鞠金峰，許家林，劉陽軍，馬 祥，王曉振，王業(yè)征，劉 樂，謝建林，趙富強(qiáng)

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦山互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008；3.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；4.內(nèi)蒙古伊泰集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；5.內(nèi)蒙古仲泰能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；6.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；7.國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司 察哈素煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

煤炭地下開采將引起上覆巖層的移動、破壞，由此在覆巖中產(chǎn)生應(yīng)力的重新分布以及導(dǎo)水(氣)裂隙的發(fā)育，最終導(dǎo)致地表沉降、地下水氣泄流、井下礦壓顯現(xiàn)等系列采損問題的發(fā)生。因此，一切采礦問題均源于巖層移動，研究煤層開采過程中上覆巖層由下向上逐步破斷發(fā)展的運(yùn)移過程，是科學(xué)解決上述采礦系列問題的重要基礎(chǔ)。為此，許多學(xué)者對此開展研究；從早期國外學(xué)者提出的“壓力拱”、“鉸接巖塊”等假說，到我國學(xué)者提出的采場“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型及覆巖“橫三區(qū)、豎三帶”理論，再到巖層控制的關(guān)鍵層理論等，無不體現(xiàn)了廣大采礦學(xué)者對巖層移動問題的思考與認(rèn)識。

然而，由于采動巖層的移動規(guī)律是一個(gè)十分復(fù)雜的“黑箱”問題，長期以來，人們往往只能依靠一些采動表征現(xiàn)象來試圖揭開其內(nèi)部作用機(jī)制。例如，通過地表沉陷的連續(xù)監(jiān)測，獲得采煤活動引起的地表移動范圍，并將移動盆地邊緣與采煤邊界的連線視為采動引起的巖移邊界線；然而，這只是一種均化的粗略定義，對于覆巖內(nèi)部各巖層的移動邊界究竟在哪，這種移動邊界又是如何逐步擴(kuò)展為地表的移動盆地的等問題都尚未解決。再如，通過監(jiān)測和分析采場圍巖變形與支架阻力的變化，可一定程度判斷上覆基本頂?shù)钠茢噙\(yùn)移特征(初次/周期破斷距、破斷回轉(zhuǎn)角等)，但對于基本頂以上更高層位巖層的破斷規(guī)律仍無從知曉。還有許多研究通過模擬實(shí)驗(yàn)、理論建模等手段試圖揭示覆巖結(jié)構(gòu)特征及其運(yùn)動規(guī)律，但受實(shí)際采煤地質(zhì)條件復(fù)雜多變、實(shí)驗(yàn)相似性難以保證等因素影響，相關(guān)研究仍難以準(zhǔn)確描繪采動內(nèi)部巖移的具體作用過程。所以，已有相關(guān)研究雖能從一定層面反映覆巖的部分運(yùn)移規(guī)律，但對于巖層逐步向上發(fā)生垮冒、斷裂、彎曲、直至誘發(fā)地表沉降的運(yùn)移全過程，尚缺乏全面認(rèn)識。

早在20世紀(jì)80年代，文獻(xiàn)[3-4,16]就嘗試采用鉆孔深基點(diǎn)監(jiān)測方法對巖層內(nèi)部移動規(guī)律開展了實(shí)測研究；通過在工作面上方頂板空巷內(nèi)布設(shè)測站，得到了上覆25 m范圍內(nèi)不同層位巖層隨采動的位移特征，并據(jù)此建立了巖層動態(tài)下沉的負(fù)指數(shù)擬合曲線方程。這為采動內(nèi)部巖移的監(jiān)測與反演研究奠定了重要基礎(chǔ)，但它僅反映了頂板局部范圍的巖移規(guī)律，對于以上更高層位直至地表之間巖層的活動規(guī)律尚未獲得。

而后，隨著關(guān)鍵層理論的提出，對巖移問題研究的理論依據(jù)更為清晰。由于煤系地層屬層狀賦存巖體，巖層數(shù)量多、厚度及巖性變化大，導(dǎo)致不同層位巖層受采動影響呈現(xiàn)的運(yùn)移規(guī)律差異明顯；若考慮對每層巖層均開展位移監(jiān)測，難度必然較大。為此，本文重點(diǎn)考慮覆巖中的關(guān)鍵層，采用地面鉆孔原位監(jiān)測方法，通過在關(guān)鍵層或厚硬巖層位置布設(shè)有限的巖移測點(diǎn)，開展了覆巖全地層隨煤層開采的運(yùn)移規(guī)律研究，以期為采礦工程相關(guān)基礎(chǔ)理論問題研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 覆巖內(nèi)部巖移監(jiān)測

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)礦井紅慶河煤礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內(nèi)，礦井主采3煤，采用綜采一次采全高采煤工藝。研究試驗(yàn)區(qū)位于北翼的四盤區(qū)，盤區(qū)內(nèi)已布置2個(gè)工作面，其中31401工作面已回采完畢，鄰近的31402工作面正在回采，巖移監(jiān)測區(qū)域即覆蓋這2個(gè)工作面，以考察31402工作面回采引起的本工作面覆巖以及鄰近31401工作面已斷覆巖的運(yùn)移規(guī)律，如圖1所示。

