煤炭開(kāi)采與巖層運(yùn)動(dòng)

錢(qián)鳴高,許家林

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100083; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

采礦長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是一種技術(shù)。為此，煤炭企業(yè)大多在采礦工藝和采礦系統(tǒng)等方面下功夫，不斷提高采礦機(jī)械化程度并完善與之相適應(yīng)的開(kāi)拓系統(tǒng)，以達(dá)到高產(chǎn)高效目的。例如，從技術(shù)上由手工發(fā)展到全面機(jī)械化、自動(dòng)化與智能化，從系統(tǒng)上由房柱開(kāi)采發(fā)展到長(zhǎng)壁開(kāi)采，單個(gè)工作面的產(chǎn)量也由幾十萬(wàn)噸提高到上千萬(wàn)噸。然而，采礦是從礦區(qū)地層內(nèi)獲取煤炭資源的過(guò)程，必然會(huì)對(duì)礦區(qū)地層產(chǎn)生與其采出量規(guī)模相當(dāng)?shù)臄_動(dòng)，從而影響該地區(qū)環(huán)境和獲取資源的安全。

目前，我國(guó)煤炭年產(chǎn)量已近40億t，歷年累計(jì)為國(guó)家的能源貢獻(xiàn)了800億t左右的煤炭，顯然嚴(yán)重影響資源地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。若這些問(wèn)題不加以解決，必然會(huì)在煤炭為社會(huì)貢獻(xiàn)的同時(shí)受到社會(huì)的責(zé)難。為此，有必要總結(jié)和創(chuàng)建從地層中合理獲取煤炭資源的科學(xué)體系，以解決獲取中的負(fù)面效應(yīng)。也就是說(shuō)采礦中有科學(xué)問(wèn)題。因此，可以將采礦定義為:從地層環(huán)境中科學(xué)地獲取礦產(chǎn)資源造福于人類的科學(xué)和技術(shù)。

由于采礦是從地層內(nèi)部獲取資源，資源的采出必然破壞巖層的原始平衡狀態(tài)而引起巖層運(yùn)動(dòng)。因此，采礦引起的巖層運(yùn)動(dòng)是采礦科學(xué)的基礎(chǔ)。另外，煤炭開(kāi)采是從沉積巖中獲取煤炭資源，其巖層運(yùn)動(dòng)必然具有層狀特點(diǎn)。沉積巖是在沉積過(guò)程中形成強(qiáng)度與厚度不同的層狀巖體的疊加，因此，采礦雖然是對(duì)巖層的破壞，但各巖層的破壞是不一致且不同步的。顯然，隨著工作面推進(jìn)軟巖層將同步斷裂，而硬巖層將產(chǎn)生間斷式斷裂而形成塊體。硬巖層斷裂塊體的重新排列，必然將影響到整個(gè)巖層原始狀態(tài)，從而影響巖層內(nèi)部流體(瓦斯和水等)的滲流、地面沉降和采場(chǎng)空間的安全。

可見(jiàn)，采礦作為一門(mén)科學(xué)，必須研究采礦前后巖層的平衡狀態(tài)，即硬巖層破斷前后的力學(xué)行為?！捌茢嗪蟮牧W(xué)行為”是采礦科學(xué)與其他學(xué)科(如散體)顯著不同的地方。由于硬巖層的破斷主導(dǎo)著巖層運(yùn)動(dòng)，因此煤炭開(kāi)采的“巖層力學(xué)”(Strata mechanics)必然要研究硬巖層在開(kāi)采空間狀態(tài)下的破斷規(guī)律，例如:破斷前的應(yīng)力集中和破斷后的巖塊運(yùn)動(dòng)規(guī)則(如回轉(zhuǎn)和滑移等);巖塊由于受到采礦空間的限制是否可能形成一定的結(jié)構(gòu)，及其形態(tài)與穩(wěn)定條件必然也是研究的重點(diǎn)。由此可見(jiàn)，煤炭開(kāi)采形成的破碎巖層是宏觀上的“破碎體”，更確切地說(shuō)是堅(jiān)硬巖層破斷的“塊體”主導(dǎo)著巖層運(yùn)動(dòng)。巖層運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是:不連續(xù)突變的塊體運(yùn)動(dòng)；塊體運(yùn)動(dòng)受采礦空間限制，主要是轉(zhuǎn)動(dòng)和滑移；塊體運(yùn)動(dòng)時(shí)互相咬合可能形成結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是“大變形”。當(dāng)然，巖層破斷和塊體運(yùn)動(dòng)必然帶來(lái)巖層內(nèi)部“應(yīng)力場(chǎng)”和“裂隙場(chǎng)”的變化。上述問(wèn)題的研究將提高人們對(duì)采礦科學(xué)性的認(rèn)知，必然帶來(lái)技術(shù)上的進(jìn)一步發(fā)展，促使煤炭行業(yè)健康發(fā)展，并為社會(huì)所接受。

煤層開(kāi)采必然引起上覆巖層產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，由此發(fā)生了一系列力學(xué)現(xiàn)象，影響著生產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境。因此，研究煤炭開(kāi)采引起的巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律是發(fā)展開(kāi)采技術(shù)的基礎(chǔ)。本文將就采動(dòng)巖層運(yùn)動(dòng)及其對(duì)安全和環(huán)境的影響規(guī)律進(jìn)行相關(guān)的研究，以及原有的研究進(jìn)展進(jìn)行介紹。

1 煤炭開(kāi)采上覆巖層運(yùn)動(dòng)的塊體結(jié)構(gòu)特征

煤炭上覆巖層為沉積巖，各層強(qiáng)度與厚度并不一致。經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐[1-4]，可以發(fā)現(xiàn)在采動(dòng)過(guò)程中堅(jiān)硬巖層(關(guān)鍵層)的破斷呈現(xiàn)間斷性(步距一般在10～20 m之間、個(gè)別可能達(dá)50 m以上)，而軟巖層基本上處于破散狀態(tài)，事實(shí)上是硬巖層上的載荷。隨著工作面推進(jìn)采場(chǎng)上覆堅(jiān)硬巖層的破斷及破斷塊體運(yùn)動(dòng)決定了上覆巖層運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。為了了解破斷巖塊的形態(tài)必須研究堅(jiān)硬巖層在采空范圍內(nèi)的破斷規(guī)律，長(zhǎng)壁開(kāi)采堅(jiān)硬巖層(可視為“板”)呈長(zhǎng)方形，因此形成豎“O-X”型破斷規(guī)律[1-2]，此時(shí)工作面中部的結(jié)構(gòu)狀態(tài)就可以用圖1的模式表達(dá)。先以工作面上方第1層堅(jiān)硬巖層(基本頂)為例，圖1中h為基本頂厚度。隨著工作面推進(jìn)基本頂斷裂(按照彈性基礎(chǔ)梁計(jì)算斷裂線在煤壁以內(nèi)[1-2,5])，B巖塊開(kāi)始回轉(zhuǎn)，由于巖塊在橫向受到限制，這時(shí)B巖塊與未斷裂的A和已經(jīng)斷裂的C呈現(xiàn)如圖1的鉸接狀態(tài)。隨著工作面的推進(jìn)，當(dāng)巖塊A斷裂時(shí)將發(fā)生如原來(lái)B巖塊的回轉(zhuǎn)，而巖塊B將如巖塊C一樣出現(xiàn)反向回轉(zhuǎn)。由此其上覆巖層點(diǎn)的移動(dòng)必然不是垂直移動(dòng)，而是隨著工作面推進(jìn)先向后而后向前的“反S型”或者“S型”移動(dòng)(與工作面推進(jìn)方向有關(guān))。這些都得到了內(nèi)部巖層移動(dòng)觀測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證。

