劉洪濤 ，羅紫龍 ，韓子俊 ，韓 洲 ，陳小港 ，彭佳琛

（中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院, 北京 100083）

0 引 言

我國現(xiàn)有煤炭儲(chǔ)量中，厚煤層約占45%，是我國實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效開采的主力煤層[1-2]。厚煤層一般采用分層開采、放頂煤開采、大采高綜采3 種開采方法，特殊情況下也可同時(shí)采用2 種或多種方法[3-5]。大采高綜放開采是厚煤層的主要開采方法，能夠?qū)崿F(xiàn)煤炭的快速高效開采[6-10]。

隨著割煤和放煤高度的增加，彎曲下沉空間顯著增大，當(dāng)頂板斷裂時(shí)，將釋放出大量的能量，從而形成強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)，引起工作面煤壁片幫嚴(yán)重、頂煤采出率低、瓦斯涌出量大等突出問題。因此，要實(shí)現(xiàn)厚煤層大采高綜放工作面的正常安全生產(chǎn)，正確認(rèn)識(shí)工作面覆巖的斷裂演化規(guī)律尤為重要。近年來，我國諸多學(xué)者運(yùn)用數(shù)值模擬、理論計(jì)算、相似模擬試驗(yàn)與現(xiàn)場實(shí)測等方法，王云廣等[11]給出了高強(qiáng)度開采覆巖巖“兩帶”高度計(jì)算公式，提出了三維立體空間條件下的高強(qiáng)度開采覆巖運(yùn)移的“彈性薄板”+“平行壓力拱”復(fù)合機(jī)理模型。蔣金泉等[12]提出了離層空間演化特征的確定方法，建立了主關(guān)鍵層底部最大離層空間的分析模型與預(yù)測方法。許滿貴等[13]研究了工作面受采動(dòng)影響后采場覆巖運(yùn)移規(guī)律。殷偉等[14]研究了混合綜采工作面覆巖運(yùn)移規(guī)律和空間結(jié)構(gòu)特征，得到了不同充實(shí)率狀態(tài)下混合綜采工作面覆巖空間結(jié)構(gòu)特征。趙毅鑫等[15]分析了8.8 m 超大采高工作面采動(dòng)覆巖裂隙演化及能量耗散規(guī)律。張廣超等[16]提出了基于極限拉伸應(yīng)變的軟弱覆巖破壞高度計(jì)算方法。楊科等[17]獲得了厚硬頂板條件下厚煤層開采覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律和“三帶”動(dòng)態(tài)演化特征。采場覆巖中對巖體活動(dòng)起主要控制作用的堅(jiān)硬巖層稱為關(guān)鍵層，根據(jù)控制不同巖層可分為主關(guān)鍵層和亞關(guān)鍵層，關(guān)鍵層理論為覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律的研究提供了新的思路[18-21]。閆少宏等[22]提出了大采高綜采頂板“短懸臂梁－鉸接巖梁”結(jié)構(gòu)。付玉平等[23]對淺埋厚煤層大采高工作面頂板巖層斷裂演化規(guī)律進(jìn)行了模擬研究。柴敬等[24]對采場上覆關(guān)鍵層的運(yùn)移進(jìn)行了模擬試驗(yàn)并結(jié)合現(xiàn)場觀測檢測。任艷芳[25]提出了淺埋深工作面覆巖“懸臂梁－鉸接巖梁”結(jié)構(gòu)并進(jìn)行驗(yàn)證。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)羊場灣煤礦160206 厚煤層綜放工作面的來壓特征，采用理論分析、相似模擬、數(shù)值模擬三者結(jié)合的方法進(jìn)一步研究覆巖斷裂演化規(guī)律，指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況

