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

(1.中國礦業(yè)大學 礦山互聯(lián)網(wǎng)應用技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，江蘇 徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學 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 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；4.內(nèi)蒙古伊泰集團有限公司，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 礦業(yè)工程學院，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)生應力的重新分布以及導水(氣)裂隙的發(fā)育，最終導致地表沉降、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)展的運移過程，是科學解決上述采礦系列問題的重要基礎。為此，許多學者對此開展研究；從早期國外學者提出的“壓力拱”、“鉸接巖塊”等假說，到我國學者提出的采場“砌體梁”結構模型及覆巖“橫三區(qū)、豎三帶”理論，再到巖層控制的關鍵層理論等，無不體現(xiàn)了廣大采礦學者對巖層移動問題的思考與認識。

然而，由于采動巖層的移動規(guī)律是一個十分復雜的“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\移特征(初次/周期破斷距、破斷回轉角等)，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驗、理論建模等手段試圖揭示覆巖結構特征及其運動規(guī)律，但受實際采煤地質條件復雜多變、實驗相似性難以保證等因素影響，相關研究仍難以準確描繪采動內(nèi)部巖移的具體作用過程。所以，已有相關研究雖能從一定層面反映覆巖的部分運移規(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)地表沉降的運移全過程，尚缺乏全面認識。

早在20世紀80年代，文獻[3-4,16]就嘗試采用鉆孔深基點監(jiān)測方法對巖層內(nèi)部移動規(guī)律開展了實測研究；通過在工作面上方頂板空巷內(nèi)布設測站，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，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，導致不同層位巖層受采動影響呈現(xiàn)的運移規(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，本文重點考慮覆巖中的關鍵層，采用地面鉆孔原位監(jiān)測方法，通過在關鍵層或厚硬巖層位置布設有限的巖移測點，開展了覆巖全地層隨煤層開采的運移規(guī)律研究，以期為采礦工程相關基礎理論問題研究提供數(shù)據(jù)基礎。

1 覆巖內(nèi)部巖移監(jiān)測

1.1 試驗區(qū)概況

試驗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。研究試驗區(qū)位于北翼的四盤區(qū)，盤區(qū)內(nèi)已布置2個工作面，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移規(guī)律，如圖1所示。

圖1 紅慶河煤礦巖移監(jiān)測試驗區(qū)工作面布置

已采的31401工作面為四盤區(qū)的首采工作面，對應煤層埋深679～756 m，工作面寬241 m，推進長度約2 500 m，平均采高6.5 m。31402工作面對應煤層埋深697～719 m，工作面寬246 m，推進長度3 616 m，平均采高6.0 m。兩工作面之間留設區(qū)段煤柱寬度40 m，開采區(qū)域對應覆巖柱狀如圖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個探測鉆孔，探測鉆孔的施工及孔內(nèi)測點的布置均在超前31402工作面回采位置350 m前實施完畢。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，在兩孔的孔口附近布置固定GPS測樁(在線實時監(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鉆孔設計終孔深度722 m，直至3煤底板。鉆進過程中進行取芯和柱狀編制，根據(jù)柱狀的關鍵層位置判別結果，設計巖移測點布置層位，如圖2所示?？變?nèi)共布置6個測點，均對應于關鍵層或厚硬砂巖位置?？紤]到煤層采高較大，覆巖最下位關鍵層已處于預計的垮落帶范圍，因而將最低位測點布置于煤層以上第2層關鍵層位置，對應深度640 m。用特制的線纜將各測點下放至孔內(nèi)對應位置，而后全孔封閉。在孔口用位移傳感器與各測點線纜連接，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)實際反映了各層位測點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。設計終孔深度650 m，施工過程中，采用沖洗液漏失量法和鉆孔電視對導水裂隙帶高度(簡稱“導高”)進行探測，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)僅布置光纖進行地層位移/變形的監(jiān)測，最后同樣進行全孔封閉。工作面回采過程中，間隔2～7 d對光纖信號進行采集和解算，以掌握鉆孔全段地層的隨采變形情況。

1.3 監(jiān)測結果

..已采工作面覆巖“導高”探測結果(D2孔)

