工作面开采后上覆岩层原始应力状态遭到破坏造成地表移动变形,当工作面上覆岩层含有断层、采动影响下断层上下盘岩体发生相对移动而活化时,地表移动变形规律与普通地质条件下具有显著差别。目前,关于断层活化机理方面的研究主要集中在断层诱发冲击地压、断层突水、断层诱发地震等方面,断层活化诱发地表异常沉陷的研究主要集中在某个矿井地表异常沉陷现象描述分析方面,很少涉及断层活化机理。本文以峰峰矿区地质采矿条件为背景,采用相似模拟、数值模拟、理论分析、现场实测相结合的方法,围绕上下盘开采断层活化造成的地表异常沉陷特征、断层对采动应力传递影响、断层活化机理等方面展开系统研究,建立了断层影响下的地表沉陷预计模型。得到如下主要成果:(1)开展了上下盘开采断层影响下的地表沉陷规律和断层对采动应力传递影响相似模拟研究,研究结果表明:(1)上下盘开采,当工作面推进长度较小时,覆岩在开切眼侧的岩层垮落角大于停采线处,地表为偏态下沉,最大下沉值偏向开切眼侧,当工作面开采造成断层活化时,地表最大下沉值又向断层方向偏移;(2)由于上下盘开采结束后,断层与工作面之间的水平距离相等,上盘开采仅在断层露头处地表产生裂缝,而下盘开采断层露头处地表产生台阶落差,下盘开采比上盘开采断层更容易活化,同时通过理论推导得到上下盘开采断层维持稳定区域大小,由区域分布可知下盘开采断层更容易活化,上盘开采随断层倾角增加,断层活化的可能性增加,下盘开采随断层倾角增加,断层活化的可能性降低;(3)上下盘开采时在工作面前方形成超前支承压力,随工作面推进,超前支承压力峰值逐渐增大,当工作面推进长度达到一定程度后,超前支承压力峰值在一定值附近波动,上盘开采超前支承压力峰值大于下盘开采;(4)断层对采动造成的覆岩移动变形和力的传递具有明显阻断效应,地表移动变形主要发生在开采盘,而断层另一侧的移动变形很小,超前支承压力在断层处急剧下降;(5)无论上盘开采还是下盘开采,断层带岩体首先出现裂隙的位置在断层露头处,断层活化先从断层露头处开始。(2)建立了断层上盘开采数值模型,分析了不同煤层厚度、埋深、断层落差、断层带宽度、断层倾角、断层带岩体是否含水、断层带岩体黏聚力、断层带岩体内摩擦角、断层煤柱宽度条件下地表沉陷规律,研究结果表明:(1)断层落差越大,断层越容易活化;断层带宽度越大,断层越容易活化;断层带岩体含水对断层活化具有促进作用;断层带岩体黏聚力越小,断层越容易活化;断层带岩体内摩擦角越小,断层越容易活化;断层煤柱宽度越小,断层越容易活化;煤层厚度越大,断层越容易活化;煤层埋深越大,断层越容易活化。(2)上下盘开采时,断层对覆岩移动变形和力的传递具有阻断效应并且随着工作面靠近断层,阻断效应越来越明显;同时,相比上盘开采,下盘开采的断层阻断效应在工作面推进长度较小时就开始显现,说明下盘开采相比上盘开采断层更容易活化。(3)上盘开采时,随着工作面逐渐靠近断层,断层露头处断层带岩体剪应力与正应力的比值近似直线增加而深部断层带岩体剪应力与正应力的比值在工作面距离断层较远时变化较小,当工作面距离断层较近时才急剧增加,同时通过对比相同工作面位置处的断层露头处和深部断层带岩体剪应力与正应力的比值发现断层露头处的断层带岩体剪应力和与剪应力的比值比深部断层带岩体剪应力与正应力的比值更大,上盘开采浅部断层带岩体超前深部断层带岩体发生活化。下盘开采时,由于工作面距离断层较远时断层露头处的断层带岩体即完全活化,断层露头处断层带岩体剪应力与正应力的比值随着工作面推进逐渐降低而深部断层带岩体与剪应力与正应力比值先增加后减小,说明下盘开采浅部断层带岩体也超前深部断层带岩体发生活化;相比上盘开采,下盘开采断层带岩体剪应力更大,正应力更小,剪应力与正应力的比值为上盘开采的3~5倍,下盘开采断层更容易活化。