单位文秘网 2021-08-31 09:00:20 点击: 次
[摘 要]为了探讨地质构造与采煤沉陷的关系,在以往研究成果的基础上,通过运用理论分析的方式,着重从节理以及断层两个层面研究了地质构造对采煤沉陷的控制作用。
[关键词]采煤沉陷 断层 控制作用
中图分类号:TD1文献标识码:A文章编号:1671-7597(2008)0320004-03
煤炭的开发和利用给人类带来了巨大经济效益,同时也对人类生存环境产生一系列的消极影响。其中,矿山采煤沉陷对环境的影响就尤为显著。采煤沉陷容易导致地表土地受到破坏,平原地区大片地表移动、盆地积水……。一直以来,国内外对采煤沉陷的研究就给予了很大的关注,人们从不同的角度、按照不同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,研究的手段也越发现代化。但是,关于地质因素与采煤沉陷关系的论述一直较为薄弱。试图以地质构造为主线,着重从节理及断层两个方面,通过收集现有的材料展开理论分析。
一、节理对采煤沉陷的控制作用
天然岩体是经过长期地质演化过程形成的复杂结构体。它经历了漫长的自然历史演变过程,经受了各种地质作用。在地应力的长期作用下,产生了各种裂隙,具体表现为岩石的层理、劈理、节理等。岩体中的这些结构弱面,是将岩体视为不连续介质的根本原因。结构弱面的存在破坏了岩体的整体性,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破坏方式。岩体中各种裂隙的大小、产状,对岩体破裂起到的作用不同。总体来说,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。由此可以认为,当岩体中具有断层时,断层对岩体破坏有很强的控制作用。当岩体中没有断层存在时,节理对岩体破坏具有控制作用。由于地下开采引起岩体破坏,主要是拉伸破坏和剪切破坏。鉴于岩体的抗拉强度要远小于其抗压强度的特点,则节理在采煤沉陷岩体破坏过程中起着不可忽视的作用。
(一)节理的力学分析
1.节理的变形特征
通常情况下,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,节理面受到法向压缩。当节理面被充填时,结构面两侧的岩石呈刚性接触,属于硬性结构面,结构面的突起部分可以被局部压碎或劈裂;而结构面有充填物时,则充填物质被压密、压实。无论何种情况,节理面都会在法向应力作用下产生法向位移V,而且,二者呈非线性关系。
与V关系曲线的斜率,即为法向刚度。节理面的法向刚度反映了结构面在法向挤压应力作用下闭合或压密的变形性质。
如果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,结构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,或节理面受到剪应力作用时,沿节理面易于产生剪切变形或滑动位移。在此情况下,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映了结构面在切向应力作用下的变形特征。节理面的切向刚度随剪切应力的大小而变化,也与节理面本身的粗糙程度和接触条件有关。光滑的构造界面在滑动过程中呈应变硬化现象,而粗糙起伏的结构面呈应变软化现象,并伴有应力降低。
(据许兵,王思敬。1999)
(二)节理面的受力分析
闭合节理 既没有胶结物,也可将其看成一个裂纹。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分量 ,。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,节理的上下表面相互作用有正应力 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势,没有发生滑动。此时不会沿节理面发生破坏;当 时,
节理面两边的岩体发生滑移,此时节理面发生破坏。
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区别。张开节理有水充填时,在闭合过程中要克服孔隙水压力。
当 时,节理面闭合,其受力破坏分析与闭合节理相同。即当 时,节理面上下的岩体不会发生滑移,从而岩体不会发生破坏;当 时,沿节理面发生滑移,从而岩体发生破坏。当 时,节理面张开,此时节理面上抗剪切力不考虑粘聚力,即当 时,节理面有滑动趋势,但不发生滑破坏。当时,必将沿节理面发生滑移,引起岩体的破坏。
当 时,即充填物不含水,其与充填有裂隙水的受力分析基本相同。
综合上述,当节理面上的拉应力或剪切力满足一定要求时,沿节理面将发生拉破坏和剪切破坏。
(三)节理开裂的力学机制及扩展方向
开采引起覆岩的破坏是大量裂隙、裂纹扩展和汇合的结果,当覆岩断裂线遇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。节理裂隙尖端附近首先形成局部拉应力场,形成张性主裂隙,演化发展,最后导致岩体开裂。
为研究节理裂隙在采动应力作用下的断裂机制、扩展方向做如下假设。
(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,裂纹周边引起应力集中其曲率半径取最小的端部,而开裂的作用力为拉应力。
(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:
从而导出节理长轴端部附近的最大切向应力为:
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:在一定的载荷条件下,岩体中节理裂隙长轴端部附近的最大切向应力值将随节理倾角增大而逐渐减小。即随着节理倾角的增大,最大主应力起的作用逐渐减少,而最小主应力的贡献逐渐增大。
当节理发生开裂,将产生新的裂隙,新生裂隙是通过切向应力极值点沿节理裂隙周壁的法线方向出现的,故新生裂隙的方向与原生节理裂隙的方向并非重合,而成一定的角度。
二、节理倾角对采动覆岩破坏的影响规律
实验通过光学透镜法观测到地表下沉量如表1.1。实验结果表明,从没有节理发育的连续介质,到有节理发育的非连续介质,地表下沉系数呈逐步增加的趋势。水平节理对地表下沉的贡献不太显著;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
(据谢和平等,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破坏的正常规律。覆岩中无节理发育或有水平初始节理发育时,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移动曲线失去了对称性,地表最大下沉位置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移动值比另一侧大,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移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,地表水平移动值也有增加。
图1.5采动介质结构对地表沉陷的影响; (谢和平,邓喀中,于广明整理)。
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。
