孫慶先，陳清通，李宏杰，牟 義

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

煤層采出后，覆巖破壞自下而上不斷發(fā)展直至地表產(chǎn)生以沉陷為主的移動變形。在工作面推進過程中，工作面前方地表受采動影響下沉，這種現(xiàn)象就是超前影響，地表開始移動的點到當時工作面的水平距離為超前影響距，地表開始移動的點和當時工作面的連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角稱為超前影響角。

目前常用的采動影響預計計算多為地表移動變形的最終結(jié)果，即靜態(tài)結(jié)果。許多專家學者意識到，除了靜態(tài)的最終結(jié)果外，工程實踐中也需要動態(tài)預測地表變形，以便準確地評價受護對象的影響程度，科學地制定地表及其附屬物的治理修復方案和時機[1-3]。為此，很多學者作出了不懈努力，也獲得了一定研究成果，但作為動態(tài)變形的超前影響卻較少受到關注，且大多數(shù)研究成果認為，當工作面地質(zhì)采礦條件穩(wěn)定時，超前影響距(角)是固定不變的，是與采深、采厚、工作面推進速度、重復采動等因素有關的常量[4-9]。本研究通過理論分析和實例證實，超前影響距(角)是周期性變化的變量，為開采沉陷預測提供一種新的技術思想。

1 工作面開采對地表移動變形超前影響的機理分析

1.1 關鍵層理論簡要介紹

1996年，錢鳴高等[10]首次提出了關鍵層理論，為深入研究礦山壓力與巖層控制理論提供了依據(jù)。關鍵層理論認為，煤層上覆巖是由厚度不等、強度不同的巖層相間組成的，其中一層或數(shù)層厚硬巖層不易折斷，在巖層移動中起主要的控制作用。對采場上覆巖層局部或直至地表的全部巖體起控制作用的巖層稱為關鍵層，前者稱為亞關鍵層，后者稱為主關鍵層[11]。主關鍵層的破斷導致全部上覆巖層的破斷，也就是說，覆巖主關鍵層對地表移動的動態(tài)過程起控制作用，覆巖主關鍵層的破斷引起地表下沉速度和地表下沉影響邊界的明顯增大和周期性變化。陽泉礦區(qū)某煤礦[12]和神東礦區(qū)某煤礦[13]工作面內(nèi)部巖移的地面鉆孔原位觀測與地表沉陷觀測的對比發(fā)現(xiàn)，地表變形與主關鍵層的破斷同步。以此證明：主關鍵層控制了上覆基巖直至地表的移動變形。

1.2 基于關鍵層理論的地表移動變形超前影響機理

典型化和理想化了的超前影響過程如圖1所示。為簡化說明，假定工作面上覆巖層中僅有一層關鍵層，地質(zhì)采礦條件正常，單一煤層且不受鄰區(qū)開采影響，圖中H0為采深。

圖1 工作面開采的超前影響示意

圖1(a)為某任意時刻工作面開采后的情形，此時工作面位于位置A，工作面前方地表受采動影響最前端的點為1號點，下沉曲線為W1，超前影響距為l，超前影響角為ω；圖1(b)為工作面繼續(xù)推進至覆巖中關鍵層破斷前臨界狀態(tài)的情形，此時工作面位于位置B，由于關鍵層未破斷，關鍵層下界面以下覆巖垮落充填了采空區(qū)，關鍵層上界面以上覆巖直至地表未發(fā)生變化，工作面前方地表受采動影響最前端的點仍為1號點，下沉曲線仍為W1，此時的超前影響距為最小值lmin，而超前影響角達到最大值ωmax；圖1(c)為工作面位于位置B時覆巖中關鍵層破斷后的情形，由于關鍵層已破斷，關鍵層及其以上覆巖直至地表下沉變形，波及到工作面地表最前端的點由1號點前移至2號點，下沉曲線變化為W2，此時的超前影響距為最小值lmax，而超前影響角為最大值ωmin。此后周而復始，循環(huán)往復，直至回采結(jié)束。