圖1 開(kāi)采引起的巖塊回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[1]Fig.1 Rotation of mining-induced Voussoir Beam block[1]h—基本頂厚度；∑h—直接頂厚度；M—煤厚；M1—頂煤厚度；k—碎脹系數(shù)；φ—安息角;α—垮落角;θ—回轉(zhuǎn)角;Δ—浮煤厚度

圖2為一次采動(dòng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)測(cè)結(jié)果[1-2,4]，測(cè)點(diǎn)J9,J10,J11,J12運(yùn)動(dòng)軌跡證明了巖層運(yùn)動(dòng)的塊體特征，表現(xiàn)為隨著巖塊的回轉(zhuǎn)和反向回轉(zhuǎn)，測(cè)定點(diǎn)先向工作面后而后再向前運(yùn)動(dòng)。

圖2 開(kāi)采影響的巖層移動(dòng)軌跡[2]Fig.2 Trail of the mining-induced strata movement[2]

由于破斷后的巖塊互相的限制呈現(xiàn)咬合狀態(tài)。因此有可能形成承載結(jié)構(gòu)。由此可以設(shè)想將堅(jiān)硬巖層隨著工作面推進(jìn)破斷巖塊視為構(gòu)件，再考慮其受力和邊界條件，從而建立了“砌體梁”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型[1-4]。按照此結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，破斷巖塊隨著工作面推進(jìn)，其運(yùn)動(dòng)軌跡符合圖2的規(guī)律。

顯然，隨著工作面的推進(jìn)，堅(jiān)硬巖層經(jīng)過(guò)破斷成為塊狀，隨著回轉(zhuǎn)和反向回轉(zhuǎn)是否可能重新整齊排列，是研究開(kāi)采引起巖層運(yùn)動(dòng)的重點(diǎn)。其中正在開(kāi)始回轉(zhuǎn)的巖塊B可以稱之為“砌體梁的關(guān)鍵塊”，關(guān)鍵塊在砌體梁結(jié)構(gòu)的平衡中起著關(guān)鍵作用，其平衡條件必須符合“S-R”(滑落與回轉(zhuǎn))穩(wěn)定條件[1-4]。關(guān)鍵塊的“S-R”穩(wěn)定除了與載荷條件有關(guān)外，以下幾種情況需要特別注意:

(1)關(guān)鍵塊B的后鉸接點(diǎn)(B與C鉸接點(diǎn))必須高出前鉸接點(diǎn)(A與B鉸接點(diǎn))，“砌體梁”才能形成支點(diǎn)向煤壁的半拱式平衡，相反則此時(shí)必須限制采高或者用充填的方法解決。

(2)當(dāng)關(guān)鍵層斷裂面傾向采空區(qū)而且與層面夾角小于巖層內(nèi)摩擦角(50°左右)時(shí)，巖塊間難以產(chǎn)生摩擦力來(lái)平衡巖塊重力，將無(wú)法形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)。這種情況在工作面存在平行斷層時(shí)最易發(fā)生，此時(shí)如果工作面推進(jìn)方向與斷層傾向一致且斷層與層面夾角小于50°左右，頂板就會(huì)沿?cái)鄬用婊涫Х€(wěn)。

(3)采高和直接頂厚度對(duì)砌體梁結(jié)構(gòu)平衡起關(guān)鍵作用，當(dāng)采高與直接頂厚度之比越大時(shí)，“砌體梁”結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)失穩(wěn)或鉸接點(diǎn)斷開(kāi)垮落的趨向越明顯，就越不易形成這種半拱式平衡。

可以推斷基本頂以上的堅(jiān)硬巖層(關(guān)鍵層)也將隨著工作面推進(jìn)產(chǎn)生類似的破裂過(guò)程。由此假設(shè)上覆有兩層堅(jiān)硬巖層(其中之一為基本頂)，則隨著工作面推進(jìn)堅(jiān)硬巖層破斷為巖塊，則上覆巖層運(yùn)動(dòng)最終形成圖3所示的堅(jiān)硬巖層主導(dǎo)的采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)概貌。

圖3 采動(dòng)堅(jiān)硬巖層主導(dǎo)的覆巖運(yùn)動(dòng)概貌Fig.3 Sketch of strata movement controlled by hard strata

由此推論采場(chǎng)上覆前后巖層狀態(tài)按照橫向可以劃分為如圖4所示的3個(gè)區(qū)。圖4中A區(qū)是采動(dòng)支承壓力影響區(qū);B區(qū)是巖層劇烈運(yùn)動(dòng)區(qū)(裂隙發(fā)育區(qū))，是礦壓、裂隙與沉陷的劇烈變化區(qū)域。顯然，B區(qū)對(duì)工作面維護(hù)、地下水滲流和地表沉陷影響有重要影響，因此是巖層運(yùn)動(dòng)研究的重點(diǎn)區(qū)域;C區(qū)為重新壓實(shí)區(qū)，巖層運(yùn)動(dòng)重新趨于平穩(wěn)，巖層裂隙又重新閉合。

圖4 上覆巖層運(yùn)動(dòng)分區(qū)[2]Fig.4 Conceptual model of overburden strata movement[2]Ⅰ—垮落帶;Ⅱ—裂縫帶;Ⅲ—彎曲下沉帶

由于巖層運(yùn)動(dòng)不是散體運(yùn)動(dòng)，而是堅(jiān)硬巖層破斷后的塊體運(yùn)動(dòng)，因此地表受開(kāi)采影響的移動(dòng)點(diǎn)必然是隨著工作面推進(jìn)(跳躍式)向前移動(dòng)。其內(nèi)部巖層移動(dòng)邊界線，它并非地表沉陷邊界與煤層開(kāi)采邊界兩點(diǎn)相連的一條直線，而是與關(guān)鍵層厚度、位置及破斷特征等相關(guān)。正如圖4所示巖層運(yùn)動(dòng)破裂滑移線是先向采空區(qū)內(nèi)收斂至最上面有一定厚度的堅(jiān)硬巖層(主關(guān)鍵層)，其上覆軟巖層(或者沖積層)運(yùn)動(dòng)破斷滑移線呈向采空區(qū)外擴(kuò)散一直到地表。因此，巖層運(yùn)動(dòng)破裂滑移邊界可能是先收斂后擴(kuò)散的“類雙曲線”[6]。巖層運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的巖體碎脹與再壓實(shí)特性(殘余碎脹)將會(huì)影響采動(dòng)覆巖的破裂運(yùn)動(dòng)過(guò)程和地表最大下沉系數(shù)。通常情況下，垮落帶巖層的殘余碎脹系數(shù)較上覆巖層的殘余碎脹系數(shù)要大。而我國(guó)煤礦開(kāi)采地表最大下沉系數(shù)變化較大(0.27～1.00)，造成這種差異的原因可能與直接頂厚度和不同地質(zhì)開(kāi)采條件下堅(jiān)硬巖層破斷后的平衡狀態(tài)以及是否充分采動(dòng)有很大關(guān)系。當(dāng)然這些還有待于進(jìn)一步研究的證明。

