采動誘發(fā)的含原生裂隙覆巖運移及涌（淋）水時空特征分析

李楊楊 ，朱慧聰 ，張士川 ，黃書翔 ，李銘松 ，張浩爭 ，王一同

（1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院, 山東 青島 266590；2.山東能源集團 西北礦業(yè)有限公司, 陜西 西安 710018；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心, 北京 100083）

0 引 言

煤炭是我國的主體能源，是保障經(jīng)濟社會實現(xiàn)長足高效發(fā)展的主干驅(qū)動力。近年來，由于對煤炭資源的高強度開采，導(dǎo)致東部地區(qū)可采儲量面臨枯竭，煤炭資源開發(fā)逐漸向西部轉(zhuǎn)移[1-3]。西部某些礦區(qū)上覆巨厚高承壓含水層、覆巖原生裂隙發(fā)育等采礦地質(zhì)條件較為突出，使覆巖導(dǎo)水裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育及構(gòu)造特征更加復(fù)雜、涌水形態(tài)愈加難辨，進(jìn)一步加大了采場涌水量，嚴(yán)重影響工作面正?；夭蛇M(jìn)程，且加劇了地下水資源的損耗與流失，使該地區(qū)地下水生態(tài)環(huán)境更加脆弱不堪[4-6]。

為深入了解采動誘發(fā)覆巖運移發(fā)育導(dǎo)水通道網(wǎng)絡(luò)特征、突水致災(zāi)機理等，相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的專家學(xué)者對此展開了研究。在覆巖運移發(fā)育導(dǎo)水通道網(wǎng)絡(luò)特征方面，白賢棲等[7]發(fā)現(xiàn)采動誘發(fā)下高位巨厚巖層發(fā)生“O-X”型破斷是誘發(fā)礦震的主要原因之一；王炯等[8]的研究表明，紅外熱輻射演化特征反映了層間相互作用關(guān)系的變化，切頂卸壓自成巷覆巖運移呈現(xiàn)規(guī)律性漸進(jìn)演變；關(guān)守安等[9]利用數(shù)值模擬軟件分析得出，粗榆金礦礦體巖層沉降顯著，但最終傾斜量小于臨界值；呂兆海等[10]通過開展相似材料試驗發(fā)現(xiàn)近距離煤層開采時，下位煤層開采會對上位煤層頂板產(chǎn)生二次擾動；殷偉等[11]研究得出，混合綜采工作面頂板覆巖空間運移結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)非對稱性。在煤礦頂板突水致災(zāi)機理方面，ZENG 等[12]通過建立固?流耦合模型得出了頂板水砂混合物運移特征及其與覆巖水壓和滲透特性之間的動態(tài)聯(lián)動關(guān)系；侯恩科等[13]采用RF 算法和GIS 軟件預(yù)測了4-2 煤掘進(jìn)巷道頂板突水危險區(qū)的位置；楊濤等[14]研究表明，采動使隔水土層孔隙水壓聚集直至突破隔水土層，誘使工作面發(fā)生突水；許延春等[15]發(fā)現(xiàn)，基巖風(fēng)化帶隔水性能較好，有利于導(dǎo)水裂隙的閉合，適合作為防水煤柱保護(hù)層；李楊楊等[16]分析得出隧道開挖過斷層時，當(dāng)斷層被完全揭露后斷層圍巖完全破裂發(fā)生涌水潰砂。

現(xiàn)有研究成果從理論、試驗等角度對煤礦覆巖運移破斷規(guī)律和頂板涌水潰砂致災(zāi)機理進(jìn)行了大量研究，并取得了較為豐碩的成果。但是，當(dāng)前研究多基于建立完整地層構(gòu)造模型展開，鮮有考慮原生裂隙等導(dǎo)水結(jié)構(gòu)對覆巖運移破斷發(fā)育導(dǎo)水通道網(wǎng)絡(luò)機制及采場涌（淋）水特征影響的研究報道。

