采空区边缘带断层对地表及岩层变形规律的影响机制研究.docx

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一、引言
在矿产资源开采过程中，采空区的形成不可避免地会引发周围岩层与地表的变形，而当采空区边缘带存在断层构造时，这种变形规律会变得更为复杂，不仅可能加剧岩层移动与地表沉陷的程度，还可能诱发断层活化、突水、地表裂缝等地质灾害，对矿山安全生产、周边生态环境及基础设施安全构成严重威胁。近年来，随着我国矿产资源开采深度的不断增加和开采规模的持续扩大，采空区边缘带断层与岩层、地表变形之间的相互作用问题日益凸显，成为采矿工程、地质工程领域亟待解决的关键科学问题之一。
目前，国内外学者针对采空区岩层与地表变形已开展了大量研究，提出了如“上三带”理论、“传递岩梁”理论等经典理论，建立了多种地表沉陷预测模型，如概率积分法、数值模拟法等。然而，现有研究多集中于无断层影响或断层远离采空区的理想条件，对于采空区边缘带断层这一特殊工况下的变形机制研究相对薄弱。由于断层的存在改变了岩体的完整性和力学特性，打破了原有的应力平衡状态，使得岩层移动轨迹、地表沉陷形态及变形速率均发生显著变化，传统理论与预测模型难以准确描述这一复杂过程。因此，系统开展采空区边缘带断层对地表及岩层变形规律的影响机制研究，不仅能够丰富采空区岩层移动理论体系，还能为矿山采空区灾害预警、防护工程设计提供科学依据，具有重要的理论价值与工程实践意义。
二、采空区边缘带与断层的地质条件分析
采空区边缘带的界定与特征
采空区边缘带是指采空区与未开采煤层（或岩体）之间的过渡区域，其范围界定受开采方法、煤层厚度、岩体力学性质、采深等因素影响。根据现场实测与数值模拟结果，当采用长壁垮落法开采时，采空区边缘带的水平范围通常为采空区跨度的1/5-1/3，垂直范围则从采空区顶板向上延伸至地表影响层。该区域的核心特征在于岩体应力状态与位移场的剧烈变化：一方面，采空区顶板垮落导致上部岩体重量向边缘带转移，使边缘带岩体承受较大的集中应力，形成“应力增高区”；另一方面，边缘带岩体既受到采空区内部垮落岩体的挤压作用，又受到未开采区域岩体的约束作用，导致其位移量介于采空区内部（大位移）与未开采区域（小位移）之间，成为岩层移动的“过渡枢纽”。
此外，采空区边缘带的岩体完整性较差，在应力集中作用下易产生裂隙发育、岩体破碎等现象，其力学参数（如弹性模量、黏聚力、内摩擦角）相较于未开采区域岩体显著降低。根据某矿1203工作面采空区的现场探测数据，边缘带岩体的弹性模量仅为未开采区域的60%-70%，黏聚力降低约40%，这使得边缘带成为岩层变形与破坏的敏感区域，也是断层活化的潜在触发区。
断层的几何特征与力学属性
采空区边缘带断层的几何特征主要包括断层走向、倾向、倾角、断距及延伸长度，这些参数直接影响断层与采空区边缘带的空间耦合关系，进而决定其对岩层变形的影响程度。当断层走向与采空区边缘带走向平行时，断层会沿采空区边缘带形成“线性切割”，使边缘带岩体被分为上下两盘，导致岩层移动在断层处发生“不连续位移”；当断层走向与采空区边缘带走向垂直时，断层则会对边缘带岩体形成“横向阻断”，限制岩层移动的水平传播范围，使地表沉陷区呈现“局部集中”特征。
从力学属性来看，断层可分为活性断层与惰性断层。活性断层是指在采空区开采前就存在一定活动性，或在开采扰动下易发生位移的断层，其断层面通常较为光滑，充填物以松散的泥质、砂质为主，黏聚力较低（一般小于10kPa），内摩擦角较小（15°-25°），在应力扰动下易发生滑动；惰性断层则是指长期处于稳定状态，断层面充填物胶结良好（如硅质胶结、钙质胶结），力学强度较高（黏聚力大于30kPa，内摩擦角大于30°），在常规开采扰动下难以发生明显位移的断层。在采空区边缘带中，活性断层对岩层与地表变形的影响更为显著，是引发地质灾害的主要风险源。
采空区边缘带与断层的空间耦合关系
