韩红凯许家林王晓振

(1.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221008; 2.中国矿业大学矿业工程学院,江苏省徐州市,221116)

★煤炭科技·开拓与开采★

受小倾角断层影响的地表移动特征研究∗

韩红凯1,2许家林1,2王晓振1,2

(1.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221008; 2.中国矿业大学矿业工程学院,江苏省徐州市,221116)

为了研究受小倾角断层影响条件下铁路保护煤柱的留设方案,利用UDEC软件模拟了采煤工作面处于出露地表的小倾角断层下方不同位置时对地表移动特征的影响。结果表明:断层露头处地表会发生不连续变形,且当断层露头处于按正常地质条件下移动角划定的开采范围外时,工作面与断层露头的水平距离越近,该变形越明显,断层越易活化;工作面与断层露头的水平距离大于某一临界值时,断层露头处的移动变形小于建筑物Ⅰ级破坏的临界变形值。在榆树坡煤矿1504工作面,该临界值可取446.6 m,据此提出了铁路保护煤柱的留设方案。

小倾角断层 下沉盆地 铁路保护煤柱 地表沉陷

目前我国“三下”压煤量较大,矿井需要留设合理的保护煤柱来保护地面建筑、铁路和水体。开采区域内覆岩存在断层时,地表沉陷的正常规律常被掩盖,表现出特殊的规律性。研究表明:当断层倾角大于20°、落差大于10 m时,断层对岩层和地表移动影响显著,在上覆岩层移动变形的同时,岩层沿断层面的滑动使断层露头处地表产生较大裂缝,并有台阶出现。有学者通过实地观测得出:断层露头处的地表移动和变形值大大超过正常值,并出现了台阶下沉、台阶裂缝等地表非连续性破坏形态。断层对地表移动变形的影响会引起村庄保护煤柱留设出现不当,白水煤矿二二采区22515工作面在断层附近开采,虽然留设了村庄保护煤柱且断层完全处于采动覆岩移动范围外,但采空区上方岩层移动破坏了断层面的极限平衡,使断层出现了活化,产生了沿断层面的滑动,在远离沉陷区的位置仍出现了平行于断层的大量台阶、裂缝,造成村庄房屋出现严重损坏。

目前在开采区域覆岩存在断层的条件下留设村庄保护煤柱时,主要采用增加采煤工作面与断层的距离,使断层处于采动覆岩移动影响范围外且使沉陷区尽量远离断层露头来避免断层出现活化。但当断层倾角较小、煤层埋深较大且断层出露地表条件下,断层在覆岩内的延展距离会很大,采用上述方法留设保护煤柱会损失大量煤炭资源,所以不可避免地要在断层的下方布置采煤工作面,此时断层横跨整个采动覆岩移动范围,对于此类条件下断层是否会影响正常的地表移动以及采用垂直剖面法留设保护煤柱是否合理的研究尚有所欠缺。为此,本文针对小倾角断层出露地表条件下在断层下方布置采煤工作面且断层横跨整个采动覆岩移动范围这一开采情况,通过采用UDEC来研究反映小倾角断层对地表移动特征的影响,进而指导类似地质条件下“三下”采煤保护煤柱的留设。

1 小倾角断层条件下煤层开采模型的建立

1.1 地质背景

榆树坡煤矿1504工作面煤层倾角平均为7°,平均埋深450 m,煤层厚度为8.05～18.45 m,平均12.27 m,顶板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、砂岩,底板为泥岩、砂质泥岩、砂岩、粉砂岩,第四系松散层厚度小,采用长壁放顶煤采煤法,全部垮落法处理采空区。井田范围内有铁路通过,为了保护铁路的安全,在煤炭资源开采前需要留设合理的铁路保护煤柱,1504工作面附近有一条逆断层,断层落差为20 m,断层倾角为30°,未探明断层是否出露地表,铁路也处于1504工作面附近。本文根据1504工作面的基本地质参数,利用UDEC软件模拟了采煤工作面处于出露地表的小倾角断层下方不同位置时地表的移动特征,进而评价该地质条件下采用垂直剖面法设计铁路保护煤柱的合理性。