圖1 紅慶河煤礦巖移監(jiān)測試驗(yàn)區(qū)工作面布置

已采的31401工作面為四盤區(qū)的首采工作面，對應(yīng)煤層埋深679～756 m，工作面寬241 m，推進(jìn)長度約2 500 m，平均采高6.5 m。31402工作面對應(yīng)煤層埋深697～719 m，工作面寬246 m，推進(jìn)長度3 616 m，平均采高6.0 m。兩工作面之間留設(shè)區(qū)段煤柱寬度40 m，開采區(qū)域?qū)?yīng)覆巖柱狀如圖2所示。

1.2 監(jiān)測方案

采用地面鉆孔原位監(jiān)測方法開展采動巖層內(nèi)部移動規(guī)律的研究。如圖1所示，根據(jù)工作面開采條件，分別在回采的31402工作面中部以及已采的31401工作面邊界處各布置1個(gè)探測鉆孔，探測鉆孔的施工及孔內(nèi)測點(diǎn)的布置均在超前31402工作面回采位置350 m前實(shí)施完畢。其中，D2鉆孔距離區(qū)段煤柱邊界30 m，與D1鉆孔處于同一走向位置。同時(shí)，在兩孔的孔口附近布置固定GPS測樁(在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集間隔1 h)，以監(jiān)測孔口地表的采動沉降規(guī)律。

D1鉆孔設(shè)計(jì)終孔深度722 m，直至3煤底板。鉆進(jìn)過程中進(jìn)行取芯和柱狀編制，根據(jù)柱狀的關(guān)鍵層位置判別結(jié)果，設(shè)計(jì)巖移測點(diǎn)布置層位，如圖2所示。孔內(nèi)共布置6個(gè)測點(diǎn)，均對應(yīng)于關(guān)鍵層或厚硬砂巖位置。考慮到煤層采高較大，覆巖最下位關(guān)鍵層已處于預(yù)計(jì)的垮落帶范圍，因而將最低位測點(diǎn)布置于煤層以上第2層關(guān)鍵層位置，對應(yīng)深度640 m。用特制的線纜將各測點(diǎn)下放至孔內(nèi)對應(yīng)位置，而后全孔封閉。在孔口用位移傳感器與各測點(diǎn)線纜連接，并配備太陽能電池以及數(shù)據(jù)存儲與發(fā)送模塊，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，如圖3所示。監(jiān)測獲得的內(nèi)部巖移數(shù)據(jù)實(shí)際反映了各層位測點(diǎn)與地表之間的相對位移量。

圖2 巖移監(jiān)測區(qū)覆巖柱狀及測站布置

D2鉆孔布置于31401工作面采空區(qū)，用于探測已斷覆巖受鄰近31402工作面回采影響的二次活化規(guī)律。設(shè)計(jì)終孔深度650 m，施工過程中，采用沖洗液漏失量法和鉆孔電視對導(dǎo)水裂隙帶高度(簡稱“導(dǎo)高”)進(jìn)行探測，以便為后期巖移規(guī)律反演分析提供依據(jù)?？紤]到其已斷覆巖的二次活動程度相對偏弱，故成孔后在孔內(nèi)僅布置光纖進(jìn)行地層位移/變形的監(jiān)測，最后同樣進(jìn)行全孔封閉。工作面回采過程中，間隔2～7 d對光纖信號進(jìn)行采集和解算，以掌握鉆孔全段地層的隨采變形情況。

1.3 監(jiān)測結(jié)果

..已采工作面覆巖“導(dǎo)高”探測結(jié)果(D2孔)

31401工作面采空區(qū)D2鉆孔施工同時(shí)，采用鉆孔沖洗液漏失量法和鉆孔電視觀測，對覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度(簡稱“導(dǎo)高”)進(jìn)行了探測。

探測結(jié)果顯示，在孔深458 m位置開始出現(xiàn)沖洗液大量漏失及孔口不返漿現(xiàn)象，但孔內(nèi)水位并未出現(xiàn)大幅下降現(xiàn)象；后續(xù)鉆進(jìn)過程，沖洗液雖有一定漏失，但孔內(nèi)水位一直保持在孔口以下60 m左右。推斷可能是鉆孔揭露覆巖離層裂隙所致。直至鉆進(jìn)至孔深583 m，沖洗液出現(xiàn)大量漏失、孔內(nèi)水位發(fā)生突降，推斷鉆孔已至導(dǎo)水裂隙帶頂界面附近。而后持續(xù)鉆進(jìn)過程中，始終處于孔口不返漿狀態(tài)。待成孔后，下放鉆孔電視進(jìn)一步觀測，發(fā)現(xiàn)在孔深456 m以下開始密集出現(xiàn)孔壁破壞現(xiàn)象，且破壞狀態(tài)以環(huán)狀空洞為主；直至孔深585 m處開始出現(xiàn)孔壁裂隙發(fā)育現(xiàn)象，如圖3所示。由此綜合判斷，導(dǎo)水裂隙帶頂界面位于孔深583 m處，對應(yīng)“導(dǎo)高”為120.3 m。

圖3 D2孔導(dǎo)水裂隙探測

..D1孔內(nèi)部巖移監(jiān)測結(jié)果

D1孔內(nèi)部巖移監(jiān)測結(jié)果反映了31402本工作面回采引起的覆巖斷裂運(yùn)移特征，工作面推過鉆孔前后各測點(diǎn)相對地表的位移變化曲線如圖4所示?？梢姡S著工作面的不斷推進(jìn)，孔內(nèi)6個(gè)測點(diǎn)均表現(xiàn)出明顯位移變化現(xiàn)象，但受測點(diǎn)布置層位差異影響，不同測點(diǎn)位移曲線走勢差異顯著。

