黑龙江龙煤鹤岗矿业有限责任公司兴安煤矿地测大队 黑龙江省鹤岗市 154102
摘要：矿区地层形成后会发生多次地质构造运动是大自然的规律，而断层就是出现在地质构造中岩体的相对运动。地层被断层切割成无数块，是对井下开采影响最严重的地质作用。断层作为地下岩体介质中的“缺陷”，其强度远远低于周围岩体的强度，因而在断层条件较为复杂的煤层中，制约了煤炭开采的效率和经济利益。
关键词：断层；采煤沉陷；控制作用
矿区地层形成后会发生多次地质构造运动是大自然的规律，而断层就是出现在地质构造中岩体的相对运动。地层被断层切割成无数块，是对井下开采影响最严重的地质作用。断层作为地下岩体介质中的“缺陷”，其强度远远低于周围岩体的强度，因而在断层条件较为复杂的煤层中，制约了煤炭开采的效率和经济利益。
1塌陷机理及风险要素评价
1.1塌陷机理
在开挖前，初始地应力不论是重力主导下的竖向力，还是构造应力主导下的水平力，原岩都处于三向应力条件下。而由于人为开采导致的卸荷，破坏了区域内原始的三向应力状态，在顶板下侧形成了临空面，上覆岩体产生了向下挠曲变形的趋势。由于开挖的影响，地下水位的降低，以有效应力原理分析。认为在总应力不变的情况下，随着孔隙水压力的减小，土中有效应力增加，进一步增大了土的固结压缩。而开采后会造成的地面沉降甚至塌陷，进一步改变了区域的工程地质与水文地质条件，破坏了原有的自然平衡，导致新一轮的应力重分布。
1.2风险因素
1.2.1地质构造
由上文可见，区域内的整体地质条件较为稳定，各个煤田边界处存在的断层活动性不强，需注意局部的不利影响因素即上覆松散矿物的固结压缩问题，在后期的施工中可以通过压实方式解决，故不认为其为主要因素。
1.2.2水文条件
地下空腔的存在，对地下水的运移造成了阻隔，使得地下水的流线发生变化，在局部范围内水位下降，导致土中有效应力增加，加速了土体的固结过程。而在塌陷后或是夏季降水强度与频率的增多亦会使得地下水位上升，又由于水的软化泥化作用，产生了附加的沉降，并导致承载力降低等后果。开采后的地下水位回升导致的土压力变化尤其对于上覆的松散矿物颗粒的作用效果更为明显。此外地面沉降造成地下水位上升，产生大面积的积水，造成了内涝，破坏路面路基结构，且容易造成土地盐碱化。耕地被淹没，成为塌陷积水区，作物无法正常生长资料显示，第四系的松散含水层中水位自矿井开挖以来发生了显著下降，这虽然有利于煤矿安全生产，但地下水的下降是当前公认的导致地面沉降的主要原因。
1.2.3上部荷载作用
长期的动荷载作用，在反复的循环荷载作用下，不仅会加剧未稳定区域继续变形，还有可能导致已经达到预期变形或变形完成的区域产生“活化”现象。
1.2.4矿震影响
矿震，根据监测资料显示，由于煤矿开采导致的矿震问题在该区域多发，且震中即为该区域。岩体自身应力调整形成的错动导致内部能量的释放，矿震产生的能力波动又对地下空间内部的岩体及地上建筑产生不利影响，两者相互作用，互为影响。
1.2.5相邻采空区影响
该区域内不仅有单一开采区，还有其他矿场，存在着多个采空区，且多为埋深大于500m的煤层倾角平缓的区域，即在该线路下不仅有多个地下空间的相互作用，类比静水压力式的应力场中的应力重分布理论，围岩的范围在3~5倍的硐径区域。也是导致该区域地面沉降塌陷的因素之一。
2断层对采煤沉陷的影响
当出现断层时，断层处会变成移动的界面，易在断层处形成台阶状移动盆地，造成地表的不均匀下沉，而且会使岩体力学性质和结构发生变化。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆而判断岩体的力学结构是否发生改变的因素有断层形成年份、断层产状、断层组合形式、断层的贯通性、断层面倾向等很多条件。
2．1断层形成年份