覆巖中的關鍵層周期性破斷，從而引起工作面周期性來壓。從圖1可以看出，當工作面地質(zhì)采礦條件穩(wěn)定時，超前影響距的大小是周期性變化的，超前影響距最大值lmax和最小值lmin之差大致與工作面周期來壓步距l(xiāng)Z相當，即

lmax-lmin≈lZ

(1)

根據(jù)關鍵層理論對地表移動變形超前影響機理分析可知，地表移動變形是煤層開采后的覆巖破壞由下往上逐層傳遞直至地表的最終反映，地表下沉是在縱向上的反映，超前影響是在橫向上的反映。由于關鍵層對地表移動變形具有控制性作用，因此，地表移動變形與關鍵層破壞移動幾近同步，大體反映了關鍵層破斷前后的運動過程。

2 實例介紹分析

覆巖斷裂后的移動變形是否立即傳至地表，主要取決于覆巖與松散層厚度的比值(基載比)和覆巖力學性質(zhì)，基載比越小，傳至地表的時間就越短，一般在幾個小時至幾天不等[8]。基載比為0.57的檸條塔煤礦N1201工作面初次來壓后大約5h，地表就開始出現(xiàn)下沉[8]。覆巖運動傳播速度如此之快，即便在正常觀測頻率條件下，也很難捕捉到地表超前影響的準確信息。在以往的研究中，地表沉陷與工作面來壓大多是分開單獨研究的，人們未深刻理解工作面來壓(關鍵層破斷)與地表變形之間存在的對應關系而往往忽視對超前影響的觀測。因此，超前影響與工作面來壓(關鍵層破斷)同時報道的文獻記錄很少。本文介紹兩個實例。

2.1 實例1

大柳塔煤礦52306工作面開采5-2煤層。工作面走向長度1284.8m，傾斜長度280.5m，煤層厚度7.2～7.6m，平均厚度7.35m，上覆巖層的厚度135～185m，煤層傾角1°～3°，52306工作面巖移監(jiān)測孔平面布置如圖2所示[14，15]。該工作面為綜采工藝全部垮落法管理頂板。根據(jù)鉆孔揭露巖性和力學參數(shù)，判定工作面覆巖中存在3個關鍵層，最上部的主關鍵層為厚度8.75m的粉砂巖。為研究覆巖運動和地表沉陷變形規(guī)律，在工作面地表沿走向和傾向各布置了兩條觀測線，工作面內(nèi)部靠近回風順槽一側(cè)施工了DS1、DS2兩個鉆孔，其中DS1鉆孔內(nèi)安裝了4個位移計用于監(jiān)測巖層內(nèi)部變形情況，位移計盡量靠近關鍵層位置，如圖3所示[14]。

圖2 52306工作面巖移監(jiān)測孔平面布置

圖3 52306工作面DS1鉆孔內(nèi)部巖移監(jiān)測點布置

分析DS1鉆孔內(nèi)的位移計記錄信息和地表觀測站記錄信息發(fā)現(xiàn)[14]，覆巖自下而上依次破斷下沉直至地表，主關鍵層以下兩個亞關鍵層破斷下沉步調(diào)不同步，但主關鍵層破斷后，所有測點直至地表測點下沉速度趨于一致，也就是說，全部巖層直至地表幾乎與主關鍵層保持同步下沉。

地表沉陷觀測結(jié)果顯示[14]，超前影響距最大值、最小值分別為62.5m、34.8m，對應的超前影響角最小值、最大值分別為70.8°、79.1°。當覆巖主關鍵層破斷時，超前影響距大大增加，超前影響角迅速變小。隨著工作面的推進，超前影響距慢慢減小，超前影響角逐漸增大，直至覆巖主關鍵層的下一次周期破斷。