圖4 D1孔監(jiān)測得到的各層位測點(diǎn)隨工作面開采相對地表的位移曲線

首先，測點(diǎn)開始發(fā)生顯著運(yùn)移的時(shí)刻(或?qū)?yīng)工作面推進(jìn)位置)。處于下位的測點(diǎn)1～4在工作面距離鉆孔還有35 m左右位置時(shí)就開始發(fā)生顯著運(yùn)移，而上位的測點(diǎn)5，6在工作面推過鉆孔40～50 m之外才發(fā)生顯著位移。這與采動覆巖由下向上逐步斷裂發(fā)展的運(yùn)移過程相符。

其次，各測點(diǎn)位移曲線走勢表現(xiàn)出明顯的“成組同步運(yùn)移”現(xiàn)象。即在一定區(qū)段內(nèi)，多個(gè)測點(diǎn)的位移曲線走勢保持一致；且在工作面相對鉆孔位置不同時(shí)，這種“成組”的測點(diǎn)組成也不相同。如在工作面推過鉆孔25 m之前，測點(diǎn)1，2、測點(diǎn)3，4以及測點(diǎn)5，6分別兩兩為一組，對應(yīng)位移曲線走勢基本一致；而后直至工作面推過鉆孔80 m左右，這種“分組”開始打亂，各測點(diǎn)位移開始按各自走勢發(fā)展，僅測點(diǎn)1，4的位移走勢基本一致；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)直至各測點(diǎn)位移基本穩(wěn)定，測點(diǎn)間的成組位移趨勢再次出現(xiàn)，在工作面推過鉆孔80～137 m區(qū)段內(nèi)，測點(diǎn)1，2，4，5呈現(xiàn)成組位移，在工作面推過鉆孔225 m后，測點(diǎn)1，2以及測點(diǎn)4，5，6各為一組發(fā)生成組位移?？梢姡S著工作面不斷推進(jìn)，采空區(qū)后方上覆巖層的運(yùn)移逐步由“逐層漸次向上發(fā)展”演變?yōu)椤吧舷乱欢ǚ秶竭\(yùn)移”趨勢。

第三，各測點(diǎn)相對地表的最終位移量。處于中部層位的測點(diǎn)4，5相對位移量最大，約230 mm；而后依次為測點(diǎn)2，1，6，3，相對位移量分別為137，117，104，88 mm。整體而言，中部測點(diǎn)相對地表的位移量最大、淺部測點(diǎn)最小、深部測點(diǎn)居中。

..D2孔光纖變形監(jiān)測結(jié)果

D2孔光纖變形監(jiān)測結(jié)果反映了31401采空區(qū)已斷覆巖受鄰近31402工作面回采擾動引起的二次運(yùn)移特征，不同日期(對應(yīng)31402工作面相對鉆孔不同位置)監(jiān)測得到的孔內(nèi)全段光纖應(yīng)變絕對值，以及局部變形區(qū)段的應(yīng)變增量曲線如圖5所示。

圖5 D2孔光纖受鄰近工作面采動影響的應(yīng)變曲線

在工作面距離鉆孔還有361 m時(shí)即開展D2孔的光纖監(jiān)測工作(2019-11-18)。隨著工作面逐步靠近鉆孔，僅在孔深60 m以上的局部區(qū)段發(fā)生拉伸變形，直至2020-01-21工作面距鉆孔還有132 m時(shí)，光纖在孔深28.5 m位置被拉斷，其下部直至孔底光纖信號中斷。這種拉伸變形應(yīng)是由超前采動影響產(chǎn)生的水平滑移引起。

由圖5(b)可見，光纖拉伸變形主要集中于孔深21.6～24.4 m和孔深25.5～27.7 m，另外在孔深33.8，43.7，50.6 m等位置附近也出現(xiàn)有小幅拉伸變形現(xiàn)象。在光纖被拉斷后，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，原來孔深21.6～24.4 m的拉伸變形區(qū)應(yīng)變峰值有所降低，但變形范圍略有增大(波及至孔深20 m處)，同時(shí)在更淺部孔深6和11 m附近又出現(xiàn)新的拉伸變形，但應(yīng)變增量并不顯著。由圖5(c)可知，孔深23和26 m位置附近巖層的水平變形呈線性增長趨勢，而孔深6 m位置附近巖層則在工作面采過鉆孔80 m后才出現(xiàn)明顯移動，并在后方200 m左右移動穩(wěn)定。

由上可見，31401采空區(qū)已斷覆巖受鄰近采煤擾動發(fā)生的二次運(yùn)移首先出現(xiàn)在淺部巖層中，且隨采煤工作面不斷靠近，覆巖運(yùn)移范圍逐步加大。但由于光纖已被拉斷，孔深28.5 m以下范圍巖層的位移情況未能獲得。

