地質(zhì)構(gòu)造對(duì)采煤沉陷的控制作用

地質(zhì)構(gòu)造對(duì)采煤沉陷的控制作用煤炭的開發(fā)和利用給人類帶來了巨大經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也對(duì)人類生計(jì)環(huán)境產(chǎn)生一系列的悲觀影響。此中，礦山采煤沉陷對(duì)環(huán)境的影響就尤其顯然。采煤沉陷簡(jiǎn)單致使地表土地碰到損壞，平原地區(qū)大片地表搬動(dòng)、盆地積水。素來以來，國(guó)內(nèi)外對(duì)采煤沉陷的研究就恩賜了很大的關(guān)注，人們從不同樣的角度、依據(jù)不同樣的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)采煤沉陷進(jìn)行了一系列的研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，研究的手段也更為現(xiàn)代化。但是，關(guān)于地質(zhì)因素與采煤沉陷關(guān)系的闡述素來較為單薄。試圖以地質(zhì)構(gòu)造為主線，重視從節(jié)理及斷層兩個(gè)方面，經(jīng)過采集現(xiàn)有的資料睜開理論解析。一、節(jié)理對(duì)采煤沉陷的控制作用天然巖體是經(jīng)過長(zhǎng)久地質(zhì)演化過程形成的復(fù)雜構(gòu)造體。它經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的自然歷史演變過程，經(jīng)受了各種地質(zhì)作用。在地應(yīng)力的長(zhǎng)久作用下，產(chǎn)生了各種裂隙，詳盡表現(xiàn)為巖石的層理、劈理、節(jié)理等。巖體中的這些構(gòu)造弱面，是將巖體視為不連續(xù)介質(zhì)的根根源因。構(gòu)造弱面的存在損壞了巖體的整體性，使巖體的強(qiáng)度要遠(yuǎn)低于巖石強(qiáng)度，直接影響到巖體力學(xué)性質(zhì)和損壞方式。巖體中各種裂隙的大小、產(chǎn)狀，對(duì)巖體破裂起到的作用不同樣。整體來說，較大的裂隙，節(jié)理對(duì)巖體強(qiáng)度的影響較大，在巖體破裂過程中起主導(dǎo)作用。由此可以以為，當(dāng)巖體中擁有斷層時(shí)，斷層對(duì)巖體損壞有很強(qiáng)的控制作用。當(dāng)巖體中沒有斷層存在時(shí)，節(jié)理對(duì)巖體損壞擁有控制作用。因?yàn)榈叵麻_采惹起巖體損壞，主若是拉伸損壞和剪切損壞。鑒于巖體的抗拉強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度的特色，則節(jié)理在采煤沉陷巖體損壞過程中起著不行忽略的作用。（一）節(jié)理的力學(xué)解析1.節(jié)理的變形特色平時(shí)狀況下，節(jié)理變形性質(zhì)一般用法向剛度和切向剛度表征。當(dāng)節(jié)理面的法線與最大主壓應(yīng)力的方向平行時(shí)，節(jié)理面碰到法向壓縮。當(dāng)節(jié)理面被充填時(shí)，構(gòu)造面雙側(cè)的巖石呈剛性接觸，屬于硬性構(gòu)造面，構(gòu)造面的崛起部分可以被局部壓碎或劈裂；而構(gòu)造面有充填物時(shí)，則充填物質(zhì)被壓密、壓實(shí)。無論何種狀況，節(jié)理面都會(huì)在法向應(yīng)力作用下產(chǎn)生法向位移V，并且，兩者呈非線性關(guān)系。