喬 偉，趙世隆，李連剛，甘圣豐，江傳文，劉夢(mèng)楠，張 磊，段玉路

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.礦山水害防治技術(shù)基礎(chǔ)研究國(guó)家級(jí)專(zhuān)業(yè)中心實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.陜西金源招賢礦業(yè)有限公司，陜西 寶雞 721599；4.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

我國(guó)侏羅系煤田主要集中在陜北、神東、黃隴、蒙東等國(guó)家大型煤炭開(kāi)發(fā)基地，2020 年預(yù)計(jì)產(chǎn)量達(dá)到18.1 億t，占全國(guó)的近50%［1-2］。 近年來(lái)，我國(guó)西北地區(qū)侏羅系厚及特厚煤層的開(kāi)采引發(fā)的水害呈現(xiàn)一些新特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為工作面強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)伴隨高位白堊系含水層大流量涌水突水，突水具有瞬時(shí)量大、衰減較快，且具有周期性特征等。 如黃隴煤田彬長(zhǎng)礦區(qū)大佛寺煤礦40110 工作面發(fā)生涌水量200 m3/h 以上的洛河組含水層涌（突）水10 次；永隴礦區(qū)崔木煤礦21301 工作面回采期間發(fā)生12 次壓架突水事故，壓架伴隨涌水，洛河組底部離層水最大涌水量1 100 m3/h，導(dǎo)致90 臺(tái)支架壓架。 周期性突水水源主要來(lái)自白堊系巨厚含水層與其下伏的侏羅系軟弱泥質(zhì)巖層易形成高位離層積水。

在覆巖高位離層發(fā)育和離層水害方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)理論和實(shí)踐研究。 謝憲德［3］從水量、水質(zhì)、突水機(jī)理和離層裂隙分布規(guī)律等方面分析了南桐煤礦離層裂隙水突水特征。 喬偉等［4］分析了海孜礦離層突水條件和發(fā)生機(jī)理，提出“動(dòng)力突水”的概念，對(duì)突水通道的形成進(jìn)行了力學(xué)定量分析。 朱衛(wèi)兵等［5］通過(guò)工程探測(cè)和理論分析，認(rèn)為巨厚火成巖下封閉的離層區(qū)積水的荷載傳遞作用導(dǎo)致下部亞關(guān)鍵層發(fā)生復(fù)合破斷，使得頂板導(dǎo)水裂縫帶異常發(fā)育，溝通了離層區(qū)積水。 針對(duì)濟(jì)寧二號(hào)井的離層水問(wèn)題，喬偉等［6］提出離層水“靜水壓涌（突）水”的離層水涌（突）水類(lèi)型，這類(lèi)離層突水的關(guān)鍵是確定采場(chǎng)頂板離層水的靜水壓力及其可突破的相對(duì)隔水層厚度。 張?chǎng)蔚龋?］通過(guò)三維地震對(duì)離層發(fā)育層位及分布范圍進(jìn)行探測(cè)，依據(jù)薄板彈性理論，通過(guò)計(jì)算離層上下位巖層板的撓度差來(lái)預(yù)計(jì)離層體積。 舒宗運(yùn)［8］等利用尖點(diǎn)突變模型解釋離層關(guān)鍵層破斷的能量躍遷方式，提出“壓裂”和“劈裂”2 種離層突水模式。 國(guó)外學(xué)者開(kāi)展了覆巖破壞模型、覆巖破壞高度實(shí)測(cè)和采動(dòng)覆巖垂直方向滲透性等內(nèi)容的研究［9-13］。 PALCHIK［14］在覆巖地層中定位離層，揭示了煤層厚度、離層發(fā)育位置、覆巖厚度等因素對(duì)水平裂縫的影響，并研究了離層空間上、下巖層的力學(xué)性能差異。 彭濤等［15］針對(duì)黃隴煤田照金煤礦突水潰砂事故，從導(dǎo)水通道、充水水源、物源、儲(chǔ)水空間、動(dòng)力源和地質(zhì)構(gòu)造等多方面對(duì)該類(lèi)型災(zāi)害機(jī)制進(jìn)行綜合分析。 石磊［16］通過(guò)離散元顆粒流PFC3D軟件模擬弱膠結(jié)覆巖條件下不同采厚情況下發(fā)生潰水潰沙的可能性。

1）崔木煤礦為招賢煤礦的鄰近礦區(qū)，二者都屬于永隴礦區(qū)，煤層開(kāi)采條件相似，在離層水研究方面可以相互借鑒。 林青等［17］采用數(shù)值計(jì)算對(duì)崔木煤礦煤層頂板涌（突）水與水位聯(lián)動(dòng)機(jī)制、離層發(fā)育位置和覆巖導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度進(jìn)行了研究。 喬偉等［18］分析了崔木煤礦巨厚煤層離層水的形成條件，設(shè)計(jì)地面直通式導(dǎo)流孔對(duì)離層積水進(jìn)行有效疏放，并研究了采高和離層水突水的關(guān)系以及工作面推進(jìn)速度與離層空間積水量的關(guān)聯(lián)性。 婁金福等［19］圍繞崔木煤礦松軟富水地層覆巖破斷與頂板來(lái)壓特征、離層水致災(zāi)機(jī)理及災(zāi)害預(yù)警防控開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)跟班實(shí)測(cè)與理論研究。 雷利劍等［20］利用Theis 公式建立崔木煤礦了洛河組水位動(dòng)態(tài)恢復(fù)模型，對(duì)突水造成的水位下降和恢復(fù)時(shí)間進(jìn)行預(yù)計(jì)。 程香港等［21］以招賢煤礦為例提出了修正后的三維采動(dòng)裂隙應(yīng)力-滲流網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型，分析了覆巖采動(dòng)滲透率的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。 甘圣豐等［22］對(duì)招賢煤礦1307 工作面頂板的涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，計(jì)算出靜儲(chǔ)量，給出了離層積水均勻下泄時(shí)的涌水量計(jì)算方法和公式，通過(guò)比擬法確定了災(zāi)變涌水量。