断层按年份可分为“老”“新”“活”三类，“老”指的是燕山期及其以前所形成的且近期无明显活动的断层，“新”指的是喜马拉雅期形成的断层，“活”指的是全新的断层。一般条件下，越新的断层活动性越强，井下开采越容易造成地表沉陷，发生灾害事故。所以在开采前一定要准确判断其年份，避免开采活动性较强的断层带。
2．2断层产状
由于不同地方的煤矿地质条件不同，所以断层的产状也各异，但是对采煤沉陷影响最大的是倾向、走向、斜向断层。
2．3断层组合形式
当需要开采的煤层上方出现两条或多条断层发育时，围岩的岩体力学性质会大大降低，而且会因为各个断层的组合形式不同而出现不同的影响程度。在井下开采过程中，采空区上方会出现拉张应力作用，使得断层面出现张扭性特点，几乎没有摩擦阻力，被断层切割后易在地表引起塌陷。实验证明地堑式断层对采煤沉陷的影响要比地垒式断层小得多。
2．4断层的贯通性
断层的贯通性指的是断层在垂直方向的切割范围，根据落差的范围分为三级：落差范围大于20m的为I级，落差范围在5m～20m的为II级，落差范围小于5m的为III级，贯通程度I级大于II级大于III级。试验证明，当断层落差大时地表台阶落差也大，反之地表台阶落差小。当断层落差在8m～10m以上时，可能会出现台阶，而小于这个数时可能不会出现台阶或者会出现落差很小的台阶。
2．5断层面倾向
断层倾向是造成工作面煤层发生沉陷主要因素。首先当断层倾向方向与工作面开采方向相反时，采上盘断层煤层时会使得上盘岩石发生移动向下盘不断挤压，从而产生台阶现象发生。其次当断层倾向方向与工作面开采方向一致时，开采下盘煤层时，会使得断层面受拉伸应力的影响造成下盘失去支承应力，最终下盘形成悬臂梁弯曲结构，也易产生台阶现象发生，使得上盘地表出现裂隙。
3开采对断层的“活化”效应
煤矿地质工作是所有煤矿技术和工艺的前提。尤其是于煤矿的安全生产，煤矿地址工作更加彰显重要性。良好的煤矿地质工作能够有效防止很多煤矿事故的发生，对煤矿的安全生产有着极其重要的意义。因此，加强煤矿地质工作，可以有效预防或避免类似事故的发生，降低煤矿生产的安全风险，促进煤矿安全生产，以保护建设单位财产和员工的生命安全。自然条件下的井下岩体是一个处在静态平衡的复杂结构体，当进行采矿活动时会对这种平衡造成破坏，而破坏会先发生在最薄弱的环节。当开采还没有进行时，断层和围岩上线盘所组成的系统处于静态平衡状态，开采后施加剪应力，使得断层带岩石出现变形。当开采离断层很远时，剪应力会很小，因此系统还是处于稳定状态，随着工作面推进，开采活动离断层越来越近，随之剪应力越来越大，超过断层岩石应力值，系统就会处于失稳状态，发生矿震现象。岩体内有断层时，断层所处位置就是断层活动的界面。先采断层下盘煤层时，会使下盘失去支撑，即会形成台阶状移动盆地。先采断层上盘煤层时，下盘会挤压上盘，当剪应力小于断层面抗剪力，不会出现台阶：当剪应力大于断层面抗剪力，产生台阶。断层活化表现为以下几个方面：①拉应力超过断层面抗拉力，断层面被拉开，断层处会出现裂缝；②剪应力超过断层面抗剪力，断层滑动后产生台阶，甚至出现矿震等灾害事故；③断层拉应力作用下断层内充填材料会被压缩，易形成很小的移动盆地。
结论
断层作为一种大自然中可能发生的地质构造中岩体的相对运动，在煤矿实际生产中对开采影响十分大，不但会破坏煤层顶板的连续性和完整性，还易发生自然灾害和顶板事故，严重制约了井下开采的效率和经济利益，因此加大断层对采煤沉陷的控制研究在我国煤炭现阶段的发展中具有安全和效益双重意义。
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论文作者:蔡荣生
论文发表刊物:《基层建设》2018年第5期
论文发表时间:2018/5/21
标签：断层论文; 应力论文; 煤层论文; 地质论文; 台阶论文; 煤矿论文; 落差论文; 《基层建设》2018年第5期论文;