1、第 卷第期 年月山东科技大学学报（自然科学版）（）：文章编号：（）不同覆岩地层正断层下盘煤层开采地表下沉规律陈绍杰，刘瑞，徐贞社，哈列少科阿列克谢阿列克谢耶维奇，邵海波，冯帆（山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 ；青岛瑞源工程集团有限公司，山东 青岛 ；库兹巴斯国立技术大学 矿业工程学院，俄罗斯 克麦罗沃市 ）摘要：断层破坏覆岩地层的整体性，影响岩土体的强度特性和变形性质，导致开采沉陷规律更为复杂。为研究不同覆岩地层与正断层共同影响下煤层开采地表沉陷规律，构建不同覆岩地层正断层下盘煤层开采覆岩运动与地表变形的理论模型，数值模拟分析不同覆岩地层正断层下盘煤层开采地表下沉规律与特征，结合
2、实例进行了对比分析。结果表明：地表移动变形范围与松散层厚度密切相关，随松散层厚度的增加，相较于无断层一侧，地表下沉盆地在断层一侧的移动变形范围先减小后扩大再减小，最终与无断层一侧相同；厚基岩地质条件下，随松散层厚度增加，地表产生裂缝的位置由断层露头先向采空区偏移后向断层上盘偏移；厚松散层地质条件下，松散层吸收了断层诱发的非连续变形，随松散层厚度增加，地表由偏态下沉盆地逐渐变为对称的下沉盆地。关键词：开采沉陷；覆岩地层；正断层；下盘煤层；覆岩破坏；地表移动变形中图分类号：文献标志码：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）作者简介：陈绍杰（），男，河北定州人，教育部长江学者特聘教授，博士生
3、导师，主要从事开采沉陷控制与塌陷地治理研究刘瑞（），男，山东济宁人，硕士研究生，主要从事开采损害研究，本文通信作者 ：，（，；，；，）：，陈绍杰等：不同覆岩地层正断层下盘煤层开采地表下沉规律 ：；煤体从地下采出后，采空区周围岩体内原有应力平衡状态破坏，导致围岩移动、变形和破坏，最终影响到地表，形成地表移动盆地。地层中存在断层时，断层破碎带较周围岩体强度低、易滑移，影响岩体的力学性质和破坏形态，在断层面附近会产生应力变化，进而影响开采沉陷规律。矿区覆岩地层一般可分为基岩和松散层，其中基岩可简单分为坚硬岩层和软弱岩层。坚硬岩层抗压强度髙，具有较大的承载能力，顶、底面变形值相差小；软弱岩层强度较低，
4、具有松散、软弱的性质，蠕变变形量大；与基岩相比，松散层是大量颗粒介质的集合，颗粒介质的碎散性、弱胶结特性使松散层压缩性大、拉应力承载能力小。由于松散层和基岩力学性质不同，应力在基岩和松散层内传递差异显著，地表沉陷也表现出差异性。覆岩的物理力学性质和厚度差异影响地表移动变形的发展过程，同时决定地表移动变形的最终形态，世纪 年代 最早提出地表和煤层之间的覆岩性质影响地表下沉规律，随后大量科研人员分析了厚硬覆岩下开采引起的地表非连续变形特征，研究基岩与松散层对开采沉陷规律的影响，为揭示不同覆岩地层条件下开采沉陷规律提供了科学依据。通过对比利时列日城的地表沉陷调查，认为地表沉陷主要受断层倾角与工作面位
5、置的影响；等 通过降低断层带的弹性模量，将断层引入模型，研究了断层影响下的开采沉陷规律；张玉卓等 研究了断层倾角与岩层移动角、断层落差等因素对开采沉陷的影响，发现断层倾角与岩层移动角的关系对地表移动范围起到控制作用；尹立明等 分析了断层影响下覆岩破坏特征，研究了煤矿开采诱发断层滑移对地表及建筑物的影响。上述研究通过理论分析、模拟实验方法从断层参数等角度分析了煤层开采后断层对覆岩运动及地表沉陷规律的影响。目前学者大多分别研究断层或不同地层条件下开采沉陷规律，而对不同覆岩地层和正断层共同影响下开采沉陷规律研究较少。在前人成果基础上研究不同覆岩地层正断层下盘煤层开采地表沉陷规律，为类似条件下地表沉陷