1.2 小倾角断层条件下煤层开采模型

模型中岩性分布情况参考1504工作面附近钻孔柱状图。采用1∶1的实际大小建立模型,模型长度为1100 m,高度为483 m,断层倾角为30°,落差为20 m,由于第四系松散层厚度小且现场未探明断层是否出露地表,出于安全考虑,模型中断层出露地表,断层露头长度0.2 m,断层露头至模型左边界的水平距离为213.4 m,工作面左边界至按常规移动角划定的开采影响范围边界的水平距离为156.9 m,断层面至模型左边界的水平距离为960.0 m,工作面处于断层下方,断层横跨整个采动覆岩移动范围。为简化模型,模型中煤层的倾角为0°,煤层厚度为12 m,建模的单元根据各岩层的物理力学参数和厚度进行划分。为了监测地表移动变形情况,在地表设置测线,模型左边界为测线零点,测线长1100 m,测点间距10 m,共计111个测点。开采模型中工作面按实际长度取200 m,煤层开采模型简图如图1所示。

根据图1可以得到关系式:

式中:L——工作面与断层露头的水平距离,m;

a——工作面到断层面的水平距离,m。

目前,我国采用的一组临界变形值是倾斜变形i为3 mm/m、水平变形ε为2 mm/m、曲率K为0.2 mm/m2,由该临界变形值来圈定下沉盆地的危险边界,本文以铁路保护煤柱留设时采用的该矿常规地质条件下的移动角来确定该下沉盆地的危险边界。为了研究小倾角断层对地表移动特征的影响,进而指导类似地质条件下“三下”采煤保护煤柱的留设,分别建立断层露头位置处于按常规移动角划定的开采影响范围外与开采影响范围内各3个开采方案,共计6个方案,具体模型尺寸见表1。

表1 模型尺寸

2 小倾角断层对地表移动特征的影响

2.1 断层露头处于按常规移动角划定的开采影响范围外

工作面与断层露头的水平距离为446.6 m、326.6 m和206.6 m时,开采区域分别为模型长度方向660～860 m、540～740 m和420～620 m的区域,煤层开采厚度为12 m。地下煤层采出后,采空区周围岩体变形、破坏、移动,最终发展至地表,致地表沉陷或塌陷,通过UDEC软件模拟得出开采后地表水平移动曲线,如图2所示。

图1 小倾角断层下煤层开采模型

图2 断层露头处于按常规移动角划定的开采影响范围外时地表水平移动曲线

工作面与断层露头的水平距离分别为446.6 m、326.6 m和206.6 m时,断层露头均处于按常规移动角划定的开采影响范围外。地表某一点的水平变形值可以按水平移动曲线的斜率计算得出,从图2的水平移动曲线可以得出,工作面与断层露头的水平距离为446.6 m时,断层露头处最大水平变形值为1.7 mm/m,小于建筑物Ⅰ级破坏临界变形值2 mm/m,地表变形值在Ⅰ级破坏范围以内,对地表建筑物影响轻微;工作面与断层露头的水平距离为326.6 m时,断层露头处最大水平变形值达6.5 mm/m,大于建筑物Ⅰ级破坏临界变形值,处于断层露头处的铁路等会发生破坏;工作面与断层露头的水平距离为206.6 m时,断层露头处最大水平变形值高达16.8 mm/m,处于断层露头处的铁路等会发生严重破坏。断层露头处至按常规移动角划定的开采影响范围边界的区域内,地表水平变形仅为0.1 mm/m,处于该区域的建筑物等不会发生破坏。可以看出当断层露头处于按常规移动角划定的开采影响范围外时,断层露头处地表发生了不连续变形,且断层露头与工作面水平距离越近,断层露头处地表移动变形量越大,但断层露头处至按常规移动角划定的开采影响范围边界的区域内地表水平变形很小。可见,当工作面与断层露头的水平距离大于一临界值时,断层露头处的移动变形小于建筑物Ⅰ级破坏临界变形值,工作面与断层露头的水平距离为446.6 m时,断层露头处移动变形小于建筑物Ⅰ级破坏临界变形值,该地质条件下该临界值可取446.6 m。

2.2 断层露头处于按常规移动角划定的开采影响范围内

工作面与断层露头的水平距离为46.6 m、6.6 m和－13.4 m时,开采区域分别为模型长度方向260～460 m、220～420 m和200～400 m的区域,煤层开采厚度为12 m。通过UDEC软件模拟得出开采后地表水平移动曲线,如图3所示。

工作面与断层露头的水平距离为46.6 m、6.6 m和－13.4 m时,断层露头均处于按常规移动角划定的开采影响范围内。地面某一点的水平变形值可以根据水平移动曲线的低斜率得出,从图3的地表水平移动曲线可以得出,工作面与断层露头的水平距离为46.6 m时,断层露头处最大水平变形值为31.9 mm/m,大于建筑物Ⅰ级破坏临界变形值,处于断层露头处的铁路等会发生破坏;工作面与断层露头的水平距离为6.6 m时,断层露头处最大水平变形值高达63.9 mm/m,处于断层露头处的铁路等会发生严重的破坏;工作面与断层露头的水平距离为－13.4 m时,断层露头处最大水平变形值高达124.4 mm/m,处于断层露头处的铁路等会发生十分严重的破坏。可以看出当断层露头处于按常规移动角划定的开采影响范围内时,断层露头处地表也发生了明显的不连续变形。