此外,不同倾角的初始节理会使岩体和地表变形表现出不同破坏机制。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,从而导致岩体破坏区域和地表移动曲线出现偏态;垂直初始节理使岩体破坏出现尖角突变现象,使岩体破坏更加剧烈。水平初始节理显著提高了离层的范围,倾斜初始节理和垂直初始节理提高了非连续性。由此可以看出,节理对采动岩体的开裂起着控制作用,加速了岩体的破坏。
三、断层对采煤沉陷的控制作用
煤矿区地层形成以后,往往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。地层由原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,而被断层切割的情况下认识是非连续的介质,即断层作为岩体介质中的缺陷,其力学强度远低于周围岩体的强度,因而在地下开采影响下,使岩体及地表移动规律非连续,使地表出现台阶和裂缝,建筑物遭到损坏,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结构特征
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明显位移的地质构造。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(>>),少数也可处于两维挤压,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本身的抗剪强度时,岩石发生破裂;当主应力差造成的剪应力超过该破裂面两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,并维持相对稳定的过程。
断层主要包括断层面、断层线、断层盘三个要素。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稳定的平直面,他随走向或倾向都会发生一定变化形成曲面,常呈波状起伏。
实际上,由于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性质的岩层排列组合而成的,而岩体中又赋存空隙、裂缝、层面、层理等结构单元。断层面由磨圆度较高的球硕体、裂而不断的张裂纹、弧形擦痕、研磨纹等诸多要素的交集而成,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分析
1.断层对采煤沉陷的影响
当岩体内不存在断层时,岩层及地表移动可看成是梁板的弯曲,移动是不连续的,不会形成台阶状移动盆地。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移动盆地。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明显的异常。岩体的力学性质和地表变形是否出现异常,主要取决于下列因素:
(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,且近期无明显再活动的断层;新断层是喜马拉雅期形成及活动的断层构造;活断层是影响到全新世的断层构造。一般情况下,断层形成的时间越新,他的活动性越强,易引发地质灾害。
(2)断层性质。按断层形成的力学机制,逆断层、正断层和平移断层,相当于压性结构面、张性结构面和扭性结构面。一般而言,压性结构面呈舒缓波状,较大规模的逆断层附近常发育由断层角砾断层泥组成的断层带;张性结构面粗糙不平,往往呈锯齿状或不规则形状,并有断层破裂带或其他充填物;扭性结构面则平整光滑,一般呈闭会状态,没有充填物。它们对覆岩强度和变形特征的影响是不同的。
(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、倾向、倾角。尤其断层的法线与最大主应力的夹角对岩体的破坏机制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。但由于断层的组合形式不同,对采煤沉陷的影响是有明显差异的。
(5)岩层的延展程度、贯通程度和密度。延展程度是指构造界面在水平方向的延伸长度,贯通程度是指断层在垂直方向的切割范围,二者均由断层的规模决定。根据断层的落差,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级断层的延展和贯通程度会比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)断层倾向与开采方向的关系。断层倾向对采煤沉陷也有一定影响,当开采方向与断层面倾向相反时,先开采断层上盘的煤层,由于上盘岩体在移动过程中,受到下盘岩体的挤压作用,如果岩体不沿着断层面滑移,则在断层露头处不会产生台阶,主要以简支梁形式弯曲。如果岩体活断层面滑移,则会在断层露头处产生台阶。由于断层在此处起到屏障的作用切断采动影响,因此地表下沉范围缩小,下盘地表下沉和变形值减小,上盘地表下沉和变形值增加。
综合上述情况可知:断层对地表及岩层变形的影响主要在以下三个方面:(1)控制地表破坏的形态,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,可增加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加滑移量,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结构体,在地下开采之前,处在静态平衡状态。开采之后,这种平衡状态遭到破坏,而破坏必然是从薄弱环节开始。断层冲压即矿震,是由于采矿活动引起断层的突然相对错动而猛烈释放能量的现象。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。开采后形成附加剪应力,在附加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,附加剪应力较小,断层带岩石应力值小于峰值强度,处于稳定状态。随着工作面向前推进,附加剪应力增大。当应力超过峰值强度,断层带岩石处于非稳定状态,而上下盘围岩还处于稳定状态。开采达到一定程度,整个系统处于失衡状态,因而诱发矿震。
断层作为岩体介质中的若面,在地下开采的附加应力作用下,其活化过程表现在三个方面:(1)拉应力作用下,当拉应力超过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,当剪应力超过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移动,有时引起矿震等灾害;(3)在压应力作用,使断层带内充填的材料压缩,在断层露头处产生小的移动盆地。
四、结论
节理的发育程度与采煤沉陷程度正相关:节理破坏岩层的连续性,弱化覆岩力学强度,从而加剧采煤沉陷。节理的倾角与地表最大沉陷值正相关:水平节理对地表下沉的贡献不太显著,随着节理倾角增大,地表下沉系数快速增大。断层是控制采煤沉陷的另一个重要因素,当岩体内不存在断层时,岩层及地表移动可看成是梁板的弯曲,移动是连续的,不会形成台阶状移动盆地:当有断层存在时,断层处成为移动界面,断层露头处易形成台阶状移动盆地,地表形成不均匀下沉。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明显的异常。
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