呂玉廣，喬 偉，程建遠(yuǎn)，崔 平

采后覆巖分帶模型及工程意義探討

呂玉廣1,2，喬 偉1，程建遠(yuǎn)3，崔 平2

(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. 內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299；3. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

采后覆巖力學(xué)狀態(tài)與頂板事故、頂板水害等直接相關(guān)，有必要對(duì)采后覆巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究。提出了覆巖結(jié)構(gòu)“新四帶”模型：垮落帶、裂隙帶、基巖離層帶、松散沖積層帶。結(jié)合前人的“三帶”模型、“四帶”模型進(jìn)行了空間上對(duì)比分析，厘清了3種分帶模型的空間關(guān)系。重點(diǎn)從覆巖內(nèi)含水層水位受采動(dòng)影響、光纖探測(cè)、頂板淋水現(xiàn)象等幾個(gè)方面探討了“新四帶”模型的科學(xué)性，得出煤層上覆基巖內(nèi)任何層段都可能產(chǎn)生離層裂隙(達(dá)到一定宏觀尺度時(shí)稱為離層空間)的結(jié)論?！叭龓А敝饕脕硇：瞬擅褐Ъ艿念~定工作阻力以及指導(dǎo)防隔水煤(巖)柱的設(shè)計(jì)；“四帶”可在一定程度上指導(dǎo)離層帶注漿工程實(shí)踐，但存在井下潰漿安全風(fēng)險(xiǎn)以及弱化“三帶”原有工程價(jià)值的缺點(diǎn)；“新四帶”傳承了“三帶”的工程意義，同時(shí)可有效指導(dǎo)頂板離層水害的防治。

采后覆巖；“三帶”模型；“四帶”模型；“新四帶”模型；工程意義；離層水害防治

20世紀(jì)60年代以前，我國(guó)對(duì)導(dǎo)水裂隙的研究基本處于概念化階段[1]；20世紀(jì)70年代以來，通過觀測(cè)孔來研究覆巖內(nèi)導(dǎo)水裂隙帶高度，基于觀測(cè)孔中水位變化及水的漏失量等，區(qū)分有效和無效導(dǎo)水裂隙[2]；二十世紀(jì)八九十年代劉天泉院士提出的覆巖移動(dòng)“三帶”模型，具有劃時(shí)代的意義，相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式被寫入《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱“三下”開采規(guī)范)，并且沿用至今。此后，國(guó)內(nèi)學(xué)者圍繞巖層物理力學(xué)性質(zhì)、巖層結(jié)構(gòu)、采煤方法、采高、煤層賦存狀態(tài)等方向繼續(xù)探索?？涤廊A[3]提出減小開采高度可以降低導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度的觀點(diǎn)；朱慶偉等[4]、王曉振等[5]認(rèn)為導(dǎo)水裂隙的發(fā)育高度同時(shí)受到采高和覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的影響；許家林等[6]、錢鳴高等[7]提出通過覆巖關(guān)鍵層位置來預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂縫帶高度的方法；柴華彬等[8]提出基于 GA-SVR 的采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙高度預(yù)測(cè)方法。上述研究成果均在“三帶”模型框架內(nèi)展開，是對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式的完善和補(bǔ)充。20世紀(jì)90年代，高延法[9]采用有限元數(shù)值模擬計(jì)算方法，通過位移反分析，提出“四帶”模型觀點(diǎn)，為離層帶注漿工程實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)[10]。近年來，頂板離層水害多發(fā)，原有的分帶模型難以有效指導(dǎo)離層水害防治，筆者透過含水層水位受采動(dòng)影響、光纖(纜)破斷、頂板淋水規(guī)律等工程實(shí)踐現(xiàn)象，分析認(rèn)為采場(chǎng)上覆基巖內(nèi)任何層段均可能產(chǎn)生離層。為區(qū)別于前人“四帶”觀點(diǎn)，筆者提出“新四帶”觀點(diǎn)；探討了3種分帶模型的空間關(guān)系及其工程意義，為離層水害防治提供理論依據(jù)。

1 采后覆巖分帶模型

1.1 “三帶”模型

根據(jù)覆巖變形破壞特征及其導(dǎo)水性能，將采場(chǎng)上覆巖層由下至上依次劃分為垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶和彎曲下沉帶(圖1)。