160206 工作面距地面平均垂深592 m，目前主開采二層煤。160206 工作面的煤巖層綜合柱狀圖如圖1 所示。二層煤層理發(fā)育較破碎，頂板堅(jiān)硬，回采過程受采動(dòng)礦壓影響容易造成工作面大面積懸頂、煤壁片幫，煤層頂板富水性強(qiáng)，開采過程中一層煤頂板粗砂巖含水層水涌入工作面下端頭。需要對160206 工作面覆巖斷裂演化規(guī)律進(jìn)行研究，保證現(xiàn)場安全生產(chǎn)。工作面支架測點(diǎn)布置如圖2 所示。

圖1 工作面煤巖層綜合柱狀Fig.1 Comprehensive histogram of coal and rock strata in working face

圖2 工作面支架測點(diǎn)布置Fig.2 Layout of measuring points of working face support

160206 工作面傾斜長度為227 m，共有131 臺(tái)液壓支架，編號(hào)分別為1、2、···，131 號(hào)，從5 號(hào)支架開始，每隔10 臺(tái)液壓支架布設(shè)一組液壓支架阻力監(jiān)測，共計(jì)13 個(gè)監(jiān)測測點(diǎn)。

收集的液壓支架數(shù)據(jù)見表1，由表1 可知，160206 綜放工作面平均工作阻力為31.45 MPa，來壓時(shí)的判據(jù)為36.31 MPa。

表1 液壓支架支護(hù)工作阻力Table 1 Working resistance of hydraulic support

根據(jù)支架阻力數(shù)據(jù)繪制成熱圖如圖3 所示。

圖3 初次來壓前支架阻力Fig.3 Support resistance before initial pressure

由圖3 可知，工作面支架阻力在走向方向表現(xiàn)為中間高、兩端低。前100 m 支架阻力變化不大，之后支架阻力迅速增加，工作面推進(jìn)至130.5 m，整個(gè)工作面支架阻力超過來壓判據(jù)，工作面初次來壓，頂板大面積垮落，初次來壓步距為130.5 m。

以現(xiàn)場數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，展開相似模擬與數(shù)值模擬研究，揭示大采高綜放工作面的覆巖斷裂演化規(guī)律。

2 相似模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

2.1.1模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用長×寬×高=1 800 mm×160 mm×1 300 mm的試驗(yàn)臺(tái)。根據(jù)相似定律和試驗(yàn)裝置，確定幾何相似比C1=1/200；容重相似比Cγ=0.57；應(yīng)力相似比Ca=C1Cγ=0.0029 ；時(shí)間相似比。模型左右兩邊各留設(shè)100 mm 煤柱以避免邊界效應(yīng)產(chǎn)生的影響。

2.1.2試驗(yàn)過程

模型開挖高度為46.5 mm，代表井下實(shí)際煤厚9.3 m；開挖長度為1 600 mm，代表井下實(shí)際推進(jìn)長度約320 m；每21 min 回采一次，代表井下實(shí)際時(shí)間3 d；每次開挖進(jìn)尺50 mm，代表井下實(shí)際進(jìn)尺10 m。

巖層相似材料配比與關(guān)鍵層位置見表2。

表2 巖層相似材料配比與關(guān)鍵層位置Table 2 Proportion of similar materials in rock strata and location of key layers

2.1.3測點(diǎn)布置

為了精確監(jiān)測煤層推進(jìn)過程中，覆巖移動(dòng)和位移變化情況，在模型正面不同層位布置了位移基點(diǎn)，位移基點(diǎn)布置9 行，18 列。對每個(gè)位移基點(diǎn)黏貼測標(biāo)并進(jìn)行編號(hào)，垂直測線由下至上編號(hào)為1～9，水平測線從左到右編號(hào)為1～18。為盡可能展示整個(gè)覆巖的運(yùn)移規(guī)律，選擇5 條測線均布于上覆巖層。沿工作面推進(jìn)方向布設(shè)3 條垂直測線，分別為1 號(hào)測線、2 號(hào)測線、3 號(hào)測線，相對開切眼距離分別為70、170、270 m。在覆巖水平方向布設(shè)2 條水平測線，分別為4 號(hào)測線、5 號(hào)測線，4 號(hào)測線布置于亞關(guān)鍵層中粒砂巖，5 號(hào)測線布置于主關(guān)鍵層上方45 m 處的粗砂巖。位移基點(diǎn)實(shí)際布置如圖4 所示。