..兩孔孔口地表沉降監(jiān)測結(jié)果

兩鉆孔對應(yīng)孔口地表隨工作面開采的三向位移曲線(走向/傾向水平移動、垂向下沉)如圖6所示，將兩者位移曲線投影到走向和傾向2個(gè)剖面，同時(shí)得到如圖7所示的移動軌跡?？梢?，因D2孔基本處于兩工作面整體開采區(qū)域的傾向中部，其孔口地表移動程度明顯偏高。31402面回采結(jié)束后(即推過鉆孔653 m)，D1，D2孔口地表最終下沉量分別為1 547，1 876 mm。

注：走向水平位移朝工作面推進(jìn)方向則數(shù)值為正，傾向水平位移朝31401工作面一側(cè)則數(shù)值為正。因中途曾發(fā)生停采，故曲線出現(xiàn)“臺階”。

由于兩孔相對工作面布置位置不同，兩者地表移動曲線差異明顯，尤其體現(xiàn)在水平位移曲線走勢上。在走向水平位移上，D1孔口地表經(jīng)歷了先向采空區(qū)方向、再向推進(jìn)方向的“折返”過程，“折返”的拐點(diǎn)對應(yīng)工作面推過鉆孔87 m，對應(yīng)走向偏移-53 mm(沿走向推進(jìn)方向，位移值為正，詳見圖注)；拐點(diǎn)過后走向位移的歸零點(diǎn)出現(xiàn)在工作面推過鉆孔240 m位置，如圖7(a)所示。而對于D2孔，其孔口地表的走向位移基本朝向推進(jìn)方向。兩者最終向推進(jìn)方向的位移量分別為167 mm和359 mm。在圖7(b)所示的傾向剖面上，兩者水平位移均朝著中部區(qū)段煤柱區(qū)域“靠攏”。與走向剖面“變曲率”的沉降曲線不同的是，傾向剖面兩者沉降曲線幾乎呈線性變化趨勢(僅在初期時(shí)D2孔位置對應(yīng)曲線出現(xiàn)小幅折曲)，對應(yīng)最終的傾向偏移量分別為337和385 mm。

圖7 兩鉆孔對應(yīng)孔口地表沉降剖面

將監(jiān)測初期的位移曲線進(jìn)行局部放大后發(fā)現(xiàn)，兩孔孔口地表受采動影響開始發(fā)生位移的超前距離也明顯不同，而且對于各自而言3個(gè)方向上開始發(fā)生位移的時(shí)刻也存在差異。D1孔口地表超前工作面340 m左右首先開始發(fā)生走向位移(方向朝向采空區(qū))，而后在超前工作面320 m左右才開始發(fā)生垂向下沉，直至超前工作面267 m位置，傾向位移才開始發(fā)生。與其明顯不同，D2孔口地表基本在測站布置完畢后就開始發(fā)生位移，且首先發(fā)生的是垂向下沉和傾向水平位移，隨后在超前工作面338 m左右開始發(fā)生走向水平位移。

需要說明的是，由于31401工作面回采后地表已產(chǎn)生一定沉降，所以本次監(jiān)測得到的是31402開采后的新增沉降量，并不代表兩工作面開采后的累計(jì)沉降情況。

2 采動覆巖典型5階段運(yùn)移規(guī)律反演

綜合前述鉆孔內(nèi)部巖移、光纖變形、地表沉降以及覆巖“導(dǎo)高”等實(shí)測數(shù)據(jù)，可對覆巖關(guān)鍵層受采動影響的運(yùn)移特征進(jìn)行反演分析。

通過對圖4所示D1鉆孔不同層位巖層移動規(guī)律的對比分析后發(fā)現(xiàn)，隨著工作面逐步靠近并遠(yuǎn)離鉆孔，其內(nèi)部巖移測點(diǎn)的移動呈現(xiàn)明顯的“分區(qū)”現(xiàn)象，表現(xiàn)出覆巖關(guān)鍵層在工作面不同推進(jìn)位置受不同采動影響而呈現(xiàn)的“分區(qū)”運(yùn)移特征。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，可將其劃分為5個(gè)典型階段。

(1)階段1：覆巖超前受壓變形階段。對應(yīng)工作面距鉆孔距離大于35.6 m的開采范圍，表現(xiàn)為覆巖受超前支承壓力影響發(fā)生變形時(shí)的微弱巖移。

受采動支承壓力的影響，工作面前方煤巖體會發(fā)生一定程度的變形，各層巖層的變形量累積后，即為地表的超前沉降盆地，這種變形量既包含垂直的下沉位移，也包含走向/傾向的水平位移(圖6，7)。而內(nèi)部巖移測點(diǎn)監(jiān)測的位移量即代表了測點(diǎn)所在層位直至地表之間巖層產(chǎn)生的變形量，同樣包含垂直和水平位移；當(dāng)垂直位移占主導(dǎo)時(shí)，監(jiān)測值將表現(xiàn)為負(fù)值，否則為正值。

由圖8所示的局部放大圖可見，測點(diǎn)1～4巖移曲線基本保持平穩(wěn)狀態(tài)，且相互之間基本平行，期間有局部位置發(fā)生小幅振蕩；而測點(diǎn)5，6巖移曲線則分別在超前299和310 m位置開始持續(xù)處于負(fù)增長狀態(tài)，且兩者走勢也趨于相同。直至超前工作面35.6 m處，前述狀態(tài)才被打破。由此可見，測點(diǎn)1～4對應(yīng)埋深405～640 m巖層整體相對地表處于同步運(yùn)移狀態(tài)，采動超前支承壓力引起的變形主要發(fā)生在埋深640 m以下、405 m以上的巖層中，這可能與埋深405～640 m巖層整體相對較硬有關(guān)。