垮落帶：位于覆巖的最下部，緊貼煤層。煤層采出后，上覆巖層失去平衡，直接頂板巖層開始垮落，并逐漸向上發(fā)展；垮落巖塊由于碎脹，體積較垮落前增大。

導(dǎo)水裂隙帶：位于垮落帶之上，由于巖層向下彎曲受拉，在裂隙帶內(nèi)產(chǎn)生垂直或斜交于巖層的新生張裂隙，部分或全部穿過巖石分層，但其連續(xù)性未受破壞；巖層向下彎曲移動(dòng)不同步引起沿層面產(chǎn)生離層裂隙。

彎曲下沉帶：基本上為整體移動(dòng)，其下部在軟、硬巖層交替接觸處可出現(xiàn)離層，但離層與下伏導(dǎo)水裂隙帶不連通。

圖1 “三帶”模型

1.2 “四帶”模型

高延法[9]認(rèn)為：地表松散層的沉降變形規(guī)律不同于基巖段，單獨(dú)劃分出松散層沉降帶；巖體的垮落與巖體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，其本質(zhì)都是物理損傷，故將垮落帶與導(dǎo)水裂隙帶合并稱為破裂帶。此外，運(yùn)用有限元數(shù)據(jù)模擬方法，計(jì)算地表最大下沉量和最大水平移動(dòng)量，所建立的本構(gòu)方程為：

式中：u為巖層內(nèi)任一點(diǎn)的位移；為外載荷；為材料的變形模量；x、y、z為第點(diǎn)的坐標(biāo)；為泊松比；c為物體的體位移；1和2函數(shù)為與，，等無關(guān)的坐標(biāo)點(diǎn)和時(shí)間的函數(shù)。

將模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)：假定不考慮離層帶，則地面下沉盆地邊緣過長(zhǎng)，拐點(diǎn)處傾斜值過小。破裂帶上覆巖層的離層是地表能夠充分下沉的先決條件，離層帶與彎曲帶之間存在滑動(dòng)層面，彼此層面的水平移動(dòng)是無關(guān)的。因此，應(yīng)在彎曲帶下部單獨(dú)劃分出離層帶；表土層松散軟弱，其變形模量較小，內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生離層。為此提出“四帶”模型觀點(diǎn)，包括破裂帶、離層帶、彎曲帶、松散沖積層帶(圖2)。

圖2 “四帶”模型

1.3 “新四帶”模型

煤層開采過程中，覆巖變形、破斷并形成大量裂隙，包括水平裂隙、順層裂隙、垂直裂隙和斜交裂隙等，沿巖層層理或?qū)觾?nèi)順層方向拉開的裂隙稱為離層裂隙(簡(jiǎn)稱離層)，當(dāng)離層裂隙達(dá)到一定宏觀尺度時(shí)稱為離層空間[11-12]。

巖層間物理力學(xué)性質(zhì)上的差異決定其下沉運(yùn)動(dòng)存在不協(xié)調(diào)性；既然從垮落帶巖層直至地表都有一個(gè)下沉運(yùn)動(dòng)過程，則煤層上覆基巖內(nèi)任何層段上都可能產(chǎn)生離層。離層的產(chǎn)生是絕對(duì)的，離層宏觀尺度大小是相對(duì)的；低位基巖內(nèi)離層裂隙發(fā)育程度可能優(yōu)于高位基巖，但不宜在彎曲下沉帶的下部單獨(dú)劃出離層帶，故將裂隙帶上部基巖段統(tǒng)稱為基巖離層帶；松散層內(nèi)不能產(chǎn)生離層，故單獨(dú)分為一帶。為區(qū)別于前人的“四帶”，稱為“新四帶”，即垮落帶、裂隙帶、基巖離層帶、松散沖積層帶(圖3)。

圖3 “新四帶”模型

上述3種分帶模型空間關(guān)系對(duì)比如圖4所示。當(dāng)?shù)乇碛兴缮_積層時(shí)，將其單獨(dú)分帶本身意義不大，僅是為了突出覆巖內(nèi)基巖部分，強(qiáng)調(diào)基巖內(nèi)任何層段上都可能產(chǎn)生離層的特點(diǎn)。

圖4 3種分帶模型空間關(guān)系比較

2 “新四帶”模型劃分依據(jù)

2.1 含水層水位觀測(cè)