圖4 位移基點(diǎn)布置Fig.4 Layout of displacement base points

2.2 覆巖斷裂規(guī)律

2.2.1基本頂初次垮落

基本頂初次垮落如圖5 所示。工作面推進(jìn)100 m（圖5a），亞關(guān)鍵層第1 分層達(dá)到極限跨距，開始垮落。但由于采空區(qū)自由空間很大導(dǎo)致回轉(zhuǎn)量較大，基本頂無法在采空區(qū)形成鉸接穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出頂板的臺(tái)階下沉。

圖5 基本頂初次垮落過程Fig.5 Initial collapse process of basic roof

推進(jìn)至120 m（圖5b），亞關(guān)鍵層全部垮落，斷裂巖塊相互鉸接形成砌體梁結(jié)構(gòu)，上覆巖層亦隨之垮落。工作面初次來壓，步距為120 m，與現(xiàn)場初次來壓步距相對誤差7.7%，誤差較小，能較好地研究覆巖的斷裂演化規(guī)律。

2.2.2基本頂周期垮落

基本頂周期垮落如圖6 所示。推進(jìn)130 m（圖6a），工作面發(fā)生第1 次周期來壓。覆巖斷裂形態(tài)呈“梯形”，斷裂巖層與主關(guān)鍵層之間形成一條最寬為8.95 m 的離層裂隙，主關(guān)鍵層尚無明顯變化。推進(jìn)270 m（圖6b），基本頂發(fā)生第8 次周期來壓，導(dǎo)水裂隙帶達(dá)到最大高度，采空區(qū)中部覆巖被壓實(shí)，且壓實(shí)區(qū)向推進(jìn)方向和垂直方向擴(kuò)張。推進(jìn)320 m（圖6c），基本頂發(fā)生第10 次周期來壓，導(dǎo)水裂隙帶高度不變，壓實(shí)區(qū)達(dá)到最大高度，繼續(xù)向推進(jìn)方向擴(kuò)張。采空區(qū)兩端縱向與水平裂隙發(fā)育較高，屬于裂隙富集區(qū)，且跟隨工作面向前移動(dòng)，處于動(dòng)態(tài)平衡。

圖6 基本頂周期垮落過程Fig.6 Periodic collapse process of basic roof

2.3 覆巖運(yùn)移規(guī)律

煤層開采引起覆巖的斷裂失穩(wěn)，導(dǎo)致頂板發(fā)生水平錯(cuò)動(dòng)與豎直下沉，相應(yīng)地產(chǎn)生水平位移與垂直位移，而水平位移相對較小，故主要對垂直位移進(jìn)行監(jiān)測分析。

1）垂直測線在不同推進(jìn)距離下的位移（向下為負(fù)）變化趨勢如圖7 所示。綜合1、2、3 號(hào)測線垂直位移變化趨勢可知：

圖7 垂直測線位移變化趨勢Fig.7 Change trend of vertical measuring line displacement

同一測點(diǎn)的位移變化隨工作面推進(jìn)表現(xiàn)為“臺(tái)階”下沉，不同測點(diǎn)的臺(tái)階數(shù)量、臺(tái)階高度、臺(tái)階寬度不同。下沉量最大值與測點(diǎn)編號(hào)呈負(fù)相關(guān)，即覆巖下沉量由下至上逐層遞減。

亞關(guān)鍵層和主關(guān)鍵層的斷裂共同決定覆巖的下沉，但不同時(shí)期主導(dǎo)因素不同。前期亞關(guān)鍵層的斷裂為主導(dǎo)因素，中后期主關(guān)鍵層的斷裂為主導(dǎo)因素。

初次來壓后，由于工作面上方懸臂梁的存在，基本頂?shù)拇蠓鲁敛煌潭鹊販笥谕七M(jìn)距離（10～20 m）。

工作面推進(jìn)一定距離后，工作面后方50 m 以內(nèi)的覆巖尚處于下沉階段，而距離較遠(yuǎn)的下層覆巖率先達(dá)到最大下沉量，進(jìn)入壓實(shí)階段。覆巖由下至上沿推進(jìn)方向逐漸壓實(shí)。