當(dāng)堅(jiān)硬巖層經(jīng)過(guò)破斷，巖塊結(jié)構(gòu)都能取得平衡，則隨著工作面推進(jìn)各巖層最后下降一定高度仍然能夠按照順序整齊排列。若巖塊不能取得平衡，則堅(jiān)硬巖層有可能打破原來(lái)的排列，從而產(chǎn)生工作面礦壓、巖體內(nèi)部“裂隙場(chǎng)”和地表沉陷等一系列特殊變化。如，在開(kāi)采煤層群時(shí)，為了保證開(kāi)采本煤層時(shí)對(duì)其它煤層不產(chǎn)生影響，一般采用下行開(kāi)采順序。但若采動(dòng)巖體能夠保持堅(jiān)硬巖層砌體梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，則采動(dòng)巖體最終將仍然按照原來(lái)順序整齊排列。此時(shí)根據(jù)需要也可以采用上行開(kāi)采模式。大屯孔莊煤礦基于對(duì)覆巖破斷運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)就成功地實(shí)現(xiàn)了上行開(kāi)采[7]。

綜上所述，巖層運(yùn)動(dòng)是上覆堅(jiān)硬巖層(關(guān)鍵層)隨著工作面推進(jìn)形成破斷“巖塊”運(yùn)動(dòng)的綜合反映，是以“塊體”運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)的力學(xué)現(xiàn)象。塊體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn):① 未斷裂前將形成應(yīng)力集中，一旦斷裂將引起應(yīng)力場(chǎng)的劇烈變化;② 塊體運(yùn)動(dòng)是非連續(xù)的突變運(yùn)動(dòng);③ 由于塊體受采礦空間影響互相限制，因此運(yùn)動(dòng)過(guò)程可能形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是“大變形”。顯然，不同地質(zhì)開(kāi)采條件下，煤層開(kāi)采厚度與直接頂厚度是變化的，而且覆巖中關(guān)鍵層(堅(jiān)硬巖層)的層數(shù)、厚度與位置也是不同的，從而造成不同地質(zhì)開(kāi)采條件下巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其工程效應(yīng)的差異。因此，巖層運(yùn)動(dòng)研究中要充分重視具體地質(zhì)開(kāi)采條件采高、直接頂及其覆巖關(guān)鍵層特點(diǎn)。

2 巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)工作空間維護(hù)的影響

在表現(xiàn)形式上，首先是基本頂?shù)膩?lái)壓和防治冒頂?shù)闹ёo(hù)原理問(wèn)題。顯然工作面空間的維護(hù)必須符合基本頂形成的“砌體梁”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的形態(tài)，由此導(dǎo)致工作面支護(hù)頂板的下沉量既不是彈性變形也不是塑性變形而是“大變形”。為此支架必須有符合此大變形的可縮量。目前液壓支架主要由讓壓元件如安全閥來(lái)完成此功能。對(duì)于大變形引起的頂板快速下沉來(lái)說(shuō)，安全閥的流量和動(dòng)態(tài)性能則尤為重要。同時(shí)支架的工作阻力必須保證直接頂?shù)耐暾汀捌鲶w梁”結(jié)構(gòu)關(guān)鍵塊的穩(wěn)定。

為了確定支架需要的工作阻力就必須研究“砌體梁”結(jié)構(gòu)的“S-R”穩(wěn)定條件。顯然支架阻力除了保證直接頂?shù)姆€(wěn)定外，還必須防止“關(guān)鍵塊”滑落和回轉(zhuǎn)失穩(wěn)。由于地質(zhì)開(kāi)采條件的復(fù)雜多變，因此工作面控制的上覆巖層狀態(tài)屬于 “黑箱”。“砌體梁”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的建立只是明確了支護(hù)原理，“砌體梁”結(jié)構(gòu)的載荷對(duì)支架工作阻力的影響程度仍然難以定量。因此“砌體梁”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的建立，僅僅使巖層控制由一片模糊的“黑箱”變成原理上清楚的“灰箱”，仍然不能達(dá)到在具體情況下準(zhǔn)確確定各項(xiàng)參數(shù)的“白箱”要求，只能定性判斷而難以定量確定。從另一方面看，支架工作阻力必須適應(yīng)工作面覆巖條件一定范圍的變化，因此也沒(méi)有必要一對(duì)一精確設(shè)計(jì)。為此，支架工作阻力的確定是一個(gè)“宏觀控制”問(wèn)題，主要根據(jù)可能出現(xiàn)的礦山壓力情況和實(shí)踐效果進(jìn)行估算。支架工作阻力估算的具體方法很多[2,8]，基本思路是考慮必須滿足直接頂重量與基本頂作用于支架載荷之和，其中后者可以通過(guò)對(duì)基本頂破斷移動(dòng)規(guī)律的不同理論和假說(shuō)進(jìn)行估算或設(shè)定系數(shù)，也可以通過(guò)工程實(shí)踐統(tǒng)計(jì)分析來(lái)確定。再加上考慮支架在井下的服務(wù)時(shí)間較長(zhǎng)和工作面推進(jìn)遇到地質(zhì)條件的差異，顯然要求支架工作阻力有相當(dāng)?shù)母辉Ａ浚虼?，支架趨向?qiáng)力化是必然的要求。

我國(guó)自從1973年引入液壓支架至今已經(jīng)40多年，關(guān)于支架工作阻力的確定已經(jīng)有豐富的經(jīng)驗(yàn)。上覆巖層“砌體梁”結(jié)構(gòu)的平衡與采高和直接頂?shù)暮穸扔兄苯雨P(guān)系，在一般條件下支架工作阻力可以按照頂梁上每平方米4～8倍采高巖柱自重確定，它一直是國(guó)內(nèi)外普遍采用的一種簡(jiǎn)便估算方法，實(shí)踐證明可以滿足多數(shù)煤礦安全生產(chǎn)的實(shí)際需要，并取得了成功的經(jīng)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)已經(jīng)設(shè)計(jì)的支架工作阻力，最高為8倍采高巖柱自重(放頂煤除外)。顯然，遇到下述情況時(shí)，支架工作阻力的確定將更為復(fù)雜。