6、分析提供参考，对进一步科学认识开采沉陷规律、保护地表建（构）筑物有重要意义。覆岩地层演化与地表变形理论分析当工作面上覆岩层存在断层时，上下盘的覆岩运动演化规律不同，为获得不同覆岩地层正断层下盘煤层开采地表沉陷规律，首先构建覆岩破坏与地表变形的理论模型，研究正断层与不同覆岩地层共同影响下的覆岩运动与地表变形特征的关系。全基岩覆岩演化与地表变形理论分析全基岩地质条件下，由于断层破坏了基岩岩层的连续性和完整性，阻隔了应力的传递，断层下盘煤层开采后上覆岩层垮落变形，上盘基岩受开采影响较小覆岩保持稳定，地表移动变形范围减小，断层露头两侧变图全基岩覆岩岩层移动变形示意图 形差异显著，极易形成下沉台阶。若上
7、盘覆岩产生拉裂破断，破断的基岩块体向采空区方向产生移动变形，下沉盆地边缘会出现反向抬高现象，如图所示。基于弹性力学构建上盘基岩岩层的破坏判据，下部岩体破坏距离时（为悬梁下部岩层极限破坏距离），上盘基岩岩层未达到破坏的临界抗拉强度，悬臂梁未产生破坏，上盘覆岩移动变形小；当下部岩体破坏距离时，悬臂梁产生拉裂破坏，上盘覆岩向断层方向产生较大移动变形。基本力学公式：山东科技大学学报（自然科学版）年第期 ，（）（），（）（）。（）式中：为最大弯曲应力，为弯矩，为截面抗弯矩，为均布荷载，为岩体容重，为岩体宽度，为下部岩层破坏距离，为裂缝深度，为岩体厚度，岩层破坏距离拉裂缝的深度比为裂缝深度与岩层厚度的比值
8、（）。由于岩石的抗拉强度远小于抗压强度，当截面的拉应力大于岩石抗拉强度时，悬臂梁顶部出现张拉裂缝，为求下部岩层最大破坏距离的临界值，结合式（）（），用悬臂梁岩层的抗拉强度替换最大弯曲应力 ，可得出悬臂梁下部岩层极限破坏距离：（）。（）式中，为岩石抗拉强度。薄松散层覆岩地层演化与地表变形理论分析由于松散层能够吸收基岩岩层破坏产生的非连续变形，因此，地表裂缝与台阶的产生与松散层厚度密切相关。薄松散层地质条件下，下盘煤层开采后采空区上方覆岩下沉，受断层阻隔作用上盘移动变形较小，上下盘产生错距。如图所示，松散层受到自身的重力与上盘基岩岩层的支撑力，在基岩的断层露头位置上覆松散层受剪切力，如支撑力与重力
9、形成的剪切力大于松散层的抗剪强度，则松散层发生剪切破坏，导致地表产生裂缝等非连续变形。式（）为土体的抗剪强度公式。图松散层受力分析图 图薄松散层岩土层移动变形示意图 。（）式中：为土体破坏面上的剪应力，为内聚力，为作用在剪切面上的法向应力，为内摩擦角。由于为，故。当松散层发生剪切破坏后，依据下盘下沉值大小与松散层的厚度，判断地表产生的非连续变形形式。随松散层厚度的增加，地表非连续变形逐渐由下沉台阶转为裂缝，如图所示。厚松散层覆岩地层演化与地表变形理论分析松散层中主要为土层，抗剪强度低、自稳能力差，厚松散层在受到下盘开采扰动后，松散层下部在采空区边缘容易发生滑移，松散层的中部容易发生剪切破坏。由
10、于厚松散层能够吸收非连续变形，当基岩中的断层上覆厚松散层时，地表不再产生裂缝。如图所示，若无断层时，地表形成对称的下盆地，断层存在时，随着煤层开采逐渐靠近断层，诱发断层活化，以断层上盘露头位置为临界点，上覆厚松散层产生移动变形，松散层滑移的位置靠近采空区，上盘地表盆地的变形范围相对无断层一侧小。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陈绍杰等：不同覆岩地层正断层下盘煤层开采地表下沉规律层，导致断层上盘基岩岩层以下盘开采扰动区域为底部临界点形成三角形破坏区域，松散层滑移破坏的位置远离采空区，使地表移动变形范围与移动变形值增加。图厚松散层岩土层移动变形示意图 图破坏区域力学分析 如
11、图所示，通过对破坏区域的受力分析，可知滑动抵抗力为岩体内聚力和重力，驱动力为上覆松散层重力及破坏区域岩体重力，破坏区域的稳定性可通过作用在潜在滑动面的岩体抗滑阻力与滑动驱动力的比值判断：，（），（），（）。（）结合式（）（）可得：（）（）。（）式中：为稳定系数，为岩体抗滑阻力，为岩体滑动驱动力，为上覆松散层厚度，为破坏区域岩层厚度，为岩体潜在滑动面与水平面夹角，为断层倾角。式（）可作为破坏区域岩体潜在滑动面的力学判据，若，岩体抗滑阻力大于滑动驱动力，岩体不会产生滑移破坏；若，则岩体产生滑移破坏，上覆松散层移动范围增加，变形范围扩大。数值计算模型的建立通过理论分析可以判断正断层下盘煤层开采后覆岩
