弱面对地表移动范围和不连续变形的影响

崔希民，李春意，袁德宝，胡青峰，丁建闯
（中国矿业大学（北京） 地球科学与测绘工程学院，北京 100083）
摘 要：矿山开采中断层等弱面的存在，不仅改变了地表移动变形范围，同时由于断层露头地表的变形集中而形成塌陷台阶，增
大了地表采动损害程度.根据断层面倾角与基岩移动角之间的关系，分析了断层对地表移动范围和非连续变形的影响规律，探讨了
图 2 开采剖面图 Fig.2 Sketch cross-section of steep seam mining
图 3 地面倒台阶塌陷 Fig.3 Inverted steps of surface non- uniform subsidence
1.3 断层的影响 断层对地表移动变形的影响在于断层带处岩层
地壳岩石的基本特点是具有颗粒性和裂隙性，而 岩层裂隙性包括构造断层、层间弱面以及节理等.古德 曼列举了包括地下开挖、交通运输、地表建筑等 19 种 与岩石力学问题有关甚至十分密切的工程项目，在其 “地质隐患评价”一栏中，居第一位的地质隐患就是断 层[1].对于煤矿地下开采，由于断层等弱面的强度远小 于其周围岩层强度，在岩层移动过程中容易产生沿断 层层面的剪切移动，不仅改变了地表移动变形范围， 同时由于断层的滑移和变形集中，常常导致地表产生 裂缝和台阶等不连续变形现象，引起地表建构筑物的 破坏[2- 4]；对于 导 水 断 层 ，往 往 又 是 矿 井 突 水 和 产 生 矿 井水害的根源[5].
3 计算实例
郭庄煤矿位于汝州市黄楝树村北部，井田范围内 地势较为平坦，地面标高 +319~+329 m，地表为第四 系黄土层覆盖，厚度约 11.5 m. 该矿 2228 工作面上方 地层呈单斜构造，走向约 N72°E，倾向 ES，开采二 2 煤层，工作面走向长度约 420 m，倾斜长度约 97 m，煤 层厚度为 3.0~4.4 m，倾角 18~23°，采煤方法为单体柱 放顶煤，全部垮落法管理顶板，工作面推进速度约为 35~42 m/ 月. 煤层埋藏深度工作面上边界为 118 m，下 部边界约为 160 m. 煤层上覆岩层由中、粗粒砂岩、砂 质泥岩、泥岩及炭质泥岩等组成，岩性属中硬. 在 2228 工作面南部约 40~50 m 处有一正断层 F16，断层走向约 为 85°~90°，落差 35 m 左右，断层面倾角约 47°，见图 5. 2228 工作面开采后，在距离 2228 工作面下部开采 边界水平距离约 180 m 处出现了一条明显的地表裂 缝，经现场观测 5 处观测值进行算术平均得到裂缝宽 度为 63 mm，落差为 65 mm[10].
1）断层面倾角与基岩移动角倾向一致，但断层面 倾角小于基岩移动角
由于此时断层位于开采工作面影响范围之外，在 采空区上方岩层移动过程中，破坏了断层面的极限平 衡，使得断层弱面活化，产生沿断层面的滑动，使断层 露头处产生台阶并使地表移动变形范围增大. 现场实
例有海南大通矿西一采区、淮南大通矿东二采区、辽 源矿务局西安矿、苏联亚罗斯罗夫矿等[2，4].
3
δ 断层 F 16
二2煤
1
根据六道湾煤矿的开采设计，矿井共划分为四个 水平，阶段高度约为 100 m，分别为 650 水平、540 水 平、430 水平、300 水平，见图 2.每两个水平之间预留 10 m 厚的水平煤柱；在两个采区之间预留 20 m 厚的 斜垂煤柱，用作采空区支撑.每个水平计划开采 20 年. 1995 年前，第一水平 （650 水平） 己经开采完毕； 1995- 2015 年开采第二水平 （540 水平）. 浅部煤层开 采后，在重力的重用下，上盘岩层以悬臂梁弯曲形式 移动.当各分层岩层产生弯曲移动时，各分层岩层也沿 层间弱面产生错动滑移，使得岩层露头处产生倒台 阶，见图 3.
