斷層賦存條件對(duì)礦層移動(dòng)變形規(guī)律影響

賈慶輝

（山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)，山東 濟(jì)寧 272000）

斷層賦存條件下礦層移動(dòng)變形較為復(fù)雜，斷層賦存條件下礦層正常的移動(dòng)變化規(guī)律被掩藏，礦層移動(dòng)變形的方式，過(guò)程，分布狀態(tài)難以預(yù)料，可能給礦區(qū)生產(chǎn)工作帶來(lái)人員的傷亡和財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失[1]。關(guān)于這類問(wèn)題國(guó)內(nèi)外的學(xué)者提出類比法，方案比較法等多種方法，這些傳統(tǒng)的分析方法較簡(jiǎn)單，未考慮礦層的復(fù)雜性，有一定的片面性。為了保證礦區(qū)采礦工作的安全性，合理利用資源，節(jié)約成本等，需要研究礦層移動(dòng)變形的規(guī)律，獲得礦層移動(dòng)變形的相關(guān)參數(shù)，以便更好的進(jìn)行采礦等安全生產(chǎn)工作。

1 斷層賦存條件對(duì)礦層移動(dòng)變形規(guī)律影響

（1）斷層賦存條件下礦層移動(dòng)變形情況。斷層是由于地殼巖層因?yàn)槟Σ恋葼顟B(tài)無(wú)法承受受力而發(fā)生破裂，并且沿著破裂的斷面有一段相對(duì)移動(dòng)的距離的構(gòu)造[2]。斷層賦存條件對(duì)礦層移動(dòng)變形的影響有幾種形式，彎曲，塌落，移動(dòng)，隆起。斷層賦存條件下，礦層沿著斷層層面的法線方向逐漸彎曲。斷層賦存條件下，使礦層頂部巖層彎曲進(jìn)而拉伸變形，當(dāng)拉伸的程度超過(guò)巖層所能承受的抗拉強(qiáng)度時(shí)，礦層頂部與整體分裂碎成不同形態(tài)的塊狀。斷層賦存條件下，由于礦層的重力方向，礦層除了會(huì)發(fā)生彎曲外，還會(huì)沿著層面方向移動(dòng)。當(dāng)?shù)V層的底部較軟且礦層傾角大，斷層賦存條件下，礦層底部會(huì)向斷層方向隆起。斷層賦存條件下礦層移動(dòng)變形分三個(gè)階段，加速階段，礦層明顯發(fā)生變動(dòng)，不斷推進(jìn)，同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)高峰值，之后有高速運(yùn)動(dòng)的一段時(shí)間，持續(xù)大幅度的運(yùn)動(dòng)，最后變動(dòng)速度開(kāi)始減小，運(yùn)動(dòng)逐漸趨于穩(wěn)定，最后停止變動(dòng)[3]。

（2）斷層賦存條件下礦層移動(dòng)變形規(guī)律。斷層賦存條件下礦層移動(dòng)變形是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，受到礦層，巖層，斷層等 多種因素的影響，由于研究過(guò)程中對(duì)斷層做了多種假設(shè)，通過(guò)實(shí)地測(cè)量有很大的局限性[4]。通過(guò)三維數(shù)據(jù)模型模擬可以嚴(yán)格的控制斷層賦存條件數(shù)據(jù)，不受環(huán)境等外界因素的影響，同時(shí)模型成本低，周期短，所以測(cè)試選用三維數(shù)據(jù)模型來(lái)得到研究結(jié)果。計(jì)算模型選取某一礦區(qū)的中段，礦層等數(shù)據(jù)根據(jù)礦區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行真實(shí)布置，模型取礦層邊界，x方向取100m，y方向取100m，深度z方向取500m，模型為四邊形。建立模型的相似條件，比例條件公式如下。

在公式（1）中，α代表模型比例，又叫幾何相似常數(shù)，ls表示的是模型的尺寸，ly是實(shí)際尺寸。

時(shí)間條件公式如下。

在公式（2）中，αt代表時(shí)間相似常數(shù)，ts表示的是模型的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，ty表示的是實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

運(yùn)動(dòng)條件公式如下。

在公式（3）中，αm代表質(zhì)量相似常數(shù)，Ms表示的是模型的體積質(zhì)量，My實(shí)際體積質(zhì)量。

在公式（4）中，αF代表作用力相似常數(shù)，F(xiàn)s代表的是模型質(zhì)點(diǎn)受力，F(xiàn)y代表的是實(shí)際質(zhì)點(diǎn)受力。

在三維數(shù)據(jù)模型中斷層的性質(zhì)由數(shù)值來(lái)表現(xiàn)，測(cè)試所取的斷層賦存條件如下表所示。

表1 斷層詳細(xì)賦存條件

如果礦層是水平的，礦層下沉量公式如下。

在公式（5）中，P代表下沉量，Wmax表示的是該地質(zhì)下礦層最大的下沉值，m表示的是斷層厚度。

對(duì)于地下傾斜的礦層，下沉量公式如下。

在公式（6）中，β表示的是斷層摩擦角度。

把斷層的賦存條件帶入模型中進(jìn)行計(jì)算處理，得出的結(jié)果如下圖1所示。

在y坐標(biāo)（62,67）之間有一段特殊區(qū)域，這個(gè)區(qū)域內(nèi)斷層賦存條件對(duì)礦層的影響幾乎為零。以這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為研究點(diǎn)投放多個(gè)斷層賦存條件進(jìn)入數(shù)據(jù)模擬模型進(jìn)行測(cè)量，擴(kuò)大y坐標(biāo)的范圍，選擇（30,90）區(qū)間，每一米設(shè)置一個(gè)斷層D進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，斷層賦存條件在特殊區(qū)域以內(nèi)存在，斷層對(duì)該區(qū)域礦層影響較弱，斷層賦存條件在特殊區(qū)域的兩側(cè)分布，礦層發(fā)生劇烈沉降變形。

圖1 斷層賦存條件對(duì)礦層移動(dòng)變形影響

2 結(jié)語(yǔ)

本文主要通過(guò)三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行礦區(qū)實(shí)地環(huán)境還原，真實(shí)模擬礦層情況，通過(guò)不同的斷層賦存條件來(lái)進(jìn)行模擬仿真測(cè)試，通過(guò)計(jì)算分析斷層賦存條件對(duì)礦層移動(dòng)變形規(guī)律影響。研究的優(yōu)勢(shì)在于成本低，多角度測(cè)試，得出結(jié)果的速度快。不足之處在于斷層賦存條件和礦層移動(dòng)變形之間有復(fù)雜的變化規(guī)律，某些實(shí)地環(huán)境的因素沒(méi)有在模型中體現(xiàn)，還有很多可以研究的方面，有待以后進(jìn)行完善。