圖8 超前工作面階段的內(nèi)部巖移監(jiān)測曲線

(2)階段2：逐層向上斷裂運(yùn)移階段。對應(yīng)工作面距鉆孔35.6 m至推過鉆孔85 m的開采范圍，表現(xiàn)為覆巖關(guān)鍵層由下向上逐層斷裂引起的緩慢巖移過程。

當(dāng)工作面逐步靠近探測鉆孔，監(jiān)測區(qū)巖層開始發(fā)生超前斷裂，由于此時(shí)地表尚未出現(xiàn)較大沉降運(yùn)動，這將引起巖移監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線的增長。由圖4(b)和圖8可知，各測點(diǎn)由下向上依次發(fā)生位移增長現(xiàn)象，表明對應(yīng)巖層的斷裂回轉(zhuǎn)運(yùn)動正逐步向上發(fā)展。受超前煤巖體的支撐約束作用，超前斷裂巖層的回轉(zhuǎn)運(yùn)動相對緩慢，因而對應(yīng)其巖移數(shù)據(jù)的增長速度也相對偏低。同時(shí)，各測點(diǎn)的巖移速度不盡相同，體現(xiàn)了相鄰測點(diǎn)間對應(yīng)巖層中離層產(chǎn)生與閉合的發(fā)育過程。

通過對各點(diǎn)巖移數(shù)據(jù)開始發(fā)生增長的位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可進(jìn)一步推斷各層關(guān)鍵層發(fā)生斷裂的位置。其中，測點(diǎn)1對應(yīng)亞關(guān)鍵層2超前35.6 m發(fā)生斷裂，測點(diǎn)2，3對應(yīng)亞關(guān)鍵層3超前22.4 m發(fā)生斷裂，測點(diǎn)4對應(yīng)亞關(guān)鍵層4超前13.2 m發(fā)生斷裂，而測點(diǎn)5，6對應(yīng)的亞關(guān)鍵層5和主關(guān)鍵層則分別滯后工作面13.2和28.9 m發(fā)生斷裂。這一統(tǒng)計(jì)結(jié)果將有助于進(jìn)一步分析覆巖向上斷裂延展的活動邊界，具體將在后節(jié)介紹。

(3)階段3：覆巖整體快速沉降階段。對應(yīng)工作面推過鉆孔85～190 m的開采范圍，表現(xiàn)為覆巖整體斷裂回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的快速沉降以及離層擴(kuò)展或閉合的動態(tài)發(fā)育過程。

隨著工作面逐步遠(yuǎn)離探測鉆孔，監(jiān)測區(qū)巖層斷裂活動受邊界約束的影響越來越小，巖層運(yùn)移程度逐步加大。由圖4可知，工作面推過鉆孔85 m后，測點(diǎn)巖移速度明顯加快，測點(diǎn)1～6幾乎同步開始發(fā)生整體快速運(yùn)移(即前面1.3節(jié)所述“成組運(yùn)移”)，而后在工作面推過鉆孔103.6 m后，測點(diǎn)6脫離成組運(yùn)移，表明主關(guān)鍵層與下部亞關(guān)鍵層5之間離層持續(xù)擴(kuò)展發(fā)育；后續(xù)在工作面推過鉆孔137.2 m后，測點(diǎn)1～3也發(fā)生脫離，并單獨(dú)成組，表明亞關(guān)鍵層4底界與測點(diǎn)3厚硬巖層之間的離層發(fā)生逐步閉合。

根據(jù)各測點(diǎn)間這種成組運(yùn)移的變化可以推斷，測點(diǎn)1，2成組運(yùn)移對應(yīng)其亞關(guān)鍵層2，3的斷裂步距應(yīng)基本相同，測點(diǎn)4，5成組運(yùn)移對應(yīng)其亞關(guān)鍵層4，5的斷裂步距基本相同；根據(jù)測點(diǎn)6及測點(diǎn)1～3脫離成組運(yùn)移的變化過程也能進(jìn)一步推斷各關(guān)鍵層斷裂步距的大小關(guān)系：主關(guān)鍵層>亞關(guān)鍵層4，5>亞關(guān)鍵層2，3。

(4)階段4：上位巖層向下壓實(shí)階段。對應(yīng)工作面推過鉆孔190～410 m的開采范圍，表現(xiàn)為上位巖層進(jìn)一步沉降而壓實(shí)下位巖層的離層閉合及巖移放緩過程。

隨著垮裂帶巖體的壓實(shí)度不斷增大(測點(diǎn)1處于導(dǎo)水裂隙帶頂界以下，測點(diǎn)2，3處于彎曲下沉帶下部向?qū)严稁н^渡區(qū)域)，下位測點(diǎn)1～3對應(yīng)巖層的運(yùn)動進(jìn)一步放緩，并在工作面推過鉆孔約235 m處開始基本平穩(wěn)。而上位測點(diǎn)4，5對應(yīng)巖層仍處于快速運(yùn)移階段，但運(yùn)移速度有所降低。期間，在工作面推過鉆孔約230 m后，原本處于相對穩(wěn)定狀態(tài)的主關(guān)鍵層突然發(fā)生快速運(yùn)移，并與測點(diǎn)4，5對應(yīng)的亞關(guān)鍵層4，5一起發(fā)生同步運(yùn)移，由此進(jìn)一步壓縮其與亞關(guān)鍵層3之間的離層裂隙?？梢?，此時(shí)覆巖離層主要集中于亞關(guān)鍵層5與主關(guān)鍵層之間的巖層中。

