地质构造对采煤沉陷的控制作用

地质构造对采煤沉陷的控制作用煤炭的开发和利用给人类带来了巨大经济效益，同时也对人类生计环境产生一系列的悲观影响。此中，矿山采煤沉陷对环境的影响就尤其显然。采煤沉陷简单致使地表土地碰到损坏，平原地区大片地表搬动、盆地积水。素来以来，国内外对采煤沉陷的研究就恩赐了很大的关注，人们从不同样的角度、依据不同样的标准对采煤沉陷进行了一系列的研究。随着计算机技术的发展，研究的手段也更为现代化。但是，关于地质因素与采煤沉陷关系的阐述素来较为单薄。试图以地质构造为主线，重视从节理及断层两个方面，经过采集现有的资料睁开理论解析。一、节理对采煤沉陷的控制作用天然岩体是经过长久地质演化过程形成的复杂构造体。它经历了漫长的自然历史演变过程，经受了各种地质作用。在地应力的长久作用下，产生了各种裂隙，详尽表现为岩石的层理、劈理、节理等。岩体中的这些构造弱面，是将岩体视为不连续介质的根根源因。构造弱面的存在损坏了岩体的整体性，使岩体的强度要远低于岩石强度，直接影响到岩体力学性质和损坏方式。岩体中各种裂隙的大小、产状，对岩体破裂起到的作用不同样。整体来说，较大的裂隙，节理对岩体强度的影响较大，在岩体破裂过程中起主导作用。由此可以以为，当岩体中拥有断层时，断层对岩体损坏有很强的控制作用。当岩体中没有断层存在时，节理对岩体损坏拥有控制作用。因为地下开采惹起岩体损坏，主若是拉伸损坏和剪切损坏。鉴于岩体的抗拉强度要远小于其抗压强度的特色，则节理在采煤沉陷岩体损坏过程中起着不行忽略的作用。（一）节理的力学解析1.节理的变形特色平时状况下，节理变形性质一般用法向刚度和切向刚度表征。当节理面的法线与最大主压应力的方向平行时，节理面碰到法向压缩。当节理面被充填时，构造面双侧的岩石呈刚性接触，属于硬性构造面，构造面的崛起部分可以被局部压碎或劈裂；而构造面有充填物时，则充填物质被压密、压实。无论何种状况，节理面都会在法向应力作用下产生法向位移V，并且，两者呈非线性关系。与V关系曲线的斜率，即为法向刚度。节理面的法向刚度反响了却构面在法向挤压应力作用下闭合或压密的变形性质。若是节理面与最小主压应力（或拉张应力）的方向平行，则沿节理面极易拉开，构造面对与其垂直的拉应力基本上没有阻抗力。当节理面与最大主压应力的方向平行，或节理面碰到剪应力作用时，沿节理面易于产生剪切变形或滑动位移。在此状况下，作用在节理面上的剪应力与沿节理面的位移也呈非线性关系，与关系曲线的斜率，即为切向刚度。节理面的切向刚度反响了却构面在切向应力作用下的变形特色。节理面的切向刚度随剪切应力的大小而变化，也与节理面自己的粗糙程度和接触条件相关。圆滑的构造界面在滑动过程中呈应变硬化现象，而粗糙起伏的构造面呈应变融化现象，并伴有应力降低。（据许兵，王思敬。1999）（二）节理面的受力解析闭合节理既没有胶结物，也可将其看作一个裂纹。设在单元体中作用有应力，，则作用在裂纹法线方向和切线方向的外荷载重量，。如图1.2所示。式中：一节理法线方向与x轴正向逆时针的夹角。在外荷载作用下，节理的上下表面互相作用有正应力和剪应力，他们关系可以用下式表达：当时,节理面两边岩体只有相对滑移的趋向，没有发生滑动。