在工程實際中，覆巖內(nèi)均存在幾何尺度及形態(tài)結(jié)構(gòu)不一的原生裂隙等導(dǎo)水結(jié)構(gòu)[17-18]，這些導(dǎo)水結(jié)構(gòu)會對覆巖運動及采場涌（淋）水形態(tài)產(chǎn)生重要影響。因此，筆者結(jié)合煤礦實際開采條件開展固?流耦合相似模擬試驗，對原生裂隙誘導(dǎo)下覆巖運移破壞誘發(fā)導(dǎo)水裂隙網(wǎng)絡(luò)形成機制、采場涌（淋）水形態(tài)特征等進(jìn)行研究。研究成果可為具備類似地質(zhì)條件的工程現(xiàn)場開展防治頂板水事故提供理論參考。

1 研究區(qū)域概況

陜西彬長礦區(qū)某礦行政區(qū)劃隸屬于陜西省咸陽市，可采煤層為4上、4?1、4 煤，埋深為600～800 m。礦區(qū)構(gòu)造位于鄂爾多斯盆地西南邊緣，總體呈現(xiàn)北西向較緩傾斜的單斜構(gòu)造，短軸背斜與寬緩向斜組成褶皺構(gòu)造，軸向近NEE-SWW，地層傾角一般小于10°。該礦全區(qū)上覆巨厚、高承壓洛河組含水層，厚7.35～464.84 m，首采區(qū)均厚400.35 m，最大水頭壓力達(dá)5.27 MPa，單位涌水量0.218～1.130 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.054 71～0.324 65 m/d，屬中等～強富水性含水層。同時，含水層底板與可采煤層頂板間距較小，平均僅84.02 m。隔水層為安定組泥巖，主要由泥巖和砂質(zhì)泥巖組成，厚0～94.31 m，平均47.15 m，全區(qū)大部分地區(qū)厚度小于20 m，且有零厚度地段，整體隔水性能不足。同時，該礦全區(qū)覆巖中原生裂隙發(fā)育，發(fā)育類型以高角度構(gòu)造裂隙為主，成巖裂隙次之。在空間結(jié)構(gòu)特征方面，原生裂隙在平面上延展長度較小，相互疊置，呈雁行式排列，在縱向上呈短?中短蠕蟲狀垂向延伸，整體展布特征復(fù)雜，難以進(jìn)行精細(xì)化探查。長觀孔水位監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，該礦最大涌水量達(dá)到5 365 m3/h，最小亦達(dá)到2 886 m3/h，涌水量受工作面推進(jìn)距離、采放高度、采空區(qū)面積等采礦參數(shù)影響顯著。采空區(qū)及工作面頂板存在大范圍淋水，且工作面煤壁側(cè)存在超前出水現(xiàn)象，嚴(yán)重影響該礦井正常生產(chǎn)作業(yè)。

2 考慮原生裂隙的覆巖固?流耦合相似模擬試驗

2.1 試驗系統(tǒng)

試驗在山東科技大學(xué)自研覆巖涌水潰砂相似模擬物理試驗系統(tǒng)上開展[19]，采用DM-YB1820 型數(shù)據(jù)采集器和DMKY 型水壓計。試驗系統(tǒng)（圖1）主要由試驗平臺、供壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)3 個子系統(tǒng)組成，其中試驗平臺包括試驗艙、壓頭、承壓水倉3 個子系統(tǒng)。試驗艙幾何尺寸為1 200 mm×700 mm×400 mm，前置亞克力板，其余各面采用高強度鋼材制作；壓頭和承壓水倉為應(yīng)力和水壓的輸出端。供壓系統(tǒng)通過液壓油為試驗艙提供載荷，是應(yīng)力和水壓的輸入端。控制系統(tǒng)包括位移應(yīng)力和水壓水量伺服控制2 個單元，可實現(xiàn)對試驗過程中應(yīng)力、位移、水壓、水量等的伺服控制。

圖1 覆巖涌水潰砂相似模擬物理實驗系統(tǒng)Fig.1 Similar simulation physical experiment system of water and sand inrush in overlying strata

2.2 相似材料配比優(yōu)化

結(jié)合研究區(qū)域內(nèi)覆巖巖性展布特征及本次試驗設(shè)備幾何尺寸，并基于相似比有關(guān)理論公式[20]，綜合確定試驗幾何、時間、容重、強度、滲透系數(shù)相似比分別為 1∶200、1∶14.14、1∶1.5、1∶300、1∶11.5。礦區(qū)覆巖物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 礦區(qū)覆巖物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of overlying strata in mining area