與V關(guān)系曲線的斜率，即為法向剛度。節(jié)理面的法向剛度反響了卻構(gòu)面在法向擠壓應(yīng)力作用下閉合或壓密的變形性質(zhì)。若是節(jié)理面與最小主壓應(yīng)力（或拉張應(yīng)力）的方向平行，則沿節(jié)理面極易拉開，構(gòu)造面對(duì)與其垂直的拉應(yīng)力基本上沒有阻抗力。當(dāng)節(jié)理面與最大主壓應(yīng)力的方向平行，或節(jié)理面碰到剪應(yīng)力作用時(shí)，沿節(jié)理面易于產(chǎn)生剪切變形或滑動(dòng)位移。在此狀況下，作用在節(jié)理面上的剪應(yīng)力與沿節(jié)理面的位移也呈非線性關(guān)系，與關(guān)系曲線的斜率，即為切向剛度。節(jié)理面的切向剛度反響了卻構(gòu)面在切向應(yīng)力作用下的變形特色。節(jié)理面的切向剛度隨剪切應(yīng)力的大小而變化，也與節(jié)理面自己的粗糙程度和接觸條件相關(guān)。圓滑的構(gòu)造界面在滑動(dòng)過程中呈應(yīng)變硬化現(xiàn)象，而粗糙起伏的構(gòu)造面呈應(yīng)變?nèi)诨F(xiàn)象，并伴有應(yīng)力降低。（據(jù)許兵，王思敬。1999）（二）節(jié)理面的受力解析閉合節(jié)理既沒有膠結(jié)物，也可將其看作一個(gè)裂紋。設(shè)在單元體中作用有應(yīng)力，，則作用在裂紋法線方向和切線方向的外荷載重量，。如圖1.2所示。式中：一節(jié)理法線方向與x軸正向逆時(shí)針的夾角。在外荷載作用下，節(jié)理的上下表面互相作用有正應(yīng)力和剪應(yīng)力，他們關(guān)系可以用下式表達(dá)：當(dāng)時(shí),節(jié)理面兩邊巖體只有相對(duì)滑移的趨向，沒有發(fā)生滑動(dòng)。此時(shí)不會(huì)沿節(jié)理面發(fā)生損壞；當(dāng)時(shí),節(jié)理面兩邊的巖體發(fā)生滑移，此節(jié)氣理面發(fā)生損壞。所謂的張開節(jié)理，即有充填物，其以兩種狀態(tài)存在，一是充填有裂隙水，二是無裂隙水，這兩種節(jié)理在受壓作用下閉合過程中受力方式有所差別。張開節(jié)理有水充填時(shí)，在閉合過程中要戰(zhàn)勝孔隙水壓力。當(dāng)時(shí)，節(jié)理面閉合，其受力損壞解析與閉合節(jié)理同樣。即當(dāng)時(shí)，節(jié)理面上下的巖體不會(huì)發(fā)生滑移，進(jìn)而巖體不會(huì)發(fā)生損壞；當(dāng)時(shí)，沿節(jié)理面發(fā)生滑移，進(jìn)而巖體發(fā)生損壞。當(dāng)時(shí)，節(jié)理面張開，此節(jié)氣理面上抗剪切力不考慮粘聚力，即當(dāng)時(shí)，節(jié)理面有滑動(dòng)趨向，但不發(fā)生滑損壞。當(dāng)時(shí)，必然沿節(jié)理面發(fā)生滑移，惹起巖體的損壞。當(dāng)時(shí)，即充填物不含水，其與充填有裂隙水的受力解析基真同樣。綜合上述，當(dāng)節(jié)理面上的拉應(yīng)力或剪切力知足必然要求時(shí)，沿節(jié)理面將發(fā)生拉損壞和剪切損壞。（三）節(jié)理開裂的力學(xué)體系及擴(kuò)展方向開采惹起覆巖的損壞是大批裂隙、裂紋擴(kuò)展和會(huì)合的結(jié)果，當(dāng)覆巖斷裂線碰到節(jié)理時(shí)會(huì)發(fā)生方向上的改變或更復(fù)雜的斷裂形式；節(jié)理在采動(dòng)應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，擴(kuò)展是節(jié)理周邊的巖石中沿某一方向進(jìn)行的。