李楊楊 ，朱慧聰 ，張士川 ，黃書翔 ，李銘松 ，張浩爭(zhēng) ，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(tuán) 西北礦業(yè)有限公司, 陜西 西安 710018；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 國(guó)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(guó)的主體能源，是保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)足高效發(fā)展的主干驅(qū)動(dòng)力。近年來，由于對(duì)煤炭資源的高強(qiáng)度開采，導(dǎo)致東部地區(qū)可采儲(chǔ)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(chǎng)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(dòng)誘發(fā)覆巖運(yùn)移發(fā)育導(dǎo)水通道網(wǎng)絡(luò)特征、突水致災(zāi)機(jī)理等，相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的專家學(xué)者對(duì)此展開了研究。在覆巖運(yùn)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(dòng)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(yùn)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(yàn)發(fā)現(xiàn)近距離煤層開采時(shí)，下位煤層開采會(huì)對(duì)上位煤層頂板產(chǎn)生二次擾動(dòng)；殷偉等[11]研究得出，混合綜采工作面頂板覆巖空間運(yùn)移結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)非對(duì)稱性。在煤礦頂板突水致災(zāi)機(jī)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(yùn)移特征及其與覆巖水壓和滲透特性之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)關(guān)系；侯恩科等[13]采用RF 算法和GIS 軟件預(yù)測(cè)了4-2 煤掘進(jìn)巷道頂板突水危險(xiǎn)區(qū)的位置；楊濤等[14]研究表明，采動(dòng)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(shí)，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(yàn)等角度對(duì)煤礦覆巖運(yùn)移破斷規(guī)律和頂板涌水潰砂致災(zāi)機(jī)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(duì)覆巖運(yùn)移破斷發(fā)育導(dǎo)水通道網(wǎng)絡(luò)機(jī)制及采場(chǎng)涌（淋）水特征影響的研究報(bào)道。

在工程實(shí)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(huì)對(duì)覆巖運(yùn)動(dòng)及采場(chǎng)涌（淋）水形態(tài)產(chǎn)生重要影響。因此，筆者結(jié)合煤礦實(shí)際開采條件開展固?流耦合相似模擬試驗(yàn)，對(duì)原生裂隙誘導(dǎo)下覆巖運(yùn)移破壞誘發(fā)導(dǎo)水裂隙網(wǎng)絡(luò)形成機(jī)制、采場(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)礦區(qū)某礦行政區(qū)劃隸屬于陜西省咸陽(yáng)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(qiáng)富水性含水層。同時(shí)，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(shí)，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(zhǎng)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(zhǎng)觀孔水位監(jiān)測(cè)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(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)在山東科技大學(xué)自研覆巖涌水潰砂相似模擬物理試驗(yàn)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(jì)。試驗(yàn)系統(tǒng)（圖1）主要由試驗(yàn)平臺(tái)、供壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)3 個(gè)子系統(tǒng)組成，其中試驗(yàn)平臺(tái)包括試驗(yàn)艙、壓頭、承壓水倉(cāng)3 個(gè)子系統(tǒng)。試驗(yàn)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(qiáng)度鋼材制作；壓頭和承壓水倉(cāng)為應(yīng)力和水壓的輸出端。供壓系統(tǒng)通過液壓油為試驗(yàn)艙提供載荷，是應(yīng)力和水壓的輸入端?？刂葡到y(tǒng)包括位移應(yīng)力和水壓水量伺服控制2 個(gè)單元，可實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yàn)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(yàn)幾何、時(shí)間、容重、強(qiáng)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(yàn)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(yàn)對(duì)其力學(xué)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而對(duì)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(gè)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(jiǎn)單，易于操作，脫模便捷等優(yōu)點(diǎn)，模具直徑為50 mm，總長(zhǎng)120 mm，有20 mm的可控變長(zhǎng)范圍。裝置底部設(shè)置有高精度壓感器，可通過數(shù)顯器對(duì)試件的加載力進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)相似材料試件進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)。根據(jù)強(qiáng)度相似比計(jì)算各巖層單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度及彈性模量相似值，與相似材料試件強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4 所示。

圖4 相似材料試件強(qiáng)度試驗(yàn)值和相似值對(duì)比Fig.4 Comparison of strength test values and similar values of similar material specimens