試驗采用河砂作為骨料，膠結(jié)材料選取凡士林、石蠟、碳酸鈣，層間鋪設(shè)云母粉進(jìn)行分層。為保證相似材料配比的準(zhǔn)確性，配制50 mm×100 mm 和50 mm×25 mm 的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)相似材料，試件分別開展單軸壓縮和巴西劈裂試驗對其力學(xué)參數(shù)進(jìn)行檢測，進(jìn)而對配比進(jìn)行優(yōu)化使之更符合需求。每種巖性、尺寸各配制3 個試件。

配制相似材料試件采用山東科技大學(xué)自研恒定加壓數(shù)顯圓柱形相似材料試件制備裝置，整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，脫模便捷等優(yōu)點，模具直徑為50 mm，總長120 mm，有20 mm的可控變長范圍。裝置底部設(shè)置有高精度壓感器，可通過數(shù)顯器對試件的加載力進(jìn)行實時展示，實現(xiàn)對壓力的動態(tài)監(jiān)測調(diào)節(jié)。壓感器最大量程為500 kN，數(shù)顯器讀數(shù)精度為0.01 kN。

圖2 恒定加壓數(shù)顯圓柱形相似材料試件制備裝置Fig.2 Constant pressure digital display cylindrical similar material specimen preparation device

通過恒定加壓數(shù)顯圓柱形相似材料試件制備裝置配制的部分相似材料標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試件如圖3所示。

圖3 相似材料試件成品Fig.3 Similar material specimen finished product

利用山東科技大學(xué)AG-X250 島津電子萬能試驗機對相似材料試件進(jìn)行強度測試試驗。根據(jù)強度相似比計算各巖層單軸抗壓強度、單軸抗拉強度及彈性模量相似值，與相似材料試件強度測試結(jié)果進(jìn)行對比分析，如圖4 所示。

圖4 相似材料試件強度試驗值和相似值對比Fig.4 Comparison of strength test values and similar values of similar material specimens

由圖4 可見，各巖層強度試驗值曲線與理論值曲線大致重合，表明該配比基本符合本次固?流耦合相似材料模擬試驗需求。為深度優(yōu)化配比，基于強度測試結(jié)果，調(diào)整相似材料試件配比，再開展力學(xué)性能測試試驗，直至試件強度的試驗測試值基本契合相似值。同時，采用相關(guān)設(shè)備對所配制相似材料試件的孔隙率、滲透系數(shù)等進(jìn)行檢測，將最終測定結(jié)果與相似值對比，發(fā)現(xiàn)基本符合對實際水文地質(zhì)工況的模擬需求。限于篇幅，此處對孔隙率和滲透系數(shù)等參數(shù)的測定過程不再贅述。采用最終配比配制的相似材料試件的物理力學(xué)性質(zhì)見表2。

表2 配比優(yōu)化后相似材料試件物理力學(xué)性質(zhì)Table 2 Physical and mechanical properties of similar material specimens after ratio optimization

2.3 模型的建立及鋪設(shè)開挖

2.3.1 構(gòu)建地層模型

試驗設(shè)計模型高度為70 cm，工作面傾向長度為40 cm，走向長度為100 cm（不含保護(hù)煤柱寬度）。在距離煤層底板上14 cm 的砂質(zhì)泥巖和粗粒砂巖之間、26.7 cm 的細(xì)粒砂巖和粗粒砂巖之間各布設(shè)4 個水壓計（F1—F8），2 個水壓計水平間距為24 cm。在模型頂部進(jìn)行預(yù)注水處理，模擬地層初始含水狀態(tài)。

開挖前，在模型頂部施加補償載荷和水壓，補償載荷計算式如下：

式中：F為單位補償載荷，N/m3；Cσ為應(yīng)力相似比1/300；γp為地層平均容重，g/m3，取25 kN/m3；H為煤層頂板至地表的距離，m；Hm為相似材料模型中煤層頂板至模型頂部邊界對應(yīng)的實際地層距離，m。，