根据抚顺、阜新、鹤壁、辽源等矿区受断层影响的
地表移动与井筒变形的实测资料，台阶落差公式为[3]：
ΔH= K·Wm姨sin δ . x/l
（3）
式中，K 为断层影响系数，x 为断层露头至最大下沉点
的距离，l 为地表下沉盆地半盆地长，Wm 为地表下沉
盆地内最大下沉值.根据淮南矿务局大通矿、辽源西安
竖井等断层穿过井壁处以及断层露头两侧移动矢量
只出现裂缝不出现台阶；当开采煤层总厚度与开采斜长
之积大于 2 000 m2 时，断层露头将出现落差 10 cm 的台
阶. 台阶落差 ΔH 和开采煤层总厚度与开采斜长之积
A 的关系为
ΔH=0.000 05×A，
（1）
而台阶的水平移动差（即台阶的裂缝宽度）为
ΔU=ΔH·ctg δ.
（2）
其中 δ 为断层倾角[4].
图 4 远离采空区断层群的多米诺效应 Fig.4 Domino effect for fault group far away from gob
2 弱面引起台阶尺寸的估算方法
台阶尺寸指台阶的落差和裂缝宽度，它反映了该
处地表变形的剧烈程度.
根据淮南矿区的观测资料，当断层倾角小于 30°或
开采煤层总厚度与开采斜长之积小于 2 000 m2 时，地表
实测值的分析，表明移动矢量倾角近似等于断层倾角
[3]，即断层裂缝台阶宽度与式（2）相同.
波兰的科瓦尔苏克研究认为，当断层倾角大于
边 界角时，断层 露头处将 以台阶形式 出现，台阶 的
大小等于该处无断层时的下沉值和岩层沿断层滑动
量之和[9].
根据断层面倾角大于 20°、断层落差大于 10 m
时，断层对岩层和地表移动影响显著的一般规律，现
1.4 远离开采影响范围的断层群的影响
榆林小区位于抚顺露天开采和井工开采的北侧， 露天矿坑距相同类型损伤屋最近的距离有 1 200 m，井 工开采距榆林小区损伤房屋最近的距离有 400 m[8]. 常 规方法计算表明，榆林小区位于采动影响边界之外， 但采动后小区明显存在一条向北倾斜、扭斜，地面出 现南高北低的倒台阶破坏带，位于破坏带上的房屋损 坏严重，而位于破坏带与开采边界之间的房屋保存完 好. 为解释与通常采煤沉陷规律相悖的现象，在榆林 小区向西南延伸的 4 km 范围内，经勘察发现另外两条 走向与 F1 大致平行的断层 FA 和 Fh，断层线附近楼房 倾斜破坏有类似的特点. 说明当采沉区内有构造断层
2
时，常规的地表沉陷规律不再成立，即地表沉陷盆地 主断面的垂直沉降由中心向边缘一般不再单调递减， 在采出空间周边岩体应力失衡的作用下，被断层切割 的 R1～R6 岩块体将依次产生如图 4 所示的向采空区 的移动以及沿断层面的滑动剪切，由此在地表形成一 系列南高北低的倒台阶，每一条倒台阶都对应一条断 层.表明受大倾角断层群的影响，采动影响范围及移动 变形的非连续性明显增大.
露头到最大下沉点的距离，Wm 为与采动程度有关的
地表最大下沉值，Wm=mqcos α·n；其中，α 为煤层倾角，
n 为采动程度系数，n≤1.
n=姨n1n2 ，
n1=
D1 D01
= sin θ sin ψ1 sin ψ2 ·D1 sin（θ+α）sin（ψ1 +ψ2） H0
，
n2=
D2 D02
=1 2
第 24 卷第 2 期 2009 年 6 月
湖南科技大学学报（自然科学版） Journal of Hunan University of Science & Technology（Natural Science Edition）
Vol.24 No.2 Jun. 2009
弱面对地表移动范围和不连续变形的影响
tg ψ3·HD20
，
上式中，D1、D2 分别为工作面沿倾Leabharlann Baidu和走向的长度；
D01、D02 分别为地表达到充分采动时沿倾向和走向长
度；θ 为最大下沉角，ψ1、ψ2 和 ψ3 分别为下山、上山和
走向的充分采动角.
如果断层的上下盘都进行开采，则断层露头台阶
高度等于下盘开采的台阶高度与上盘开采的台阶高
度之差.