對神東礦區(qū)大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究成果顯示[16]，5-2煤層綜采工作面的周期來壓步距為15.0～18.0m；以52306工作面為工程背景的物理相似模擬試驗表明[17]，工作面的周期來壓步距為9.0～22.5m。這與52306工作面超前影響距最大、最小值之差大體相等。

地表沉陷觀測記錄和鉆孔內(nèi)部位移監(jiān)測記錄以及神東礦區(qū)5-2煤層綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的總結(jié)成果和物理相似模擬試驗成果證實本研究提出的觀點是科學可靠的。

2.2 實例2

補連塔煤礦31401工作面開采1-2煤層。工作面走向長度4629m，傾斜長度265m，煤層平均厚度4.6m，采高4.2m，煤層傾角1°～3°，如圖4所示[13，17]。該工作面為綜采工藝，全部垮落法管理頂板。為研究覆巖運動和地表沉陷變形規(guī)律，在工作面地表沿走向和傾向各布置了一條觀測線，工作面中部施工了S18鉆孔，孔內(nèi)安裝了2個位移計用于監(jiān)測巖層內(nèi)部變形情況，其中1個安裝在主關鍵層位置，另一個安裝在主關鍵層上部50m處，如圖5所示[13]。根據(jù)鉆孔揭露巖性和力學參數(shù)，判定工作面覆巖中存在3個關鍵層，最上部的主關鍵層為厚度47m的粉砂巖。

圖4 31401工作面巖移監(jiān)測孔平面布置

圖5 31401工作面S18鉆孔內(nèi)部巖移監(jiān)測點布置

S18鉆孔內(nèi)的位移計記錄信息和地表孔口觀測點記錄信息顯示[17]，3個測點的下沉量有少許差異，但對應的下沉速度曲線出現(xiàn)完全一致的變化，周期性地同時達到最大值和最小值。

實測數(shù)據(jù)顯示[17]，超前影響距最大值、最小值分別為76m、65m，對應的超前影響角最小值、最大值分別為75°、73°，當主關鍵層破斷時，超前影響為最大值，超前影響角為最小值。這說明主關鍵層對地表移動的動態(tài)過程起控制作用，主關鍵層的破斷引起地表下沉速度和下沉影響邊界的明顯增大和周期性變化。

對神東礦區(qū)大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究成果顯示[16]，1-2煤層周期來壓步距普遍為9～14m。這與31401工作面超前影響距最大、最小值之差大體相等。

地表沉陷觀測記錄和鉆孔內(nèi)部位移監(jiān)測記錄以及神東礦區(qū)1-2煤層綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的總結(jié)成果再次證實本研究提出的觀點是科學可靠的。

3 超前影響距(角)的影響因素分析

很多研究成果認為[18，19]超前影響距(角)受采動充分程度、煤層賦存條件、覆巖力學性質(zhì)、工作面推進速度、重復采動等因素影響，超前影響距(角)是固定不變的常量。為此，很多學者通過對實測數(shù)據(jù)的回歸分析建立了適合礦區(qū)特點的定量關系方程。例如有學者[20]分析東勝礦區(qū)的實測數(shù)據(jù)后認為，覆巖越堅硬、采深越大、工作面推進速度越快，超前影響角就越大，超前影響角與采深和推進速度之間的定量關系明顯。機理分析和實例證實，超前影響距(角)是在最大值和最小值之間周期性變化的變量，變化周期與工作面周期來壓步距大體一致。本文就影響超前影響距(角)變化的因素進行分析。

