矿区采动断裂的稳定性评价

2005/12/5 13:14:24

　摘要　矿区优势断裂对地表岩移具明显的控制作用。采动断裂的稳定与否，不仅取决于开采区与断裂的距离和开采规模，更重要的在于采动断裂本身系列优势指标的大小，据此认识，用模糊数学方法对其稳定性进行了综合评价，得出了与实际相吻合的结论。
　　关键词　断裂　稳定性　优势断裂　模糊综合评判

THE EVALUATION OF MINING FAULT STABILITY IN MINING AREA

Ni Hongge　Luo Guoyu　(Nanjing University)

　　Abstract　Preferred faults in mining area have distinct control effect on surface rockmass movement.Mining fault stability depends not only to distance between district and the fault,as well as the mining scope,but also to the superior indexes value of mining fault.Based on above stared,the comprehensive evaluation of mining fault stability is conducted with fuzzy mathematics,and the conclusions accordant with the facts are obtained.
　　Keyword　fractures;stability;preferred fault;fuzzy comprehensive evaluation

1　引言

　　在煤矿地下开采中，对位于采区侧上方断层的稳定性评价十分重要，这类断裂的失稳，直接威胁到邻近井筒的安全，造成地表沉陷变形不连续，对断裂上方地面建筑物、道路、地形地貌造成相当大的破坏。

2　采动优势断裂的特征

　　通过对淮南、抚顺、阜新、鹤壁、枣庄、辽源等矿区岩移破坏规律研究，我们发现部分采区地表岩移范围和幅度往往受附近断裂控制。如淮南大通矿东二采区，采到－330 m水平后，位于该采区底板方向F₁断层露头处的铁路站房、站线先后出现较严重的破坏(图1)。再如枣庄煤矿4113工作面通过横五断层，断层落差20～30 m，断层倾向与开采方向一致，当工作面推进到断层附近时，断层露头处地表很快出现台阶状裂缝，台阶落差达0.2 m，位于台阶处的房屋遭到严重破坏，而断层右侧的建筑物却完好无损(图2)。

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图1　大通矿东二采区剖面图
　　1——下沉曲线；2——F₁断层；3——采空区

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图2　枣庄矿4113工作面剖面图
1——采空区；2——断层面；3——地表下沉曲线

　　类似上述易受采动影响的断裂，我们称之为优势断裂。它们往往具有以下特征：断层带胶结程度差，结构面较风化，导水富水性好，有一定的规模效应(落差、断层宽度较大)；从形成时间来看，多为喜山期(E—Q)以来的新断裂，甚至有Q₄以来的活断裂。这类断裂控制着岩层移动的传递，常是岩体变形的边界^［1］，地下开采时易受影响而“复活”滑移，使断层露头处地表变形加剧，大大超过正常值，而位于断层露头另一侧附近的地表变形比较缓和，小于正常值。利用优势断裂上述特点，可指导地面建筑物的合理布置，如在断层露头位置禁止修建新的建筑物，开采前，该位置原有建筑物应尽量拆除。而在断层另一盘地表变形缓和区，可对原有建筑物进行加固，也可构筑新的建筑物。
　　相反，另一些断裂这种“复活”优势性表现不明显，断裂面胶结程度较好，富水性差，形成年代早，其失稳与否取决于开采条件以及断裂面与岩移方向的空间位置关系。

3　影响采动断裂稳定性指标的确立

　　由上述分析，我们筛选出能反映采动断裂稳定性的7项优势指标。
　　a.　断裂面宽度：断裂规模指标，反映充填物厚度大小；
　　b.　断裂带地下水渗水压力指标：地下水能软化岩石，并加剧风化，结构面中水压能降低其抗剪强度；
　　c.　断裂面粘聚力：反映断裂胶结程度指标，表示其抵抗采动拉张、剪切能力；
　　d.　产状优势指标：用断裂倾向倾角与开采方向及移动角关系来表示。当断裂倾向与开采方向相反且其倾角小于岩层移动角时最易滑动；
　　e.　围岩湿抗压强度：取开采盘断裂上下落差范围内围岩的加权平均值，表示围岩软硬程度。坚硬围岩易集聚开采应力，从而造成断裂面滑移；软弱围岩因产生塑性变形化解应力，故不易沿断裂面滑移；
　　f.　弱面摩擦系数：为断裂破碎带内充填物内摩擦角的正切值，反映共抗滑能力；
　　g.　开采距离与规模指标：用x／l表示^［2］，x为断层露头至假定无断裂时地表沉陷盆地最大下沉点的水平距离；l为假定无断裂时开采地表下沉盆地半长，反映开采规模大小。
　　根据矿区采动断裂岩移规律研究的诸多实践经验，并参阅部分资料^［1～4］，我们建立了采动断裂稳定性影响因子边界值(表1)。