2）招賢煤礦1307 工作面回采期間工作面未出水，但宜君組含水層水位出現(xiàn)4 次異常降深的情況，而1304 工作面接連出現(xiàn)“3·29”“5·6”和“7·1”三次離層涌（突）水。 筆者采用理論分析、數(shù)值模擬、物理模擬、開(kāi)采期間水位及微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究招賢煤礦首采區(qū)白堊系巨厚層含水層與侏羅系軟弱泥質(zhì)巖層形成的高位離層發(fā)育規(guī)律，分析離層涌（突）水前兆信息，為防治侏羅-白堊系采動(dòng)覆巖離層涌水提供依據(jù)。

1 首采區(qū)工作面概況

招賢煤礦位于陜西省寶雞市麟游縣西北部，1307 工作面及首采面位于招賢煤礦首采區(qū)東南翼，屬隴東黃土高原南部邊緣地帶。 1307 工作面開(kāi)采煤層為侏羅系中統(tǒng)延安組3 煤，該煤層傾角3°～17°，平均傾角9°，煤厚為4.00 ～15.00 m，平均厚度10.33 m。 工作面起止標(biāo)高+760—+879 m，工作面走向長(zhǎng)1 108 m，開(kāi)切眼傾向?qū)?55 m； 1304 工作面位于招賢煤礦首采區(qū)西北部，為1307 工作面的接替面，煤層傾角5°～22°，平均傾角14°，3 煤厚為7 ～16 m，平均厚度11 m。 工作面起止標(biāo)高+746—+965 m，工作面走向長(zhǎng)1 680 m，傾斜寬186 m。 招賢煤礦首采區(qū)地質(zhì)平面如圖1 所示。

圖1 招賢煤礦首采區(qū)地質(zhì)平面圖Fig.1 Geological profile of initial mining area in Zhaoxian Coal Mine

招賢煤礦地層由老至新依次有：三疊系中統(tǒng)銅川組（T2t），侏羅系下統(tǒng)富縣組（J1f）、中統(tǒng)延安組（J2y）、直羅組（J2z）、安定組（J2a），白堊系下統(tǒng)宜君組（K1y）、洛河組（K1l），新近系（N）及第四系中-上更新統(tǒng)（Q2+3）、全新統(tǒng)（Q4）。

由圖1 可知，招賢煤礦首采區(qū)3 煤頂板以上覆含（隔）水層由下往上分別為侏羅系延安組砂巖裂隙含水層（J2y）、侏羅系直羅組砂巖裂隙含水層（J2z）、侏羅系安定組泥巖隔水層（J2a）、白堊系宜君組礫巖裂隙含水層（K1y）、白堊系洛河組砂巖孔隙裂隙含水層（K1l）。 侏羅系中統(tǒng)延安組煤層及頂板砂巖裂隙含水層（J2y）單位涌水量0.000 34～0.003 76 L/（s·m），滲透系數(shù)0.000 576～0.021 96 m/d，富水性弱。 侏羅系中統(tǒng)直羅-安定組砂巖裂隙含水層（J2z）單位涌水量0.000 18～0.009 5 L/（s·m），滲透系數(shù)0.000 481 ～0.062 58 m/d，富水性弱。 白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖裂隙含水層（K1y）單位涌水量0.006 1 ～0.037 96 L/（s·m），滲透系數(shù)0.002 951～0.05 m/d，富水性弱。 白堊系洛河組砂巖孔隙裂隙含水層（K1l）單位涌水量0.000 31～0.003 87 L/（s·m），滲透系數(shù)0.001 812～0.006 500 m/d，富水性弱。 其中安定組中泥巖含量較高，可以劃分為3 個(gè)巖組：泥巖-粉砂巖互層、泥巖-細(xì)砂巖互層和泥巖-粉砂巖互層，泥巖作為隔水層能夠阻隔其上部含水層向下補(bǔ)給，另外泥巖遇水崩解軟化，重新彌合后可使因煤層采動(dòng)形成的導(dǎo)水裂隙彌合。

2 高位離層關(guān)鍵層判斷

在煤系地層中存在一層或多層硬厚巖層對(duì)采場(chǎng)上覆巖層活動(dòng)起控制作用，其中對(duì)采場(chǎng)上覆局部巖層起控制作用的巖層被稱(chēng)為亞關(guān)鍵層；對(duì)地表至煤層頂板的全部巖層活動(dòng)起控制作用的巖層被稱(chēng)為主關(guān)鍵層［23］。 煤層開(kāi)采后形成采空區(qū)，采空區(qū)上覆巖層下沉變形，在關(guān)鍵層下沉變形的過(guò)程中承受上覆巖層載荷，與其上覆巖層協(xié)調(diào)變形，而其下部巖層不再承擔(dān)它所承受的荷載，關(guān)鍵層與其下部巖層出現(xiàn)不協(xié)調(diào)變形產(chǎn)生離層［24］，可得

式中：qn、qn+1分別為第n、n+1 層巖層對(duì)第1 層關(guān)鍵層形成的荷載。

若將采場(chǎng)上覆巖層看成由若干組巖層疊加組合而成，且各巖層上的荷載呈均勻分布，根據(jù)組合梁原理可得

式（2）可簡(jiǎn)化為

式中：Ei、hi、γi分別為第i層巖層彈性模量、厚度、容重。

根據(jù)首采區(qū)地層資料，按照工程地質(zhì)巖組將覆巖進(jìn)行合并，并通過(guò)覆巖關(guān)鍵層理論判別關(guān)鍵層［25］，判別結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 招賢首采區(qū)關(guān)鍵層判別Table 1 Discrimination of key stratum in first mining area of Zhaoxian Coal Mine