節(jié)理裂隙尖端周邊第一形成局部拉應(yīng)力場(chǎng)，形成張性主裂隙，演化發(fā)展，最后致使巖體開裂。為研究節(jié)理裂隙在采動(dòng)應(yīng)力作用下的斷裂體系、擴(kuò)展方向做以下假設(shè)。1）將節(jié)理看作Griffth裂紋，其橫斷面為橢圓形，且在采動(dòng)應(yīng)力作用下，裂紋周邊惹起應(yīng)力集中其曲率半徑取最小的端部，而開裂的作使勁為拉應(yīng)力。2）設(shè)該橢圓節(jié)理裂隙的長(zhǎng)半軸和短軸分別為a、b，并分別在x，y軸上，見圖（1.3）。3）橢圓節(jié)理裂隙在垂直方向的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于它的兩半軸長(zhǎng)，故可作為平面應(yīng)力問題進(jìn)行研究。在采動(dòng)應(yīng)力作用下，節(jié)理裂隙處于雙向受力狀態(tài)，則長(zhǎng)軸方向上產(chǎn)生的正應(yīng)力和剪應(yīng)力為：進(jìn)而導(dǎo)出節(jié)理長(zhǎng)軸端部周邊的最大切向應(yīng)力為：式中：m為橢圓長(zhǎng)軸與短軸的比；為橢圓節(jié)理裂隙與最大主應(yīng)力的夾角。由上式可知：在必然的載荷條件下，巖體中節(jié)理裂隙長(zhǎng)軸端部周邊的最大切向應(yīng)力值將隨節(jié)理傾角增大而漸漸減小。即隨著節(jié)理傾角的增大，最大主應(yīng)力起的作用漸漸減少，而最小主應(yīng)力的貢獻(xiàn)漸漸增大。當(dāng)節(jié)剪發(fā)生開裂，將產(chǎn)生新的裂隙，重生裂隙是經(jīng)過切向應(yīng)力極值點(diǎn)沿節(jié)理裂隙周壁的法線方向出現(xiàn)的，故重生裂隙的方向與原生節(jié)理裂隙的方向并不是重合，而成必然的角度。二、節(jié)理傾角對(duì)采動(dòng)覆巖損壞的影響規(guī)律實(shí)驗(yàn)經(jīng)過光學(xué)透鏡法察看到地表下沉量如表1.1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，從沒有節(jié)剪發(fā)育的連續(xù)介質(zhì)，到有節(jié)剪發(fā)育的非連續(xù)介質(zhì)，地表下沉系數(shù)呈漸漸增添的趨向。水平節(jié)理對(duì)地表下沉的貢獻(xiàn)不太顯然；隨著節(jié)理傾角從緩到陡，地表下沉系數(shù)快速增大，地表采煤沉陷最大值與煤層覆巖中節(jié)理的傾角呈正相關(guān)關(guān)系（圖1.4）。表1.1節(jié)理傾角與地表采動(dòng)沉陷實(shí)驗(yàn)結(jié)果（據(jù)謝和同樣，1998部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理）圖1.4節(jié)理傾角與地表最大下沉值之間的關(guān)系；（據(jù)于廣明等，1998）。初始的傾角還會(huì)影響采動(dòng)覆巖損壞的正老例律。