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

探測結果顯示，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，推斷鉆孔已至導水裂隙帶頂界面附近。而后持續(xù)鉆進過程中，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，導水裂隙帶頂界面位于孔深583 m處，對應“導高”為120.3 m。

圖3 D2孔導水裂隙探測

..D1孔內(nèi)部巖移監(jiān)測結果

D1孔內(nèi)部巖移監(jiān)測結果反映了31402本工作面回采引起的覆巖斷裂運移特征，工作面推過鉆孔前后各測點相對地表的位移變化曲線如圖4所示。可見，隨著工作面的不斷推進，孔內(nèi)6個測點均表現(xiàn)出明顯位移變化現(xiàn)象，但受測點布置層位差異影響，不同測點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隨工作面開采相對地表的位移曲線

首先，測點開始發(fā)生顯著運移的時刻(或對應工作面推進位置)。處于下位的測點1～4在工作面距離鉆孔還有35 m左右位置時就開始發(fā)生顯著運移，而上位的測點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)展的運移過程相符。

其次，各測點位移曲線走勢表現(xiàn)出明顯的“成組同步運移”現(xiàn)象。即在一定區(qū)段內(nèi)，多個測點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，這種“成組”的測點組成也不相同。如在工作面推過鉆孔25 m之前，測點1，2、測點3，4以及測點5，6分別兩兩為一組，對應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，各測點位移開始按各自走勢發(fā)展，僅測點1，4的位移走勢基本一致；隨著工作面繼續(xù)推進直至各測點位移基本穩(wěn)定，測點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1，2，4，5呈現(xiàn)成組位移，在工作面推過鉆孔225 m后，測點1，2以及測點4，5，6各為一組發(fā)生成組位移。可見，隨著工作面不斷推進，采空區(qū)后方上覆巖層的運移逐步由“逐層漸次向上發(fā)展”演變?yōu)椤吧舷乱欢ǚ秶竭\移”趨勢。

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

..D2孔光纖變形監(jiān)測結果

D2孔光纖變形監(jiān)測結果反映了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移特征，不同日期(對應31402工作面相對鉆孔不同位置)監(jiān)測得到的孔內(nèi)全段光纖應變絕對值，以及局部變形區(qū)段的應變增量曲線如圖5所示。

圖5 D2孔光纖受鄰近工作面采動影響的應變曲線

在工作面距離鉆孔還有361 m時即開展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，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，原來孔深21.6～24.4 m的拉伸變形區(qū)應變峰值有所降低，但變形范圍略有增大(波及至孔深20 m處)，同時在更淺部孔深6和11 m附近又出現(xiàn)新的拉伸變形，但應變增量并不顯著。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)測結果

兩鉆孔對應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個剖面，同時得到如圖7所示的移動軌跡。可見，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方向則數(shù)值為正，傾向水平位移朝31401工作面一側則數(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、再向推進方向的“折返”過程，“折返”的拐點對應工作面推過鉆孔87 m，對應走向偏移-53 mm(沿走向推進方向，位移值為正，詳見圖注)；拐點過后走向位移的歸零點出現(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方向。兩者最終向推進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D2孔位置對應曲線出現(xiàn)小幅折曲)，對應最終的傾向偏移量分別為337和385 mm。

圖7 兩鉆孔對應孔口地表沉降剖面

將監(jiān)測初期的位移曲線進行局部放大后發(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個方向上開始發(fā)生位移的時刻也存在差異。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沉降情況。

2 采動覆巖典型5階段運移規(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“導高”等實測數(shù)據(jù)，可對覆巖關鍵層受采動影響的運移特征進行反演分析。

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離鉆孔，其內(nèi)部巖移測點的移動呈現(xiàn)明顯的“分區(qū)”現(xiàn)象，表現(xiàn)出覆巖關鍵層在工作面不同推進位置受不同采動影響而呈現(xiàn)的“分區(qū)”運移特征。經(jīng)統(tǒng)計分析，可將其劃分為5個典型階段。

(1)階段1：覆巖超前受壓變形階段。對應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)部巖移測點監(jiān)測的位移量即代表了測點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；當垂直位移占主導時，監(jiān)測值將表現(xiàn)為負值，否則為正值。