某礦開采侏羅系延安組煤層，從上至下地層為：第四系風(fēng)積砂(厚度1.0～6.5 m /均厚2.7 m，下同)、古近系砂巖及泥巖互層(9.2～75.3 m/35.1 m)、白堊系砂礫及泥巖(106.5～261.7 m/153.8 m)、侏羅系延安組含煤巖系?；鶐r中砂巖為含水層，泥質(zhì)巖層為隔水層。礦井為多煤層開采，其中8煤回采了111082、113082、113081、111084共4個(gè)工作面，15煤開采了114152 工作面。采場(chǎng)附近有Z1、G1兩個(gè)水文觀測(cè)孔，工作面及水文觀測(cè)孔相對(duì)位置見采掘工程平面圖(圖5)；工作面(煤層)與上覆含水層空間關(guān)系如圖6所示。

圖5 采掘工程平面

圖6 工作面(煤層)與含水層空間關(guān)系

1) Z1孔水位受采動(dòng)影響

Z1觀測(cè)孔位于111084工作面切眼附近，觀測(cè)侏羅系直羅組下段砂巖含水層水位，該段砂巖俗稱“七里鎮(zhèn)砂巖”，富水性弱至中等。巖石單軸抗壓強(qiáng)度3.8～25.4 MPa，多小于6.0 MPa；軟化系數(shù)0～0.6，多小于0.3。選擇“三下”開采規(guī)范中的軟巖適用公式計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度(表1)，計(jì)算結(jié)果表明，111084工作面的導(dǎo)水裂隙可以波及“七里鎮(zhèn)砂巖”，其他工作面的導(dǎo)水裂隙均波及不到上覆含水層。

根據(jù)Z1孔多年持續(xù)觀測(cè)的水位數(shù)據(jù)繪制水位歷時(shí)曲線(圖7)。111084工作面導(dǎo)水裂隙波及“七里鎮(zhèn)砂巖”突水，水位下降明顯，堵水后水位快速回升；其他4個(gè)工作面導(dǎo)水裂隙均波及不到該含水層，尤其是114152工作面上距“七里鎮(zhèn)砂巖”116.5 m，遠(yuǎn)大于導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度；回采過程中采空區(qū)無涌水，即含水層沒有水的損失。但各工作面回采過程均引起含水層水位有規(guī)律的變化，先是快速下降，隨后緩慢回升。

表1 工作面相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖7 Z1孔水位歷時(shí)曲線

2) G1孔水位變化

G1孔觀測(cè)白堊系下段礫巖含水層，該含水層富水性弱–中等。根據(jù)圖6，工作面(煤層)上距白堊系礫巖底界184～276 m。經(jīng)計(jì)算，導(dǎo)水裂隙帶均波及不到白堊系含水層(表2)。

表2 工作面相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)G1孔持續(xù)多年觀測(cè)的水位數(shù)據(jù)繪制水位歷時(shí)曲線(圖8)。從圖8可以看出，每個(gè)工作面回采過程中白堊系水位均有明顯的響應(yīng)，先是快速下降，然后緩慢回升，水位變化曲線似“√”。

Z1孔觀測(cè)直羅組下部約80 m層段的水位，說明8煤層頂板上方32～138 m的巖層受到采動(dòng)影響；G1孔觀測(cè)白堊系底部約120 m層段的水位，說明15煤頂板上方184～396 m的巖層受到采動(dòng)影響。由此得到如下結(jié)論：覆巖內(nèi)低位、中高位及高位上均產(chǎn)生了離層裂隙；離層裂隙吸收了砂巖裂隙水，引起含水層水位暫時(shí)性快速下降；離層的發(fā)育、發(fā)展是一個(gè)動(dòng)態(tài)演化過程，覆巖持續(xù)壓縮離層空間并趨于閉合，離層內(nèi)匯集的水體在擠壓作用下最終回歸砂巖層內(nèi)，這個(gè)過程是緩慢的，表現(xiàn)為水位緩慢回升并趨近于原始水位。

圖8 G1孔水位歷時(shí)曲線

2.2 光纖探測(cè)