(1)大采高或薄直接頂(如直接頂厚度≤采高)。這時(shí)很容易造成基本頂斷裂巖塊的回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，從而使平衡的砌體梁結(jié)構(gòu)上移。此時(shí)支架的工作阻力必須大幅度提高。如，神東礦區(qū)特大采高支架(>7.0 m)綜采工作面的開(kāi)采實(shí)踐表明[9-10]，因一次采全高綜采工作面的采高顯著增大，基本頂(第1層關(guān)鍵層)將無(wú)法形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)而進(jìn)入垮落帶，其載荷將全部由支架承擔(dān)。此時(shí)基本頂呈現(xiàn)“懸臂梁”結(jié)構(gòu)發(fā)生周期性破斷，其上方第2層關(guān)鍵層破斷塊體形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，造成工作面周期來(lái)壓步距與強(qiáng)度呈現(xiàn)一大一小的周期性變化特征。

(2)淺埋煤層開(kāi)采。當(dāng)在淺部開(kāi)采時(shí)，尤其是薄基本頂條件下，若上覆載荷遠(yuǎn)大于“砌體梁”結(jié)構(gòu)塊體間的摩擦力，則很容易產(chǎn)生滑落失穩(wěn)，導(dǎo)致工作面發(fā)生壓架事故[11-13]。因此就需要比一般情況下更大的支架工作阻力，此時(shí)將根據(jù)基本頂?shù)暮穸扰c上覆軟巖層的載荷情況進(jìn)行確定，顯然基本頂越薄而上覆軟巖層載荷越大則工作阻力就越高。

(3)特殊開(kāi)采條件下壓架。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)在一些特殊開(kāi)采條件下支架阻力確定也較為困難，易發(fā)生大面積壓架，如:煤層群開(kāi)采時(shí)下部煤層工作面采出上覆煤柱邊界時(shí)、淺埋煤層過(guò)溝谷地形上坡段時(shí)、鄰近松散承壓含水層開(kāi)采時(shí)等特殊開(kāi)采條件[11,14-18]。提高支架工作阻力是降低此類壓架冒頂?shù)挠行Т胧?，但有時(shí)單純提高支架阻力仍無(wú)法徹底解決，還需從減少或轉(zhuǎn)移上覆載荷的角度配套實(shí)施相關(guān)措施加以防范。

上述情況到目前為止設(shè)計(jì)的支架工作阻力最大取值為8倍采高巖柱自重。

對(duì)于放頂煤開(kāi)采的支架工作阻力:放頂煤開(kāi)采由于采厚大，對(duì)上覆巖層的擾動(dòng)也大。放頂煤開(kāi)采支架的直接支護(hù)對(duì)象是即將放落的頂煤。而支架是處于“直接頂-支架-底板”支護(hù)系統(tǒng)中的，支護(hù)系統(tǒng)各部分的剛度特性對(duì)支架阻力有直接影響。 因此，“頂煤的剛度”對(duì)支架阻力有著直接的影響。放頂煤使直接頂尤其是頂煤得到松動(dòng)，成為“變形體”，其剛度明顯降低，導(dǎo)致頂煤難以傳遞上覆巖層對(duì)于支架上的作用力。此時(shí)基本頂?shù)牟糠肿饔昧梢赞D(zhuǎn)移為由煤壁支撐，轉(zhuǎn)移力的大小隨頂煤和直接頂剛度大小而變化。顯然，剛度大則支架受力就大。因此在使用放頂煤時(shí)出現(xiàn)2種情況:其一，當(dāng)頂煤松散時(shí)支架工作阻力可能小于正常情況(有時(shí)僅為同樣采高的70%～80%)，此時(shí)支架前柱受力大于后柱。實(shí)踐中多數(shù)放頂煤開(kāi)采屬于這種情況。其二，當(dāng)頂煤剛度大時(shí)，頂煤就成為傳遞壓力的介質(zhì)，此時(shí)其支架工作阻力將比一般工作面要大的多，此時(shí)支架后柱受力大于前柱。如，大同塔山煤礦3-5煤層是堅(jiān)硬煤層，頂煤剛度大，早期按照上述第1種情況設(shè)計(jì)的支架工作阻力為10 000 kN，工作面經(jīng)常發(fā)生壓架等強(qiáng)烈礦壓顯現(xiàn)，將支架工作阻力提高至15 000 kN后，壓架問(wèn)題得到明顯改善。顯然，此時(shí)工作阻力就不能以“采高”的(4～8)倍巖柱自重進(jìn)行確定。

綜上所述，“砌體梁”結(jié)構(gòu)模型及其“S-R”穩(wěn)定條件為支架選型設(shè)計(jì)提供了基本遵循，在確定支架工作阻力時(shí)必須根據(jù)具體情況進(jìn)行估算，即:① 正常狀態(tài);② 大采高或薄直接頂;③ 淺部開(kāi)采;④ 特殊開(kāi)采條件下壓架;⑤ 放頂煤開(kāi)采。當(dāng)前，端面冒頂與壓架事故仍是影響工作面安全高效開(kāi)采的重要因素之一，如何更有效地預(yù)測(cè)和防治仍有待深入研究。

3 巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響

資源的“獲取—使用—回歸”是人與自然相處的三大學(xué)問(wèn)。人類通過(guò)從自然界獲取資源得以生存，使用后以同等數(shù)量回歸自然。在這一過(guò)程中，善待地球、善待環(huán)境就是善待人類自己，為此，人類不能只研究“使用”而不注意“獲取”與“回歸”，同樣在獲取中不能只要求取得而不注意獲取時(shí)對(duì)環(huán)境的影響。礦業(yè)是人類從大自然獲取資源的重要手段之一，是人類不可或缺的行業(yè)。因此，研究礦業(yè)必須研究其與環(huán)境的關(guān)系。煤炭開(kāi)采前礦區(qū)地層和環(huán)境處于平衡狀態(tài)，隨著煤炭的采出，巖層的平衡狀態(tài)被改變，即巖層運(yùn)動(dòng)改變了巖層內(nèi)部原來(lái)的狀態(tài)，由此引起嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，尤其是巖層運(yùn)動(dòng)引起的地下水破壞與地表沉陷問(wèn)題。因此，需要研究巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)科學(xué)采礦提供理論基礎(chǔ)[19-21]。

3.1 巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)采動(dòng)裂隙的影響

巖層運(yùn)動(dòng)引起的橫向裂隙(離層)和縱向裂隙(破斷裂隙)是地下水、瓦斯和充填漿體的流動(dòng)通道，其演化規(guī)律與地下水流失、卸壓瓦斯運(yùn)移和注漿充填減沉等一系列問(wèn)題緊密相關(guān)，因此，研究掌握巖層采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)分布規(guī)律是十分必要的[22]。由圖4可知，B區(qū)是巖層運(yùn)動(dòng)劇烈影響區(qū)，也是裂隙發(fā)育區(qū)。而C區(qū)是巖層重新壓實(shí)區(qū)，巖層若按照原來(lái)順序排列，裂隙將重新閉合，則裂隙度將有可能基本上恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。顯然，巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)巖層內(nèi)部裂隙的影響重點(diǎn)發(fā)生在B區(qū)域。

3.1.1巖層內(nèi)部橫向裂隙分布規(guī)律

開(kāi)采導(dǎo)致上覆多層關(guān)鍵層破斷的塊體咬合形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，其下沉曲線擬合方程可用下面的關(guān)系式[23]表示:

w(x)=w0{1-1/[1+e(x-0.5l)/a]}

(1)