覆巖中無節(jié)剪發(fā)育或有水平初始節(jié)剪發(fā)育時(shí)，地表下沉曲線關(guān)于采空區(qū)豎向中心對(duì)稱；當(dāng)覆巖中有傾斜初始節(jié)理（傾角30°－60°）發(fā)育時(shí)，地表下沉曲線和水平搬動(dòng)曲線失掉了對(duì)稱性，地表最大下沉地址向節(jié)理傾斜方向偏移（圖1.5），下沉曲線變陡，指向初始節(jié)理傾斜方向的水平搬動(dòng)值比另一側(cè)大，最大下沉值增大；當(dāng)覆巖中存在垂直初始節(jié)理時(shí)，地表下沉曲線和水平搬動(dòng)曲線恢復(fù)了關(guān)于采空區(qū)豎向中心線對(duì)稱的形態(tài)，但是下沉曲線變得更陡，最大地表下沉值增大，地表水平搬動(dòng)值也有增添。圖1.5采動(dòng)介質(zhì)構(gòu)造對(duì)地表沉陷的影響；明整理）。

（謝和平，鄧喀中，于廣1-連續(xù)介質(zhì)理論計(jì)算沉陷曲線：2-考慮節(jié)理效應(yīng)；3-非連續(xù)介質(zhì)理論計(jì)算沉陷曲線：4-節(jié)理傾角。其他，不同樣傾角的初始節(jié)搭理使巖體和地表變形表現(xiàn)出不同樣損壞體系。水平初始節(jié)理使巖體出現(xiàn)層裂、層滑現(xiàn)象；傾斜初始節(jié)理使采動(dòng)覆巖中出現(xiàn)沿傾斜節(jié)理滑移的現(xiàn)象，進(jìn)而致使巖體損壞地區(qū)和地表搬動(dòng)曲線出現(xiàn)偏態(tài)；垂直初始節(jié)理使巖體損壞出現(xiàn)尖角突變現(xiàn)象，使巖體損壞更為強(qiáng)烈。水平初始節(jié)理顯然提升了離層的范圍，傾斜初始節(jié)理和垂直初始節(jié)理提升了非連續(xù)性。由此可以看出，節(jié)理對(duì)采動(dòng)巖體的開裂起著控制作用，加速了巖體的損壞。三、斷層對(duì)采煤沉陷的控制作用煤礦區(qū)地層形成今后，經(jīng)常會(huì)經(jīng)歷多次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。斷層是后期的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用在地層中產(chǎn)生的地質(zhì)不連續(xù)面，是巖體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。地層由本來的連續(xù)體被切割成大小不等的塊體，斷層是構(gòu)造作用對(duì)地層最突出的改造作用之一，也是對(duì)巖體工程地質(zhì)性質(zhì)影響最大的地質(zhì)作用。煤層上覆巖體沒有被斷層切割時(shí)基本上可以被視為連續(xù)的介質(zhì)，而被斷層切割的狀況下認(rèn)識(shí)是非連續(xù)的介質(zhì)，即斷層作為巖體介質(zhì)中的缺點(diǎn)，其力學(xué)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于四周巖體的強(qiáng)度，因此在地下開采影響下，使巖體及地表搬動(dòng)規(guī)律非連續(xù)，使地表出現(xiàn)臺(tái)階和裂縫，建筑物碰到損壞，水體進(jìn)入井下，造成較大的危害。（一）斷層的應(yīng)力狀態(tài)與斷層面的構(gòu)造特色斷層是在巖體形成后的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)過程中，沿巖體內(nèi)破裂面發(fā)生顯然位移的地質(zhì)構(gòu)造。