3 煤的直接充水含水層為侏羅系延安組煤系裂隙含水層及直羅組砂巖裂隙含水層，但其覆巖發(fā)育有巨厚宜君組礫巖含水層，工作面推進(jìn)過(guò)程中，其與下方安定組泥巖分界面處由于撓度差異易產(chǎn)生不協(xié)調(diào)沉降，形成一定的離層空間，離層空間接受宜君組巨厚礫巖含水層補(bǔ)給形成離層積水。 隨著開(kāi)采面積擴(kuò)大，覆巖變形和破壞更加劇烈，可能會(huì)形成一定規(guī)模的離層積水。

3 覆巖離層模擬分析

3.1 相似模擬

3.1.1 相似模型布置

根據(jù)招賢煤礦實(shí)際工程地質(zhì)條件，制作相似模擬試驗(yàn)。 相似模擬試驗(yàn)遵循相似三定理理論，應(yīng)滿(mǎn)足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、邊界相似及對(duì)應(yīng)物理量成比例的要求［26］。 基于研究對(duì)象及試驗(yàn)條件，本次物理模擬試驗(yàn)相似模型采用2 500 mm×300 mm×2 000 mm 相似模擬試驗(yàn)臺(tái)搭建模型，幾何相似比CL＝300，時(shí)間相似比Ct＝17.32，模型相似材料密度約1.60 g/cm3。 本試驗(yàn)選用抗壓強(qiáng)度作為原型和模型相似的主要指標(biāo)，根據(jù)巖層與煤層相似關(guān)系計(jì)算應(yīng)力比分別得：CσR＝473，CσC＝249。

受限于實(shí)驗(yàn)室相似模擬試驗(yàn)臺(tái)，本次相似模擬試驗(yàn)相似模型的研究區(qū)選取的工程地質(zhì)單元從宜君組中礫巖頂界面到煤層下延安組粉砂巖底界面，實(shí)際厚度為465 m，模型厚度為1.55 m。 研究區(qū)以上巖土體產(chǎn)生的應(yīng)力采用荷載補(bǔ)償裝置加載，荷載大小7.2 kN。 相應(yīng)的覆巖模型物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 覆巖模型物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of overburden mode

為了消除邊界效應(yīng)的影響，在模型兩側(cè)留設(shè)30 cm煤柱，在模型右側(cè)開(kāi)切眼，從右向左推進(jìn)，采高4 cm，每次向右推進(jìn)10 cm，每次開(kāi)挖一次靜置1 h，相當(dāng)于原型一次采全高11 m，后期可適當(dāng)增大開(kāi)挖距離，模型穩(wěn)定后及時(shí)采集數(shù)據(jù)，再進(jìn)行下一次的開(kāi)挖。

3.1.2 相似模擬結(jié)果

物理模型開(kāi)挖由右向左，在開(kāi)挖初期，由于開(kāi)挖距離未達(dá)到巖層破斷距，覆巖無(wú)明顯變化，模型暫時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，裂隙發(fā)育不明顯。 模型開(kāi)采50 cm（對(duì)應(yīng)實(shí)際150 m）時(shí)，煤層頂板上延安組細(xì)砂巖出現(xiàn)橫向裂隙，并發(fā)生垮落，垮落巖層高度7 cm（對(duì)應(yīng)實(shí)際21 m）。 模型開(kāi)采70 cm（對(duì)應(yīng)實(shí)際210 m）的模型破壞情況（圖2a），直羅組粉砂巖與安定組粗砂巖之間出現(xiàn)離層，離層最大寬度48 cm（對(duì)應(yīng)實(shí)際144 m），離層空間最高點(diǎn)距離煤層頂板26 cm（對(duì)應(yīng)實(shí)際78 m），此時(shí)開(kāi)切眼側(cè)巖層破斷角74°，推進(jìn)側(cè)巖層破斷角61°。

圖2 模型開(kāi)采70 cm 和130 cm 時(shí)的覆巖破壞Fig.2 Overburden failure when working face advanced distance 70 cm and 130 cm

工作面推進(jìn)100 cm 時(shí)（實(shí)際300 m），直羅組粉砂巖與安定組粗砂巖之間的離層閉合；安定組中部產(chǎn)生了新的離層，離層最大寬度65 cm（實(shí)際195 m），此時(shí)開(kāi)切眼側(cè)巖層破斷角80°，推進(jìn)側(cè)巖層破斷角66°。 覆巖中可見(jiàn)八字形縱向主導(dǎo)水裂隙，橫向裂隙發(fā)育早于縱向裂隙，此時(shí)縱向主導(dǎo)水裂隙尚未與離層空間貫通。

工作面推進(jìn)110 cm 時(shí)（實(shí)際330 m），安定組中部離層最大寬度仍為65 cm（實(shí)際195 m），而安定組與宜君組之間出現(xiàn)了新的離層空間，但縱向裂隙尚未突破安定組中部的離層空間。 工作面推進(jìn)130 cm時(shí)（實(shí)際390 m），安定組與宜君組之間的離層擴(kuò)大，離層最大寬度69 cm（實(shí)際234 m），離層空間最高點(diǎn)距離煤層頂板82 cm（實(shí)際246 m），此時(shí)開(kāi)切眼側(cè)巖層破斷角81°，推進(jìn)側(cè)巖層破斷角60°（圖2b），安定組亞關(guān)鍵層初次極限破斷距和周期破斷距分別為38、32 cm，即實(shí)際的114、96 m。

