楊煥祥

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

【關(guān)鍵詞】保護(hù)煤柱；斷層活化；煤柱留設(shè)

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(fā)生的活動(dòng)變化地質(zhì)構(gòu)造。斷層活化使礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜化，地表移動(dòng)和變形表現(xiàn)出特殊的規(guī)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?cái)鄬用嫦鄬σ苿?dòng)。

1 區(qū)域地質(zhì)采礦技術(shù)條件

為了延長礦井的生產(chǎn)年限，對新陶陽礦業(yè)3100采區(qū)部分工作面進(jìn)行復(fù)采。3101（下）工作面上方地勢平坦大部分為農(nóng)田，有大小不一個(gè)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(cè)穿過，并有一座公路橋。與太平公路相連的農(nóng)田大車路橫穿正上方。西側(cè)為新陶陽公司中三風(fēng)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(hào)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(hào)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(dǎo)水性較強(qiáng)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(gè)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(guī)律的影響研究

2.1 斷層對開采沉陷的影響

如果開采區(qū)域影響范圍內(nèi)的上覆巖層中有斷層存在，這就可能引起斷層的上下盤沿?cái)鄬用嫦鄬σ苿?dòng)。斷層對開采沉陷產(chǎn)生的影響，主要表現(xiàn)在兩方面：一是斷層露頭處地表產(chǎn)生臺(tái)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(jù)斷層面傾角和工作面基巖移動(dòng)角之間的相對關(guān)系分三種情況：

（1）斷層面傾向和工作面基巖移動(dòng)角傾向一致，斷層面傾角小于基巖移動(dòng)角此時(shí)，則巖層沿著斷層面發(fā)生移動(dòng)，其結(jié)果在斷層露頭處地表產(chǎn)生臺(tái)階，同時(shí)地表移動(dòng)范圍增大。

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

（3）斷層面傾向與工作面移動(dòng)角傾向相反

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

2.1.2 在沿?cái)鄬幼呦虻钠拭嫔系挠绊懬闆r

根據(jù)實(shí)際觀測資料，在沿?cái)鄬幼呦虻钠拭嫔?，斷層露頭處的臺(tái)階是以主斷面為中心向兩側(cè)逐漸變小，斷層的破壞作用逐漸衰減。其影響范圍按下式計(jì)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(dòng)與變形產(chǎn)生影響的原因

斷層對地表移動(dòng)與變形產(chǎn)生影響的原因在于斷層帶處巖層的力學(xué)強(qiáng)度大大低于周圍巖層的力學(xué)強(qiáng)度。由于采動(dòng)引起的應(yīng)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(fā)生移動(dòng)與變形的同時(shí)，巖層還沿著斷層面發(fā)生滑動(dòng)，于是在斷層露頭處的地表就出現(xiàn)臺(tái)階狀的破壞。同時(shí)，由于斷層的變形集中作用，也使盆地內(nèi)移動(dòng)與變形的正常分布發(fā)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(cè)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(guī)律，可指導(dǎo)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(fā)生斑裂的現(xiàn)象，發(fā)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(shí)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(diǎn)A7、A8、A9有不同程度下降，F(xiàn)39斷層基巖位置處（即測點(diǎn)A10）也有所下沉（22mm），通過巖移觀測數(shù)據(jù)說明引起F39斷層輕微活化。依該區(qū)域地質(zhì)采礦技術(shù)條件和已總結(jié)分析的肥城礦區(qū)角值參數(shù)規(guī)律，計(jì)算得該區(qū)域的邊界角約為74.9°，移動(dòng)角約為79°，實(shí)際發(fā)生的裂縫位置換算成角值約為76.5°。由此說明，實(shí)際回采區(qū)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(dòng)變形出現(xiàn)異常變化，尤其在斷層地面露頭附近，出現(xiàn)了非連續(xù)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(shè)計(jì)工作面時(shí)應(yīng)以移動(dòng)角與邊界角的平均值圈定的村莊保護(hù)煤柱作為生產(chǎn)布置的依據(jù)。

4 保護(hù)煤柱的留設(shè)

在開采影響范圍內(nèi)遇有斷層存在時(shí)，首先應(yīng)確實(shí)查明斷層的位置、產(chǎn)狀及斷層的擺動(dòng)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(shè)施情況及其承受移動(dòng)變形的能力，再以科學(xué)、合理的參數(shù)，留設(shè)斷層及保護(hù)對象的保護(hù)煤柱。實(shí)際操作時(shí)，應(yīng)選用具體地質(zhì)采礦技術(shù)條件下開采引起的地表移動(dòng)變形邊界角（條件允許時(shí)，也可選用邊界角與移動(dòng)角的平均值）作為留設(shè)保護(hù)煤柱的主要參數(shù)。

保護(hù)煤柱留設(shè)的主要方法和計(jì)算結(jié)果為：

開采引起的地表移動(dòng)變形邊界角計(jì)算公式為：

β0=68.5943-0.0229（H-h）-0.3834α±5.07

開采引起的地表移動(dòng)變形移動(dòng)角計(jì)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(dòng)角，還是采用移動(dòng)角與邊界角的平均值，甚至采用邊界角進(jìn)行斷層保護(hù)煤柱的留設(shè)，其目的主要是使開采引起的主要移動(dòng)變形范圍不波及到斷層，避免因開采引起斷層的活化而導(dǎo)致斷層地面露頭處出現(xiàn)裂縫等非連續(xù)變形。具體留設(shè)原理與方法見圖1。

5 結(jié)論

在留設(shè)保護(hù)煤柱時(shí)：①當(dāng)不考慮開采影響引起斷層活化時(shí)，原則上應(yīng)以移動(dòng)角與邊界角的平均值圈定的村莊保護(hù)煤柱作為生產(chǎn)布置的依據(jù)。②若考慮斷層引起的開采影響時(shí)，建議依移動(dòng)角圈定的斷層保護(hù)煤柱作為生產(chǎn)布置的依據(jù)。穩(wěn)妥的方法是以①作為最終保護(hù)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(jìn)行開采，此時(shí)，布置的采、留位置應(yīng)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(chǔ)量。

[責(zé)任編輯：丁艷]