈水平分布，與實(shí)際礦區(qū)開采相符，數(shù)量級(jí)為107N，最大應(yīng)力分別出現(xiàn)在開挖前后方的底部約251 m、880 m附近，也即在開挖前后方底部出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)。

3)網(wǎng)格變形情況:模型網(wǎng)格變形趨勢(shì)也即圍巖移動(dòng)趨勢(shì)，從模型變形前后的網(wǎng)格不難看出，網(wǎng)格的變形不會(huì)影響到斷層的下盤區(qū)域，只發(fā)生在逆斷層的上盤區(qū)域，最大網(wǎng)格變形點(diǎn)基本位于采空區(qū)中心正上方，且由于采動(dòng)影響下斷層的活化，在斷層面附近出現(xiàn)不連續(xù)變形區(qū)域。同時(shí)采空區(qū)正上方及左右大部分范圍內(nèi)，網(wǎng)格均以下沉為主。

4)豎向位移:當(dāng)工作面逐步推進(jìn)超過100 m的過程中，豎向位移(地表及巖層下沉量)也逐漸增大，且由于斷層的存在，最大下沉值不在采空區(qū)中心正上方位置，而是滯后(偏后方)，豎向位移數(shù)量級(jí)為10－1m。

對(duì)地表下沉曲線，圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉曲線，斷層面監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉曲線進(jìn)行分析，同樣能得到圍巖的上述發(fā)展趨勢(shì)［9］。

圖7～10為開挖361 m時(shí)，圍巖豎向位移云圖、水平位移云圖、網(wǎng)格變形示意圖、采空區(qū)上方地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移示意圖。

圖7 豎向位移云圖

圖8 水平位移云圖

圖9 網(wǎng)格變形示意圖

圖10 監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移示意圖

當(dāng)模型開挖到300多米時(shí)，圍巖出現(xiàn)塑性變形區(qū)，當(dāng)運(yùn)算時(shí)步達(dá)step=5000的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析如下:

1)豎向位移:基本規(guī)律與模型開挖145 m時(shí)相近，不同之處在于隨工作面推進(jìn)，應(yīng)力集中區(qū)轉(zhuǎn)移到采空區(qū)中心上方偏后方位置，說明隨工作面推進(jìn)，應(yīng)力集中區(qū)也呈現(xiàn)出發(fā)展轉(zhuǎn)移趨勢(shì)，而應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)之處，應(yīng)給予足夠重視。

2)水平位移:除與模型開挖145 m時(shí)出現(xiàn)的規(guī)律基本相似外，還呈現(xiàn)出向前上方進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)，采空區(qū)上下方、前方巖層及地表以斷層面為界向前方推移，最大值出現(xiàn)在以斷層面為界的工作面前上方，這也導(dǎo)致了上下盤巖體存在沿?cái)鄬用婊瑒?dòng)的可能性，從而在斷層露頭處形成臺(tái)階或裂縫，這與模型開挖145m時(shí)網(wǎng)格變形趨勢(shì)相一致。

3)網(wǎng)格變形曲線與概率積分法得到的下沉曲線基本一致，由于斷層的存在，下沉曲線不關(guān)于采空區(qū)對(duì)稱而是滯后，這一點(diǎn)也可由該軟件所預(yù)計(jì)的地表移動(dòng)曲線得到驗(yàn)證。

4 結(jié)論

基于以上有限元分析可知，F(xiàn)LAC軟件預(yù)計(jì)結(jié)果完全可為斷層地質(zhì)條件下開采提供可靠的第一手資料［10］，并可知斷層條件下開采時(shí):

1)斷層對(duì)巖體破壞具有―定的“屏蔽”效應(yīng)，當(dāng)?shù)叵麻_采引起的巖體破壞波及到斷層帶附近時(shí)，巖體破壞的發(fā)展可在斷層面處截止。即上盤開采帶來的地表及巖層移動(dòng)變形不會(huì)影響到斷層下盤處，并以斷層面為界。