采空区边缘带与断层的空间耦合关系可分为“内穿式”“外切式”“平行式”三种类型。“内穿式”耦合是指断层从采空区内部穿过，并延伸至边缘带，此时断层不仅受到采空区顶板垮落的直接扰动，还受到边缘带应力集中的叠加作用，易发生沿断层面的剪切滑动，导致断层上盘岩体产生较大的垂直位移；“外切式”耦合是指断层位于采空区边缘带外侧，与边缘带保持一定距离（通常小于50m），此时断层主要受边缘带应力扩散的间接影响，其变形以弹性位移为主，但若边缘带应力超过断层的抗剪强度，仍可能诱发断层活化；“平行式”耦合如前文所述，断层与边缘带走向平行，二者形成“长条状”接触带，该接触带的岩体在采空区扰动下易发生沿走向的拉伸变形，导致地表出现纵向裂缝。
以某矿805工作面为例，该工作面采空区边缘带存在一条走向平行于边缘带的F1断层（倾角65°，断距8m），属于“平行式”耦合关系。通过钻孔窥视与位移监测发现，F1断层上盘岩体的垂直位移量较下盘高出30%-50%，地表在断层位置出现明显的台阶式沉陷，-，这充分表明空间耦合关系对断层影响岩层变形的重要作用。
三、采空区边缘带断层影响岩层变形的理论机制
断层对岩体应力场的扰动作用
采空区开采前，岩体处于原始应力平衡状态，断层作为岩体中的软弱结构面，其内部应力（主要为法向应力与剪切应力）与周围岩体基本一致。当采空区形成后，边缘带岩体的应力重新分布，这种应力扰动会通过岩体传递至断层，改变断层的应力状态，具体表现为以下两个方面：
一方面，采空区边缘带的应力增高区会对断层产生“挤压效应”。当边缘带的集中应力传递至断层面时，会使断层的法向应力显著增大，若法向应力超过断层充填物的抗压强度，会导致充填物被压实，断层的渗透性降低；但若边缘带的集中应力方向与断层倾向一致，则会增加断层的剪切应力，当剪切应力超过断层的抗剪强度时，断层将发生剪切滑动，即“断层活化”。根据摩尔-库仑强度理论，断层的抗剪强度τ=fσ_n+c（其中f为内摩擦系数，σ_n为法向应力，c为黏聚力），当采空区边缘带传递的剪切应力τ超过该值时，断层开始活化，进而引发上盘岩体的失稳变形。
另一方面，采空区内部的应力降低区会对断层产生“拉张效应”。采空区顶板垮落导致内部应力释放，形成应力降低区，该区域与边缘带应力增高区形成应力差，这种应力差会使断层靠近采空区一侧的岩体受到拉张作用，导致断层面出现裂隙张开现象。当拉张应力超过岩体的抗拉强度时，断层两侧岩体会产生沿走向的拉伸位移，使岩层变形呈现“非均匀性”特征。某数值模拟研究表明，当采空区边缘带与断层距离小于30m时，-，极易引发断层带岩体的拉裂破坏。
断层对岩层移动轨迹的改变
在无断层影响的采空区开采中，岩层移动遵循“连续变形”规律，即从采空区顶板向上，岩层依次发生垮落、断裂、弯曲下沉，地表形成连续的平缓沉陷盆地，沉陷曲线符合正态分布特征。然而，当采空区边缘带存在断层时，断层会作为“位移屏障”或“位移通道”，改变岩层的移动轨迹，导致岩层变形呈现“不连续”“突变性”特征，具体表现为以下两种模式：
断层阻隔模式
当断层的力学强度较高（如惰性断层），且断距较大（大于煤层厚度的2倍）时，断层会对岩层移动产生阻隔作用。此时，采空区顶板垮落引发的岩层移动在传播至断层处时，由于断层的抗剪、抗拉强度较高，难以发生位移，导致断层下盘（靠近采空区一侧）的岩层移动被限制在断层下方，而上盘岩层的移动量显著减小，形成“上下盘位移差”。这种阻隔作用会使地表沉陷盆地在断层位置出现“沉陷突变”，即断层下盘地表沉陷量较大，上盘地表沉陷量较小，二者之间形成明显的沉陷台阶。例如，某矿302工作面采空区边缘带存在一条断距10m的惰性断层（F2断层），现场监测显示，，，，且台阶处伴随地表裂缝发育。
断层引导模式
当断层为活性断层，且断层面倾向与岩层移动方向一致时，断层会成为岩层移动的“引导通道”。此时，采空区边缘带的应力扰动引发断层活化，断层上盘岩体在重力作用下沿断层面滑动，这种滑动会带动上部岩层同步移动，使岩层移动轨迹向断层倾斜方向偏移，导致地表沉陷盆地的中心向断层一侧偏移。同时，断层的滑动会使上盘岩层产生“剪切变形”，在地表形成与断层走向一致的纵向裂缝带。根据某矿数值模拟结果，当断层倾角为50°-70°，且倾向与岩层移动方向一致时，地表沉陷盆地的偏移量可达采空区跨度的1/4-1/3，裂缝带宽度达5-8m，对地表建筑物的破坏程度显著加剧。
断层对岩层变形速率的影响
岩层变形速率是反映采空区稳定性的重要指标，其大小主要取决于岩体应力状态、力学性质及外部扰动强度。断层的存在会通过改变岩体的应力传递路径与力学响应特性，影响岩层变形速率，具体表现为“加速效应”与“延缓效应”：