2）水平測線在不同推進(jìn)距離下的位移（向下為負(fù)）變化趨勢如圖8 所示（圖8a 為3D 曲面，圖8b 為水平投影）。

圖8 水平測線位移變化趨勢Fig.8 Change trend of horizontal measuring line displacement

4 號(hào)測線（圖8a）位于亞關(guān)鍵層中粒砂巖，推進(jìn)120 m 時(shí)，4-2、4-3、4-4、4-5、4-6 測 點(diǎn) 急 劇 下沉8.25～9.30 m，說明亞關(guān)鍵層整體斷裂，工作面初次來壓。工作面繼續(xù)推進(jìn)，測點(diǎn)位移逐漸向右發(fā)育，中部測點(diǎn)下沉量達(dá)到最大值9.3 m，處于穩(wěn)定狀態(tài)，采空區(qū)從左到右逐漸被壓實(shí)。

5 號(hào)測線（圖8b）位于主關(guān)鍵層上方45 m 處的粗砂巖，反映著主關(guān)鍵層所控制的巖層變化趨勢。左右兩端測點(diǎn)位移為0，測點(diǎn)兩端到中部下沉量逐漸增大。隨著工作面推進(jìn)，中部測點(diǎn)下沉量逐漸增加，中部測點(diǎn)首先被壓實(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，且逐漸向右壓實(shí)。

水平測線的位移變化趨勢沿走向表現(xiàn)為急劇下降→穩(wěn)定（最大值）→快速上升→穩(wěn)定（最小值）。位移變化趨勢在三維圖中表現(xiàn)為一個(gè)“深淵+盆地”形狀。

3 覆巖斷裂數(shù)值模擬試驗(yàn)

3.1 數(shù)值模型建立

基于羊場灣煤礦160206 工作面實(shí)際地質(zhì)條件，建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖9 所示。

圖9 數(shù)值計(jì)算模型Fig.9 Numerical calculation model

尺寸為520 m×1 m×289.6 m（長×寬×高），根據(jù)巖層的力學(xué)性質(zhì)對網(wǎng)格進(jìn)行大小不同的劃分，模型底部為固定邊界，四周為位移約束邊界，模型上部距地表330 m，施加等效載荷8.25 MPa。為去除邊界效應(yīng)，模型兩端各留設(shè)100 m 煤柱。模擬工作面采高9.3 m，走向推進(jìn)320 m，采用分步開挖，每步進(jìn)尺10 m，共計(jì)32 步。塊體采用摩爾-庫倫模型，節(jié)理采用庫侖滑移模型。

表3 工作面覆巖力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of working face overburden