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1）計算得施加的補償載荷為0.149 MPa。根據(jù)強度相似比計算得施加水壓為0.017 5 MPa。建立的地層模型如圖5 所示。

圖5 覆巖地層模型Fig.5 Overburden strata model

根據(jù)該礦工作面主測線剖面圖原生裂隙發(fā)育特征及試驗實際需求，綜合確定預(yù)制裂隙參數(shù)。設(shè)計單位裂隙長度為3 cm，寬0.15 cm。以裂隙頂部尖端為原點，水平方向為基準(zhǔn)線，順時針旋轉(zhuǎn)為正，確定裂隙傾角。為便于表述，按照原生裂隙位置對其進(jìn)行編號，自上往下劃分為頂、中、底3 個帶，自左至右對裂隙進(jìn)行順序編號。具體編號及參數(shù)見表3。

表3 原生裂隙編號及參數(shù)Table 3 Primary fracture number and parameters

賦參后各組原生裂隙幾何形態(tài)及在地層模型中的具體位置如圖6 所示。

圖6 原生裂隙分布位置Fig.6 Distribution position of primary cracks

2.3.2 模型鋪設(shè)及開挖

以優(yōu)化后的相似材料配比配制巖層，依次鋪設(shè)，層間鋪設(shè)厚約0.15 cm 的云母粉，在既定位置處布設(shè)水壓計，并按照既定尺寸在對應(yīng)位置處放置厚0.15 cm的中空板模擬原生裂隙。模型鋪設(shè)完畢后（圖7），在頂部施加設(shè)定的地應(yīng)力補償載荷和水壓，而后開始開挖。

圖7 模型及開挖裝置Fig.7 Model and excavation device

模型兩邊界各留設(shè)10 cm 保護(hù)煤柱，自模型左側(cè)開始開挖，每次開挖10 cm，共計開挖10 次。模型底部均勻鋪設(shè)尺寸為40 cm×10 cm×3 cm、外側(cè)表面有螺孔的特制鋼板，用以模擬煤層開挖。開挖時，將抽采裝置前端的螺紋釘擰入需抽出鋼板的螺孔內(nèi)，旋轉(zhuǎn)控制盤將螺紋釘向試驗人員一側(cè)拉近，進(jìn)而帶動鋼板運動，直至將其抽出，實現(xiàn)對煤層回采的模擬。開挖期間，定時記錄覆巖運移特征及工作面涌（淋）水狀態(tài)。

3 原生裂隙對覆巖導(dǎo)水通道網(wǎng)絡(luò)發(fā)育影響

結(jié)合固?流耦合相似材料模擬試驗結(jié)果，分階段分析覆巖原生裂隙對導(dǎo)水通道網(wǎng)絡(luò)發(fā)育規(guī)律的誘導(dǎo)效應(yīng)。

3.1 覆巖導(dǎo)水通道網(wǎng)絡(luò)發(fā)育擴展規(guī)律分析

綜合工作面不同推進(jìn)距離內(nèi)覆巖運移共性特征，將其劃分為3 個階段：直接頂常規(guī)性沉降冒落階段、“Z”形離層空間發(fā)育階段、裂隙空間壓密閉合階段。

1）直接頂常規(guī)性沉降冒落階段。該階段包括工作面推進(jìn)至100 m 前，覆巖發(fā)育特征如圖8 所示。工作面初次開挖后，覆巖未出現(xiàn)顯著運移，僅存在輕微的彎曲下沉（圖8a）；工作面開挖至60 m 時，直接頂受采動影響發(fā)生整體性破斷冒落，堆矸破碎程度低（圖8b）。當(dāng)工作面回采至100 m時，直接頂?shù)撞繋r層發(fā)生破斷冒落，頂板冒落巖層之上層間發(fā)生輕度分離（圖8c）。

圖8 覆巖初期運移過程Fig.8 Initial migration process of overburden rock

2）“Z”形離層空間發(fā)育階段。圖9 為“Z”形離層空間發(fā)育過程。當(dāng)工作面推進(jìn)至120 m 時，導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育至首層關(guān)鍵層下，關(guān)鍵層與其下位巖層層間產(chǎn)生不同步沉降，形成了顯著的離層空間，且采動裂隙已貫通離層空間（圖9a）。