2019年，在113082工作面上方(地表)預(yù)先施工一個(gè)鉆孔，終孔于8煤層，全孔取巖心并做力學(xué)測(cè)試?？變?nèi)安置一套特制光纖傳感器，包括金屬基索狀應(yīng)變感測(cè)光纜(?=5 mm)、定點(diǎn)式應(yīng)變感測(cè)光纜、GFRP傳感光纜(?=3.5 mm)、電法線纜(?=10 mm)，最后用水泥漿液封閉全孔。工作面回采至監(jiān)測(cè)孔160 m時(shí)開始采集數(shù)據(jù)，直至工作面推過監(jiān)測(cè)孔210 m時(shí)止，歷時(shí)43 d，共采集光纖數(shù)據(jù)44組。力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，天然狀態(tài)下，巖石單軸抗壓強(qiáng)度普遍小于20 MPa(圖10)，部分巖層甚至無法做成試塊，但也有抗壓強(qiáng)度較高的巖石。

在工作面距離監(jiān)測(cè)鉆孔130.5 m時(shí)，孔內(nèi)上部首先監(jiān)測(cè)到拉應(yīng)力變化，中下部則以壓應(yīng)力為主；隨著工作面向監(jiān)測(cè)鉆孔靠近，應(yīng)力值逐漸增加，拉應(yīng)力范圍向下延伸(圖9)，下部由受壓逐漸過渡為受拉。

工作面距離監(jiān)測(cè)鉆孔61.0 m時(shí)，傳感線纜在孔深375 m處首次被拉斷(下部不再有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù))，最后一次破斷發(fā)生在工作面推過監(jiān)測(cè)鉆孔36.5 m時(shí)，線纜共發(fā)生5次破斷(表3)。

線纜第1次破斷位置位于煤層頂板97.72 m處，顯然破斷點(diǎn)位于導(dǎo)水裂隙帶以上，此次探測(cè)可以得出如下結(jié)論：

(1) 在工作面到監(jiān)測(cè)孔尚有一定距離時(shí)，孔內(nèi)上部首先監(jiān)測(cè)到拉應(yīng)力，下部監(jiān)測(cè)到壓應(yīng)力。由于遠(yuǎn)處煤層被采空，上覆巖層向采空區(qū)方向反轉(zhuǎn)，在高位基巖內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，低位基巖則承受巖層反轉(zhuǎn)施加的壓應(yīng)力。

圖9 工作面距離監(jiān)測(cè)孔不同距離時(shí)的應(yīng)力曲線

(2) 隨著工作面向監(jiān)測(cè)孔靠近，低位巖層受到采場(chǎng)直接擾動(dòng)，下部壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。雖然因?yàn)榫€纜破斷未能監(jiān)測(cè)到下部完整的數(shù)據(jù)，可以推測(cè)工作面采過監(jiān)測(cè)孔時(shí)，下部巖層受到的拉應(yīng)力應(yīng)該更為劇烈。

(3) 上述5次破斷位置均處于軟、硬巖層交界面附近(圖10中標(biāo)黃色巖層)，說明巖性不同在同等應(yīng)力作用下產(chǎn)生應(yīng)變不同，這是離層產(chǎn)生的物理原因。

拉應(yīng)力是產(chǎn)生離層的動(dòng)力源，高位覆巖內(nèi)首先監(jiān)測(cè)到拉應(yīng)力，且5次破斷均發(fā)生在導(dǎo)水裂隙帶以上，說明高位基巖內(nèi)產(chǎn)生了離層。

2.3 頂板淋水現(xiàn)象

煤層頂板砂巖含有或多或少的裂隙水，采場(chǎng)經(jīng)?？梢钥吹搅芩F(xiàn)象，且頂板淋水多出現(xiàn)在工作面下部端頭附近。根據(jù)山東濟(jì)寧、內(nèi)蒙古上海廟等礦區(qū)頂板淋水情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(表4)，檢修班或因故停產(chǎn)期間，淋水區(qū)會(huì)從工作面下端頭向工作面中上部擴(kuò)大，停產(chǎn)時(shí)間越長(zhǎng)，淋水面積向上部擴(kuò)大范圍越廣，可見淋水面積大小與工作面推進(jìn)速度有關(guān)。

巖層在斷裂、垮落以前(超前于煤壁)向采空區(qū)方向彎曲、反轉(zhuǎn)，高位上產(chǎn)生順層裂隙(離層)。裂隙水從起動(dòng)到進(jìn)入采場(chǎng)過程可分為2個(gè)時(shí)間段，巖層斷裂以前滲流時(shí)間為1，巖層斷裂以后進(jìn)入采場(chǎng)以前運(yùn)動(dòng)時(shí)間為2。在1時(shí)間內(nèi)，裂隙水沿離層裂隙滲流；在2時(shí)間內(nèi)，裂隙水一方面沿離層裂隙滲流，同時(shí)在遇到穿層裂隙時(shí)又會(huì)沿穿層路徑滲流，則沿著順層方向滲流總時(shí)間為1+2，沿著垂直于巖層面方向的滲流時(shí)間為2。由于2個(gè)方向上滲流時(shí)間不等，1+2恒大于2，因此，裂隙水優(yōu)先到達(dá)采場(chǎng)下部以頂板淋水形式出現(xiàn)，水滲流路徑(時(shí)間)如圖11所示?？梢姡幢闶窃诳迓鋷?nèi)，在其變形、垮落過程中也曾出現(xiàn)過離層裂隙。