式中,w0為巖層移動(dòng)穩(wěn)定后的最大下沉量，m;x為距煤層開(kāi)采邊界的距離，m;l為關(guān)鍵層斷塊長(zhǎng)度，m;a為與關(guān)鍵層斷塊長(zhǎng)度及煤體剛度有關(guān)的系數(shù)。

式(1)中引入的關(guān)鍵層破斷巖塊的長(zhǎng)度將影響巖層移動(dòng)曲線的平緩程度，而各關(guān)鍵層破斷后的塊度和形狀的差別將導(dǎo)致層與層間產(chǎn)生離層形成橫向裂隙，從而導(dǎo)致地下水和氣產(chǎn)生滲流變化。例如，一定條件下相鄰兩層破斷塊體長(zhǎng)度分別為10 m和30 m，由式(1)可以繪出圖5所示的2層關(guān)鍵層下沉曲線與離層量分布曲線。由圖5可見(jiàn)，2層關(guān)鍵層因各自破斷塊體長(zhǎng)度的差異導(dǎo)致了移動(dòng)曲線平緩程度的不同，并導(dǎo)致層間出現(xiàn)離層裂隙，離層裂隙僅在開(kāi)采邊界一定寬度范圍內(nèi)出現(xiàn)，從而在采空區(qū)四周形成“O”形裂隙圈[24]。煤層采高越大，“O”形圈寬度相對(duì)越大[25]。

圖5 關(guān)鍵層破斷塊體長(zhǎng)度對(duì)下沉曲線與離層的影響Fig.5 Influence of block length of key strata on subsidence and bedding separation

3.1.2巖層內(nèi)部縱向裂隙

顯然，圖4中B區(qū)是縱向裂隙發(fā)育區(qū)。由于關(guān)鍵層破斷后關(guān)鍵塊的轉(zhuǎn)動(dòng)，引起斷裂面張開(kāi)，從而會(huì)產(chǎn)生縱向滲流加大。但由于巖塊的互相限制，當(dāng)關(guān)鍵塊反向回轉(zhuǎn)時(shí)，斷裂面又閉合，此時(shí)對(duì)滲流的影響就會(huì)減小。但當(dāng)回轉(zhuǎn)巖塊發(fā)生“S-R”(滑落和回轉(zhuǎn))失穩(wěn)，則將形成貫通的縱向通道，對(duì)地下水的流失將產(chǎn)生嚴(yán)重影響[22,26]。此時(shí)為了避免因關(guān)鍵層破斷塊體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)導(dǎo)致的縱向裂隙，必須采用限制采高或者充填技術(shù)以幫助關(guān)鍵層的關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)時(shí)保持平衡。上下貫通的巖層破斷裂隙是采動(dòng)覆巖導(dǎo)水與導(dǎo)氣裂隙，覆巖關(guān)鍵層的破斷運(yùn)動(dòng)對(duì)覆巖縱向裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程起控制作用[22]，隨工作面采寬增大，覆巖縱向裂隙發(fā)育高度并非線性增大，而是隨關(guān)鍵層破斷運(yùn)動(dòng)存在緩滯和突變現(xiàn)象。在實(shí)踐中，為了控制縱向裂隙發(fā)育到某層亞關(guān)鍵層以上高度，只要控制該亞關(guān)鍵層不發(fā)生破斷即可，這是采用限制面寬(條帶開(kāi)采)控制縱向裂隙發(fā)育高度的機(jī)理所在。

貫通的縱向裂隙發(fā)育高度還受到斷層活化、關(guān)鍵層破斷塊體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等因素的影響[22]。斷層活化易導(dǎo)致貫通的縱向裂隙發(fā)育高度增大，工作面推進(jìn)方向由斷層下盤(pán)到上盤(pán)比由斷層上盤(pán)到下盤(pán)時(shí)的貫通的縱向裂隙發(fā)育高度更高。

3.2 巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)地下水的影響

如前所述，巖層運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的橫向或縱向裂隙為地下水提供了運(yùn)移通道，也成為地下水流失、地下水位下降、地表生態(tài)退化等問(wèn)題發(fā)生的地質(zhì)根源。當(dāng)巖層運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)發(fā)生“S-R”失穩(wěn)或活化斷層等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，其引起的大范圍縱向延展貫通裂隙將導(dǎo)致井下涌水量的突增，極易誘發(fā)透水、潰砂、甚至淹井等事故[21-22,27]。所以，長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)許多煤礦在水體下采煤時(shí)通常首先考慮的是如何進(jìn)行水害的防治。而事實(shí)上，因巖層運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的地下水運(yùn)移或流失問(wèn)題不僅僅體現(xiàn)在透水等安全事故上，還表現(xiàn)在它對(duì)地下水的疏干及其惡化地表生態(tài)環(huán)境等方面(尤其是在西北部淺埋的缺水礦區(qū))。

以我國(guó)西部最重要的煤炭基地之一陜西榆神府礦區(qū)為例。該礦區(qū)自1987年開(kāi)始開(kāi)發(fā)，1996年建成投產(chǎn)第1批現(xiàn)代化礦井;近年來(lái)煤炭產(chǎn)量快速遞增，2018年生產(chǎn)原煤4.56億t(含神華在陜)，但20多年來(lái)的高強(qiáng)度開(kāi)采，導(dǎo)致地下水資源的滲漏、地表河川徑流的減少，以及井、泉的干涸現(xiàn)象普遍發(fā)生。據(jù)有關(guān)資料[28]，該區(qū)地下水位下降幅度大于15 m的面積達(dá)306 km2，下降幅度8～15 m的面積達(dá)352 km2，下降幅度5～8 m的面積達(dá)215 km2。而對(duì)于泉水的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，煤炭開(kāi)發(fā)前，有記錄的泉眼2 580個(gè)，總流量達(dá)到4 997.06 L/s，2015年僅剩376個(gè)還有水流，總流量下降到996.39 L/s，其他泉水都干涸了，并由此導(dǎo)致了窟野河流量的大幅度衰減，2000年窟野河斷流75 d，2001年106 d，2002年220 d，之后基本處于斷流狀態(tài)，嚴(yán)重影響了區(qū)域生態(tài)環(huán)境。如圖6所示的考考烏素溝在采煤前后的泉流變化示意圖[29-30]，在地下煤炭開(kāi)采前，大氣降水或淺層地下水通過(guò)薩拉烏蘇組含水層徑流并流入溝內(nèi)，進(jìn)行泉流補(bǔ)給和沿溝生態(tài)維持;而后由于一些地區(qū)的煤炭開(kāi)采，導(dǎo)致淺層地下水直接下滲至礦井采空區(qū)，阻斷了考考烏素溝的水補(bǔ)給，使得溝內(nèi)流水減少甚至干枯、沿溝生態(tài)變化。由于上述地區(qū)多處于沙漠與黃土高原的接壤地區(qū)，地表植被對(duì)地下水具有較強(qiáng)的依賴性;地下水位下降后，部分植被就無(wú)法正常發(fā)育生長(zhǎng)，可能導(dǎo)致植被退化、土地荒漠化。