工作面覆巖力學(xué)參數(shù)見表3。

3.2 覆巖運(yùn)移規(guī)律

3.2.1覆巖運(yùn)動(dòng)場

工作面推進(jìn)過程中，覆巖的運(yùn)移情況如圖10所示。

圖10 覆巖運(yùn)移情況Fig.10 Overburden movement

根據(jù)覆巖運(yùn)移速度的大小分為3 種區(qū)域，分別是 加 速 下 沉 區(qū)（v≥0.2 m/s）、緩 慢 下 沉 區(qū)（0

工作面推進(jìn)120 m，工作面初次來壓。亞關(guān)鍵層及其控制巖層垮落，垮落區(qū)上部覆巖下沉速度由采空區(qū)中部向兩端遞減。采空區(qū)中部覆巖最大下沉速度為1.01 m/s，而主關(guān)鍵層下沉速度為0.03 m/s，僅為垮落覆巖的3%。推進(jìn)140 m，覆巖運(yùn)動(dòng)范圍在水平與垂直方向均增大。此時(shí)采空區(qū)兩端下沉速度較大，而采空區(qū)中部覆巖由于達(dá)到最大下沉量而不再下沉，下沉速度為0，成為穩(wěn)定區(qū)。推進(jìn)200 m，覆巖向上運(yùn)動(dòng)至地表，地表開始下沉，下沉速度為0.03 m/s。采空區(qū)左端與中部發(fā)展成穩(wěn)定區(qū)，采空區(qū)右端和覆巖中部為加速下沉區(qū)，緩慢下沉區(qū)已發(fā)育至地表。推進(jìn)290 m，地表下沉形成盆地。穩(wěn)定區(qū)繼續(xù)向垂直和水平方向擴(kuò)展，而加速下沉區(qū)集中在靠近工作面的覆巖中下部。

為研究推進(jìn)過程中覆巖下沉速度的變化規(guī)律，分別以工作面上方7 m、相距開切眼56 m 作為水平與垂直測線，監(jiān)測不同推進(jìn)距離下覆巖的下沉速度。取4 種典型情況下的測線數(shù)據(jù)，繪制成折線圖，如圖11 所示。

圖11 不同推進(jìn)距離的覆巖下沉速度Fig.11 Overburden subsidence speed with different advancing distance

由圖11a 可知，初期（推進(jìn)120 m）覆巖下沉速度較小，中期（推進(jìn)140 m）覆巖下沉速度急劇增加，最高可達(dá)612.9 mm/s，后期（推進(jìn)200～290 m）下沉速度大幅降低，在190 mm/s 上下波動(dòng)。說明同一層巖層下沉速度會(huì)經(jīng)歷急劇加速→大幅減速→穩(wěn)定階段。

由圖11b 可知，隨著工作面推進(jìn)，覆巖逐漸向上運(yùn)動(dòng)，且最大下沉速度逐漸減小，初期（推進(jìn)120 m）最大下沉速度可達(dá)990.8 mm/s，后期（推進(jìn)290 m）僅為31.3 mm/s，減小至初始速度的3.2%。

煤層開采后，工作面覆巖由下至上成組運(yùn)動(dòng)，發(fā)展到地面引起地表下沉，各巖層在時(shí)空耦合下非連續(xù)破斷變形產(chǎn)生離層裂隙，接下來從離層變化與地表下沉的角度對覆巖運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行闡述。

3.2.2離層與地表下沉動(dòng)態(tài)演化規(guī)律

1）離層演化規(guī)律。離層量的時(shí)空動(dòng)態(tài)分布呈現(xiàn)為截然不同的兩階段，如圖12 所示。第一階段：工作面初次來壓（亞關(guān)鍵層初次斷裂）→主關(guān)鍵層斷裂前夕。此階段內(nèi)，離層量在煤層走向分布呈現(xiàn)為“高帽狀”，工作面向前推進(jìn)，高帽寬度逐漸增加，即離層范圍隨之?dāng)U大。一般情況下，最大離層量與推進(jìn)距離正相關(guān)，初期（推進(jìn)120 m）最大離層量為4 468 mm，末期最大離層量高達(dá)8 508 mm，為初期的1.9 倍。第二階段：主關(guān)鍵層斷裂之后。此階段內(nèi)，離層量在煤層走向分布呈現(xiàn)為“雙駝峰狀”，且前駝峰（近工作面處駝峰）低于后駝峰（近開切眼處駝峰）。前后駝峰初始跨度相近，隨著推進(jìn)距離增加，后駝峰跨度基本不變，前駝峰跨度逐漸增加，離層范圍向前擴(kuò)張。前后駝峰分界處離層量逐漸降低，直至為零，即采空區(qū)中部覆巖首先被壓實(shí)。

圖12 離層量時(shí)空動(dòng)態(tài)分布Fig.12 Spatiotemporal dynamic distribution of stratification separation

2）地表下沉規(guī)律。推進(jìn)320 m 時(shí)，記錄模型頂部的垂直位移與水平位移，繪制成折線圖，如圖13所示（水平位移向右為正，垂直位移向上為正），代表地表的位移分布情況。