綜上，基巖任何層段上均可能產(chǎn)生離層，產(chǎn)生離層裂隙是絕對(duì)的，離層裂隙的宏觀尺度是相對(duì)的，可以合理推測(cè)下部基巖內(nèi)離層裂隙較為發(fā)育，若在彎曲下沉帶的底部單獨(dú)劃出“離層帶”，則值得商榷。

3 工程意義探討

3.1 “三帶”模型工程意義

覆巖“三帶”結(jié)構(gòu)模型的工程意義主要體現(xiàn)在指導(dǎo)防隔水煤(巖)柱設(shè)計(jì)、校核采煤支架的工作阻力等。

(1) 當(dāng)煤層頂板存在富水性中等及以上間接充水含水層，又不易疏干或疏干不經(jīng)濟(jì)時(shí)，需要留設(shè)防隔水煤(巖)柱，防隔水煤(巖)柱的高度必須滿足下式：

表4 采煤工作面頂板淋水情況統(tǒng)計(jì)

圖11 水滲流路徑(時(shí)間)分布

由于地層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、物理力學(xué)性質(zhì)各向異性、各層異性，精準(zhǔn)探測(cè)“兩帶”高度在實(shí)踐中是很困難的。為了確保隔水煤(巖)柱有效的隔水性，通常在垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶之上應(yīng)再增加一定的隔水層厚度，即通常所說的保護(hù)層。

(2) 采煤支架額定工作阻力必須適應(yīng)采場(chǎng)圍巖條件，支架工作阻力過小，容易在生產(chǎn)中發(fā)生切頂壓架事故，甚至引起頂板突水等連鎖反應(yīng)。支架額定工作阻力必須滿足下式：

式中：g為支架額定工作阻力，kN/m2；為最大采高，m；為上覆巖層平均容重，kN/m3；為支架控頂面積，m2；為采高倍數(shù)。

應(yīng)用式(3)時(shí)以垮落帶高度與采高成倍數(shù)關(guān)系為前提，垮落帶巖層的重量全部由采煤支架承擔(dān)。

3.2 “四帶”模型工程意義

為了減少地面下沉量、減輕地表變形量，保護(hù)地面建筑，從20世紀(jì)90年代開始，向采后覆巖內(nèi)高壓灌注粉煤灰、黏土、水泥漿液或復(fù)合漿液的注漿工程在全國(guó)多地都有開展；近年在環(huán)境保護(hù)要求下，將煤矸石球磨后制成漿液作為充填材料以消化煤矸石為主要目的的工程在山東省、內(nèi)蒙古自治區(qū)等地均有嘗試。“四帶”模型一度被用來指導(dǎo)離層帶注漿，抓住離層帶的有利空間提高漿液注入量。

但“四帶”模型沒有給出離層帶的計(jì)算方法或量化判據(jù)。離層帶鄰近導(dǎo)水裂隙帶，在此層段內(nèi)實(shí)施高壓注漿存在著潰漿的安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)踐中均在裂隙帶上方保留至少60 m的隔漿巖層，即注漿層段與所謂的離層帶在空間上并不對(duì)應(yīng)；同時(shí)，“四帶”將垮落帶與導(dǎo)水裂隙帶合并為破裂帶，弱化了“三帶”模型原有的工程意義。

3.3 “新四帶”模型工程意義

“新四帶”與“四帶”在基巖內(nèi)存在離層、表土松散層變形機(jī)理與基巖變形機(jī)理不同等觀點(diǎn)上是一致的，但“新四帶”認(rèn)為離層可能產(chǎn)生在基巖的任何層段上?！靶滤膸А眰鞒辛丝迓鋷?、導(dǎo)水裂隙帶的觀點(diǎn)，使“三帶”原有的工程意義得以強(qiáng)化，同時(shí)還可以指導(dǎo)離層水害的防治。