此时不会沿节理面发生损坏；当时,节理面两边的岩体发生滑移，此节气理面发生损坏。所谓的张开节理，即有充填物，其以两种状态存在，一是充填有裂隙水，二是无裂隙水，这两种节理在受压作用下闭合过程中受力方式有所差别。张开节理有水充填时，在闭合过程中要战胜孔隙水压力。当时，节理面闭合，其受力损坏解析与闭合节理同样。即当时，节理面上下的岩体不会发生滑移，进而岩体不会发生损坏；当时，沿节理面发生滑移，进而岩体发生损坏。当时，节理面张开，此节气理面上抗剪切力不考虑粘聚力，即当时，节理面有滑动趋向，但不发生滑损坏。当时，必然沿节理面发生滑移，惹起岩体的损坏。当时，即充填物不含水，其与充填有裂隙水的受力解析基真同样。综合上述，当节理面上的拉应力或剪切力知足必然要求时，沿节理面将发生拉损坏和剪切损坏。（三）节理开裂的力学体系及扩展方向开采惹起覆岩的损坏是大批裂隙、裂纹扩展和会合的结果，当覆岩断裂线碰到节理时会发生方向上的改变或更复杂的断裂形式；节理在采动应力作用下会发生扩展，扩展是节理周边的岩石中沿某一方向进行的。节理裂隙尖端周边第一形成局部拉应力场，形成张性主裂隙，演化发展，最后致使岩体开裂。为研究节理裂隙在采动应力作用下的断裂体系、扩展方向做以下假设。1）将节理看作Griffth裂纹，其横断面为椭圆形，且在采动应力作用下，裂纹周边惹起应力集中其曲率半径取最小的端部，而开裂的作使劲为拉应力。2）设该椭圆节理裂隙的长半轴和短轴分别为a、b，并分别在x，y轴上，见图（1.3）。3）椭圆节理裂隙在垂直方向的长度远大于它的两半轴长，故可作为平面应力问题进行研究。在采动应力作用下，节理裂隙处于双向受力状态，则长轴方向上产生的正应力和剪应力为：进而导出节理长轴端部周边的最大切向应力为：式中：m为椭圆长轴与短轴的比；为椭圆节理裂隙与最大主应力的夹角。由上式可知：在必然的载荷条件下，岩体中节理裂隙长轴端部周边的最大切向应力值将随节理倾角增大而渐渐减小。即随着节理倾角的增大，最大主应力起的作用渐渐减少，而最小主应力的贡献渐渐增大。当节剪发生开裂，将产生新的裂隙，重生裂隙是经过切向应力极值点沿节理裂隙周壁的法线方向出现的，故重生裂隙的方向与原生节理裂隙的方向并不是重合，而成必然的角度。二、节理倾角对采动覆岩损坏的影响规律实验经过光学透镜法察看到地表下沉量如表1.1。实验结果表示，从没有节剪发育的连续介质，到有节剪发育的非连续介质，地表下沉系数呈渐渐增添的趋向。水平节理对地表下沉的贡献不太显然；随着节理倾角从缓到陡，地表下沉系数快速增大，地表采煤沉陷最大值与煤层覆岩中节理的倾角呈正相关关系（图1.4）。表1.1节理倾角与地表采动沉陷实验结果（据谢和同样，1998部分实验数据整理）图1.4节理倾角与地表最大下沉值之间的关系；（据于广明等，1998）。初始的倾角还会影响采动覆岩损坏的正老例律。覆岩中无节剪发育或有水平初始节剪发育时，地表下沉曲线关于采空区竖向中心对称；当覆岩中有倾斜初始节理（倾角30°－60°）发育时，地表下沉曲线和水平搬动曲线失掉了对称性，地表最大下沉地址向节理倾斜方向偏移（图1.5），下沉曲线变陡，指向初始节理倾斜方向的水平搬动值比另一侧大，最大下沉值增大；当覆岩中存在垂直初始节理时，地表下沉曲线和水平搬动曲线恢复了关于采空区竖向中心线对称的形态，但是下沉曲线变得更陡，最大地表下沉值增大，地表水平搬动值也有增添。图1.5采动介质构造对地表沉陷的影响；明整理）。

