层间弱面引起地表非连续变形的机理分析

图2　岩层与地表移动矢量图

2.2　采动应力分布与非连续变形机理
　　图3为当弱面位置Lr=438m，弱面宽度d=0.2m时，岩体采动竖向正应力等值线图，由此可看出应力分布形态和弱面处应力的变化。图4、图5分别为无弱面和有弱面（L_r=300m，d=0.2m）两种情况下，弱面两侧岩体的应力分布曲线图。正如移动量一样，无弱面时层面两侧附近的应力是基本相同的；但当存在软弱面时，弱面两侧岩体的应力状态都发生了显著变化。就应力大小而言，弱面下盘的水平正应力S₁₁（σ_x)、竖向正应力S₂₂（σ_Y）及剪应力S₁₂（τ_xy）均比弱面上盘大；就应力的变化而言，弱面上下两盘的竖向正应力变化量最大，剪应力次之，水平正应力变化量最小；应力在弱面间发生了耗散，应力大的地方（弱面深部）耗散量也大。这种应力变化正是引起地表非连续变形直接的力学原因。

图3　岩体采动应力分布等值线图

图4　无弱面时相应位置两侧岩体的应力分布曲线

图5　有弱面时弱面两侧岩层的应力分布曲线

　　由于弱面介质岩性松软，容易屈服发生塑性变形甚至失去承载力。弱面水平厚度相对较小，介质释放水平应力的能力较弱，故弱面上、下盘的水平正应力变化甚小；弱面沿竖向的尺寸较大，故介质有足够的空间释放竖向正应力和剪应力，因而弱面上、下盘竖向正应力和剪应力变化很大。开采引起的竖向正应力和剪应力在弱面上释放了74％和90％左右，使得弱面间产生不同步相对移动，因而引起地表的非连续变形。
　　这正是弱面引起地表非连续变形的力学机理。

3　结　论
　　a　通过数值计算，全面分析了急倾斜煤层开采地表非连续变形的力学机理；总结了急倾斜煤层开采岩层的垮落、移动方式和地表移动规律。
　　b　非连续变形的机理是：①煤层顶板沿法向垮落，形成垮落断裂带，深部岩层呈双支座梁弯曲，由深至浅岩层过渡到单支座悬壁梁弯曲方式；②由于采动作用，岩体力学平衡被打破，采动应力在传递过程中，在弱面间发生了耗散，造成弱面上下盘岩体的应力差；③应力差导致弱面上下盘岩层弯曲和移动程度不同，因而引起地表的非连续变形。
　　c　层间软弱面的存在，是急倾斜煤层开采地表连续变形的内在因素，采矿对弱面的扰动则是非连续变形的必要条件。

作者单位：戴华阳　王金庄　（中国矿业大学北京校区）
　　　　　胡友健　（中国地质大学武汉）