圖6 煤炭開(kāi)采阻斷地下水對(duì)溝谷泉流的補(bǔ)給Fig.6 Interruption of groundwater supply to gully springs associated with coal mining

我國(guó)煤炭大省之一的山西也存在上述類似的現(xiàn)象。山西煤炭產(chǎn)量長(zhǎng)時(shí)期占全國(guó)1/4，大面積煤炭開(kāi)發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響嚴(yán)重。以山西晉祠地下水為例[31]:晉祠泉域基本覆蓋整個(gè)西山煤田，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在泉域內(nèi)分布煤礦共有392座，開(kāi)采能力3 822.75萬(wàn)t/a，總排水量達(dá)2 068.17萬(wàn)m3/a。隨著煤炭及地下水的不斷開(kāi)采，泉水流量逐漸減少至1994年5月斷流，如圖7所示。

圖7 煤炭開(kāi)采對(duì)晉祠地下水的影響Fig.7 Influence of coal mining on groundwater in the Jinci Temple

由此可見(jiàn)，煤炭開(kāi)采將引起地下水位的下降，甚至地下水的大量流失，對(duì)地區(qū)生態(tài)將產(chǎn)生嚴(yán)重影響(尤其是一些缺水地區(qū))，由此為了環(huán)境保護(hù)必須采取保水采煤等綠色開(kāi)采技術(shù)[19-21]。近年來(lái)，由于大型國(guó)企重視礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)和重建，充分利用了礦井水資源[32-35]，使地表生態(tài)環(huán)境得到了較好的恢復(fù)。然而，受大面積、高強(qiáng)度、多煤層等開(kāi)采因素的影響，區(qū)域生態(tài)受破壞程度及其恢復(fù)難度顯著增大，在有些場(chǎng)合煤炭的盈利甚至無(wú)法彌補(bǔ)環(huán)境損失，使得政府和企業(yè)面臨重大資金困難。

前面敘述了陜西和山西開(kāi)采對(duì)地下水系統(tǒng)的嚴(yán)重影響，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到開(kāi)采不僅對(duì)上覆巖層裂隙狀態(tài)有影響，同時(shí)由于應(yīng)力狀態(tài)的改變必然影響底板巖層的裂隙狀態(tài)，有相當(dāng)部分可能還與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，即開(kāi)采引起的巖層運(yùn)動(dòng)促使構(gòu)造活化從而與巖溶水溝通導(dǎo)致不能恢復(fù)。

根據(jù)推理采場(chǎng)上覆巖層由完整到破碎再到重新壓實(shí)，裂隙將有較大程度閉合。因此地下水位經(jīng)過(guò)下降一段時(shí)期還能有一定程度恢復(fù)。例如，神東礦區(qū)補(bǔ)連塔煤礦1-2煤四盤(pán)區(qū)開(kāi)采時(shí)[21]，覆巖導(dǎo)水裂隙直接發(fā)育至基巖頂界面，導(dǎo)致地表水文觀測(cè)鉆孔內(nèi)水全部漏失;而隨著工作面開(kāi)采的繼續(xù)推進(jìn)，進(jìn)入重新壓實(shí)區(qū)C，導(dǎo)水裂隙隨巖層破斷回轉(zhuǎn)而逐漸閉合，加上松散層中的沙和巖層中黏土礦物的彌合作用，裂隙的導(dǎo)水能力顯著下降，引起鉆孔內(nèi)水位又出現(xiàn)逐步恢復(fù)的現(xiàn)象(圖8)。在南方一些礦區(qū)也正是充分考慮到泥質(zhì)類物質(zhì)對(duì)裂隙的彌合降滲作用和在巖層中存在泥質(zhì)頁(yè)巖，才得以實(shí)施河下或海下的采煤實(shí)踐，如淮河下、微山湖下和龍口海下等，當(dāng)然在這種情況下也必須控制采高以保證安全。

圖8 補(bǔ)連塔煤礦1-2煤四盤(pán)區(qū)采動(dòng)對(duì)水文觀測(cè)孔水位變化影響[21]Fig.8 Influence of coal mining on groundwater level based on borehole measurement in the No.4 mining area of seam 1-2 in the Bulianta Coal Mine[21]

可見(jiàn)，研究掌握采動(dòng)裂隙水滲流的長(zhǎng)期演變特征及其對(duì)地下水恢復(fù)的作用規(guī)律，對(duì)于高效實(shí)施區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)具有重要意義，有關(guān)開(kāi)采引起的裂隙滲流規(guī)律及對(duì)地下水的影響還需要根據(jù)地質(zhì)和開(kāi)采條件進(jìn)行深入研究。

值得指出，與巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)地下水產(chǎn)生影響相類似，巖層運(yùn)動(dòng)也會(huì)影響鄰近層卸壓瓦斯的動(dòng)態(tài)涌出過(guò)程，“O”形裂隙圈是卸壓瓦斯抽采鉆孔布置的最佳區(qū)域，因此，開(kāi)展巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)鄰近層卸壓瓦斯運(yùn)移影響規(guī)律的研究將有利于改善卸壓瓦斯抽采效果[36-40]。

3.3 巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)地表沉陷的影響

地表沉陷是煤炭開(kāi)采導(dǎo)致的另一個(gè)嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題，其狀態(tài)是采取復(fù)墾的依據(jù)。顯然，地表沉陷是巖層運(yùn)動(dòng)發(fā)展到地表的結(jié)果，巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)地表沉陷的影響一般可用圖3表示，其中呈現(xiàn)塊狀鉸接的堅(jiān)硬巖層(關(guān)鍵層)的運(yùn)動(dòng)是影響地表沉陷的根源。

由于巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)地表沉陷影響的復(fù)雜性(它更像是一個(gè)“黑箱”)，因此過(guò)去是采用采動(dòng)時(shí)期地面測(cè)量和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)描述開(kāi)采對(duì)地表沉陷的影響，并構(gòu)建了不同的影響函數(shù)，但本質(zhì)屬于一種數(shù)學(xué)方法。如，我國(guó)使用最為廣泛的影響函數(shù)法是基于隨機(jī)介質(zhì)理論發(fā)展的概率積分法，它將采動(dòng)巖層視為松散介質(zhì)，認(rèn)為開(kāi)采引起的下沉盆地的剖面函數(shù)符合概率密度函數(shù)的積分表達(dá)式。然而，該方法對(duì)覆巖沉積巖層特性的考慮過(guò)于簡(jiǎn)化，特別是忽略了巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)地表沉陷的影響，難以很好地描述巖層內(nèi)部移動(dòng)。

開(kāi)采沉陷本質(zhì)上是一個(gè)力學(xué)問(wèn)題，關(guān)鍵層理論可以對(duì)開(kāi)采沉陷形態(tài)有一個(gè)更接近實(shí)際的解釋。研究表明[23,41-42]，覆巖中主關(guān)鍵層對(duì)地表沉陷的動(dòng)態(tài)過(guò)程起控制作用，主關(guān)鍵層的破斷將導(dǎo)致其上覆所有巖層的同步破斷與地表的快速下沉，引起下沉速度和下沉影響邊界的明顯增大和周期性變化。