(4)基于灰色关联分析得到以上因素对断层活化影响排序为断层带宽度>断层落差>断层倾角>埋深>煤层厚度>保护煤柱宽度>断层带岩体内摩擦角>断层带岩体黏聚力。(3)采用理论推导分析了断层存在对开采空间传递所起的作用、断层活化启动过程,提出两种不同断层活化模式,研究结果表明:(1)当工作面上覆岩层不含断层时,由于开切眼侧与工作面位置处岩层垮落角的不同,地表下沉形态也是偏态的,最大下沉点位置偏向开切眼侧,影响地表偏态下沉的因素主要有:关键层下部岩层碎胀系数、煤层厚度、关键层下部岩层厚度、采空区长度、关键块平均长度、松散层厚度等;(2)地表下沉空间、覆岩离层空间以及垮落岩石之间的孔隙三者之和与开采空间是相等的,满足空间守恒,当工作面上覆岩层中存在断层时,断层存在对开采空间传递具有增大效应;(3)提出开采沉陷中断层活化的标准为断层露头产生>10mm的台阶落差,以此为基础分析了开采沉陷中断层活化机理,提出两种不同断层活化模式,分别为“断层面产生离层空间”模式、“煤柱压缩”模式断层活化;(4)主要影响角与断层倾角的大小关系对断层面离层空间产生起控制作用,从而对地表移动变形规律起控制作用;(5)当超前支承压力范围接触断层时将引起对于“煤柱压缩”模式断层活化,当工作面上覆岩层中存在断层,超前支承压力峰值增加,但峰值距离工作面的位置不发生变化,超前支承压力峰值随工作面推进长度的增加而增加,当达到充分采动时,超前支承压力峰值不再增加,随工作面的推进有规律平移;超前支承压力随着工作面长度增加而增加,但当工作面长度达到l_m时,工作面超前支承压力依然增加,但增加的幅度减小;(6)采动作用下断层带岩体水平应力和垂直应力减小是断层活化的动力,断层带岩体产生指向采空区的位移导致断层面产生离层空间传递给松散层造成断层露头处地表产生台阶落差是断层活化的结果,当煤层开采形成的主要影响角β与断层露头相交时,断层活化全面启动。(4)根据概率积分法,从煤层单元开采引起地表点移动变形出发,利用二重积分与线积分的相互转化,将主要影响半径r不断变化的倾斜煤层开采地表沉陷预计转化为主要影响半径r固定的等价投影面的地表移动变形预计,沿着断层面每隔5m取一个点,将工作面开采与断层面等效煤层厚度开采引起的地表移动变形进行了叠加,建立了断层影响下的地表沉陷预计模型。同时,利用C#语言在Microsoft.NET平台对断层影响下的地表沉陷预计模型进行开发,将理论模型进行数值化和图形化。根据开发的断层影响下的地表沉陷预计模型,以断层上盘开采为例,取工作面走向长度为600m、倾向长度为300m、煤层倾角0°、断层倾角为70°、煤层厚度5m、煤层埋深700m、工作面与断层之间留设保护煤柱50m,计算得到了不同断层倾角、不同煤层厚度、不同采深、不同断层煤柱条件下工作面走向主断面上的地表下沉曲线及断层露头处台阶下沉值得大小。研究结果表明:(1)随着断层倾角的增加,断层露头处的台阶下沉值逐渐增加;(2)随着煤层厚度的增加,断层露头处的台阶下沉值近似线性增加;(3)随着煤层采深的增加,断层露头处的台阶下沉值近似线性增加;(4)随着断层煤柱宽度增加,断层露头处的台阶下沉值逐渐减小。(5)根据建立的断层影响下的地表沉陷预计模型对峰峰矿区九龙矿15233工作面进行地表下沉计算,研究结果表明15233工作面开采造成断层活化引起断层露头处地表下沉值偏大,地表沉陷异常,与现场实际调查地表建构筑物损害位置一致,验证了理论模型的正确性。