由圖4 可見，各巖層強(qiáng)度試驗(yàn)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(yàn)需求。為深度優(yōu)化配比，基于強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，調(diào)整相似材料試件配比，再開展力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)，直至試件強(qiáng)度的試驗(yàn)測(cè)試值基本契合相似值。同時(shí)，采用相關(guān)設(shè)備對(duì)所配制相似材料試件的孔隙率、滲透系數(shù)等進(jìn)行檢測(cè)，將最終測(cè)定結(jié)果與相似值對(duì)比，發(fā)現(xiàn)基本符合對(duì)實(shí)際水文地質(zhì)工況的模擬需求。限于篇幅，此處對(duì)孔隙率和滲透系數(shù)等參數(shù)的測(cè)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(yàn)設(shè)計(jì)模型高度為70 cm，工作面傾向長(zhǎng)度為40 cm，走向長(zhǎng)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(gè)水壓計(jì)（F1—F8），2 個(gè)水壓計(jì)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(bǔ)償載荷和水壓，補(bǔ)償載荷計(jì)算式如下：

式中：F為單位補(bǔ)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(duì)應(yīng)的實(shí)際地層距離，m。，

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1）計(jì)算得施加的補(bǔ)償載荷為0.149 MPa。根據(jù)強(qiáng)度相似比計(jì)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(cè)線剖面圖原生裂隙發(fā)育特征及試驗(yàn)實(shí)際需求，綜合確定預(yù)制裂隙參數(shù)。設(shè)計(jì)單位裂隙長(zhǎng)度為3 cm，寬0.15 cm。以裂隙頂部尖端為原點(diǎn)，水平方向?yàn)榛鶞?zhǔn)線，順時(shí)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(duì)其進(jìn)行編號(hào)，自上往下劃分為頂、中、底3 個(gè)帶，自左至右對(duì)裂隙進(jìn)行順序編號(hào)。具體編號(hào)及參數(shù)見表3。

表3 原生裂隙編號(hào)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(jì)，并按照既定尺寸在對(duì)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(bǔ)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(jì)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(shí)，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(yàn)人員一側(cè)拉近，進(jìn)而帶動(dòng)鋼板運(yùn)動(dòng)，直至將其抽出，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層回采的模擬。開挖期間，定時(shí)記錄覆巖運(yùn)移特征及工作面涌（淋）水狀態(tài)。

3 原生裂隙對(duì)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(yàn)結(jié)果，分階段分析覆巖原生裂隙對(duì)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(kuò)展規(guī)律分析

綜合工作面不同推進(jìn)距離內(nèi)覆巖運(yùn)移共性特征，將其劃分為3 個(gè)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(yùn)移，僅存在輕微的彎曲下沉（圖8a）；工作面開挖至60 m 時(shí)，直接頂受采動(dòng)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(shí)，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(yùn)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(shí)，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(dòng)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(yùn)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(gè)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(dòng)影響發(fā)生超前破斷。原生裂隙的存在使受擾動(dòng)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(diǎn)右側(cè)段形成懸臂梁，其下方形成三角形空間，斷裂點(diǎn)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(diǎn)處發(fā)生錯(cuò)動(dòng)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(gè)“Z”形離層空間2 號(hào)（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(hào)，此處為2 號(hào)）。圖9b 中破斷點(diǎn)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(diǎn)如圖10 中A點(diǎn)所示，進(jìn)而發(fā)育形成“Z”形離層空間1 號(hào)。

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(shí)在該階段內(nèi)，覆巖導(dǎo)水通道逐漸發(fā)育完善，2 個(gè)“Z”形離層空間與原生裂隙、采動(dòng)裂隙之間相互貫通，發(fā)育成同時(shí)具備儲(chǔ)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(shí)，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(hào)及由其形成的導(dǎo)水通道亦開始閉合，如圖11a 所示。同時(shí)，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(hào)。

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(hào)仍存在部分可見空間未被壓實(shí)，其他離層、裂隙等基本被壓實(shí)閉合，新生導(dǎo)水通道發(fā)育基本停止。

對(duì)比1—3 號(hào)“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(duì)巖層破斷傾向產(chǎn)生影響，但對(duì)“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(shí)，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(yùn)移空間逐漸減小，此時(shí)巖層基本呈現(xiàn)同步運(yùn)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(yùn)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(duì)覆巖運(yùn)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(dòng)影響時(shí)，巖層會(huì)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(yùn)移作用下，原生裂隙與采動(dòng)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(duì)二者進(jìn)行對(duì)比分析（圖12）。