事實(shí)上，開(kāi)采引起的地表沉陷都是覆巖主關(guān)鍵層破斷塊體互相咬合的結(jié)構(gòu)曲線和表土層散體(或者黃土)運(yùn)動(dòng)相互作用的結(jié)果。雖然關(guān)鍵層控制著地表沉陷的動(dòng)態(tài)過(guò)程，但松散層起著消化關(guān)鍵層非均勻下沉的作用，松散層越薄，地表下沉的非均勻、非正態(tài)特征越顯著，當(dāng)關(guān)鍵層破斷塊度較小或松散層厚度足夠大時(shí)，關(guān)鍵層對(duì)地表下沉的影響相對(duì)較小[23]。

根據(jù)覆巖關(guān)鍵層破斷塊體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及我國(guó)不同地區(qū)表土層條件差異，水平及傾斜煤層開(kāi)采引起的地表沉陷可以分為以下3種類型:

(1)平緩式下沉。其條件是存在厚度較大的松散沖積層或者軟巖層。地表沉陷曲線基本上是主關(guān)鍵層的塊體咬合形成的不連續(xù)折線經(jīng)過(guò)上覆軟巖層運(yùn)動(dòng)的均化而形成，一般存在連續(xù)、平緩的盆地(圖9)。根據(jù)地下潛水位和地表下沉量的相對(duì)關(guān)系可分為2種情況:潛水位高于和低地表下沉量。前者會(huì)在地表形成不同范圍的積水，一般發(fā)生在我國(guó)東部和南部礦區(qū)。后者不會(huì)在地表形成積水，一般發(fā)生在我國(guó)西部和北部礦區(qū)。

圖9 平緩式下沉?xí)r高潛水位和低潛水位地表沉陷照片F(xiàn)ig.9 Photographs of surface subsidence trough for areas with high and low groundwater level

(2)開(kāi)裂式下沉。其條件是表土層為很厚的黃土層，一般發(fā)生在西部黃土高原地帶。當(dāng)主關(guān)鍵層破斷巖塊B產(chǎn)生回轉(zhuǎn)時(shí)造成裂隙張開(kāi)，黃土層由于其自身黏結(jié)性低，就會(huì)隨巖層裂隙的張開(kāi)而發(fā)生豎向開(kāi)裂并一直到達(dá)地表(圖10)。當(dāng)然當(dāng)巖塊B反回轉(zhuǎn)時(shí)，裂縫就會(huì)有一定程度閉合。

圖10 開(kāi)裂式下沉Fig.10 Photographs of surface subsidence with cracks

(3)臺(tái)階式下沉。其條件是采高很大(如采用大采高或者放頂煤開(kāi)采)且埋深小。當(dāng)主關(guān)鍵層破斷塊體無(wú)法滿足平衡條件而產(chǎn)生滑落失穩(wěn)時(shí)，必然導(dǎo)致地表呈現(xiàn)臺(tái)階式的沉陷(圖11)。如果主關(guān)鍵層破斷失穩(wěn)塊體進(jìn)入垮落帶，則地表將出現(xiàn)塌陷坑[43]。 顯然這種地表沉陷形式對(duì)地面生態(tài)的破壞是最嚴(yán)重的，因此，這種條件下所需采用的開(kāi)采技術(shù)必須經(jīng)過(guò)對(duì)地面生態(tài)影響的科學(xué)評(píng)估而后決定。

圖11 臺(tái)階式下沉Fig.11 Photographs of surface sinkhole

顯然，一般意義上的開(kāi)采沉陷控制事實(shí)上是在平緩式下沉情況下如何防范地表彎曲下沉的過(guò)程。在這種情況下采用原來(lái)的概率積分法沉陷預(yù)計(jì)基本是可行的，但對(duì)于開(kāi)裂式下沉和臺(tái)階式下沉是沒(méi)有意義的。因此，形成基于關(guān)鍵層破斷結(jié)構(gòu)并考慮不同表土層(沖積層、黃土層等)賦存特征的地表下沉預(yù)計(jì)方法是仍需深入研究的科學(xué)問(wèn)題[44-46]。隨著科學(xué)研究的發(fā)展，將促進(jìn)礦山壓力和巖層移動(dòng)(開(kāi)采沉陷)這兩個(gè)原本被孤立開(kāi)來(lái)的學(xué)科實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。

由于對(duì)地表影響最大的是上覆巖層中的主關(guān)鍵層，它的平衡狀態(tài)將直接影響到地表。通過(guò)控制主關(guān)鍵層的破斷運(yùn)動(dòng)，可以防止和減少采動(dòng)對(duì)地表環(huán)境的不良影響。如，通過(guò)部分充填形成覆巖主關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)-充填條帶-隔離煤柱聯(lián)合承載體系控制地表沉陷，從而減少充填材料用量、降低充填成本、提高充填采煤效率[47-52]。其次，應(yīng)針對(duì)不同地表沉陷模式采用針對(duì)性的復(fù)墾技術(shù)。

4 巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)地層內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)的影響

采動(dòng)改變了原來(lái)地層內(nèi)部的應(yīng)力平衡，引起覆巖載荷發(fā)生轉(zhuǎn)移而在采場(chǎng)圍巖出現(xiàn)應(yīng)力重新分布。根據(jù)堅(jiān)硬巖層破斷后的塊體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，開(kāi)采空間的不斷移動(dòng)導(dǎo)致應(yīng)力場(chǎng)也在不斷地變化。一部分采空區(qū)域應(yīng)力得到釋放形成應(yīng)力降低區(qū)，而一部分區(qū)域(煤柱等)形成應(yīng)力集中區(qū)。應(yīng)力集中會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題:

(1)發(fā)生在巷道地區(qū)將使巷道處于“大變形”狀態(tài)和應(yīng)力不對(duì)稱，導(dǎo)致錨桿承受剪切力，巷道難以維護(hù)。

(2)由于開(kāi)采是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)開(kāi)采引起堅(jiān)硬巖層斷裂瞬間，導(dǎo)致一部分應(yīng)力釋放而在另一部分地區(qū)應(yīng)力瞬間集中。由此可能導(dǎo)致煤柱或者巖體產(chǎn)生瞬間的動(dòng)力現(xiàn)象(如沖擊地壓、煤與瓦斯突出)。

為此在開(kāi)采期間一定要注意上覆堅(jiān)硬巖層的懸露狀態(tài)，它瞬間的破斷將發(fā)生應(yīng)力場(chǎng)的突變，并在一定區(qū)域產(chǎn)生動(dòng)力現(xiàn)象。另外在多煤層開(kāi)采時(shí)必須對(duì)開(kāi)采狀況要有有空間概念，即明確哪些地方可能形成應(yīng)力集中區(qū)，以便制定防范措施。

研究表明[3]，在關(guān)鍵層初次破斷前，隨著采出寬度增大，采場(chǎng)四周的支承壓力峰值逐漸增大，當(dāng)關(guān)鍵層初次破斷時(shí)，支承壓力峰值達(dá)最大值;關(guān)鍵層初次破斷后，隨著采出寬度繼續(xù)增大，支承壓力峰值有所降低并最終穩(wěn)定。