圖9 “Z”形離層空間發(fā)育過程Fig.9 “Z”abscission layer space development process

隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，離層下位巖層在斷裂線左側(cè)發(fā)生整體性破斷（圖9b），斷裂后的兩段巖層發(fā)生不同步運移：左側(cè)段完全冒落，右側(cè)段在巖體支撐下形成懸臂梁，在懸臂梁的支撐作用下，其下部形成一個三角形空間。分析原因，受原生裂隙影響，離層下位巖層自身橫向上結(jié)構(gòu)整體性出現(xiàn)突變，使巖層承載能力下降，并最終受采動影響發(fā)生超前破斷。原生裂隙的存在使受擾動巖層破斷位置向采空區(qū)中心側(cè)發(fā)生偏移。

圖10 為覆巖導(dǎo)水裂隙網(wǎng)絡(luò)展布特征。工作面推進(jìn)至160 m 時，導(dǎo)水裂隙帶高度已發(fā)育至“底分帶”原生裂隙所處層位之上。此時，在更高層位關(guān)鍵層支撐作用下，新的離層開始發(fā)育，低層位離層被壓實閉合。在原生裂隙影響下，該階段發(fā)育的離層下位巖層再次發(fā)生超前破斷（圖9c），斷裂點右側(cè)段形成懸臂梁，其下方形成三角形空間，斷裂點左側(cè)段發(fā)生常規(guī)冒落，形成殘缺離層空間。由于該巖層在超前斷裂點處發(fā)生錯動破斷，使左側(cè)殘缺離層空間和右側(cè)懸臂梁下的三角形空間連通，形成一個“Z”形離層空間2 號（為便于表述，按照“Z”形離層空間發(fā)育先后順序進(jìn)行編號，此處為2 號）。圖9b 中破斷點左側(cè)離層空間的上位巖層受原生裂隙影響發(fā)生破斷，破斷點如圖10 中A點所示，進(jìn)而發(fā)育形成“Z”形離層空間1 號。

圖10 覆巖導(dǎo)水裂隙網(wǎng)絡(luò)展布特征Fig.10 Distribution characteristics of water-conducting fracture network in overlying strata

同時在該階段內(nèi)，覆巖導(dǎo)水通道逐漸發(fā)育完善，2 個“Z”形離層空間與原生裂隙、采動裂隙之間相互貫通，發(fā)育成同時具備儲水和導(dǎo)水功能的裂隙網(wǎng)絡(luò)，如圖10 中紅色箭頭所示區(qū)域。

3）裂隙空間壓密閉合階段。圖11 為覆巖裂隙空間壓密閉合過程。當(dāng)工作面推進(jìn)至180 m 時，低層位離層閉合，更高層位離層形成，且在第二階段發(fā)育的“Z”形離層空間2 號及由其形成的導(dǎo)水通道亦開始閉合，如圖11a 所示。同時，工作面的開挖波及至原生裂隙底1—3 處，因此，受該原生裂隙影響，在工作面上方發(fā)育形成“Z”形離層空間3 號。

圖11 覆巖裂隙空間壓密閉合過程Fig.11 Sealing process of overlying rock fracture space pressure

工作面回采完畢后，覆巖中僅工作面處和“Z”形離層空間1 號仍存在部分可見空間未被壓實，其他離層、裂隙等基本被壓實閉合，新生導(dǎo)水通道發(fā)育基本停止。

對比1—3 號“Z”形離層空間可見：不同傾角原生裂隙使巖層形成不同傾向的軟弱結(jié)構(gòu)面，進(jìn)而使巖層破斷面傾向產(chǎn)生差異。但斷面傾向?qū)Α癦”形離層空間最終形態(tài)、體積等無顯著影響。因此，原生裂隙傾角僅對巖層破斷傾向產(chǎn)生影響，但對“Z”形離層空間及導(dǎo)水裂隙網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造特征影響不顯著。