離層水害需要同時(shí)具備4個(gè)條件[13]：富水性(水源)條件、導(dǎo)水通道條件、匯水時(shí)間條件、離層空間條件。離層空間所在的圍巖必須具備一定的富水性，通過一定時(shí)間的滲透匯集才可以在離層空間內(nèi)形成自由水體，富水性越好所需要的匯水時(shí)間越短，這是發(fā)生離層水害的物質(zhì)基礎(chǔ)。缺少導(dǎo)水通道條件，離層水體無法潰入采場(chǎng)，而采礦擾動(dòng)形成的導(dǎo)水裂隙是其必然的導(dǎo)水通道，斷層或其他劣化巖層完整性的構(gòu)造只會(huì)破壞離層空間的封閉性，開放的離層空間無法匯集水源。

關(guān)于離層水害的突水通道，有學(xué)者認(rèn)為多煤層開采對(duì)頂板重復(fù)擾動(dòng)使導(dǎo)水裂隙上延[14]而導(dǎo)水；有學(xué)者認(rèn)為離層水體下方相對(duì)隔水層可視為板狀隔水巖梁，在離層水體重力作用下，隔水巖梁破斷而突水，即“靜水壓涌”觀點(diǎn)[15-17]；也有學(xué)者認(rèn)為采煤支架工作阻力不足，導(dǎo)致“壓架切頂”形成貫通性導(dǎo)水裂隙[18-19]；導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度一方面受關(guān)鍵層控制[20]，一方面又隨著采高變化而呈臺(tái)階式發(fā)育。筆者認(rèn)為，導(dǎo)水裂隙是基于巖體損傷和導(dǎo)水性而作出的定義，導(dǎo)水裂隙帶高度是特定的開采條件下導(dǎo)水裂隙能夠發(fā)育的最大高度，任何形式下的巖體破斷，只要破斷產(chǎn)生的裂隙具備導(dǎo)水能力，均應(yīng)歸入導(dǎo)水裂隙范疇。因此，上述關(guān)于離層水害突水通道的各種觀點(diǎn)均無法回避導(dǎo)水裂隙這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，導(dǎo)水裂隙是離層水害必然的導(dǎo)水通道。

可以合理推測(cè)，高位覆巖內(nèi)的離層空間雖然具備匯水時(shí)間條件，因缺少導(dǎo)水裂隙這個(gè)導(dǎo)水通道條件，無法形成離層突水(如圖12的離層1)；低位覆巖內(nèi)形成的離層裂隙很快會(huì)被導(dǎo)水裂隙“刺穿”，即不具備匯水的時(shí)間條件，無法在短時(shí)間內(nèi)匯集一定量的水體，通常表現(xiàn)為采空區(qū)涌水(如圖12的離層3)；導(dǎo)水裂隙帶頂部附近的離層匯水時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，即具備匯水時(shí)間條件；同時(shí)具備導(dǎo)水通道條件。綜上可以得出結(jié)論：只有位于導(dǎo)水裂隙帶頂部附近的離層空間才能形成離層水害(如圖12的離層2)。得出的這個(gè)結(jié)論很重要，為離層水害的防治提供了靶域。

圖12 覆巖離層與導(dǎo)流管

以下2種措施可有效防范離層水害的發(fā)生：

1) 疏干開采

疏干措施是改變地層富水性條件，使得離層空間形成后因水源不足難以在一定時(shí)間內(nèi)形成離層水體，疏干高度以“新四帶”模型為指導(dǎo)，即導(dǎo)水裂隙帶高度，在工作面上方及其附近形成疏干區(qū)(對(duì)應(yīng)導(dǎo)水裂帶高度)、半疏干區(qū)(對(duì)應(yīng)保護(hù)層厚度)、未疏放區(qū)(圖13)。在工作面上下2條巷道內(nèi)施工放水孔，按“雙層雙向扇形”布孔法，向煤層頂板施工鉆孔疏放水，鉆孔均終孔于導(dǎo)水裂隙帶頂界附近。

圖13 疏干范圍(剖面)

2) 預(yù)設(shè)導(dǎo)流管

由于地層沉積結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和力學(xué)性質(zhì)的各向異性，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)離層水害發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)，根據(jù)“只有位于導(dǎo)水裂隙帶頂部附近的離層才可能發(fā)生離層水害”的觀點(diǎn)，可以預(yù)先埋設(shè)導(dǎo)流管，只要出現(xiàn)離層水體即可及時(shí)導(dǎo)出，不至于瞬時(shí)潰入采場(chǎng)(圖12)。