圖13 地表位移分布情況Fig.13 Surface displacement distribution

由圖13 可知，垂直位移類似1/2 正弦圖像，水平位移類似一個(gè)正弦圖像。地表下沉量由采空區(qū)中部向兩端遞減，水平移動(dòng)量在左右兩端都經(jīng)歷增加至峰值→減小至0 的過程，地表最大下沉處即為水平位移為0 處。地表位移變化表現(xiàn)為中間深、邊緣淺的盆地，主要下沉區(qū)與主要移近區(qū)均位于采空區(qū)中部，且主要移近區(qū)略大于主要下沉區(qū)。

洞悉地表位移分布情況后，分別以相距開切眼75、126 m 兩處典型位置作為地表水平位移與垂直位移測點(diǎn)，記錄相關(guān)位移增加量（或減小量）以及下沉與移近速度（速度按推進(jìn)1 m 的地表下沉量或移近量計(jì)算，單位為mm/m），如圖14 所示，研究推進(jìn)過程中地表的位移變化情況。

圖14 地表位移變化情況Fig.14 Variation of surface displacement

由圖14 可知，地表移近量與下沉量的變化趨勢接近一致，但地表下沉量比移近量高出3～12 倍，地表最大下沉量為7 909 mm，最大移近量為1 939 mm，即地表位移主要表現(xiàn)為下沉現(xiàn)象。初期地表下沉速度較大，而移近速度幾乎從0 開始增長，中后期地表下沉速度與移近速度變化趨勢大致接近。地表初次下沉后，移近速度與下沉速度經(jīng)歷加速→減速→平穩(wěn)3 個(gè)階段。

隨著工作面向前推進(jìn)，地表下沉值不斷增大。地表最大下沉值及其增長速度（速度按推進(jìn)1 m 的地表最大下沉量計(jì)算，單位為mm/m）、最大下沉位置的動(dòng)態(tài)演化過程如圖15 所示。

圖15 地表最大下沉動(dòng)態(tài)演化過程Fig.15 Dynamic evolution process of maximum surface subsidence

由圖15 可知，地表初次下沉最大值僅為962 mm，而后期下沉最大值高達(dá)7 909 mm，增長了7.2 倍，且后期最大下沉值幾乎不變。初次下沉后，地表最大下沉值經(jīng)歷勻加速增長→加速度減小的增長。最大下沉位置隨著工作面推進(jìn)不斷向前運(yùn)動(dòng)，且一直處于采空區(qū)中部，后期最大下沉位置為一段距離，而非一點(diǎn)，即盆地中央。

3.3 地表下沉機(jī)理

地表下沉示意圖如圖16 所示。亞關(guān)鍵層斷裂后，隨著工作面向前推進(jìn)，覆巖由下至上逐層運(yùn)動(dòng)，主關(guān)鍵層與亞關(guān)鍵層之間巖層的不協(xié)調(diào)變形產(chǎn)生離層裂隙。主關(guān)鍵層斷裂后，直至地表的上覆巖層共同下沉，地表開始下沉，離層裂隙在煤層走向方向呈“雙駝峰狀”。

圖16 地表下沉示意Fig.16 Schematic of surface subsidence

工作面繼續(xù)推進(jìn)，在巖層自重與上覆巖層載荷作用下，采空區(qū)中部巖層由下至上逐漸壓實(shí)，離層裂隙閉合，地表下沉范圍與下沉值增大。離層裂隙的動(dòng)態(tài)演化、破碎巖體的壓實(shí)過程與地表下沉息息相關(guān)，有助于研究地表下沉規(guī)律。地表開始下沉?xí)r，任一點(diǎn)處的地表下沉值理論計(jì)算式可表達(dá)為

式中：u為任一點(diǎn)處地表下沉值，m；M為煤層厚度，m；d為該點(diǎn)下方離層量之和，m；n為導(dǎo)水裂隙帶間巖層總數(shù)，層；Ki、hi分別為各巖層的碎脹系數(shù)、厚度，m；Δh為巖層破斷后體積膨脹導(dǎo)致的空間上升高度，m。