3.2 數(shù)值模擬

3.2.1 計(jì)算模型建立

根據(jù)招賢首采區(qū)實(shí)際情況建立數(shù)值模型（圖3）。

圖3 離散元數(shù)值計(jì)算模型Fig.3 Discrete element numerical model

通過(guò)招賢首采區(qū)綜合柱狀圖劃分出12 個(gè)工程地質(zhì)巖組，各地層參數(shù)參照相似模擬試驗(yàn)，節(jié)理參數(shù)見(jiàn)表3。 模型長(zhǎng)度為1 200 m，寬度300 m，高度為465 m，煤層底板為18 m 厚粉砂巖，模型按各巖層水平處理。 模型上邊界為宜君組中礫巖頂界面，在模型上邊界施加1.177 MPa 豎向荷載模擬上覆巖層的作用，模型左邊界、右邊界和下部邊界視為位移為0的約束邊界，模型頂部為自由邊界。 考慮到邊界效應(yīng)，將開(kāi)挖模型設(shè)置在模型中部，開(kāi)切眼設(shè)置在距離右邊界200 m 處，向模型左側(cè)開(kāi)挖，采高11 m，共推進(jìn)800 m，兩邊設(shè)置足夠的保護(hù)煤柱。

表3 節(jié)理力學(xué)參數(shù)Table 3 Joint mechanical parameters

3.2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

工作面推進(jìn)50 m 時(shí)，直接頂隨即開(kāi)始垮落，由于煤柱支撐作用，基本頂暫未有明顯裂隙。 ①工作面推進(jìn)100 m 后（圖4a），直接頂繼續(xù)垮落，第3 層延安組細(xì)砂巖與第4 層延安組泥巖之間出現(xiàn)離層，離層最大寬度59 m，高度0.8 m。 工作面推進(jìn)200 m時(shí)，第3 層延安組細(xì)砂巖與第4 層延安組泥巖之間的離層閉合；第4 層延安組泥巖與第5 層直羅組粉砂巖之間產(chǎn)生明顯的橫向離層空間；②工作面推進(jìn)250 m 時(shí)（圖4b），第4 層延安組泥巖與第5 層直羅組粉砂巖之間的離層空間閉合；新的離層出現(xiàn)在第5 層直羅組粉砂巖與第6 層安定組粗砂巖之間，離層最大寬度138 m，高度5.4 m，在離層空間之上則發(fā)育有。 工作面推進(jìn)300 m 時(shí)，第5 層直羅組粉砂巖與第6 層安定組粗砂巖之間的離層擴(kuò)大；第10 層安定組粉砂巖與第11 組宜君組礫巖之間產(chǎn)生新的離層；第7、8、9 層都為泥巖，巖層之間參數(shù)指標(biāo)相似，整體巖性軟弱，不具備“空腔型”離層產(chǎn)生的條件，因此未見(jiàn)明顯離層發(fā)育。

圖4 工作面推進(jìn)100 m 和250 m 時(shí)覆巖破壞Fig.4 Overburden failure when working face advanced distance 100 m and 250 m

工作面推進(jìn)到400 m 時(shí)（圖5a），第5 層直羅組粉砂巖與第6 層安定組粗砂巖之間的離層閉合；第10 層安定組粉砂巖與第11 層宜君組礫巖之間的離層擴(kuò)大。 此時(shí)左右兩側(cè)巖層破斷角分別為72°和71°。 第10 層安定組粉砂巖巖層初次破斷距為131 m，周期破斷距119 m。 工作面推進(jìn)到600 m 時(shí)，第10 層安定組粉砂巖與第11 層宜君組礫巖之間的離層發(fā)育到最大，宜君組內(nèi)部第11 層與第12 層之間開(kāi)始出現(xiàn)離層，覆巖充分運(yùn)動(dòng)后，其下部離層空間逐漸彌合，壓實(shí)區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大。 工作面推進(jìn)到800 m 時(shí)（圖5b），宜君組內(nèi)部高位離層空間擴(kuò)大，安定組與宜君組礫巖之間離層在橫向上擴(kuò)大，高度減小，其下部巖層充分運(yùn)動(dòng)后，壓實(shí)區(qū)不斷增大。 此時(shí)左右兩側(cè)巖層破斷角分別為70°和72°。

圖5 工作面推進(jìn)400 m 和800 m 時(shí)覆巖破壞Fig.5 Overburden failure when working face advanced distance 400 m and 800 m

運(yùn)用MATLAB 對(duì)覆巖破壞切片圖進(jìn)行識(shí)別提取，構(gòu)建覆巖主控裂隙概念模型（圖6）。 在水平開(kāi)采條件下，在對(duì)稱(chēng)梯形破壞區(qū)中最大橫向高位離層位于其頂部，橫縱裂隙網(wǎng)格與主控裂隙并存。 根據(jù)梯形破壞區(qū)整體裂隙發(fā)育類(lèi)型將覆巖破壞分為6 個(gè)區(qū)域：1 離層區(qū)位于梯形破壞區(qū)右下開(kāi)切眼側(cè)，巖層的垮落回轉(zhuǎn)形成較為明顯的橫向裂隙；2 離層區(qū)與1離層區(qū)對(duì)稱(chēng)，區(qū)域內(nèi)離層相對(duì)較小，隨著工作面推進(jìn)不斷更新前移；3 壓實(shí)區(qū)位于采空區(qū)中部，由于壓實(shí)作用區(qū)域內(nèi)橫向裂隙幾乎不發(fā)育，縱向裂隙發(fā)育也較少；4、5 微離層區(qū)位于梯形破壞區(qū)兩側(cè)，由于采空區(qū)空間一定，離層區(qū)由煤層頂向上逐級(jí)發(fā)育，巖層的破斷導(dǎo)致巖石碎脹，上層離層的發(fā)育空間逐級(jí)減少，離層發(fā)育規(guī)模較小，屬微離層區(qū)；6 裂隙網(wǎng)格區(qū)位于“富裂隙拱”之上，區(qū)域內(nèi)以橫縱裂隙網(wǎng)格為主，裂隙密集但規(guī)模較小。 覆巖主控裂隙由縱向主導(dǎo)水裂隙和橫向高位離層裂隙（空間）組成，縱向主導(dǎo)水裂隙呈八字形對(duì)稱(chēng)分布，覆巖層位的增高使得縱向主導(dǎo)水裂隙逐漸變陡。