斷層的形成是一個(gè)極復(fù)雜的力學(xué)過程，巖層在自然應(yīng)力狀態(tài)下，地下巖體一般處于三維擠壓的應(yīng)力狀態(tài)（＞＞），少量也可處于兩維擠壓，一維張拉的應(yīng)力狀態(tài)，即為最大拉應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)巖體內(nèi)的主應(yīng)力差（）產(chǎn)生的剪應(yīng)力大于巖體自己的抗剪強(qiáng)度時(shí)，巖石發(fā)生破裂；當(dāng)主應(yīng)力差造成的剪應(yīng)力高出該破裂面雙側(cè)巖塊的摩擦阻力時(shí)，兩盤沿面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)；最后是斷層兩盤的多次錯(cuò)動(dòng)，并保持相對(duì)牢固的過程。斷層主要包含斷層面、斷層線、斷層盤三個(gè)因素。斷層面是一個(gè)將巖塊或巖層斷開成兩部分，斷開巖塊或巖層順著他滑動(dòng)的破裂面。斷層面不是一個(gè)產(chǎn)狀牢固的平直面，他隨走向或偏向都會(huì)發(fā)生必然變化形成曲面，常呈波狀起伏。實(shí)質(zhì)上，因?yàn)閿鄬邮菐r體在地質(zhì)動(dòng)力作用下發(fā)生斷裂而形成的構(gòu)造體，而巖體是由各種不同樣性質(zhì)的巖層擺列組合而成的，而巖體中又賦存空隙、裂縫、層面、層理等構(gòu)造單元。斷層面由磨圓度較高的球碩體、裂而不停的張裂紋、弧形擦痕、研磨紋等諸多因素的交集而成，使斷層面成為凹凸不平的非規(guī)則表面。（二）斷層與采煤沉陷關(guān)系的理論解析1.斷層對(duì)采煤沉陷的影響當(dāng)巖體內(nèi)不存在斷層時(shí)，巖層及地表搬動(dòng)可看作是梁板的波折，搬動(dòng)是不連續(xù)的，不會(huì)形成臺(tái)階狀搬動(dòng)盆地。當(dāng)有斷層存在時(shí)，斷層處成為移動(dòng)的界面，易在斷層露頭處形成臺(tái)階狀的搬動(dòng)盆地。由此可知，巖體內(nèi)存在斷層，可使巖體的力學(xué)性質(zhì)和地表變形產(chǎn)生顯然的異常。巖體的力學(xué)性質(zhì)和地表變形可否出現(xiàn)異常，主要取決于以下因素：1）斷層形成的年代。斷層按生成時(shí)間可分為老、新、活三類。所謂老斷層是指燕山期及燕山期以前所產(chǎn)生的，且近期無顯然再活動(dòng)的斷層；新斷層是喜馬拉雅期形成及活動(dòng)的斷層構(gòu)造；活斷層是影響到嶄新世的斷層構(gòu)造。一般狀況下，斷層形成的時(shí)間越新，他的活動(dòng)性越強(qiáng)，易惹起地質(zhì)災(zāi)禍。2）斷層性質(zhì)。按斷層形成的力學(xué)體系，逆斷層、正斷層和平移斷層，相當(dāng)于壓性構(gòu)造面、張性構(gòu)造面和扭性構(gòu)造面。一般而言，壓性構(gòu)造面呈舒緩波狀，較大規(guī)模的逆斷層周邊常發(fā)育由斷層角礫斷層泥組成的斷層帶；張性構(gòu)造面粗糙不平，經(jīng)常呈鋸齒狀或不規(guī)則形狀，并有斷層破裂帶或其余充填物；扭性構(gòu)造面則平展圓滑，一般呈休會(huì)狀態(tài)，沒有充填物。它們對(duì)覆巖強(qiáng)度和變形特色的影響是不同樣的。3）斷層的產(chǎn)狀。在煤礦區(qū)的地層中，斷層可以以各種產(chǎn)狀發(fā)育，但對(duì)采煤沉陷影響最大的是走向、偏向、傾角。特別斷層的法線與最大主應(yīng)力的夾角對(duì)巖體的損壞體系和巖體的強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生重要影響。4）斷層的組合形式。當(dāng)開采區(qū)上方覆巖中有兩條或更多條斷層發(fā)育時(shí)，巖體的力學(xué)強(qiáng)度將大為降低。