孫慶先，陳清通，李宏杰，牟 義

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)變形。在工作面推進(jìn)過(guò)程中，工作面前方地表受采動(dòng)影響下沉，這種現(xiàn)象就是超前影響，地表開(kāi)始移動(dòng)的點(diǎn)到當(dāng)時(shí)工作面的水平距離為超前影響距，地表開(kāi)始移動(dòng)的點(diǎn)和當(dāng)時(shí)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(dòng)影響預(yù)計(jì)計(jì)算多為地表移動(dòng)變形的最終結(jié)果，即靜態(tài)結(jié)果。許多專家學(xué)者意識(shí)到，除了靜態(tài)的最終結(jié)果外，工程實(shí)踐中也需要?jiǎng)討B(tài)預(yù)測(cè)地表變形，以便準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)受護(hù)對(duì)象的影響程度，科學(xué)地制定地表及其附屬物的治理修復(fù)方案和時(shí)機(jī)[1-3]。為此，很多學(xué)者作出了不懈努力，也獲得了一定研究成果，但作為動(dòng)態(tài)變形的超前影響卻較少受到關(guān)注，且大多數(shù)研究成果認(rèn)為，當(dāng)工作面地質(zhì)采礦條件穩(wěn)定時(shí)，超前影響距(角)是固定不變的，是與采深、采厚、工作面推進(jìn)速度、重復(fù)采動(dòng)等因素有關(guān)的常量[4-9]。本研究通過(guò)理論分析和實(shí)例證實(shí)，超前影響距(角)是周期性變化的變量，為開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)提供一種新的技術(shù)思想。

1 工作面開(kāi)采對(duì)地表移動(dòng)變形超前影響的機(jī)理分析

1.1 關(guān)鍵層理論簡(jiǎn)要介紹

1996年，錢鳴高等[10]首次提出了關(guān)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(guān)鍵層理論認(rèn)為，煤層上覆巖是由厚度不等、強(qiáng)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(dòng)中起主要的控制作用。對(duì)采場(chǎng)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(guān)鍵層，前者稱為亞關(guān)鍵層，后者稱為主關(guān)鍵層[11]。主關(guān)鍵層的破斷導(dǎo)致全部上覆巖層的破斷，也就是說(shuō)，覆巖主關(guān)鍵層對(duì)地表移動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程起控制作用，覆巖主關(guān)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(yáng)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(cè)與地表沉陷觀測(cè)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，地表變形與主關(guān)鍵層的破斷同步。以此證明：主關(guān)鍵層控制了上覆基巖直至地表的移動(dòng)變形。

1.2 基于關(guān)鍵層理論的地表移動(dòng)變形超前影響機(jī)理

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

圖1 工作面開(kāi)采的超前影響示意

圖1(a)為某任意時(shí)刻工作面開(kāi)采后的情形，此時(shí)工作面位于位置A，工作面前方地表受采動(dòng)影響最前端的點(diǎn)為1號(hào)點(diǎn)，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(jìn)至覆巖中關(guān)鍵層破斷前臨界狀態(tài)的情形，此時(shí)工作面位于位置B，由于關(guān)鍵層未破斷，關(guān)鍵層下界面以下覆巖垮落充填了采空區(qū)，關(guān)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(dòng)影響最前端的點(diǎn)仍為1號(hào)點(diǎn)，下沉曲線仍為W1，此時(shí)的超前影響距為最小值lmin，而超前影響角達(dá)到最大值ωmax；圖1(c)為工作面位于位置B時(shí)覆巖中關(guān)鍵層破斷后的情形，由于關(guān)鍵層已破斷，關(guān)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(diǎn)由1號(hào)點(diǎn)前移至2號(hào)點(diǎn)，下沉曲線變化為W2，此時(shí)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(fù)始，循環(huán)往復(fù)，直至回采結(jié)束。

覆巖中的關(guān)鍵層周期性破斷，從而引起工作面周期性來(lái)壓。從圖1可以看出，當(dāng)工作面地質(zhì)采礦條件穩(wěn)定時(shí)，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(lái)壓步距l(xiāng)Z相當(dāng)，即

lmax-lmin≈lZ

(1)

根據(jù)關(guān)鍵層理論對(duì)地表移動(dòng)變形超前影響機(jī)理分析可知，地表移動(dòng)變形是煤層開(kāi)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(guān)鍵層對(duì)地表移動(dòng)變形具有控制性作用，因此，地表移動(dòng)變形與關(guān)鍵層破壞移動(dòng)幾近同步，大體反映了關(guān)鍵層破斷前后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