上述測點(diǎn)1～3和測點(diǎn)6巖移曲線的這2個(gè)典型變化點(diǎn)(推過鉆孔235和230 m)正好處于圖7所示孔口地表走向位移“歸零點(diǎn)”(推過鉆孔240 m)，表明覆巖的斷裂活動已完成正向和反向的雙向回轉(zhuǎn)，開始進(jìn)入整體沉降狀態(tài)。

(5)階段5：覆巖整體穩(wěn)沉階段。對應(yīng)工作面推過鉆孔410 m之外范圍，表現(xiàn)為采動影響衰減引起的覆巖整體穩(wěn)沉過程。

隨著工作面采動影響的持續(xù)衰減，監(jiān)測區(qū)覆巖斷裂運(yùn)動趨于穩(wěn)定。除測點(diǎn)4，5，其余測點(diǎn)的巖移曲線均已平穩(wěn)，與地表保持相對靜止?fàn)顟B(tài)。測點(diǎn)4，5的持續(xù)緩慢運(yùn)移則代表了主關(guān)鍵層下部與亞關(guān)鍵層5之間離層的進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)育，以及亞關(guān)鍵層4底界附近離層的進(jìn)一步閉合。

由上述現(xiàn)象并結(jié)合前述31401采空區(qū)D2孔鉆進(jìn)的沖洗液漏失情況可進(jìn)一步推斷，原先在31401已斷覆巖中對應(yīng)埋深456 m以上未產(chǎn)生離層的區(qū)域(該區(qū)段未發(fā)生沖洗液漏失)，在31402工作面采后開始出現(xiàn)離層的發(fā)育，這顯然與開采尺寸加大引起的覆巖采動充分程度提高密切相關(guān)。

3 采動內(nèi)部巖移與斷裂活動的特征邊界

根據(jù)D1孔內(nèi)部巖移監(jiān)測及其5個(gè)階段典型運(yùn)移特征的推演分析結(jié)果，對采動覆巖的內(nèi)部巖移與斷裂活動特征邊界線進(jìn)行繪制，如圖9所示。

圖9 采動覆巖斷裂運(yùn)移特征及其“橫三區(qū)”分布的推演

覆巖內(nèi)部移動總是超前工作面發(fā)生，且由深至淺其影響范圍不斷向外圍延伸。根據(jù)關(guān)鍵層分區(qū)運(yùn)移階段1中各測點(diǎn)巖移曲線的變化特征點(diǎn)，分別確定了對應(yīng)層位發(fā)生巖移的邊界點(diǎn)。由地表向下依次確定，根據(jù)圖6(a)地表發(fā)生移動的臨界點(diǎn)為超前340 m處；根據(jù)圖8的超前巖移曲線，得到測點(diǎn)6和測點(diǎn)5的巖移邊界點(diǎn)分別為各自開始產(chǎn)生位移負(fù)增長的超前310 m和超前299 m處；而對于測點(diǎn)1～4，初期其巖移曲線始終保持平行狀態(tài)，但在超前工作面185 m時(shí)開始出現(xiàn)整體振蕩波動，測點(diǎn)5，6也隨之振蕩，表明覆巖移動范圍進(jìn)一步加大，故推斷測點(diǎn)1～4的巖移邊界線為超前185 m處。這一推斷也得到了D1孔口地表在超前工作面階段的走向剖面沉降曲線的驗(yàn)證(圖10(a))，此處垂向下沉分量顯著變大，說明覆巖更深部一定范圍巖層又開始發(fā)生位移。由于測點(diǎn)1～4巖移曲線基本平行，因此其巖移邊界點(diǎn)也繪制為同一位置。而后繼續(xù)至超前工作面99 m時(shí)，所有測點(diǎn)巖移曲線再次出現(xiàn)整體振蕩，推斷這是由煤層及其上部附近巖層開始受支承壓力影響所致，而這一位置也與現(xiàn)場實(shí)測得到的工作面巷道70～100 m的超前影響范圍相符，由此確定煤層處的巖移邊界點(diǎn)為超前99 m處。根據(jù)各層位巖移邊界點(diǎn)的連線，進(jìn)一步擬合得到了采動巖移的邊界輪廓線，基本符合指數(shù)曲線形態(tài)。由此可見，傳統(tǒng)的利用地表沉陷觀測得到的移動邊界(圖9所示64°移動角)難以表征超前巖移發(fā)生的具體范圍，它僅能一定程度展現(xiàn)內(nèi)部巖移的變化趨勢。

圖10 孔口地表沉降走向剖面的局部放大

類似地，根據(jù)前述關(guān)鍵層分區(qū)運(yùn)移階段2中各測點(diǎn)巖移增長的位置，確定了各關(guān)鍵層的斷裂位置，如圖9所示?？梢?，處于下位的亞關(guān)鍵層1～4均為超前斷裂，而上位的亞關(guān)鍵層5和主關(guān)鍵層為滯后斷裂，關(guān)鍵層發(fā)生超前和滯后斷裂的分界線位于埋深320 m處，基本處于煤層中部埋深位置。覆巖整體的斷裂角約為83°。