但因?yàn)閿鄬拥慕M合形式不同樣，對(duì)采煤沉陷的影響是有顯然差其他。5）巖層的延展程度、貫串程度和密度。延展程度是指構(gòu)造界面在水平方向的延伸長(zhǎng)度，貫串程度是指斷層在垂直方向的切割范圍，兩者均由斷層的規(guī)模決定。依據(jù)斷層的落差，可將其分為三級(jí)：Ⅰ級(jí)斷層的落差大于20m，Ⅱ級(jí)斷層的落差在5～20m之間，而落差小于5m的斷層屬于Ⅲ級(jí)。Ⅰ級(jí)斷層的延展和貫串程度會(huì)比Ⅲ級(jí)的強(qiáng)的多。斷層的密度愈大，巖體的連續(xù)性愈大差，強(qiáng)度相應(yīng)愈低。6）斷層偏向與開采方向的關(guān)系。斷層偏向?qū)Σ擅撼料菀灿斜厝挥绊懀?dāng)開采方向與斷層面偏向相反時(shí)，先開采斷層上盤的煤層，因?yàn)樯媳P巖體在搬動(dòng)過程中，碰到下盤巖體的擠壓作用，若是巖體不沿著斷層面滑移，則在斷層露頭處不會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階，主要以簡(jiǎn)支梁形式波折。若是巖體活斷層面滑移，則會(huì)在斷層露頭處產(chǎn)生臺(tái)階。因?yàn)閿鄬釉诖颂幤鸬狡琳系淖饔们袛嗖蓜?dòng)影響，所以地表下沉范圍減小，下盤地表下沉和變形值減小，上盤地表下沉和變形值增添。綜合上述狀況可知：斷層對(duì)地表及巖層變形的影響主要在以下三個(gè)方面：（1）控制地表?yè)p壞的形態(tài)，開采斷層的下盤易在露頭處產(chǎn)生裂縫，臺(tái)階狀落差，增大地表沉陷量；（2）控制地表變形范圍，可增添或減小地表變形范圍；（3）沿?cái)鄬用娈a(chǎn)生滑移，在采動(dòng)影響下，斷層面上方巖體產(chǎn)生附帶滑移量，沿?cái)鄬悠屏褞Юp身抽冒等。2.開采對(duì)斷層的活化效應(yīng)天然巖體是一個(gè)復(fù)雜的構(gòu)造體，在地下開采以前，處在靜態(tài)平衡狀態(tài)。開采此后，這類平衡狀態(tài)碰到損壞，而損壞必然是從單薄環(huán)節(jié)開始。斷層沖壓即礦震，是因?yàn)椴傻V活動(dòng)惹起斷層的忽然相對(duì)錯(cuò)動(dòng)而強(qiáng)烈開釋能量的現(xiàn)象。由斷層和圍巖的上下盤組合的變形系統(tǒng)，在未開采前，斷層帶介質(zhì)和上下盤巖體處于靜平衡狀態(tài)。開采后形成附帶剪應(yīng)力，在附帶剪應(yīng)力和原有剪應(yīng)力的作用下，斷層帶巖石發(fā)生變形。當(dāng)開采面距斷層較遠(yuǎn)時(shí)，附帶剪應(yīng)力較小，斷層帶巖石應(yīng)力值小于峰值強(qiáng)度，處于牢固狀態(tài)。隨著工作面向前推動(dòng)，附帶剪應(yīng)力增大。當(dāng)應(yīng)力高出峰值強(qiáng)度，斷層帶巖石處于非牢固狀態(tài)，而上下盤圍巖還處于牢固狀態(tài)。開采達(dá)到必然程度，整個(gè)系統(tǒng)處于失衡狀態(tài)，因此引發(fā)礦震。斷層作為巖體介質(zhì)中的若面，在地下開采的附帶應(yīng)力作用下，其活化過程表現(xiàn)在三個(gè)方面:(1)拉應(yīng)力作用下，當(dāng)拉應(yīng)力高出斷層面的抗拉強(qiáng)度時(shí)，使斷層面拉開，在斷層處形成張開裂縫；(2)在剪應(yīng)力作用下，當(dāng)剪應(yīng)力高出斷層面的抗剪強(qiáng)度后，使斷層滑移，在斷層露頭處形成臺(tái)階狀搬動(dòng)，有時(shí)惹起礦震等災(zāi)禍；(3)