“加速效应”主要发生在活性断层与采空区边缘带“内穿式”耦合的场景中。当采空区开采引发边缘带应力集中时，活性断层的抗剪强度较低，易在短时间内发生活化，断层的滑动会带动上盘岩体快速位移，使岩层变形速率显著提高。某矿1101工作面的监测数据显示，在采空区形成后的1-2个月内，边缘带活性断层处的岩层变形速率达5-8mm/d，是无断层区域的2-3倍，且变形速率在断层活化初期（应力超过抗剪强度瞬间）出现“峰值突变”，峰值速率可达12mm/d，随后逐渐趋于稳定。
“延缓效应”则主要出现在惰性断层与采空区边缘带“外切式”耦合的场景中。由于惰性断层的力学强度较高，能够承受较大的应力扰动，其对边缘带应力的传递起到“缓冲作用”，使得上部岩层的应力集中程度降低，变形速率减缓。例如，某矿503工作面采空区边缘带外侧存在一条惰性断层（F3断层），监测发现，-，较无断层区域（3-4mm/d）降低约30%，且变形稳定时间延长至3-4个月，这表明惰性断层能够有效延缓岩层变形的进程，为采空区灾害防治提供更长的应对时间。
四、实验模拟与现场监测验证
相似材料模拟实验
为直观揭示采空区边缘带断层对岩层变形的影响机制，采用相似材料模拟实验方法，以某矿实际地质条件为原型，建立1:100的相似模型。模型中煤层厚度为2m，采深为200m，采空区跨度为100m，在采空区边缘带设置一条走向平行于边缘带的断层（倾角60°，断距8m），断层充填物采用泥质粉砂岩（黏聚力c=8kPa，内摩擦角φ=20°），模拟活性断层。实验过程中，通过位移传感器（）监测不同深度岩层的垂直位移与水平位移，通过应力传感器（）监测边缘带与断层处的应力变化。
实验结果表明：在采空区开采初期（0-7d），边缘带岩体应力逐渐集中，断层处的法向应力从原始应力（），；当开采进行至第8d时，断层处的剪切应力达到抗剪强度（），断层开始活化，上盘岩体出现明显滑动，/d；开采后期（15-20d），采空区顶板完全垮落，边缘带应力趋于稳定，，，与现场实测结果（-）基本一致。该实验进一步验证了断层活化对岩层变形的“引导作用”，以及断层存在导致岩层变形“不连续性”的特征。
FLAC3D数值模拟
采用FLAC3D数值模拟软件，建立采空区-边缘带-断层的三维数值模型，模型尺寸为300m（长）×200m（宽）×200m（高），煤层位于模型底部（埋深180m），厚度2m，采空区采用“分步开挖”方式模拟实际开采过程，断层设置在采空区边缘带（距离边缘带10m），参数与相似材料实验一致。模拟过程中，重点分析断层不同力学参数（黏聚力c、内摩擦角φ）对岩层位移与应力的影响。
模拟结果显示：当断层黏聚力从8kPa增至20kPa（惰性断层）时，断层的抗剪强度显著提高，活化时间从第8d延迟至第15d，，，表明断层力学强度越高，对岩层变形的抑制作用越强；当断层内摩擦角从20°增至35°时，断层的抗剪强度同样提高，/d，说明内摩擦角对断层滑动速率的影响较为显著。此外，模拟还发现，当断层与采空区边缘带的距离从10m增至30m时，断层处的应力集中程度降低约40%，岩层变形速率降低35%，这表明二者距离越远，断层对岩层变形的影响越小，与前文的空间耦合关系分析结论一致。
现场监测验证
以某矿1205工作面采空区为研究对象，该工作面采空区边缘带存在一条F4断层（走向N30°E，倾角55°，断距6m，活性断层），采用“地表沉降观测站+钻孔测斜仪”的综合监测方案：在地表沿断层走向与垂直走向方向布设2条观测线，共设置20个观测点，观测频率为1次/3d；在断层上盘与下盘各布设1个钻孔测斜仪，深度分别为120m（至煤层顶板）与100m，监测岩层的垂直位移与水平位移，观测频率为1次/7d。
监测结果表明：在采空区形成后的第10d，F4断层开始活化，，；地表观测显示，，，，与相似材料实验（）和数值模拟（）结果吻合度较高；在断层活化后的1个月内，地表裂缝带沿断层走向发育，长度达200m，宽度为3-5m，与数值模拟预测的裂缝带范围（200-250m，宽度4-6m）基本一致。此外，监测还发现，断层活化后，其周边50m范围内的岩体渗透性显著提高（通过压水试验测得渗透系数从10^-6 m/s增至10^-4 m/s），这与前文所述“断层拉张导致裂隙张开，渗透性提高”的理论分析相符。现场监测结果充分验证了