表1　采动断裂稳定性影响因子边界值

影响因子	稳定程度
影响因子	极稳定 Ⅰ	稳定 Ⅱ	次稳定 Ⅲ	不稳定 Ⅳ	极不稳定 Ⅴ
断面裂宽a／m	0.02	0.06	0.2	0.6	2
断裂带渗水压力b／MPa	0	0.1	0.2	0.4	0.5
弱面粘聚力 c／MPa	0.15	0.10	0.04	0.02	0.005
产状指标d	断裂面倾向与开采方向一致	断裂面倾向与开采方向垂直	断裂面倾向与开采方向斜交	断裂倾向与开采方向相反，断裂倾角大于岩移角	断面倾向与开采方向相反，断层倾角小于岩移角
围岩湿抗压强度e／MPa	15	35	70	120	180
断面摩擦系数f	0.8	0.6	0.4	0.25	0.15
开采距离与规模指标g	0.9	0.7	0.5	0.3	0

4　模糊综合评判方法的应用

　　实例：辽源矿务局西安矿井筒穿过两个可采煤层。同时有两个近似平行于煤层走向的断层通过井筒：No.1逆断层落差20 m，在深度215 m处通过井筒；No.2正断层落差12 m，在深度370 m处通过主井筒(图3)。工业广场原留保护煤柱使用移动角参数γ=75°，β=63°。No.1和No.2采动断裂影响因子参数见表2。

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图3　断层对井筒及地表的影响
1——井筒严重破坏区域

表2　采动断裂影响因子值

采动断裂	因　　子
采动断裂	a	b	c	d	e	f	g
No.1	1.2	0.1	0.01	30	95	0.28	0.32
No.2	0.8	0.08	0.032	90	88	0.31	0.82

4.1　建立模糊矩阵R
　　设定影响采动断裂稳定性的因子权值分布呈线性函数，对于边界值(大于表1中最大值或小于最小值时)的相应元素权值为1，其余为0；非边界值时，采用插值法确定模糊矩阵中元素权值^［5］。据此原则，将No.1断裂因子值转化为元素权值(即隶属度)，建立模糊矩阵R。

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4.2　确立权矩阵
　　对于表1，S_a=a_I＋a_II＋a_III＋a_Ⅳ＋a_Ⅴ=2.88；同理S_b=1.2；S_c=0.315；S_d=300；S_e=420；S_f=2.2；S_g=2.4。
　　将No.1的每个元素(表2)值转为权：
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W_f=0.13；W_g=0.13。
　　将权数归一化，得到平均权数：
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得到权数矩阵：
　　A=［0.376，0.072，0.027，0.090，0.203，0.116，0.116］。
4.3　综合评判
　　根据求得的模糊矩阵R和权矩阵A，求结果矩阵：

B=A^.R，

　　将4.1及4.2节的R及A值代入，可得

B=［0，0.072，0.136，0.522，0.270］。

　　最后得到稳定程度的贴近度为0(Ⅰ类)，0.072(Ⅱ类)，0.136(Ⅲ类)，0.522(Ⅳ类)，0.270(Ⅴ类)。按照最大隶属度归属原则，No.1采动断裂稳定程度为不稳定(0.522)，偏向极不稳定状态(0.270)。
　　同理求得No.2断裂结果矩阵为［0.242，0.456，0.142，0.103，0.057］，显然其稳定程度为稳定(0.456)，偏向极稳定状态(0.242)。
　　实际开采结果显示No.1断层与井筒交接处出现严重破坏(图3)，此段井筒沿断面产生了明显滑动，其水平移动最大值达659 mm，最大水平移动速度达13.6 mm／mon。由于No.1采动断裂的影响，移动角由原75°减至44°，使地表移动范围明显扩大。相反，在370 m深处的No.2断裂却丝毫未动，该处井筒完好无损。可见预测结果是较正确的。
　　运用上述方法对淮北刘桥一矿、皖北百善矿共4个工作面侧上方断裂进行稳定性评价，也显示预测结果与实际吻合。

5　结语

　　a.　矿区优势断裂对地表岩移具明显的控制作用。通过对矿区采动断裂的稳定性评价，有利于在开采前预测邻近井筒的安全性，便于采动断裂上方地表建筑物的合理拆迁、加固和新建工程位置的合理确定。
　　b.　运用模糊综合法评判采动断裂稳定性，方法简单实用，结果符合实际情况。
　　c.　采动断裂稳定性7项优势指标的确立及其边界值的选取是决定预测结果正确与否的关键，在生产实践和科学研究中，对它们还应不断充实、修正，使之更完善合理。

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