圖6 主控裂隙概念模型Fig.6 Conceptual model of master fractures

4 高位離層演化規(guī)律與突水前兆信息

4.1 高位離層演化模擬結(jié)果

對(duì)比相似材料模擬試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果，得到的覆巖主控裂隙發(fā)育研究規(guī)律基本一致。在煤層開(kāi)采過(guò)程中，一般來(lái)說(shuō)橫向裂隙先發(fā)育，縱向裂隙后發(fā)育，橫向裂隙的增大會(huì)促進(jìn)縱向裂隙的發(fā)育，直到整個(gè)巖層破斷，產(chǎn)生大量縱向裂隙。 隨著工作面不斷推進(jìn)，形成采空區(qū)，覆巖下沉變形破壞，由于巖層之間的不協(xié)調(diào)變形，橫向離層由下到上逐層發(fā)育，當(dāng)推進(jìn)距離達(dá)到巖層破斷距，巖層破斷后產(chǎn)生縱向裂隙；覆巖運(yùn)動(dòng)伴隨離層的發(fā)育，由采動(dòng)引起的覆巖運(yùn)動(dòng)促進(jìn)離層的擴(kuò)容，覆巖充分運(yùn)動(dòng)后離層逐漸彌合形成壓實(shí)區(qū)；工作面開(kāi)切眼、推進(jìn)方向上方的巖層，橫、豎向裂隙發(fā)育較密集，這是由于覆巖破斷巖塊之間咬合結(jié)構(gòu)未完全破壞，對(duì)巖塊提供支撐能力。

通過(guò)數(shù)值模擬和相似模擬預(yù)計(jì)了安定組亞關(guān)鍵層3 的極限破斷距和周期破斷距，2 種方法得到的亞關(guān)鍵層破斷距匯總見(jiàn)表4。 采用數(shù)值模擬和物理模擬的平均值，分別對(duì)工作面推進(jìn)過(guò)程中離層水害威脅較大的區(qū)域進(jìn)行預(yù)計(jì)見(jiàn)表5。 通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬和物理模擬計(jì)算得出的亞關(guān)鍵層破斷位置與經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)分析基本一致。

表4 招賢煤礦首采工作面亞關(guān)鍵層破斷距對(duì)比Table 4 Comparison of breaking distance of sub key strata in innitial mining area of Zhaoxian coal mine

表5 招賢煤礦首工作面亞關(guān)鍵層破斷位置預(yù)測(cè)Table 5 Prediction of sub key layer breaking position of working face in nitial mining area of Zhaoxian coal mine

4.2 高位離層演化的含水層水位響應(yīng)

招賢煤礦1307、1304 工作面開(kāi)采期間水位變動(dòng)與微震異常與侏羅-白堊系采動(dòng)覆巖高位離層演化存在聯(lián)系，將含水層水位變動(dòng)、微震監(jiān)測(cè)異常作為離層涌（突）水前兆信息，指導(dǎo)礦井安全高效生產(chǎn)。

4.2.1 1307 工作面

1307 工作面開(kāi)采期間附近共有3 個(gè)水文長(zhǎng)觀(guān)孔，分別記作G1、G2 和G3，3 個(gè)孔水位監(jiān)測(cè)孔的目的層位宜君組含水層。 隨著1307 工作面的推進(jìn)，觀(guān)測(cè)孔水位總體呈下降趨勢(shì)如圖7 所示。 根據(jù)G1 和G2 孔水位變化曲線(xiàn)，G1 和G2 孔水位下降異常區(qū)具有一致性，G2 孔在采掘過(guò)程中距離工作面較近，作為預(yù)計(jì)的主要的參照對(duì)象。 對(duì)G2 孔幾個(gè)異常區(qū)間進(jìn)行匯總，工作面推進(jìn)范圍分別為307.9 ～324.9、332.9～382.2、672.6 ～687.0 和1091.2 ～1119.4 m，其降深分別為3.35、3.16、5.57、6.10 m。 微震監(jiān)測(cè)設(shè)備在2018 年8 月12 日—12 月18 日期間出現(xiàn)故障，造成部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失。

圖7 1307 工作面微震-水位聯(lián)動(dòng)分析Fig.7 Analysis of micro seismic water level linkage in No.1307 working face

煤層開(kāi)采過(guò)后形成采空區(qū)，覆巖自下而上逐漸變形破壞，上層覆巖產(chǎn)生高位橫向裂隙形成離層空間。 在2018 年2 月8 日—16 日，工作面推進(jìn)距離為307.9～324.9 m，G2 孔水位出現(xiàn)第1 次異常降深，且在2018 年2 月13 日出現(xiàn)微震大能量事件（在1307 工作面開(kāi)采過(guò)程中微震能量大于2×104J），此時(shí)符合宜君組下亞關(guān)鍵層在297 m 附近發(fā)生破斷的預(yù)測(cè)。 根據(jù)覆巖模擬結(jié)果，在工作面推進(jìn)300 m 附近，宜君組下伏亞關(guān)鍵層破斷，宜君組礫巖與安定組粉砂巖之間開(kāi)始出現(xiàn)離層，離層空間拉開(kāi)，離層開(kāi)始接受上覆宜君組層補(bǔ)給，造成含水層水位下降。

在2018 年2 月23 日—3 月9 日，工作面推進(jìn)距離為332.9～382.2 m，G2 孔水位出現(xiàn)第2 次異常降深，在此期間微震監(jiān)測(cè)較為正常，宜君組下伏亞關(guān)鍵層在發(fā)生第一次破斷后，亞關(guān)鍵層下伏巖層充分運(yùn)動(dòng)后，亞關(guān)鍵層開(kāi)始回轉(zhuǎn)，離層空間迅速擴(kuò)大，水位由升轉(zhuǎn)降。