進(jìn)一步地，根據(jù)前述關(guān)鍵層運(yùn)移的5個(gè)階段分析結(jié)果，結(jié)合經(jīng)典“橫三區(qū)”理論，對試驗(yàn)工作面的覆巖“橫三區(qū)”的具體分布進(jìn)行了確定。其中，巖移邊界線和巖層斷裂線之間的區(qū)域?yàn)锳區(qū)超前變形區(qū)(對原理論中的“煤壁支撐區(qū)”進(jìn)行了適當(dāng)修改命名)，即對應(yīng)于前述關(guān)鍵層運(yùn)移階段1。由于工作面采后190 m，處于下位的關(guān)鍵層巖移已趨于穩(wěn)定，而在采后410 m，處于最上位的覆巖主關(guān)鍵層也運(yùn)移平穩(wěn)，說明在井上下分別滯后工作面410 m和190 m的范圍，是覆巖離層動態(tài)發(fā)育的區(qū)域，因而將該兩處特征點(diǎn)的連線與巖層斷裂線之間的區(qū)域劃分為B區(qū)離層區(qū)；該區(qū)域即對應(yīng)于前述巖移階段2～4。最后，在后方的采空區(qū)即劃分為C區(qū)重新壓實(shí)區(qū)，對應(yīng)于前述巖移階段5。

4 討 論

4.1 關(guān)鍵層運(yùn)動對地表沉陷的控制規(guī)律

通過將D1孔內(nèi)部巖移曲線和孔口地表下沉速度曲線疊合在一起后發(fā)現(xiàn)(圖4(a))，不同層位關(guān)鍵層的運(yùn)動表現(xiàn)出對地表沉陷的不同控制作用。

按照礦山開采沉陷學(xué)的劃分，地表下沉速度達(dá)到1.7 mm/d前，屬于下沉運(yùn)動初始期；超過該臨界值后，進(jìn)入下沉運(yùn)動活躍期；最終再次低于該臨界值時(shí)，則進(jìn)入下沉衰減期。對照這一劃分，發(fā)現(xiàn)地表下沉的不同活躍期表現(xiàn)出與內(nèi)部巖移5個(gè)階段顯著的對應(yīng)關(guān)系。即，巖移階段1對應(yīng)地表下沉初始期，巖移階段2，3，4又分別對應(yīng)下沉速度的攀升區(qū)、峰值區(qū)以及降低區(qū)，而巖移階段5則基本對應(yīng)地表下沉的衰退期。同時(shí)結(jié)合圖7(a)還發(fā)現(xiàn)，孔口地表走向水平位移的拐點(diǎn)正好對應(yīng)地表下沉速度開始進(jìn)入峰值期。這說明覆巖關(guān)鍵層不同的運(yùn)移狀態(tài)將引起地表不同活躍程度的沉陷。由此結(jié)合前述5個(gè)階段巖移分析結(jié)果，可以得出：

(1)因亞關(guān)鍵層2的斷裂略滯后于地表沉陷活躍期的開始，故推斷最下位亞關(guān)鍵層1的斷裂可能就是地表沉陷活躍期的開始。

(2)在關(guān)鍵層由下向上逐步發(fā)生斷裂運(yùn)動過程中，地表沉陷活躍度隨之上升，直至覆巖主關(guān)鍵層結(jié)束其正向回轉(zhuǎn)并開始反向回轉(zhuǎn)時(shí)，地表沉陷才開始進(jìn)入峰值狀態(tài)；此后，僅當(dāng)覆巖處于整體沉降運(yùn)動狀態(tài)時(shí)，這種峰值狀態(tài)才能得以保持。

(3)當(dāng)下位亞關(guān)鍵層1～3的運(yùn)移趨于穩(wěn)定時(shí)，地表沉陷活躍度開始降低，且沉陷速度受控于上位亞關(guān)鍵層4及以上巖層的運(yùn)移狀態(tài)。

(4)在主關(guān)鍵層與地表保持相對靜止的階段，地表沉陷速度急劇下降；當(dāng)它突然再次隨關(guān)鍵層4，5發(fā)生同步運(yùn)移時(shí)，地表沉陷活躍度明顯提高(推斷這種突然運(yùn)移可能是由于其雙向回轉(zhuǎn)平穩(wěn)后發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)所致)；最后隨著它運(yùn)移的逐步衰減，地表沉陷結(jié)束活躍期，開始進(jìn)入衰退期。

由此可見，覆巖最下位關(guān)鍵層發(fā)生斷裂運(yùn)移意味著地表沉陷活躍期的開始，而沉陷活躍期的結(jié)束則取決于最上位主關(guān)鍵層運(yùn)移的穩(wěn)定?？梢姡矌r關(guān)鍵層運(yùn)動對地表沉陷的顯著控制作用。