1)關鍵層性質(zhì)與結(jié)構(gòu)因素。關鍵層越厚、越堅硬，就越難破斷，破斷塊度就越大。關鍵層破斷后形成的“砌體梁”結(jié)構(gòu)直接影響著其上覆巖層及地表下沉曲線形態(tài)特征。關鍵層破斷塊度越大，其對地表下沉曲線特征的影響越顯著，關鍵層破斷塊度越短，地表下沉曲線越均化，越接近于正態(tài)分布[21]。覆巖中往往存在多個關鍵層，盡管亞關鍵層破斷后的移動未波及地表，但亞關鍵層依次破斷可以導致主關鍵層發(fā)生彎曲，進而弱化了主關鍵層對地表形態(tài)的控制性作用，多個關鍵層破斷的耦合導致工作面來壓步距表現(xiàn)出大小周期交替出現(xiàn)的非均值性，也會出現(xiàn)來壓不明顯的現(xiàn)象。主關鍵層的位置也影響其對地表形態(tài)控制性作用的大小，距離地表越近，影響程度越大，補連塔煤礦31401工作面主關鍵層至地表129m，大柳塔煤礦52306工作面主關鍵層距地表35m，因此，52306工作面主關鍵層的破斷對超前影響距(角)的影響程度大于31401工作面[14]。

2)覆巖結(jié)構(gòu)與力學性質(zhì)因素。覆巖結(jié)構(gòu)與力學性質(zhì)是影響覆巖運動傳播的重要因素，研究表明，基載比越小，覆巖斷裂后的運動傳播至地表的時間就越短[8]。松散層對超前影響距(角)的影響具有多重性，松散層的存在可以消化關鍵層的非均勻下沉[20]，中東部礦區(qū)大多存在一定厚度的松散層，這是難以觀測到超前影響距(角)周期性變化的原因之一，但是松散層的存在加速了覆巖運動的傳播速度，這是因為松散層的粘聚力很小，如果松散層是風積沙，覆巖破斷后的運動可直接傳播至地表[8]。

3)工作面推進速度因素。以往的研究成果視超前影響距(角)為常量，研究認為[18，19]推進速度越快，超前影響距就越小，超前影響角就越大。實際上，推進速度影響著關鍵層的破斷，因而對工作面來壓步距和地表超前影響距(角)造成影響。研究成果表明[21]，工作面推進速度越快，周期來壓步距越大。這將對超前影響距(角)的變化周期構(gòu)成影響。

4)觀測頻率與誤差。地表下沉速度曲線不是平滑的曲線，而是呈現(xiàn)上下波動大小交替的現(xiàn)象，下沉速度峰值呈現(xiàn)周期性[9]。也就是說，在關鍵層先后兩次破斷的間隔期內(nèi)，地表最前方的下沉點位置幾乎沒有變化。我國開展了大量的地表移動觀測工作，迄今為止的公開文獻顯示，從沒有對超前影響進行過專門的觀測，而是在對觀測站的日常觀測時隨機觀測超前影響距2～3次，取均值最為最終結(jié)果。總體上，地表觀測站的日常觀測頻率平均不足每月1次，地表活動的活躍期僅為每2個月3次。顯然，日常觀測的頻率偏低，實測數(shù)據(jù)不是關鍵層破斷(來壓)時所采集，因此，也就無法捕捉到超前影響的準確數(shù)據(jù)，存在誤差在所難免。

4 結(jié) 語

主觀上人們沒有深刻理解超前影響的本質(zhì)，客觀上，地質(zhì)采礦條件的千變?nèi)f化導致地表超前影響周期性變化不明顯，同時地表觀測常常發(fā)生漏測現(xiàn)象，因此，難有超前影響距(角)周期性變化的觀測記錄和成果分析的公開報道。通過機理分析可知，關鍵層周期破斷與地表超前影響距(角)、工作面周期來壓步距存在一一對應關系。當?shù)刭|(zhì)采礦條件穩(wěn)定時，超前影響距最大值lmax與最小值lmin之差與關鍵層周期破斷導致的周期來壓步距l(xiāng)Z大體相等，即lmax-lmin≈lZ。實例證明本文的技術思想科學可靠。覆巖破壞既引發(fā)采場來壓，也導致地表沉陷。本文的技術思想為探索實現(xiàn)采場來壓與地表移動變形的有機統(tǒng)一提供了新的思路。隨著礦壓理論的不斷發(fā)展完善，開采沉陷理論也將融入更多的新理念、新觀點。