在2018 年3 月21 日—6 月1 日，工作面推進(jìn)距離為428.7～657.3 m，G2 孔水位穩(wěn)定下降，亞關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)穩(wěn)定，離層空間逐漸拉開(kāi)，期間微震檢測(cè)存在異常區(qū)間，宜君組下伏亞關(guān)鍵層破斷預(yù)測(cè)405、514、623 m 附近存在微震大能量事件。

在2018 年6 月6—12 日，工作面推進(jìn)距離為672.6～687 m，G2 孔水位出現(xiàn)第3 次異常降深，且在2018 年6 月8 日、6 月12 日出現(xiàn)2 次微震大能量事件，此時(shí)符合宜君組下亞關(guān)鍵層在732 m 附近發(fā)生破斷的預(yù)測(cè)，此次亞關(guān)鍵層破斷后發(fā)生大規(guī)模回轉(zhuǎn)，水位下降異常。

在2018 年6 月13 日—12 月19 日，工作面推進(jìn)距離為689.3～1 086.4 m，G2 孔水位變化較小，持續(xù)緩慢上升或緩慢下降，在此期間離層進(jìn)行周期性發(fā)育；通過(guò)模擬試驗(yàn)可知，在工作面推進(jìn)距離達(dá)到600 m后宜君組內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)離層；宜君組關(guān)鍵層破斷后，其下部宜君組與安定組之間的離層開(kāi)始閉合，涌（突）水通道彌合，含水層水位上升。

在2018 年12 月20—31 日，工作面推進(jìn)距離為1 091.2 ～1 120.8 m，G2 孔水位出現(xiàn)第四次異常降深，且在2018 年12 月21 日出現(xiàn)微震大能量事件，此時(shí)符合宜君組下亞關(guān)鍵層在1 059 m 附近發(fā)生破斷的預(yù)測(cè)，此次亞關(guān)鍵層破斷后發(fā)生大規(guī)?；剞D(zhuǎn)，水位下降異常；隨著工作面推進(jìn)距離的增加，巖層懸露長(zhǎng)度也在增加，宜君組巨厚層礫巖層發(fā)生破斷，對(duì)下伏巖層有較強(qiáng)的壓力，覆巖運(yùn)動(dòng)加劇，巖層大規(guī)?；剞D(zhuǎn)，造成水位異常降深。

4.2.2 1304 工作面

1304 工作面開(kāi)采附近共有3 個(gè)水文長(zhǎng)觀(guān)孔，分別為G3、G4 和G7，其中G3、G4 孔水位變化較為明顯。 隨著1304 工作面的推進(jìn)，觀(guān)測(cè)孔水位總體呈下降趨勢(shì)，在水位下降的過(guò)程中，存在異常區(qū)間，如圖8 所示。 1304 工作面根據(jù)微震頻次以及微震能量將工作面充分采動(dòng)范圍劃分為19 個(gè)階段，見(jiàn)表6。

圖8 1304 工作面微震-水位聯(lián)動(dòng)分析Fig.8 Analysis of micro seismic water level linkage in No.1304 working face

表6 1304 工作面微震監(jiān)測(cè)異常分區(qū)Table 6 Abnormal zoning of microseismic monitoring in No.1304 working face

1）第1—4 階段，工作面推進(jìn)距離為113.2 ～313.5 m，煤層開(kāi)采過(guò)后3 煤上巖層由下向上逐漸破壞，工作面處于開(kāi)采初期，存在較大單次震動(dòng)能量事件，上覆關(guān)鍵層已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生破斷，處于工作面“見(jiàn)方位置”出現(xiàn)較大單次震動(dòng)能量。 在此階段初期，離層空間發(fā)育速度較慢，宜君組下伏離層空間發(fā)育較小，宜君組向離層空間補(bǔ)水向G3、G4 孔水位有下降趨勢(shì)，但變化幅度較??；微震單次大震動(dòng)能量（在1304 工作面開(kāi)采過(guò)程中大于5×104J）事件可以體現(xiàn)關(guān)鍵層的破斷，關(guān)鍵層破斷后，關(guān)鍵層及其下伏巖層回轉(zhuǎn)變形破壞加劇，表現(xiàn)為微震日總震動(dòng)能量較大，單次震動(dòng)能量較小，宜君組下伏離層空間迅速擴(kuò)大，宜君組向離層空間補(bǔ)水，G3、G4 孔水位急劇下降。

2）第5—12 階段，隨著工作面開(kāi)采煤層上覆巖層運(yùn)動(dòng)加劇，工作面推進(jìn)距離為316.7 ～793.7 m，G3、G4 水位上下波動(dòng)，微震單次大能量事件呈周期性在亞關(guān)鍵層破斷位置預(yù)測(cè)位置附近出現(xiàn)。 在此階段，離層隨關(guān)鍵層周期性破斷產(chǎn)生周期性擴(kuò)大、閉合，在關(guān)鍵層破斷后非關(guān)鍵層巖層破斷加劇，由于未完全破斷的下伏亞關(guān)鍵層還具有一定的自穩(wěn)能力，且?guī)r層具有碎脹性，阻止上覆關(guān)鍵層的變形破壞，同時(shí)覆巖關(guān)鍵層首先在四周支點(diǎn)斷裂，關(guān)鍵層在支點(diǎn)處有一定的鉸接能力，巖層處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，離層空間會(huì)隨著關(guān)鍵層在支點(diǎn)處回轉(zhuǎn)變形緩慢擴(kuò)大，此時(shí)離層空間擴(kuò)大量較小且之前形成的離層空間在逐漸閉合，宜君組含水層補(bǔ)給量大于離層空間匯水量，G3、G4 水位回升；在關(guān)鍵層完全破斷巖層失穩(wěn)后離層匯水空間迅速增大，水位下降，待巖層恢復(fù)穩(wěn)定后水位繼續(xù)上升；2020 年1 月15 日，工作面推進(jìn)778.9 m，出現(xiàn)1 次微震大震動(dòng)能量事件，上述模擬結(jié)果也顯示工作面推進(jìn)600 m 后宜君組內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)離層，工作面推進(jìn)800 m 后宜君組內(nèi)部巨厚層礫巖破斷，離層空間拉開(kāi)；在宜君組內(nèi)部巨厚層礫巖破斷前，微震頻次及微震總能量較大，微震單次最大震動(dòng)能量較小，隨著小的巖體結(jié)構(gòu)破裂事件不斷孕育會(huì)產(chǎn)生大的巖體結(jié)構(gòu)的破斷，宜君組下伏亞關(guān)鍵層的初次破斷和多次周期破斷加劇了宜君組關(guān)鍵層的破斷下沉過(guò)程。