4.2 D2孔已斷覆巖的超前活化運(yùn)移特征

從前述的監(jiān)測結(jié)果可見，D2孔處無論是孔內(nèi)光纖變形還是孔口地表沉降，基本都是在測站布置好后就發(fā)生變化，這顯然與31401工作面采動覆巖仍處于非充分采動狀態(tài)有關(guān)。在其還未受到31402工作面回采影響前，其已斷覆巖就一直處于殘余沉降狀態(tài)。當(dāng)31402工作面距鉆孔還有327 m時(shí)，孔口地表走向水平位移即出現(xiàn)折返拐點(diǎn)，說明這種二次采動影響引起的覆巖超前變形已波及至鉆孔處，并持續(xù)向前延伸，這將導(dǎo)致31402回風(fēng)巷(臨空側(cè))受超前影響范圍和程度顯著加大，由此恰恰解釋了紅慶河礦這種開采條件下易發(fā)生臨空巷道動壓問題的原因。

根據(jù)光纖變形的監(jiān)測結(jié)果，D2孔受超前采動影響的區(qū)域集中在埋深53 m以淺，其余區(qū)段未見明顯變化。由此推斷，埋深53～640 m巖層未發(fā)生變形，處于整體沉降狀態(tài)；而覆巖超前受壓變形主要發(fā)生于埋深640 m以下(尤其是區(qū)段煤柱及其直接頂)、埋深53 m以上區(qū)域，這與D1孔的監(jiān)測結(jié)果有異有同。不同的是，D1孔淺部巖層變形產(chǎn)生的位移以垂直壓縮為主，D2孔則為水平拉伸；相同的是，都體現(xiàn)覆巖超前受壓變形主要集中于中下部巖層中。

由于D2孔光纖在超前工作面132 m就被拉斷而信號中斷，因而未能測到后續(xù)開采過程中的覆巖運(yùn)移情況。但根據(jù)已有的監(jiān)測結(jié)果及上述分析也能進(jìn)一步推斷，D2孔已斷覆巖的運(yùn)移主要是隨區(qū)段煤柱及其上部巖體的壓縮變形而呈整體沉降過程，表現(xiàn)為已斷裂巖層再次發(fā)生反向回轉(zhuǎn)運(yùn)動，由此波及至地表，引起兩工作面合并區(qū)沉陷盆地“盆底”的形成。

5 結(jié) 論

(1)以紅慶河煤礦3煤四盤區(qū)為現(xiàn)場實(shí)測試驗(yàn)區(qū)，通過實(shí)施地面鉆孔內(nèi)部巖移、采空區(qū)光纖變形、地表沉降以及覆巖“導(dǎo)高”等監(jiān)測或探查，獲得了采煤引起的本工作面覆巖及鄰近采空區(qū)已斷覆巖的運(yùn)移規(guī)律，推演得到了采動覆巖超前運(yùn)移的“類指數(shù)”邊界線、關(guān)鍵層逐層向上運(yùn)動的斷裂線以及覆巖“橫三區(qū)”分布特征，并探討了關(guān)鍵層運(yùn)動對地表沉陷的控制規(guī)律。

(2)揭示了覆巖隨開采過程呈現(xiàn)的5個(gè)階段典型運(yùn)移特征，分別為超前35.6 m之外覆巖受壓變形階段，采后35.6～85.0 m覆巖關(guān)鍵層向上逐層斷裂回轉(zhuǎn)階段，采后85～180 m覆巖整體快速沉降及離層擴(kuò)展或閉合的動態(tài)發(fā)育階段，采后180～410 m上位巖層進(jìn)一步沉降而壓實(shí)下位巖層的離層閉合及巖移放緩階段，以及采后410 m之外采動影響衰減的覆巖整體穩(wěn)沉階段。

(3)依據(jù)采動巖移的5個(gè)階段分區(qū)規(guī)律，確定了覆巖超前變形區(qū)、離層區(qū)、重新壓實(shí)區(qū)的“橫三區(qū)”分布特征?！叭齾^(qū)”的分布范圍分別對應(yīng)于巖移階段1、階段2～4以及階段5。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，巖移5個(gè)階段的分布與地表沉陷的初始期、活躍攀升期、活躍峰值期、活躍降低期以及衰退期也呈現(xiàn)顯著的一一對應(yīng)關(guān)系，顯示了覆巖關(guān)鍵層不同運(yùn)移狀態(tài)對地表沉陷的影響差異。從另一角度也說明，覆巖“橫三區(qū)”的分布范圍直接決定了地表沉陷不同活躍期的持續(xù)長度。

(4)受采動支承壓力的影響，覆巖超前遠(yuǎn)距離發(fā)生受壓變形，但這種變形發(fā)生的區(qū)域呈現(xiàn)明顯局域性。本工作面覆巖超前變形主要集中于埋深640 m以下、405 m以上巖層中，而區(qū)段煤柱附近采空區(qū)已斷覆巖，超前變形集中于埋深640 m以下、53 m以上巖層中，兩者覆巖對應(yīng)中部均處于整體同步運(yùn)移狀態(tài)，這與不同層位巖層的強(qiáng)度差異密切相關(guān)。

(5)采動覆巖的內(nèi)部移動十分復(fù)雜，受地質(zhì)賦存條件與開采參數(shù)影響，不同礦區(qū)采動巖移規(guī)律必然不同。本文是在前人已有研究基礎(chǔ)上開展的一些探索和嘗試，其監(jiān)測結(jié)果僅能反映紅慶河煤礦及周邊類似開采條件下的巖移特征，不一定能反映覆巖運(yùn)移的普適規(guī)律。因此，后續(xù)將結(jié)合不同開采條件開展更為深入的研究。