2 實(shí)例介紹分析

覆巖斷裂后的移動(dòng)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(xué)性質(zhì)，基載比越小，傳至地表的時(shí)間就越短，一般在幾個(gè)小時(shí)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(lái)壓后大約5h，地表就開(kāi)始出現(xiàn)下沉[8]。覆巖運(yùn)動(dòng)傳播速度如此之快，即便在正常觀測(cè)頻率條件下，也很難捕捉到地表超前影響的準(zhǔn)確信息。在以往的研究中，地表沉陷與工作面來(lái)壓大多是分開(kāi)單獨(dú)研究的，人們未深刻理解工作面來(lái)壓(關(guān)鍵層破斷)與地表變形之間存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系而往往忽視對(duì)超前影響的觀測(cè)。因此，超前影響與工作面來(lái)壓(關(guān)鍵層破斷)同時(shí)報(bào)道的文獻(xiàn)記錄很少。本文介紹兩個(gè)實(shí)例。

2.1 實(shí)例1

大柳塔煤礦52306工作面開(kāi)采5-2煤層。工作面走向長(zhǎng)度1284.8m，傾斜長(zhǎng)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(cè)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(xué)參數(shù)，判定工作面覆巖中存在3個(gè)關(guān)鍵層，最上部的主關(guān)鍵層為厚度8.75m的粉砂巖。為研究覆巖運(yùn)動(dòng)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(cè)線，工作面內(nèi)部靠近回風(fēng)順槽一側(cè)施工了DS1、DS2兩個(gè)鉆孔，其中DS1鉆孔內(nèi)安裝了4個(gè)位移計(jì)用于監(jiān)測(cè)巖層內(nèi)部變形情況，位移計(jì)盡量靠近關(guān)鍵層位置，如圖3所示[14]。

圖2 52306工作面巖移監(jiān)測(cè)孔平面布置

圖3 52306工作面DS1鉆孔內(nèi)部巖移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

分析DS1鉆孔內(nèi)的位移計(jì)記錄信息和地表觀測(cè)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(guān)鍵層以下兩個(gè)亞關(guān)鍵層破斷下沉步調(diào)不同步，但主關(guān)鍵層破斷后，所有測(cè)點(diǎn)直至地表測(cè)點(diǎn)下沉速度趨于一致，也就是說(shuō)，全部巖層直至地表幾乎與主關(guān)鍵層保持同步下沉。

地表沉陷觀測(cè)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(duì)應(yīng)的超前影響角最小值、最大值分別為70.8°、79.1°。當(dāng)覆巖主關(guān)鍵層破斷時(shí)，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(jìn)，超前影響距慢慢減小，超前影響角逐漸增大，直至覆巖主關(guān)鍵層的下一次周期破斷。

對(duì)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(lái)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(yàn)表明[17]，工作面的周期來(lái)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(cè)記錄和鉆孔內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)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(yàn)成果證實(shí)本研究提出的觀點(diǎn)是科學(xué)可靠的。

2.2 實(shí)例2

補(bǔ)連塔煤礦31401工作面開(kāi)采1-2煤層。工作面走向長(zhǎng)度4629m，傾斜長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)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(cè)線，工作面中部施工了S18鉆孔，孔內(nèi)安裝了2個(gè)位移計(jì)用于監(jiān)測(cè)巖層內(nèi)部變形情況，其中1個(gè)安裝在主關(guān)鍵層位置，另一個(gè)安裝在主關(guān)鍵層上部50m處，如圖5所示[13]。根據(jù)鉆孔揭露巖性和力學(xué)參數(shù)，判定工作面覆巖中存在3個(gè)關(guān)鍵層，最上部的主關(guān)鍵層為厚度47m的粉砂巖。

圖4 31401工作面巖移監(jiān)測(cè)孔平面布置

圖5 31401工作面S18鉆孔內(nèi)部巖移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

S18鉆孔內(nèi)的位移計(jì)記錄信息和地表孔口觀測(cè)點(diǎn)記錄信息顯示[17]，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的下沉量有少許差異，但對(duì)應(yīng)的下沉速度曲線出現(xiàn)完全一致的變化，周期性地同時(shí)達(dá)到最大值和最小值。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示[17]，超前影響距最大值、最小值分別為76m、65m，對(duì)應(yīng)的超前影響角最小值、最大值分別為75°、73°，當(dāng)主關(guān)鍵層破斷時(shí)，超前影響為最大值，超前影響角為最小值。這說(shuō)明主關(guān)鍵層對(duì)地表移動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程起控制作用，主關(guān)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(duì)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(lái)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(cè)記錄和鉆孔內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)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(shí)本研究提出的觀點(diǎn)是科學(xué)可靠的。