由圖11b 可知，當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶高度波及至中分帶原生裂隙所處層位時，受原生裂隙影響巖層發(fā)生破裂，形成宏觀可見的裂隙。但由于巖石具有碎脹性，低層位已破斷碎裂巖層體積增大，使高層位巖層可運移空間逐漸減小，此時巖層基本呈現(xiàn)同步運移狀態(tài)。因此，雖然中分帶原生裂隙處發(fā)育有宏觀可見裂隙，但由于巖層無足夠的空間發(fā)生運移破斷，所以中分帶原生裂隙附近無“Z”形離層空間發(fā)育。回采結(jié)束后，頂分帶原生裂隙處未見有宏觀裂隙發(fā)育。由此可見，在縱向上，隨原生裂隙層位升高，其對覆巖運移破斷特征的影響程度減小。

可見，原生裂隙的存在使其影響范圍內(nèi)的巖層形成軟弱結(jié)構(gòu)面，整體結(jié)構(gòu)性受到破壞。當(dāng)受采動影響時，巖層會沿軟弱結(jié)構(gòu)面處發(fā)生部分或整體破斷，從而發(fā)育形成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的“Z”形離層空間。在覆巖運移作用下，原生裂隙與采動裂隙及“Z”形離層空間等互饋—貫通形成完整的導(dǎo)水通道網(wǎng)絡(luò)，加大了工作面及采空區(qū)涌（淋）水量及面積。

3.2 “Z”形離層空間結(jié)構(gòu)形態(tài)分析

為明確工作面回采過程中受原生裂隙影響發(fā)育的“Z”形離層空間結(jié)構(gòu)形態(tài)及其與常規(guī)離層空間的差異，對二者進(jìn)行對比分析（圖12）。

圖12 離層空間結(jié)構(gòu)形態(tài)概化對比Fig.12 Generalization comparison of separation space structure

從空間形態(tài)、體積及穩(wěn)定性3 方面對常規(guī)型離層空間和“Z”形離層空間進(jìn)行對比分析：

1）在空間形態(tài)方面，常規(guī)型離層空間呈現(xiàn)倒三角形（實際情況下，下位巖層近似圓弧形，上位巖層亦存在一定弧度），而“Z”形離層空間呈現(xiàn)字母“Z”的形狀。

2）在空間體積方面，“Z”形離層空間是常規(guī)型離層下位巖層存在部分未破斷冒落而形成，因此理論上而言，“Z”形離層空間體積與對應(yīng)條件下的常規(guī)型離層空間體積近似相同。

3）在空間穩(wěn)定性方面，常規(guī)型離層空間最多由2 種巖層構(gòu)成，而“Z”形離層空間則最多由3 種不同巖性的巖層組成，且由于懸臂梁的發(fā)育，導(dǎo)致下位巖層（隔水層）厚度相對較薄。因此，“Z”形離層空間整體穩(wěn)定性更差，賦存時間可能相較于常規(guī)型離層空間更短。

綜上分析可知，“Z”形離層空間結(jié)構(gòu)形態(tài)相對更加復(fù)雜，穩(wěn)定性差，更易受采動影響發(fā)生失穩(wěn)破壞，加大采場涌（淋）水量及面積。

4 覆巖涌（淋）水時空信息特征

4.1 覆巖涌（淋）水形態(tài)規(guī)律

根據(jù)開挖過程中工作面及采空區(qū)涌（淋）水形態(tài)將其劃分為4 個階段：滴落態(tài)出水初期階段、滴流態(tài)出水增加階段、流動態(tài)出水穩(wěn)定階段、多元態(tài)出水回落階段。圖13 為工作面推進(jìn)過程覆巖涌（淋）水形態(tài)。

圖13 工作面推進(jìn)過程覆巖涌（淋）水形態(tài)Fig.13 Form of water gushing (leaching) in overlying strata during the advancing process of working face

1）滴落態(tài)出水初期階段。工作面首次開挖后，頂板出現(xiàn)顯著出水點，出水呈滴落狀態(tài)，滴速均勻，出水點數(shù)量較少。與頂板出水狀態(tài)相反，煤壁上存在大面積、高密度掛水現(xiàn)象，出水速度快，但出水點水量較小，如圖13a 所示。