12、地层的运动演化形式与临界破坏值，为获得不同覆岩地层正断层下盘煤层开采后的地表沉陷规律，通过数值模拟手段开展研究。数值模型与实验方案）模型建立为便于研究，建立的模型从地表向下依次是松散层、泥岩与中砂岩互层、细砂岩、粉砂岩、煤层、底板粗砂岩。松散层与断层采用 的随机节理划分。煤岩层倾角，模型沿方向垂高为 ，沿方向为 ，平均采深约 ，平均采厚，图为数值模型简图。山东科技大学学报（自然科学版）年第期图数值模型简图 ）实验方案建立了特定断层条件下，按基岩与松散层厚度的梯度设置种不同覆岩地层厚度的数值模型方案，具体实验方案见表。位移边界条件施加于模型左、右和底面，上表面为自由面，模型顶部为自由边界，将重力
13、作用于模型整体。物理力学参数选取由于本研究揭示不同覆岩地层正断层下盘煤层开采地表下沉的规律，不针对特定矿区，笔者通过分析文献中矿区的地质资料，选取了各岩层力学参数的近似值，松散层的力学参数以文献中整理的现场实测数据获取，断层节理及力学参数采用弱化赋值法赋值，模型及节理参数赋值见表与表。表实验方案设计 岩层 松散层 基岩 煤层 底板 松散层占比 断层断层带宽度、落差、倾角 表数值模拟模型岩性参数 岩层密度（）体积模量 剪切模量 黏聚力 内摩擦角（）抗拉强度 松散层 泥岩 中砂岩 细砂岩 粉砂岩 煤层 粗砂岩 断层 表松散层及断层节理参数 岩层节理参数法向刚度 切向刚度 内摩擦角（）黏聚力 抗拉强
14、度 松散层 断层 陈绍杰等：不同覆岩地层正断层下盘煤层开采地表下沉规律数值模拟计算结果分析断层影响下地表下沉特征分析不同方案覆岩下地表下沉曲线如图所示。可知，方案（松散层与基岩厚度比值为 ）与方案（）的最大下沉量分别为 和 ，地表最大下沉量随松散层厚度增加而变大，这是因为松散层厚度的增加使煤层上覆基岩的荷载加大，同时松散层土体的软弱特性和自身压缩共同导致了地表下沉量增大。厚基岩地质条件下沉曲线在断层一侧产生突变，方案（）中模型边界下沉量较无断层一侧减小，下沉盆地外边界出现了反弹抬高现象；厚松散层地质条件下沉曲线是连续的，方案（）中断层存在的一侧地表下沉值较无断层一侧增大，地表盆地出现偏态下沉的
15、特征；方案（）中受断层影响小，地表形成对称的下沉盆地。以下具体分析不同覆岩地层正断层下盘开采地表沉陷规律。图典型地层条件下工作面开采后地表下沉值 厚基岩薄松散层条件开采沉陷规律分析如图所示，厚基岩薄松散层地质条件下，受断层的阻隔作用，上下盘覆岩及地表变形差异显著，断层下盘移动变形值大于上盘，地表产生下沉台阶或裂缝。方案（）地表断层露头处上、下盘下沉差值为 ，方案（）中裂缝沿断层向地表发育，断层露头下沉差值为 ，靠近采空区附近地表下沉差值增加，下沉差值约 ，表明土体断裂线偏离断层露头向采空区方向扩展，并且由于松散层吸收了断层诱发的非连续变形，台阶下沉值随着松散层厚度的增加而减小。图方案、竖直位移
16、云图 厚基岩厚松散层条件开采沉陷规律如图所示，由模型左右两侧位移云图对比可知，断层影响覆岩及地表变形程度显著不同，基岩岩层中受断层影响，上下盘覆岩变形差异明显，而松散层的移动变形较平缓。松散层较薄时，上盘基岩受影响程度较小，松散层以断层露头为临界点产生滑移破坏，地表移动范围较无断层一侧小。山东科技大学学报（自然科学版）年第期由式（）计算，方案中，基岩岩层产生了滑移破坏，依据数值模型中 下沉等值线范围，可以看出方案（）、（）中基岩受断层与厚松散层的影响产生破坏区域，断层一侧的基岩与松散层移动变形范围明显大于无断层一侧。这是由于随着松散层厚度的增加，松散层作为上部荷载对断层上盘基岩施加的应力增大，导致断层上盘接触松散层的基岩岩层产生变形，上盘基岩出现破坏区域，移动变形范围大于无断层一侧，松散层以基岩滑动面产生滑移，变形范围进一步扩大，使地表移动变形范围与下沉值增加，形成偏态下沉盆地。由于方案（）中松散层厚度不足以完全吸收断层诱发的非连续变形，地表仍产生了裂缝，其位置向上盘偏移。图方案、竖直位移云图 巨厚松散层条件开采沉陷规律如图 所示，方案（）、（）、（）巨厚松散层地质条件下，地表最大下沉
