断层活化与煤柱留设的影响关系研究及应用

杨焕祥

【摘 要】本文针对工作面回采后引发断层活化，研究选用地质采矿技术条件下开采引起的地表移动变形边界角作为主要参数，以确定建筑物保护煤柱线作为生产布置的依据。

【关键词】保护煤柱；断层活化；煤柱留设

0 前言

断层活化一般解释为断层带或断层面沿走向和倾向所发生的活动变化地质构造。断层活化使矿区地质条件复杂化，地表移动和变形表现出特殊的规律性。如果可采地层上覆岩层中有断层存在，这就可能引起断层上下盘沿断层面相对移动。

1 区域地质采矿技术条件

为了延长矿井的生产年限，对新陶阳矿业3100采区部分工作面进行复采。3101（下）工作面上方地势平坦大部分为农田，有大小不一个体粉坊12座及小型变电所和厂房等零星建筑物，太平公路从上方南侧穿过，并有一座公路桥。与太平公路相连的农田大车路横穿正上方。西侧为新陶阳公司中三风井及注浆站，董庄铺四村位于工作面以南174米处，多条高低压线从工作面上方穿过。在3101（下）工作面与董庄铺四村村址北边界之间，存在有F39 和F4号断层，其中F39断层为中一与中三井田的边界断层，走向东西，倾向北，为南升北降的正断层。此处落差43m，往东与F4号断层合并，该断层将中一井田主要含水层抬起，与中三井田下组煤对口，是导水性较强的断层。F4断层：中一井田北界。为一南升北降正断层，总的延展方向是东西方向，中部向南凸出，形成一弧形。倾向北东～北西，倾角65～75°，落差20～235m。在第5、6两条剖面线之间，该断层与F40断层交叉，与F40形成一个宽200～350m的地堑，从矿井井上下对照图中可明显看到，该断层组露头处的地面位置南端，村址北边界最近的距离为90米。

2 断层对开采沉陷规律的影响研究

2.1 断层对开采沉陷的影响

如果开采区域影响范围内的上覆岩层中有断层存在，这就可能引起断层的上下盘沿断层面相对移动。断层对开采沉陷产生的影响，主要表现在两方面：一是断层露头处地表产生台阶状裂缝，二是改变沉陷的影响范围。

2.1.1 在垂直断层走向的剖面上的影响情况

根据断层面倾角和工作面基岩移动角之间的相对关系分三种情况：

（1）断层面倾向和工作面基岩移动角倾向一致，断层面倾角小于基岩移动角此时，则岩层沿着断层面发生移动，其结果在断层露头处地表产生台阶，同时地表移动范围增大。

（2）断层面倾向与基岩移动角倾向一致，断层面倾角大于基岩移动角，当井下工作面开采后，由于断层两侧的基岩在移动过程中发生滑动，致使断层露头处地表很快形成台阶（一般快于正常采动影响的时间），所形成的台阶与台阶的高差一般也大于第一种情况的台阶。同时，采空区上方地表移动范围缩小。

（3）断层面倾向与工作面移动角倾向相反

此时，断层面与移动角的影响线相交，断层露头处产生宽度较大的台阶状裂缝，开采引起的岩层与地表移动范围缩小。

2.1.2 在沿断层走向的剖面上的影响情况

根据实际观测资料，在沿断层走向的剖面上，断层露头处的台阶是以主断面为中心向两侧逐渐变小，断层的破坏作用逐渐衰减。其影响范围按下式计算：

l=H0ctgδ0

式中：l——影响范围；

H0——平均采深；

δ0——走向边界角。

2.2 断层对地表移动与变形产生影响的原因

断层对地表移动与变形产生影响的原因在于断层带处岩层的力学强度大大低于周围岩层的力学强度。由于采动引起的应力的集中作用，致使断层露头处成为岩层变形集中的有利位置。在上覆岩层发生移动与变形的同时，岩层还沿着断层面发生滑动，于是在断层露头处的地表就出现台阶状的破坏。同时，由于断层的变形集中作用，也使盆地内移动与变形的正常分布发生改变。在断层露头处的地表变形加剧，大大超过其正常值，位于断层露头两侧附近的地表变形变得缓和，且小于其正常值。利用断层对地面影响的规律，可指导地面建筑物的合理布置。

3 采后建筑物变形与断层活化情况

3.1 采后建筑物受破坏程度

3101上分层和下分层开采后，在村址北部最后一排房屋发生斑裂的现象，发生斑裂的裂隙在5～60mm之间。

3.2 采后断层活化状况

因3101（下）分层工作面与村之间隐伏F39断层，村址下方隐伏F4断层，虽然工作面布置时已充分考虑到断层影响问题，但是该断层落差大工作面开采影响可能涉及到断层而引起断层活化，测点A7、A8、A9有不同程度下降，F39断层基岩位置处（即测点A10）也有所下沉（22mm），通过岩移观测数据说明引起F39断层轻微活化。依该区域地质采矿技术条件和已总结分析的肥城矿区角值参数规律，计算得该区域的边界角约为74.9°，移动角约为79°，实际发生的裂缝位置换算成角值约为76.5°。由此说明，实际回采区域的开采，引起了F39断层带的活化。因村庄房屋成排建筑，受抗变型能力极差，受F39断层带活化牵引，开采引起的岩层与地表移动变形出现异常变化，尤其在断层地面露头附近，出现了非连续变形集中，从而加剧了村北最后一排房屋裂缝的加大，因此在设计工作面时应以移动角与边界角的平均值圈定的村庄保护煤柱作为生产布置的依据。

4 保护煤柱的留设

在开采影响范围内遇有断层存在时，首先应确实查明断层的位置、产状及断层的摆动情况，正确推断出其在地面的露头位置，分析断层露头位置附近的地面设施情况及其承受移动变形的能力，再以科学、合理的参数，留设断层及保护对象的保护煤柱。实际操作时，应选用具体地质采矿技术条件下开采引起的地表移动变形边界角（条件允许时，也可选用边界角与移动角的平均值）作为留设保护煤柱的主要参数。

保护煤柱留设的主要方法和计算结果为：

开采引起的地表移动变形边界角计算公式为：

β0=68.5943-0.0229（H-h）-0.3834α±5.07

开采引起的地表移动变形移动角计算公式为：

β=73.5453-0.3583α-0.7852±5.6

式中：h——表土层厚度；

H——开采深度；

m——开采厚度；

α——开采层倾角。

无论采用移动角，还是采用移动角与边界角的平均值，甚至采用边界角进行断层保护煤柱的留设，其目的主要是使开采引起的主要移动变形范围不波及到断层，避免因开采引起断层的活化而导致断层地面露头处出现裂缝等非连续变形。具体留设原理与方法见图1。

5 结论

在留设保护煤柱时：①当不考虑开采影响引起断层活化时，原则上应以移动角与边界角的平均值圈定的村庄保护煤柱作为生产布置的依据。②若考虑断层引起的开采影响时，建议依移动角圈定的断层保护煤柱作为生产布置的依据。稳妥的方法是以①作为最终保护煤柱边界线，且在①和②之间采用不超过50%回采率的条带开采法进行开采，此时，布置的采、留位置应以②圈定的范围线起先留后采的布置方式，避免损失可采储量。

[责任编辑：丁艳]