2）滴流態(tài)出水增加階段。當(dāng)工作面開挖至60 m時，工作面及采空區(qū)頂板出現(xiàn)局部聚集型出水集中區(qū)（圖13b），出水量增大，出水速度顯著提升，出水狀態(tài)為滴流。煤壁上出水點水量增大，同時，工作面及采空區(qū)堆矸上形成積水區(qū)，且積水已在出水口（圖13b中紅色圓圈處）形成穩(wěn)定的水流向試驗臺水槽內(nèi)流動。

3）流動態(tài)出水穩(wěn)定階段。如圖13c 所示，當(dāng)工作面推進(jìn)至100 m 時，采空區(qū)堆矸內(nèi)形成出水口，存在穩(wěn)定流量的水體持續(xù)向外流出，說明覆巖涌水量隨導(dǎo)水通道發(fā)育程度的提升而進(jìn)一步加大。當(dāng)工作面推進(jìn)至160 m 時，采空區(qū)涌水存在間歇性增減特征，但間隔時間較短。該現(xiàn)象表明，在本階段內(nèi)，覆巖中離層等空間已具備一定儲水能力，且覆巖含水層、離層空間及采空區(qū)（或工作面）之間已形成貫通的涌水路徑。

4）多元態(tài)出水回落階段。工作面開挖結(jié)束后（圖13d），采空區(qū)及工作面涌水量出現(xiàn)減小趨勢，采空區(qū)側(cè)呈現(xiàn)多點滴流狀態(tài)，原生裂隙位置處存在宏觀可見水流。工作面?zhèn)软敯濉⒚海◣r）壁上及采空區(qū)堆矸面向工作面?zhèn)染嬖诔鏊c，滴速顯著大于第一開挖階段。分析原因，覆巖經(jīng)過長時間破斷運移，已接近充分采動狀態(tài)，高位巖層的彎曲沉降使低位巖層內(nèi)的裂隙、離層空間等發(fā)生閉合，使其導(dǎo)（儲）水性能降低。因此，采空區(qū)及工作面涌水量出現(xiàn)下降態(tài)勢。

綜上所述，工作面及采空區(qū)涌（淋）水量與覆巖運移過程形成聯(lián)動響應(yīng)特征，涌（淋）水形態(tài)、水量等的演化均顯著受覆巖運移影響。工作面推采前期，覆巖運動破斷程度越大，采場涌（淋）水量越大，而原生裂隙的存在加速了覆巖破斷冒落進(jìn)程，使導(dǎo)水通道網(wǎng)絡(luò)發(fā)育更快，分布更加密集。因此，原生裂隙是誘發(fā)采場涌（淋）水量增大及出水形態(tài)發(fā)生變化的關(guān)鍵因素之一。

4.2 覆巖水壓演化規(guī)律

圖14 為模型中F1—F4 水壓計監(jiān)測數(shù)據(jù)演化規(guī)律，據(jù)此分析工作面推進(jìn)過程中覆巖水壓變化特征。

圖14 水壓計監(jiān)測數(shù)據(jù)演化規(guī)律Fig.14 Evolution law of monitoring data of water pressure gauge

當(dāng)工作面初次推采過后，F(xiàn)1 處水壓值出現(xiàn)下降，降幅約0.003 5 MPa，表明初次開挖后采場頂板覆巖彎曲沉降范圍波及至F1 所處層位巖層。隨工作面繼續(xù)推進(jìn)，F(xiàn)2—F4 處水壓遞次出現(xiàn)拐點，產(chǎn)生下降趨勢，其中F4 處直至工作面推進(jìn)到100 m 左右時才開始下降。這一現(xiàn)象說明，隨工作面持續(xù)推進(jìn)，采動影響范圍逐漸向前推移，水壓監(jiān)測點處的覆巖陸續(xù)受采場擾動發(fā)生彎曲沉降甚至冒落，從而導(dǎo)致水壓降低。