（谢和平，邓喀中，于广1-连续介质理论计算沉陷曲线：2-考虑节理效应；3-非连续介质理论计算沉陷曲线：4-节理倾角。其他，不同样倾角的初始节搭理使岩体和地表变形表现出不同样损坏体系。水平初始节理使岩体出现层裂、层滑现象；倾斜初始节理使采动覆岩中出现沿倾斜节理滑移的现象，进而致使岩体损坏地区和地表搬动曲线出现偏态；垂直初始节理使岩体损坏出现尖角突变现象，使岩体损坏更为强烈。水平初始节理显然提升了离层的范围，倾斜初始节理和垂直初始节理提升了非连续性。由此可以看出，节理对采动岩体的开裂起着控制作用，加速了岩体的损坏。三、断层对采煤沉陷的控制作用煤矿区地层形成今后，经常会经历多次地质构造运动。断层是后期的地质构造运动作用在地层中产生的地质不连续面，是岩体产生相对运动的结果。地层由本来的连续体被切割成大小不等的块体，断层是构造作用对地层最突出的改造作用之一，也是对岩体工程地质性质影响最大的地质作用。煤层上覆岩体没有被断层切割时基本上可以被视为连续的介质，而被断层切割的状况下认识是非连续的介质，即断层作为岩体介质中的缺点，其力学强度远低于四周岩体的强度，因此在地下开采影响下，使岩体及地表搬动规律非连续，使地表出现台阶和裂缝，建筑物碰到损坏，水体进入井下，造成较大的危害。（一）断层的应力状态与断层面的构造特色断层是在岩体形成后的地质运动过程中，沿岩体内破裂面发生显然位移的地质构造。断层的形成是一个极复杂的力学过程，岩层在自然应力状态下，地下岩体一般处于三维挤压的应力状态（＞＞），少量也可处于两维挤压，一维张拉的应力状态，即为最大拉应力状态。当岩体内的主应力差（）产生的剪应力大于岩体自己的抗剪强度时，岩石发生破裂；当主应力差造成的剪应力高出该破裂面双侧岩块的摩擦阻力时，两盘沿面发生相对滑动；最后是断层两盘的多次错动，并保持相对牢固的过程。断层主要包含断层面、断层线、断层盘三个因素。断层面是一个将岩块或岩层断开成两部分，断开岩块或岩层顺着他滑动的破裂面。断层面不是一个产状牢固的平直面，他随走向或偏向都会发生必然变化形成曲面，常呈波状起伏。实质上，因为断层是岩体在地质动力作用下发生断裂而形成的构造体，而岩体是由各种不同样性质的岩层摆列组合而成的，而岩体中又赋存空隙、裂缝、层面、层理等构造单元。断层面由磨圆度较高的球硕体、裂而不停的张裂纹、弧形擦痕、研磨纹等诸多因素的交集而成，使断层面成为凹凸不平的非规则表面。（二）断层与采煤沉陷关系的理论解析1.断层对采煤沉陷的影响当岩体内不存在断层时，岩层及地表搬动可看作是梁板的波折，搬动是不连续的，不会形成台阶状搬动盆地。当有断层存在时，断层处成为移动的界面，易在断层露头处形成台阶状的搬动盆地。由此可知，岩体内存在断层，可使岩体的力学性质和地表变形产生显然的异常。岩体的力学性质和地表变形可否出现异常，主要取决于以下因素：1）断层形成的年代。断层按生成时间可分为老、新、活三类。所谓老断层是指燕山期及燕山期以前所产生的，且近期无显然再活动的断层；新断层是喜马拉雅期形成及活动的断层构造；活断层是影响到崭新世的断层构造。