圖9 1304 工作面涌水量水位聯(lián)動(dòng)分析Fig.9 Linkage analysis diagram of water inflow and water level in No.1304 working face

2020 年1 月20 日—2 月6 日，因“新冠肺炎疫情”影響，工作面停產(chǎn)，覆巖移動(dòng)逐漸趨于穩(wěn)定，水位回升。

3）第13—14 階段，工作面推進(jìn)距離為793.7 ～944.7 m，工作面恢復(fù)開(kāi)采，重新擾動(dòng)了上覆巖層，使上覆巖層逐步失穩(wěn)，離層空間擴(kuò)大，G3、G4 水位開(kāi)始呈下降趨勢(shì)。 在2020 年3 月23 日后水位開(kāi)始急劇下降。 水位急劇下降之前，微震頻次與日震動(dòng)總能量急劇上升，工作面上覆巖層劇烈運(yùn)動(dòng)，停采期間上覆巖層充分運(yùn)動(dòng)導(dǎo)水裂隙迅速發(fā)育，1304 工作面復(fù)采后擾動(dòng)上覆巖層，造成關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)逐步失穩(wěn)，關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)變形破壞加劇，巖層失去自穩(wěn)能力，關(guān)鍵層控制的巖層大規(guī)模變形破壞，經(jīng)過(guò)停采暫時(shí)穩(wěn)定的裂縫帶導(dǎo)通上部離層空間，離層積水下泄，由于3 煤上到宜君組泥巖含量較高，下泄的離層水暫時(shí)儲(chǔ)存在覆巖裂隙中，宜君組向離層空間匯水G3、G4 水位急劇下降，巖層持續(xù)變形移動(dòng)破壞，導(dǎo)水裂縫帶貫通，造成“3·29”突水。 隨著離層水的下泄，離層空間中的水逐漸減少，涌水量逐漸減小，導(dǎo)水通道慢慢閉合，G3、G4 水位開(kāi)始回升。 第15 階段，工作面停產(chǎn)，覆巖充分運(yùn)動(dòng)后趨于穩(wěn)定，水位緩慢上升。

4）第16 階段，工作面推進(jìn)距為944.7～1 001.2 m，工作面恢復(fù)開(kāi)采，重新擾動(dòng)上覆巖層，G3、G4 水位先呈上升趨勢(shì)，隨后急劇下降。 與第13—14 階段相似，水位急劇下降之前，微震頻次與日震動(dòng)總能量上升，“3·29”突水造成1304 工作面停采，上覆巖層暫時(shí)穩(wěn)定，1304 工作面復(fù)采后再次擾動(dòng)上覆巖層，造成關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)逐步失穩(wěn)，關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)變形破壞加劇，巖層失去自穩(wěn)能力，關(guān)鍵層控制的巖層大規(guī)模變形破壞，經(jīng)過(guò)停采暫時(shí)穩(wěn)定的裂縫帶導(dǎo)通上部離層空間，離層積水下泄，造成“5·6”突水；工作面恢復(fù)開(kāi)采后，出現(xiàn)一次微震大震動(dòng)能量事件。 第17 階段，工作面停產(chǎn)，覆巖充分運(yùn)動(dòng)后趨于穩(wěn)定，水位緩慢上升。 第18 階段，工作面推進(jìn)距離為1 001.2 ～1 009 m，在此期間工作面未采取只采不放的方法盡快推過(guò)涌（突）水位置；微震日均微震頻次較大，日總震動(dòng)能量較大，幾乎沒(méi)有出現(xiàn)較大的微震能量事件，且工作面推進(jìn)距離較短，證明工作面經(jīng)過(guò)前2 次出水，覆巖充分運(yùn)動(dòng)，覆巖結(jié)構(gòu)較為松散。

5）第19 階段，工作面停產(chǎn)，覆巖充分運(yùn)動(dòng)后趨于穩(wěn)定，水位緩慢上升。 隨著工作面不斷推進(jìn)，安定組粉砂巖與宜君組礫巖之間的橫向離層不斷發(fā)育，宜君組含水層由于向離層空間補(bǔ)水，水文觀(guān)測(cè)孔水位整體上呈下降趨勢(shì)，由于亞關(guān)鍵層呈周期性破斷，所以橫向離層空間也呈周期性擴(kuò)大、閉合，水文觀(guān)測(cè)孔水位呈周期性異常下降。

根據(jù)水位變動(dòng)、微震監(jiān)測(cè)顯示，水位異常下降必定伴隨著關(guān)鍵層破斷，由于巖層具有一定的自穩(wěn)能力，且安定組泥巖隔水層厚度較大，關(guān)鍵層破斷不一定會(huì)引起水位下降。

4.3 離層突水預(yù)警

1304 工作面出水之前，工作面附近地面水文長(zhǎng)觀(guān)孔水位同步持續(xù)下降，工作面支架壓力顯現(xiàn)明顯，逐漸大面積來(lái)壓以致安全閥大面積持續(xù)開(kāi)啟，支架動(dòng)載系數(shù)增大，動(dòng)載強(qiáng)烈，支架增阻速率是周期來(lái)壓成倍顯現(xiàn)，煤壁有切斷現(xiàn)象，有淋滲水并逐步加大，瓦斯涌出量迅速增大50%以上，微震事件發(fā)生增多或能量增大現(xiàn)象。