图3 断层露头处于按常规移动角划定的开采影响范围内时地表水平移动曲线

简单来说,出现上述现象是由于煤炭开采后,原岩应力遭到破坏,应力得到重新分布,断层的存在使得上下盘的应力出现了不连续分布,由于断层的强度要远弱于附近岩体的强度,使断层露头处成为岩层与地表变形集中的有利位置,引发了断层露头处出现非连续性变形,断层出现了活化现象。

3 榆树坡煤矿1504工作面铁路保护煤柱留设

断层露头、铁路和按常规移动角划定的开采影响范围边界的相对位置关系如图4所示。1504工作面开采后,铁路等是否会发生破坏取决于其与断层露头和按常规移动角划定的开采影响范围边界的相对位置。当断层露头处于按常规移动角划定的开采影响范围内时,断层露头线AB段,断层露头AB段的水平变形值可达63.9 mm/m,处于该区域的建筑物会发生严重破坏。当断层露头处于按常规移动角划定的开采影响范围外时,断层露头BE段,断层露头CD段距离1504工作面326.6 m附近,CD段的水平变形值达6.5 mm/m,处于断层露头CD段内的建筑物会发生破坏;断层露头D点距离1504工作面446.6 m附近,D点水平变形值为1.7 mm/m,且D点移动变形均小于建筑物Ⅰ级破坏临界变形值,D点的水平变形大于E点的水平变形,DE段的水平变形值小于2 mm/m,处于断层露头DE段内的建筑物不会发生破坏;断层露头BC段距离1504工作面206.6 m附近,BC段的水平变形值达16.8 mm/m,处于断层露头BC段内的铁路会发生破坏。由于铁路处于按常规移动角划定的开采影响范围边界以外,但铁路与断层露头交汇于断层露头BC段,故1504工作面附近的铁路仅在断层露头BC段内有破坏危险。

由小倾角断层对地表移动特征的影响可知,“三下”采煤采用垂直剖面法留设保护煤柱的同时还应考虑断层露头处出现的不连续变形小于建筑物Ⅰ级破坏临界变形值。当采煤工作面与断层露头的水平距离大于某一临界值时,断层露头处的移动变形小于建筑物Ⅰ级破坏临界变形值,满足保护铁路的要求,该地质条件下该临界距离为446.6 m。1504采煤工作面宜沿着断层露头线布置,使其与断层露头保持446.6 m的水平距离,即留设宽度为446.6 m的铁路保护煤柱,可以保证所有断层露头线处移动变形均小于建筑物Ⅰ级破坏临界变形值,如图4中方案一所示。此外,由于1504工作面附近的铁路仅在断层露头BC段内有破坏危险,仅需要在断层露头BC段对应的原工作面位置留设446.6 m的铁路保护煤柱即可保证BC段铁路移动变形小于建筑物Ⅰ级破坏临界变形值,如图4中方案二所示。

4 结论

(1)采煤工作面处于小倾角断层下方时,断层露头处地表会发生不连续变形,当断层露头处于按常规移动角划定的开采影响范围边界外时,采煤工作面与断层露头的水平距离越近,断层露头处的水平变形越大,断层越易活化,但断层露头处至按常规移动角划定的开采影响范围边界的区域内地表水平变形很小。

图4 断层露头与按常规移动角划定的开采影响范围边界的相对位置简图

(2)受小倾角断层的影响,当断层露头处于按常规移动角划定的开采影响范围边界外时,“三下”采煤采用垂直剖面法留设保护煤柱的同时还应保证断层露头处的不连续变形小于建筑物Ⅰ级破坏临界变形值。工作面与断层露头的水平距离大于某一临界值时,断层露头处的移动变形小于建筑物Ⅰ级破坏临界变形值,处于断层露头处的铁路不会发生破坏。榆树坡煤矿1504工作面地质条件下,该临界值为446.6 m,据此提出了铁路保护煤柱的留设方案。

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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

韩红凯(1991－),男,河南辉县人,中国矿业大学采矿工程专业硕士研究生在读,主要研究方向为岩层移动与绿色开采。

(责任编辑 郭东芝)

国家自然科学基金资助项目(51404246),江苏省自然科学基金资助项目(BK20140205)