由圖8所示的局部放大圖可見，測點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1～4對應埋深405～640 m巖層整體相對地表處于同步運移狀態(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。

圖8 超前工作面階段的內(nèi)部巖移監(jiān)測曲線

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

當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，由于此時地表尚未出現(xiàn)較大沉降運動，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，各測點由下向上依次發(fā)生位移增長現(xiàn)象，表明對應巖層的斷裂回轉運動正逐步向上發(fā)展。受超前煤巖體的支撐約束作用，超前斷裂巖層的回轉運動相對緩慢，因而對應其巖移數(shù)據(jù)的增長速度也相對偏低。同時，各測點的巖移速度不盡相同，體現(xiàn)了相鄰測點間對應巖層中離層產(chǎn)生與閉合的發(fā)育過程。

通過對各點巖移數(shù)據(jù)開始發(fā)生增長的位置進行統(tǒng)計，可進一步推斷各層關鍵層發(fā)生斷裂的位置。其中，測點1對應亞關鍵層2超前35.6 m發(fā)生斷裂，測點2，3對應亞關鍵層3超前22.4 m發(fā)生斷裂，測點4對應亞關鍵層4超前13.2 m發(fā)生斷裂，而測點5，6對應的亞關鍵層5和主關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)計結果將有助于進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產(chǎn)生的快速沉降以及離層擴展或閉合的動態(tài)發(fā)育過程。

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

根據(jù)各測點間這種成組運移的變化可以推斷，測點1，2成組運移對應其亞關鍵層2，3的斷裂步距應基本相同，測點4，5成組運移對應其亞關鍵層4，5的斷裂步距基本相同；根據(jù)測點6及測點1～3脫離成組運移的變化過程也能進一步推斷各關鍵層斷裂步距的大小關系：主關鍵層>亞關鍵層4，5>亞關鍵層2，3。

(4)階段4：上位巖層向下壓實階段。對應工作面推過鉆孔190～410 m的開采范圍，表現(xiàn)為上位巖層進一步沉降而壓實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度不斷增大(測點1處于導水裂隙帶頂界以下，測點2，3處于彎曲下沉帶下部向導水裂隙帶過渡區(qū)域)，下位測點1～3對應巖層的運動進一步放緩，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4，5對應巖層仍處于快速運移階段，但運移速度有所降低。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)的主關鍵層突然發(fā)生快速運移，并與測點4，5對應的亞關鍵層4，5一起發(fā)生同步運移，由此進一步壓縮其與亞關鍵層3之間的離層裂隙?？梢?，此時覆巖離層主要集中于亞關鍵層5與主關鍵層之間的巖層中。

上述測點1～3和測點6巖移曲線的這2個典型變化點(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”(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，開始進入整體沉降狀態(tài)。

(5)階段5：覆巖整體穩(wěn)沉階段。對應工作面推過鉆孔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)覆巖斷裂運動趨于穩(wěn)定。除測點4，5，其余測點的巖移曲線均已平穩(wěn)，與地表保持相對靜止狀態(tài)。測點4，5的持續(xù)緩慢運移則代表了主關鍵層下部與亞關鍵層5之間離層的進一步擴展發(fā)育，以及亞關鍵層4底界附近離層的進一步閉合。

由上述現(xiàn)象并結合前述31401采空區(qū)D2孔鉆進的沖洗液漏失情況可進一步推斷，原先在31401已斷覆巖中對應埋深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。

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個階段典型運移特征的推演分析結果，對采動覆巖的內(nèi)部巖移與斷裂活動特征邊界線進行繪制，如圖9所示。

圖9 采動覆巖斷裂運移特征及其“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)關鍵層分區(qū)運移階段1中各測點巖移曲線的變化特征點，分別確定了對應層位發(fā)生巖移的邊界點。由地表向下依次確定，根據(jù)圖6(a)地表發(fā)生移動的臨界點為超前340 m處；根據(jù)圖8的超前巖移曲線，得到測點6和測點5的巖移邊界點分別為各自開始產(chǎn)生位移負增長的超前310 m和超前299 m處；而對于測點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時開始出現(xiàn)整體振蕩波動，測點5，6也隨之振蕩，表明覆巖移動范圍進一步加大，故推斷測點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1～4巖移曲線基本平行，因此其巖移邊界點也繪制為同一位置。而后繼續(xù)至超前工作面99 m時，所有測點巖移曲線再次出現(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為超前99 m處。根據(jù)各層位巖移邊界點的連線，進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)前述關鍵層分區(qū)運移階段2中各測點巖移增長的位置，確定了各關鍵層的斷裂位置，如圖9所示?？梢姡幱谙挛坏膩嗞P鍵層1～4均為超前斷裂，而上位的亞關鍵層5和主關鍵層為滯后斷裂，關鍵層發(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°。