圖12 離層空間結(jié)構(gòu)形態(tài)概化對(duì)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(duì)常規(guī)型離層空間和“Z”形離層空間進(jìn)行對(duì)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(shí)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(duì)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(duì)較薄。因此，“Z”形離層空間整體穩(wěn)定性更差，賦存時(shí)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(duì)更加復(fù)雜，穩(wěn)定性差，更易受采動(dòng)影響發(fā)生失穩(wěn)破壞，加大采場(chǎng)涌（淋）水量及面積。

4 覆巖涌（淋）水時(shí)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(gè)階段：滴落態(tài)出水初期階段、滴流態(tài)出水增加階段、流動(dòng)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(diǎn)，出水呈滴落狀態(tài)，滴速均勻，出水點(diǎn)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(diǎn)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(shí)，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(diǎn)水量增大，同時(shí)，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(yàn)臺(tái)水槽內(nèi)流動(dòng)。

3）流動(dòng)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(shí)，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(shí)，采空區(qū)涌水存在間歇性增減特征，但間隔時(shí)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(chǔ)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(shì)，采空區(qū)側(cè)呈現(xiàn)多點(diǎn)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(diǎn)，滴速顯著大于第一開挖階段。分析原因，覆巖經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間破斷運(yùn)移，已接近充分采動(dòng)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(chǔ)）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(shì)。

綜上所述，工作面及采空區(qū)涌（淋）水量與覆巖運(yùn)移過程形成聯(lián)動(dòng)響應(yīng)特征，涌（淋）水形態(tài)、水量等的演化均顯著受覆巖運(yùn)移影響。工作面推采前期，覆巖運(yùn)動(dòng)破斷程度越大，采場(chǎng)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(chǎng)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(jì)監(jiān)測(cè)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(jì)監(jiān)測(cè)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(chǎng)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(diǎn)，產(chǎn)生下降趨勢(shì)，其中F4 處直至工作面推進(jìn)到100 m 左右時(shí)才開始下降。這一現(xiàn)象說明，隨工作面持續(xù)推進(jìn)，采動(dòng)影響范圍逐漸向前推移，水壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的覆巖陸續(xù)受采場(chǎng)擾動(dòng)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(shí)，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(shí)，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(cè)點(diǎn)所處層位巖層發(fā)生破斷冒落時(shí)，監(jiān)測(cè)水壓會(huì)降至最小值，且各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處降低趨勢(shì)拐點(diǎn)的出現(xiàn)位置隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)與開切眼距離的增大而增大。

F1—F4 處水壓增大趨勢(shì)拐點(diǎn)的出現(xiàn)位置隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(duì)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(cè)點(diǎn)較早受采動(dòng)影響發(fā)生運(yùn)移，使水壓降低，同時(shí)，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)處亦較早受上覆巖層破斷冒落后被壓實(shí)，導(dǎo)致水壓出現(xiàn)回升趨勢(shì)。通過各監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(shí)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(shí)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(yùn)移程度、采場(chǎng)涌（淋）水量和覆巖水壓之間存在聯(lián)動(dòng)響應(yīng)關(guān)系。隨覆巖運(yùn)移程度增大，導(dǎo)水裂隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步發(fā)育擴(kuò)展，進(jìn)而誘發(fā)采場(chǎng)涌（淋）水量增大，監(jiān)測(cè)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(chǎng)涌（淋）水量亦達(dá)到最大值，部分點(diǎn)位水壓監(jiān)測(cè)值出現(xiàn)最低點(diǎn)。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(kuò)展，進(jìn)而使采場(chǎng)涌（淋）水形態(tài)、水量等發(fā)生改變。

5 結(jié) 論

1）將覆巖運(yùn)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(gè)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(duì)更差，更易受采動(dòng)影響發(fā)生失穩(wěn)誘發(fā)采場(chǎng)大量涌水。

3）將采場(chǎng)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(dòng)態(tài)出水穩(wěn)定階段、多元態(tài)出水回落階段4 個(gè)階段。整體而言，采場(chǎng)涌（淋）水量呈現(xiàn)先增大后小幅下降的趨勢(shì)；原生裂隙的存在顯著促進(jìn)了覆巖中水體運(yùn)移進(jìn)程及采場(chǎng)涌（淋）水量，對(duì)水運(yùn)移路徑的遷移亦產(chǎn)生擾動(dòng)。

4）隨工作面推進(jìn)，采場(chǎng)頂板區(qū)域內(nèi)水壓呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，監(jiān)測(cè)水壓曲線拐點(diǎn)（包括下降和上升）出現(xiàn)位置均隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)與開切眼間距離的增大而增延后；各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處水壓最小值受覆巖采動(dòng)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(shí)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。