此外，受覆巖關(guān)鍵層對(duì)采動(dòng)巖層破斷運(yùn)動(dòng)控制作用的影響，關(guān)鍵層的賦存狀態(tài)不同時(shí)(如層位、厚度等)，煤層開(kāi)采引起的采場(chǎng)四周支承壓力分布也有所不同。研究表明[53]:關(guān)鍵層厚度越大，引起的采動(dòng)應(yīng)力集中程度越大;但隨著關(guān)鍵層與煤層間距的增大，關(guān)鍵層對(duì)應(yīng)力集中程度的影響變小，一定厚度的關(guān)鍵層與煤層間距達(dá)到某個(gè)臨界高度時(shí)，不再對(duì)應(yīng)力集中程度產(chǎn)生影響。

特殊情況下，當(dāng)覆巖中存在特別厚硬關(guān)鍵層時(shí)(如淮北海孜煤礦140 m厚的巨厚火成巖)，采場(chǎng)支承壓力分布受其影響將更為顯著。研究表明[54-55]，覆巖存在巨厚火成巖時(shí)，采場(chǎng)四周支承壓力影響范圍將大大增加，支承壓力峰值大小也有所增加。這主要是由于火成巖大跨度懸露不破斷，造成其上覆大部分載荷向采場(chǎng)四周傳遞，導(dǎo)致煤巖體應(yīng)力集中程度明顯加大，從而可能誘發(fā)礦井動(dòng)力災(zāi)害。該條件下可通過(guò)對(duì)該火成巖下部的離層空間進(jìn)行注漿充填，使火成巖自重及其部分載荷向采空區(qū)垮裂矸石轉(zhuǎn)移，減輕采場(chǎng)四周煤巖負(fù)載，減小采場(chǎng)四周支承壓力集中程度?？梢?jiàn)，關(guān)鍵層的賦存與破斷特性對(duì)采場(chǎng)支承壓力分布影響顯著，但目前采場(chǎng)支承壓力分布預(yù)計(jì)方法還難以考慮覆巖關(guān)鍵層對(duì)支承壓力分布的影響，因而考慮不同覆巖關(guān)鍵層賦存條件對(duì)采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律及其預(yù)計(jì)方法需要深入研究。

目前，因應(yīng)力集中引發(fā)的動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生地點(diǎn)是難以預(yù)測(cè)的，加上缺乏有效監(jiān)測(cè)手段，因此由應(yīng)力集中引發(fā)的安全事故比由瓦斯引發(fā)的安全事故更難以預(yù)防。為此，深部開(kāi)采和構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)域只能作為試驗(yàn)礦井，而不能作為正常生產(chǎn)礦井進(jìn)行生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

(1)采礦不僅僅是一門(mén)技術(shù)，還必須研究其科學(xué)問(wèn)題。巖層運(yùn)動(dòng)及其對(duì)安全與環(huán)境的影響規(guī)律是煤炭開(kāi)采的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，對(duì)這些規(guī)律的認(rèn)識(shí)將提高煤炭開(kāi)采的科學(xué)性。由于巖層運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性和學(xué)科的特殊性，至今仍然有很多問(wèn)題沒(méi)有解決。只要人類從巖層中獲取資源，采礦就是一個(gè)不可或缺的行業(yè)，采動(dòng)巖層運(yùn)動(dòng)就必須持續(xù)研究以實(shí)現(xiàn)有效的巖層控制，使行業(yè)健康發(fā)展從而造福人類。

(2)與其他學(xué)科一般不研究破壞后力學(xué)行為這一特點(diǎn)明顯不同的是，煤炭開(kāi)采巖層運(yùn)動(dòng)是一種堅(jiān)硬巖層破斷前的應(yīng)力集中和破斷后形成“塊體”的力學(xué)行為。堅(jiān)硬巖層的破斷和塊體運(yùn)動(dòng)具有突變和不連續(xù)性，破斷塊體互相咬合可能形成“大變形”結(jié)構(gòu)，塊體咬合結(jié)構(gòu)的S-R穩(wěn)定性將對(duì)礦壓顯現(xiàn)、采動(dòng)裂隙和地表沉陷等產(chǎn)生重要影響，需要采礦科技工作者下大力氣研究并將其形成專門(mén)的學(xué)科！

(3)應(yīng)該認(rèn)識(shí)巖層運(yùn)動(dòng)是一個(gè)“黑箱”，目前僅僅在控制原理上得到解釋，達(dá)到“灰箱”程度。因此，巖層控制在很多場(chǎng)合只能是“宏觀”控制。① “砌體梁”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的建立明確了支護(hù)原理和支架工作阻力估算原則。一般情況下，按照(4～8)倍采高巖柱重量估算支架工作阻力可以滿足工程需要，在大采高或薄直接頂、淺部開(kāi)采、特殊開(kāi)采條件壓架等情況下支架工作阻力估算必須采用高限，個(gè)別條件下單純提高支架阻力仍無(wú)法徹底解決壓架問(wèn)題，還需配套實(shí)施相關(guān)工程措施加以防范。而放頂煤開(kāi)采支架工作阻力估算必須考慮頂煤剛度的影響。② 巖層運(yùn)動(dòng)引起的巖層裂隙場(chǎng)變化將導(dǎo)致地下水系統(tǒng)的變化，其對(duì)環(huán)境損害程度不能低估。目前，采動(dòng)裂隙水滲流的長(zhǎng)期演變特征及其對(duì)區(qū)域地下水影響規(guī)律還不是十分清楚，仍需結(jié)合地質(zhì)和開(kāi)采條件進(jìn)行深入研究，這對(duì)于區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)具有重要意義。

(4)根據(jù)覆巖關(guān)鍵層破斷塊體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及我國(guó)不同地區(qū)表土層條件差異，將巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)地表沉陷的影響劃分為三種類型。對(duì)開(kāi)采沉陷控制而言，應(yīng)根據(jù)地表沉陷的不同類型進(jìn)行預(yù)測(cè)、控制與選擇復(fù)墾方法。同時(shí)，需要研究建立基于關(guān)鍵層破斷結(jié)構(gòu)并考慮不同表土層(沖積層、黃土層等)賦存特征的地表沉陷預(yù)計(jì)方法，最終統(tǒng)一礦山壓力和巖層移動(dòng)(開(kāi)采沉陷)這兩個(gè)一直相互獨(dú)立的學(xué)科。

(5)關(guān)鍵層的賦存與破斷特性對(duì)采動(dòng)應(yīng)力分布影響顯著，需要深入研究不同覆巖關(guān)鍵層賦存條件對(duì)采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律并提出預(yù)計(jì)方法。目前，由于應(yīng)力引起的事故比瓦斯事故更難以預(yù)防，為此，深部開(kāi)采和構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)域只能作為試驗(yàn)礦井，而不能作為正常生產(chǎn)礦井進(jìn)行生產(chǎn)。

致謝本文撰寫(xiě)過(guò)程中得到了煤炭科學(xué)研究總院趙衡山教授級(jí)高級(jí)工程師和陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站范立民教授級(jí)高級(jí)工程師的幫助，在此表示感謝。