進一步地，根據(jù)前述關鍵層運移的5個階段分析結果，結合經(jīng)典“橫三區(qū)”理論，對試驗工作面的覆巖“橫三區(qū)”的具體分布進行了確定。其中，巖移邊界線和巖層斷裂線之間的區(qū)域為A區(qū)超前變形區(qū)(對原理論中的“煤壁支撐區(qū)”進行了適當修改命名)，即對應于前述關鍵層運移階段1。由于工作面采后190 m，處于下位的關鍵層巖移已趨于穩(wěn)定，而在采后410 m，處于最上位的覆巖主關鍵層也運移平穩(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)重新壓實區(qū)，對應于前述巖移階段5。

4 討 論

4.1 關鍵層運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))，不同層位關鍵層的運動表現(xiàn)出對地表沉陷的不同控制作用。

按照礦山開采沉陷學的劃分，地表下沉速度達到1.7 mm/d前，屬于下沉運動初始期；超過該臨界值后，進入下沉運動活躍期；最終再次低于該臨界值時，則進入下沉衰減期。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個階段顯著的對應關系。即，巖移階段1對應地表下沉初始期，巖移階段2，3，4又分別對應下沉速度的攀升區(qū)、峰值區(qū)以及降低區(qū)，而巖移階段5則基本對應地表下沉的衰退期。同時結合圖7(a)還發(fā)現(xiàn)，孔口地表走向水平位移的拐點正好對應地表下沉速度開始進入峰值期。這說明覆巖關鍵層不同的運移狀態(tài)將引起地表不同活躍程度的沉陷。由此結合前述5個階段巖移分析結果，可以得出：

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

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

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

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

由此可見，覆巖最下位關鍵層發(fā)生斷裂運移意味著地表沉陷活躍期的開始，而沉陷活躍期的結束則取決于最上位主關鍵層運移的穩(wěn)定?？梢?，覆巖關鍵層運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移特征

從前述的監(jiān)測結果可見，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。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31402工作面距鉆孔還有327 m時，孔口地表走向水平位移即出現(xiàn)折返拐點，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，這將導致31402回風巷(臨空側)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移情況。但根據(jù)已有的監(jiān)測結果及上述分析也能進一步推斷，D2孔已斷覆巖的運移主要是隨區(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)生反向回轉運動，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 論

(1)以紅慶河煤礦3煤四盤區(qū)為現(xiàn)場實測試驗區(qū)，通過實施地面鉆孔內(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)已斷覆巖的運移規(guī)律，推演得到了采動覆巖超前運移的“類指數(shù)”邊界線、關鍵層逐層向上運動的斷裂線以及覆巖“橫三區(qū)”分布特征，并探討了關鍵層運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個階段典型運移特征，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覆巖關鍵層向上逐層斷裂回轉階段，采后85～180 m覆巖整體快速沉降及離層擴展或閉合的動態(tài)發(fā)育階段，采后180～410 m上位巖層進一步沉降而壓實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)、重新壓實區(qū)的“橫三區(qū)”分布特征?！叭齾^(qū)”的分布范圍分別對應于巖移階段1、階段2～4以及階段5。同時還發(fā)現(xiàn)，巖移5個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)顯著的一一對應關系，顯示了覆巖關鍵層不同運移狀態(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，兩者覆巖對應中部均處于整體同步運移狀態(tài)，這與不同層位巖層的強度差異密切相關。

(5)采動覆巖的內(nèi)部移動十分復雜，受地質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上開展的一些探索和嘗試，其監(jiān)測結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移的普適規(guī)律。因此，后續(xù)將結合不同開采條件開展更為深入的研究。