2)當(dāng)工作面推進(jìn)到826 m并繼續(xù)推進(jìn)時(shí)，此時(shí)地表下沉值接近2 m，頂板最大下沉值達(dá)17.5 m，如繼續(xù)進(jìn)行開采，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)牟擅悍椒ê晚敯骞芾矸椒?，并?duì)地面建(構(gòu))筑物采取必要的采前預(yù)計(jì)和采后加固的措施。

3)從開切眼開始，在工作面逐步向前推進(jìn)的過程中，嚴(yán)防頂、底板處出現(xiàn)的應(yīng)力集中所帶來的破壞影響，如在水體下采煤和承壓水體上采煤時(shí)，要防止礦井發(fā)生突水事故，保證礦井安全生產(chǎn);在水庫、蓄水池和運(yùn)河等地面水體下采煤時(shí)，除要防止礦井發(fā)生突水事故外，還要保證它們不受開采的影響而破壞;并時(shí)刻注意斷層露頭處產(chǎn)生的臺(tái)階、裂縫及臺(tái)階狀塌陷坑。

4)模擬結(jié)果的宏觀分析，可為常規(guī)測(cè)量觀測(cè)點(diǎn)和觀測(cè)線的布設(shè)提供指導(dǎo)，進(jìn)而達(dá)到精確預(yù)計(jì)地表和巖層移動(dòng)的效果。

利用國(guó)際通用的巖石力學(xué)軟件FLAC模擬斷層對(duì)地表移動(dòng)的影響規(guī)律，可以有效指導(dǎo)地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)、地面建(構(gòu))筑物的合理布置及井下工作面的優(yōu)化布置，以減小斷層露頭處變形集中帶來的采動(dòng)損害和采區(qū)礦井突水事故的發(fā)生［11］。但由于斷層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及斷層種類的多樣性，包括構(gòu)造斷層的形成時(shí)間、斷層規(guī)模、斷層面狀態(tài)、斷層傾角、開挖處與斷層的距離、開挖方向與斷層走向之間的關(guān)系、松散層厚度等多種因素對(duì)地表移動(dòng)變形的控制作用目前還難以定量預(yù)測(cè)［12］，本文只就特殊條件下斷層的影響規(guī)律進(jìn)行了分析，各種復(fù)雜條件下全面深入的分析有待進(jìn)一步研究。

［1］ 中國(guó)礦業(yè)學(xué)院，阜新礦業(yè)學(xué)院，焦作礦業(yè)學(xué)院.煤礦巖層與地表移動(dòng)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1981.

［2］ 煤炭科學(xué)研究總院北京開采研究所.煤礦地表移動(dòng)與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1981.

［3］ 何國(guó)清，楊倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學(xué)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1994.

［4］ LEE，A.J.The Effect of Faulting on Mining Subsidence，The Mining Engineer，Engineer，1966，(8):735 － 745.

［5］ 劉波，韓彥輝.FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［6］ 崔希民.弱面對(duì)地表移動(dòng)范圍和不連續(xù)變形的影響［J］.湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，24(2):1－4.

［7］ 張玉卓，姚建國(guó)，仲惟林.斷層影響下地表移動(dòng)規(guī)律的統(tǒng)計(jì)和數(shù)值模擬研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1989，(1):23－31.

［8］ 郭文兵.斷層影響下地表裂縫發(fā)育范圍及特征分析［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2000，(4):25－27.

［9］ 蔣建平，高廣運(yùn).地下工程引起的不均衡地表沉陷分析［J］. 煤炭學(xué)報(bào)，2003，28(3):225 －229.

［10］ 鄧喀中，張冬至.深部開采條件下地表沉陷預(yù)測(cè)及控制探討［A］.1999全國(guó)礦山測(cè)量學(xué)術(shù)會(huì)議論文集［C］.1999.

［11］ 戴華陽.地表非連續(xù)變形機(jī)理與計(jì)算方法研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1995，20(6):614 －618.

［12］ 謝和平，周宏偉，王金安，等.FLAC在煤礦開采沉陷預(yù)測(cè)中的應(yīng)用及對(duì)比分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18(4):397－401.