一般状况下，断层形成的时间越新，他的活动性越强，易惹起地质灾祸。2）断层性质。按断层形成的力学体系，逆断层、正断层和平移断层，相当于压性构造面、张性构造面和扭性构造面。一般而言，压性构造面呈舒缓波状，较大规模的逆断层周边常发育由断层角砾断层泥组成的断层带；张性构造面粗糙不平，经常呈锯齿状或不规则形状，并有断层破裂带或其余充填物；扭性构造面则平展圆滑，一般呈休会状态，没有充填物。它们对覆岩强度和变形特色的影响是不同样的。3）断层的产状。在煤矿区的地层中，断层可以以各种产状发育，但对采煤沉陷影响最大的是走向、偏向、倾角。特别断层的法线与最大主应力的夹角对岩体的损坏体系和岩体的强度会产生重要影响。4）断层的组合形式。当开采区上方覆岩中有两条或更多条断层发育时，岩体的力学强度将大为降低。但因为断层的组合形式不同样，对采煤沉陷的影响是有显然差其他。5）岩层的延展程度、贯串程度和密度。延展程度是指构造界面在水平方向的延伸长度，贯串程度是指断层在垂直方向的切割范围，两者均由断层的规模决定。依据断层的落差，可将其分为三级：Ⅰ级断层的落差大于20m，Ⅱ级断层的落差在5～20m之间，而落差小于5m的断层属于Ⅲ级。Ⅰ级断层的延展和贯串程度会比Ⅲ级的强的多。断层的密度愈大，岩体的连续性愈大差，强度相应愈低。6）断层偏向与开采方向的关系。断层偏向对采煤沉陷也有必然影响，当开采方向与断层面偏向相反时，先开采断层上盘的煤层，因为上盘岩体在搬动过程中，碰到下盘岩体的挤压作用，若是岩体不沿着断层面滑移，则在断层露头处不会产生台阶，主要以简支梁形式波折。若是岩体活断层面滑移，则会在断层露头处产生台阶。因为断层在此处起到屏障的作用切断采动影响，所以地表下沉范围减小，下盘地表下沉和变形值减小，上盘地表下沉和变形值增添。综合上述状况可知：断层对地表及岩层变形的影响主要在以下三个方面：（1）控制地表损坏的形态，开采断层的下盘易在露头处产生裂缝，台阶状落差，增大地表沉陷量；（2）控制地表变形范围，可增添或减小地表变形范围；（3）沿断层面产生滑移，在采动影响下，断层面上方岩体产生附带滑移量，沿断层破裂带缠身抽冒等。2.开采对断层的活化效应天然岩体是一个复杂的构造体，在地下开采以前，处在静态平衡状态。开采此后，这类平衡状态碰到损坏，而损坏必然是从单薄环节开始。断层冲压即矿震，是因为采矿活动惹起断层的忽然相对错动而强烈开释能量的现象。由断层和围岩的上下盘组合的变形系统，在未开采前，断层带介质和上下盘岩体处于静平衡状态。开采后形成附带剪应力，在附带剪应力和原有剪应力的作用下，断层带岩石发生变形。当开采面距断层较远时，附带剪应力较小，断层带岩石应力值小于峰值强度，处于牢固状态。随着工作面向前推动，附带剪应力增大。当应力高出峰值强度，断层带岩石处于非牢固状态，而上下盘围岩还处于牢固状态。开采达到必然程度，整个系统处于失衡状态，因此引发矿震。断层作为岩体介质中的若面，在地下开采的附带应力作用下，其活化过程表现在三个方面:(1)拉应力作用下，当拉应力高出断层面的抗拉强度时，使断层面拉开，在断层处形成张开裂缝；(2)在剪应力作用下，当剪应力高出断层面的抗剪强度后，使断层滑移，在断层露头处形成台阶状搬动，有时惹起矿震等灾祸；(3)