從G3 孔、G4 孔宜君組水位標(biāo)高變化，及水位變化速率來(lái)看（圖9），1304 工作面在第1 次突水前，水位變化速率迅速增大，水位出現(xiàn)明顯下降，突水之前最大水位下降速率分別達(dá)到6.26、7.85 m/d，累計(jì)降深分別達(dá)到11.58、25.59 m。

“3·29”突水從水位下降至工作面出水周期約6 d，“5·6”突水從水位下降至工作面出水，周期約4 d，而在“7·1”離層突水事故前，水位提前下降僅有44 h，且瞬時(shí)涌水量及累計(jì)涌水量也在逐次增加?！?·29”突水時(shí)，1304 工作面涌水量從工作面開(kāi)始出水3 m3/h 達(dá)到最大涌水量210 m3/h 不足5 h，累計(jì)涌水量15 322 m3；“5·6”突水時(shí)，1304 工作面涌水量從工作面開(kāi)始出水15 m3/h 達(dá)到最大涌水量260 m3/h 用時(shí)約8h，累計(jì)涌水量26 011 m3；“7·1”突水時(shí)，1304 工作面涌水量從工作面開(kāi)始出水為0達(dá)到最大涌水量420 m3/h 用時(shí)約23 h，累計(jì)涌水量40 354 m3。 1304 工作面經(jīng)過(guò)反復(fù)停采復(fù)采，上覆巖層反復(fù)受到重復(fù)擾動(dòng)，巖層自穩(wěn)能力逐次下降，離層空間逐漸擴(kuò)大，離層涌（突）水通道形成速度逐次加快，離層涌（突）水事故水位提前下降時(shí)間減少；1304 工作面第1 次突水后，由于3 煤到宜君組泥質(zhì)巖類(lèi)含量較高，泥巖軟化，離層涌（突）水通道逐漸彌合；第2、3 次突水時(shí)，形成新的離層涌（突）水通道，同時(shí)之前形成的涌（突）水通道中泥質(zhì)彌合物被沖開(kāi)，涌（突）水通道逐漸擴(kuò)大，最大涌水量逐次遞增，且從開(kāi)始出水達(dá)到最大涌水量用時(shí)逐漸增加。

工作面突水災(zāi)害的發(fā)生與目標(biāo)含水層水位下降具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，水位預(yù)警值的設(shè)置對(duì)于工作面安全開(kāi)采具有重要意義，通過(guò)1304 工作面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將招賢煤礦工作面首次出水，水位預(yù)警值設(shè)置為累水位下降速率為1.0 m/d；在工作面首次出水后，水位預(yù)警值設(shè)置為水位下降速率為0.2 m/d，同時(shí)應(yīng)制定應(yīng)急措施并保證排水設(shè)備正?？捎脻M(mǎn)足最大排水能力。

5 結(jié) 論

1）結(jié)合數(shù)值模擬試驗(yàn)與物理模擬試驗(yàn)，構(gòu)建了覆巖主控裂隙概念模型，當(dāng)工作面達(dá)到充分開(kāi)采時(shí)，近頂板的覆巖中裂隙較為明顯，呈現(xiàn)＂富裂隙拱＂的形態(tài)，即在采空區(qū)兩幫離層裂隙較為發(fā)育，而在中部則處于壓實(shí)區(qū)。 最大的橫向高位離層位于梯形破壞區(qū)頂部，在梯形破壞區(qū)內(nèi)裂隙網(wǎng)格和主控裂隙并存，根據(jù)裂隙發(fā)育特征可將覆巖破壞分為6 個(gè)區(qū)。

2）綜合模擬試驗(yàn)、理論分析、水位監(jiān)測(cè)、微震監(jiān)測(cè)，確定安定組亞關(guān)鍵層極限破斷距為297 m，周期破斷距為108 m。 煤層開(kāi)采產(chǎn)生的離層空間在亞關(guān)鍵層破斷后造成工作面周期性來(lái)壓，橫向高位離層空間周期性擴(kuò)張、閉合，宜君組巨厚含水層向離層空間補(bǔ)水，造成宜君組水位周期性異常下降。

3）1304 工作面經(jīng)長(zhǎng)時(shí)停采，覆巖充分運(yùn)動(dòng)，恢復(fù)開(kāi)采后，重復(fù)擾動(dòng)覆巖會(huì)誘發(fā)覆巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，導(dǎo)水裂縫帶溝通離層空間，造成離層涌（突）水。

4）1304 工作面離層涌（突）水前宜君組水位突降、水位下降速率突增、微震能量事件增多增大，可以作為離層涌（突）水前兆信息。 關(guān)鍵層的破斷會(huì)引起微震大能量事件；關(guān)鍵層破斷、快速回轉(zhuǎn)、下沉擴(kuò)大離層空間造成宜君組水位異常下降；在關(guān)鍵層的破斷時(shí)，由于巖層具有一定的自穩(wěn)能力，破斷巖層之間結(jié)構(gòu)未完全破壞，巖層不一定會(huì)發(fā)生大規(guī)?；剞D(zhuǎn)變形引起宜君組水位異常下降。

5）1304 工作面3 次離層涌（突）水均存在長(zhǎng)時(shí)間停采，多次復(fù)采造成覆巖自穩(wěn)能力逐漸劣化嚴(yán)重，離層空間逐漸增大，加快離層涌（突）水通道形成，離層涌（突）水通道逐漸增大。 隨出水次數(shù)增加，水位提前下降時(shí)間減少，微震能量事件能量降低，最大涌水量增大，累計(jì)涌水量增大。