3 超前影響距(角)的影響因素分析

很多研究成果認(rèn)為[18，19]超前影響距(角)受采動(dòng)充分程度、煤層賦存條件、覆巖力學(xué)性質(zhì)、工作面推進(jìn)速度、重復(fù)采動(dòng)等因素影響，超前影響距(角)是固定不變的常量。為此，很多學(xué)者通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的回歸分析建立了適合礦區(qū)特點(diǎn)的定量關(guān)系方程。例如有學(xué)者[20]分析東勝礦區(qū)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后認(rèn)為，覆巖越堅(jiān)硬、采深越大、工作面推進(jìn)速度越快，超前影響角就越大，超前影響角與采深和推進(jìn)速度之間的定量關(guān)系明顯。機(jī)理分析和實(shí)例證實(shí)，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(lái)壓步距大體一致。本文就影響超前影響距(角)變化的因素進(jìn)行分析。

1)關(guān)鍵層性質(zhì)與結(jié)構(gòu)因素。關(guān)鍵層越厚、越堅(jiān)硬，就越難破斷，破斷塊度就越大。關(guān)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(guān)鍵層破斷塊度越大，其對(duì)地表下沉曲線特征的影響越顯著，關(guān)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(gè)關(guān)鍵層，盡管亞關(guān)鍵層破斷后的移動(dòng)未波及地表，但亞關(guān)鍵層依次破斷可以導(dǎo)致主關(guān)鍵層發(fā)生彎曲，進(jìn)而弱化了主關(guān)鍵層對(duì)地表形態(tài)的控制性作用，多個(gè)關(guān)鍵層破斷的耦合導(dǎo)致工作面來(lái)壓步距表現(xiàn)出大小周期交替出現(xiàn)的非均值性，也會(huì)出現(xiàn)來(lái)壓不明顯的現(xiàn)象。主關(guān)鍵層的位置也影響其對(duì)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(bǔ)連塔煤礦31401工作面主關(guān)鍵層至地表129m，大柳塔煤礦52306工作面主關(guān)鍵層距地表35m，因此，52306工作面主關(guān)鍵層的破斷對(duì)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(xué)性質(zhì)因素。覆巖結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)是影響覆巖運(yùn)動(dòng)傳播的重要因素，研究表明，基載比越小，覆巖斷裂后的運(yùn)動(dòng)傳播至地表的時(shí)間就越短[8]。松散層對(duì)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(guān)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(cè)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(yùn)動(dòng)的傳播速度，這是因?yàn)樗缮拥恼尘哿苄?，如果松散層是風(fēng)積沙，覆巖破斷后的運(yùn)動(dòng)可直接傳播至地表[8]。

3)工作面推進(jìn)速度因素。以往的研究成果視超前影響距(角)為常量，研究認(rèn)為[18，19]推進(jìn)速度越快，超前影響距就越小，超前影響角就越大。實(shí)際上，推進(jìn)速度影響著關(guān)鍵層的破斷，因而對(duì)工作面來(lái)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(jìn)速度越快，周期來(lái)壓步距越大。這將對(duì)超前影響距(角)的變化周期構(gòu)成影響。

4)觀測(cè)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(dòng)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(shuō)，在關(guān)鍵層先后兩次破斷的間隔期內(nèi)，地表最前方的下沉點(diǎn)位置幾乎沒(méi)有變化。我國(guó)開(kāi)展了大量的地表移動(dòng)觀測(cè)工作，迄今為止的公開(kāi)文獻(xiàn)顯示，從沒(méi)有對(duì)超前影響進(jìn)行過(guò)專門的觀測(cè)，而是在對(duì)觀測(cè)站的日常觀測(cè)時(shí)隨機(jī)觀測(cè)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(cè)站的日常觀測(cè)頻率平均不足每月1次，地表活動(dòng)的活躍期僅為每2個(gè)月3次。顯然，日常觀測(cè)的頻率偏低，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不是關(guān)鍵層破斷(來(lái)壓)時(shí)所采集，因此，也就無(wú)法捕捉到超前影響的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，存在誤差在所難免。

4 結(jié) 語(yǔ)

主觀上人們沒(méi)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(dǎo)致地表超前影響周期性變化不明顯，同時(shí)地表觀測(cè)常常發(fā)生漏測(cè)現(xiàn)象，因此，難有超前影響距(角)周期性變化的觀測(cè)記錄和成果分析的公開(kāi)報(bào)道。通過(guò)機(jī)理分析可知，關(guān)鍵層周期破斷與地表超前影響距(角)、工作面周期來(lái)壓步距存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)?shù)刭|(zhì)采礦條件穩(wěn)定時(shí)，超前影響距最大值lmax與最小值lmin之差與關(guān)鍵層周期破斷導(dǎo)致的周期來(lái)壓步距l(xiāng)Z大體相等，即lmax-lmin≈lZ。實(shí)例證明本文的技術(shù)思想科學(xué)可靠。覆巖破壞既引發(fā)采場(chǎng)來(lái)壓，也導(dǎo)致地表沉陷。本文的技術(shù)思想為探索實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)來(lái)壓與地表移動(dòng)變形的有機(jī)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(kāi)采沉陷理論也將融入更多的新理念、新觀點(diǎn)。