假设台阶高度、沿断层滑动量和无断层时该处的下沉
值分别为 ΔH、Wf 和 Uf，则有 ΔH=Wf +Uf . 由于开采
面积不充分，
Wf
=Wme-
-
0.69
0.69
x2 H2ctgγ2
（4）
Uf
=
2
WmHsin δ 000（0.1h+1）
（5）
式中，m 为开采厚度，q 为下沉系数，H 为开采深度，
h 为表土层厚度，δ 为断层倾角，γ 为边界角，x 为断层
的力学性质低于周围岩层的力学性质，由于采动引起 的应力集中，使断层露头处成为变形集中的有利位置. 一般研究认为，当断层面倾角大于 20°、断层落差大于 10 m 时，断层对岩层和地表移动的影响显著. 在上覆 岩层移动变形的同时，岩层沿断层面的滑动，使断层 露头处地表产生台阶状破坏，并改变地表沉陷影响范 围. 在垂直于断层走向剖面上：
断层露头处台阶和裂缝的计算方法，实例分析表明，计算的断层台阶尺寸与实际观测相符，可以为有断层的地面建筑物布置和地下
开采优化提供一定的技术依据.图 5，参 10.
关键词：断层活化；非连续变形；地下开采；台阶；裂缝
中图分类号：TD82
文献标识码：A
文章编号：1672- 9102（2009）02- 0001- 04
2）断层面倾角与基岩移动角倾向一致，但断层面 倾角大于基岩移动角
此时断层位于开采工作面覆岩移动范围内，当工 作面开采后，断层两侧的岩层在移动过程中产生滑 移，致使断层露头处地表很快形成台阶；同时由于断 层面滑动对岩层移动传播的隔阻作用，使采空区上方 地表的移动变形范围缩小. 现场实例有淮南九龙岗东 五采区、阜新清河门矿北翼南二路采区[3- 4].尽管断层露 头处变形集中，但距露头两侧 5~10 m 以外的变形很 小，地表建筑物影响轻微.
3）断层面倾角与基岩移动角倾向相反 此时断层面与基岩移动角的影响线相交，断层面 的上部位于工作面采动影响范围内，下部位于工作面 采动影响范围外.井下工作面开采后，由于上部断层面 的隔阻使得断层面处的岩层不连续，致使采空区上方 岩层移动与变形一般不能传递到正常位置而中止于 断层面附近，移动变形范围一般小于或等于正常值， 露头处一般产生较大的台阶状裂缝. 现场实例有枣庄 煤矿 4113 工作面、河南焦作矿区六矿、鹤壁二矿 129 工作面等[4，7]. 上述分析表明，利用断层对地表移动的影响规 律，可以指导地面建筑物的合理布置以及井下工作面 的优化布置，以减小断层露头变形集中产生的采动损 害 . 但 由 于 断 层 的 复 杂 性 [7]，包 括 构 造 断 层 的 形 成 时 间、断层规模、断层面状态、断层倾角、开挖处与断层 的距离、开挖方向与断层走向之间的关系、松散层厚 度等多因素对地表移动变形的控制作用目前还难以 定量预测.
采动引起的地表下沉盆地
地下水体疏漏引起 的地表下沉盆地
开采前地下水位 开采后地下水位 水流方向
图 1 性能参数分布 Fig.1 Grid- search on
粗砂岩 页岩 细纱岩 煤 采空区
1.2 急倾斜煤层层间弱面的影响
新疆乌鲁木齐矿务局六道湾煤矿含煤地层为中 侏罗系水西沟群的西山窑含煤组，地层总厚 746.16 m， 共含煤 36 层，可采 33 层（厚度在 0.6 m 以上）；最厚为 B4＋6 煤层 （俗称北大槽），现生产水平平均厚 38.91 m；最薄为 B8 煤层，煤层平均厚为 0.67 m，现生产水平 可采煤层平均总厚 141.03 m，含煤系数 18.9％，不可采 煤层有 3 层，属于急倾斜近距离煤层群.
收稿日期：2009-01-10 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目（2007CB209400）；教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目（NCET- 07- 0798）；矿山空间信息技
术国家测绘局重点实验室开放基金资助项目（KLM200816） 作者简介：崔希民（1967-），男，辽宁宽甸人，博士，教授，主要从事开采损害与岩层控制研究.
1 弱面对地表移动变形的影响
1.1 倾斜煤层导水弱面的影响
当开采煤层上覆岩层存在富含水层时，由于开采 的影响，含水层中的水会向采空区方向疏漏，引起地 表沉陷盆地发生变化. 图 1 为国外某煤矿上覆岩在接 近地表处为强含水流砂层，由于煤层与顶板之间弱面
的存在以及顶板的良好导水特性，下部煤层开采后， 在常规影响区之外的煤层露头地表附近，形成了疏水 沉陷盆地[6]，地表移动变形范围明显增大.