具體做法是在工作面下巷內(nèi)每隔100 m左右施工鉆孔并安裝1根導(dǎo)流管，直達(dá)導(dǎo)水裂隙帶頂端附近。導(dǎo)流管前部做成花管便于導(dǎo)水，后部可為實(shí)管。

4 結(jié)論

a.覆巖內(nèi)任何層段上均可能產(chǎn)生離層裂隙，產(chǎn)生離層裂隙是絕對(duì)的，離層裂隙宏觀尺度大小是相對(duì)的，下部離層的發(fā)育程度可能會(huì)優(yōu)于上部，但絕不限于彎曲下沉帶的下部；覆巖下沉運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)生離層的動(dòng)力源，物理力學(xué)性質(zhì)的差異性控制著離層裂隙產(chǎn)生的空間位置。

b.“三帶”模型的工程意義主要在于指導(dǎo)防隔水煤(巖)柱設(shè)計(jì)和校核綜采支架的工作阻力；“四帶”模型中單獨(dú)劃分的離層帶為離層注漿工程實(shí)踐提供了理論指導(dǎo)，但存在潰漿的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)弱化了垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶原有的工程應(yīng)用價(jià)值。

c.“新四帶”模型傳承了“三帶”模型原有工程應(yīng)用價(jià)值，“新四帶”關(guān)于“只有位于導(dǎo)水裂隙帶頂部附近的離層空間才能發(fā)生離層水害”的觀點(diǎn)，使離層水害的防治能夠做到有的放矢，是對(duì)“三帶”觀點(diǎn)的拓展和補(bǔ)充。

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Discussion on overburden zoning model after mining and its engineering significance

LYU Yuguang1,2, QIAO Wei1, CHENG Jianyuan3, CUI Ping2

(1.,,221116,;Inner Mongolia Shanghai Temple Mining Co. LtdOrdosChina. Xian Research Institute Co. LtdChina Coal Technology and Engineering Group CorpXianChina

The mechanical state of overburden after mining is directly related to roof accidents and roof water disasters, so it is necessary to study the overburden structure after mining. The “New Four Zones” model of overburden structure is proposed: caving zone, fracture zone, bedrock separation zone and loose alluvium zone. Combined with the previous “Three Zones” model and “Four Zones” model, this paper makes a spatial comparative analysis to clarify the spatial relationship of the three zoning models. It discusses the scientific nature of the “New Four Zones” model in terms of the influence of mining on water level of the aquifer in the overlying strata, optical fiber detection, roof water drenching, etc., and comes to the conclusion that any interval in the overlying bedrock of the coal seam may produce separation fissures(called separation spaces when reaching a certain macro scale). The “Three Zones” model is mainly used to check the rated working resistance of coal mining supports and to guide the design of water proof coal(rock) pillars. The “Four zones” model can guide the grouting engineering practice in the separated zone to a certain extent, but it has disadvantages of the safety risk of underground grouting and weakening the original engineering value of the “Three Zones” model. The “New Four Zones” model builds on the engineering significance of the “Three Zones” model, and can effectively guide the prevention and control of roof separation water disaster.

overburden after mining; “Three Zones” model; “Four Zones” model; “New Four Zones” model; engineering significance; prevention and control of separated layer water disaster

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語音講解

TD713

A

1001-1986(2021)05-0147-09

2021-05-01；

2021-06-13

內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2020GG0291)；鄂爾多斯市2019年度科技計(jì)劃資助項(xiàng)目

呂玉廣，1969年生，男，江蘇宿遷人，博士研究生，研究員，從事煤礦水害防治與技術(shù)管理工作. E-mail：lvyg691208@126.com

喬偉，1984年生，男，山東蒙陰人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事水文地質(zhì)與工程地質(zhì)科研與教學(xué)工作. E-mail：qiaowei@cumt.edu.cn

呂玉廣，喬偉，程建遠(yuǎn)，等. 采后覆巖分帶模型及工程意義探討[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(5)：147–155. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.016

LYU Yuguang，QIAO Wei，CHENG Jianyuan，et al. Discussion on overburden zoning model after mining and its engineering significance[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：147–155. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021. 05.016

(責(zé)任編輯 周建軍)