工作面推進(jìn)至60 m 時，F(xiàn)1 處水壓值降至最低，隨后工作面推進(jìn)至80 m 左右時，F(xiàn)2 處出現(xiàn)最低值區(qū)間，F(xiàn)3、F4 處水壓亦分別在160 m 和180 m 處降至最低?？梢姡?dāng)監(jiān)測點所處層位巖層發(fā)生破斷冒落時，監(jiān)測水壓會降至最小值，且各監(jiān)測點處降低趨勢拐點的出現(xiàn)位置隨監(jiān)測點與開切眼距離的增大而增大。

F1—F4 處水壓增大趨勢拐點的出現(xiàn)位置隨監(jiān)測點與開切眼距離的增大而延后，且F4 處最終水壓值最小，F(xiàn)1 次之，F(xiàn)2 和F3 處相對最大。該現(xiàn)象表明，隨工作面推進(jìn)，與開切眼較近處的監(jiān)測點較早受采動影響發(fā)生運移，使水壓降低，同時，該監(jiān)測點處亦較早受上覆巖層破斷冒落后被壓實，導(dǎo)致水壓出現(xiàn)回升趨勢。通過各監(jiān)測點最終水壓值的區(qū)別可知，F(xiàn)2、F3 處最終被上覆巖體壓實閉合程度高，而兩側(cè)的F1、F4 處上覆巖體在開切眼側(cè)和工作面煤壁側(cè)未開挖煤（巖）體的支承作用下未發(fā)生充分沉降，因此受壓實程度較低。

結(jié)合前述分析可知，在開挖全過程中，覆巖破斷運移程度、采場涌（淋）水量和覆巖水壓之間存在聯(lián)動響應(yīng)關(guān)系。隨覆巖運移程度增大，導(dǎo)水裂隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步發(fā)育擴展，進(jìn)而誘發(fā)采場涌（淋）水量增大，監(jiān)測水壓降低。且在“Z”形離層空間發(fā)育階段，覆巖導(dǎo)水裂隙網(wǎng)絡(luò)分布最為密集，采場涌（淋）水量亦達(dá)到最大值，部分點位水壓監(jiān)測值出現(xiàn)最低點。因此可以說明，原生裂隙的存在促進(jìn)了導(dǎo)水裂隙網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育和擴展，進(jìn)而使采場涌（淋）水形態(tài)、水量等發(fā)生改變。

5 結(jié) 論

1）將覆巖運移過程劃分為直接頂常規(guī)性沉降冒落階段、“Z”形離層空間發(fā)育階段、裂隙空間壓密閉合階段3 個階段，受原生裂隙誘導(dǎo)作用使巖層發(fā)生超前破斷是“Z”形離層空間形成的主要原因。

2）相較于常規(guī)型離層空間，“Z”型離層空間在空間結(jié)構(gòu)形態(tài)上呈現(xiàn)區(qū)別于常規(guī)倒三角形的“Z”形；在空間體積上與常規(guī)型無顯著差別；在穩(wěn)定性上，組成

“Z”型離層空間的巖性種類多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隔水層薄，穩(wěn)定性相對更差，更易受采動影響發(fā)生失穩(wěn)誘發(fā)采場大量涌水。

3）將采場涌（淋）水過程劃分為滴落態(tài)出水初期階段、滴流態(tài)出水增加階段、流動態(tài)出水穩(wěn)定階段、多元態(tài)出水回落階段4 個階段。整體而言，采場涌（淋）水量呈現(xiàn)先增大后小幅下降的趨勢；原生裂隙的存在顯著促進(jìn)了覆巖中水體運移進(jìn)程及采場涌（淋）水量，對水運移路徑的遷移亦產(chǎn)生擾動。

4）隨工作面推進(jìn)，采場頂板區(qū)域內(nèi)水壓呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，監(jiān)測水壓曲線拐點（包括下降和上升）出現(xiàn)位置均隨監(jiān)測點與開切眼間距離的增大而增延后；各監(jiān)測點處水壓最小值受覆巖采動影響自左至右遞次出現(xiàn)；回采結(jié)束后，采空區(qū)中心區(qū)域附近受覆巖壓實程度高，水壓回升幅度較大，采空區(qū)邊界處覆巖沉降程度較低，水壓回升幅度較小。