直接頂破碎較為嚴(yán)重，碎脹系數(shù)較大，基本頂破斷主要形成層間結(jié)構(gòu)，破斷塊體較大，碎脹系數(shù)較小，所以 Δh以直接頂為主。地表下沉初期，離層量d與Δh較大，故而地表下沉值較小。工作面向前推進(jìn)，采空區(qū)中部巖層逐漸被壓實(shí)，地表下沉值理論計(jì)算式可表達(dá)為：

式中：m為壓實(shí)的巖層總數(shù)，層；KPi、h1i分別為壓實(shí)各巖層的殘余碎脹系數(shù)與厚度，m；x為未被壓實(shí)的巖層總數(shù)，層；h2i為未壓實(shí)的各巖層厚度，m；h為導(dǎo)水裂隙帶的巖層總厚度，m。

離層量d由采空區(qū)中部向兩端遞增，且采空區(qū)中部覆巖被壓實(shí)導(dǎo)致其 Δh值低于兩端，所以地表越靠近采空區(qū)中部，下沉值越大，兩端下沉值較小，呈現(xiàn)為盆地。巖層被壓實(shí)導(dǎo)致裂隙閉合，相應(yīng)的d、Δh減小，地表下沉值逐漸增大，直至巖層被完全壓實(shí)，離層量d減小為0，Δh降為最低，地表下沉達(dá)到最大值，之后進(jìn)入充分采動(dòng)階段。地表最大下沉值理論計(jì)算式可表達(dá)為

由此可知，煤層厚度、離層量、導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)巖層的厚度、覆巖巖性及物理性質(zhì)共同決定地表下沉量。而煤層厚度與離層量較大，起決定性作用，一般情況下，地表最大下沉量與煤層厚度正相關(guān)。在一定開采條件下，通過離層區(qū)注漿充填，使得充填體代替離層量d，且充填體高度不會(huì)隨工作面推進(jìn)而減小，便能有效控制地表下沉，實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開采。

4 覆巖斷裂演化過程

工作面推進(jìn)過程中，覆巖的斷裂演化過程如圖17 所示。工作面推進(jìn)過程中，覆巖斷裂形態(tài)會(huì)經(jīng)歷3 個(gè)階段。第1 階段：亞關(guān)鍵層斷裂，主關(guān)鍵層處于穩(wěn)定階段，工作面初次來壓。采空區(qū)下部為矩形垮落區(qū)，上部為砌體梁結(jié)構(gòu)，覆巖斷裂形態(tài)為等腰梯形。工作面繼續(xù)推進(jìn)，垮落區(qū)高度增加，覆巖離層位置逐漸向上發(fā)育，且離層區(qū)朝水平與垂直方向擴(kuò)張。第2 階段：主關(guān)鍵層斷裂，覆巖斷裂形態(tài)演化為雙等腰梯形，表土層影響區(qū)為矩形。采空區(qū)兩端縱向與水平裂隙發(fā)育較高，為裂隙富集區(qū)。此時(shí)，離層區(qū)縱向高度最大，矩形垮落區(qū)高度達(dá)到最大，之后由于覆巖壓實(shí)作用導(dǎo)致矩形垮落區(qū)高度小幅度降低并趨于穩(wěn)定。過渡期：覆巖斷裂位置發(fā)育至最高，即導(dǎo)水裂隙帶達(dá)到最大高度，雙等腰梯形高度達(dá)到最大。表土層影響區(qū)由矩形演化為倒梯形，且地表影響范圍逐漸擴(kuò)大，地表影響角 α逐漸降低。采空區(qū)中部由下至上為壓實(shí)區(qū)和離層區(qū)，壓實(shí)區(qū)逐漸向上發(fā)育而增大，離層逐漸閉合導(dǎo)致離層區(qū)逐漸減小；兩端為裂隙富集區(qū)，且裂隙富集區(qū)達(dá)到最大。第3 階段：地表下沉達(dá)到最大值，進(jìn)入充分采動(dòng)階段。此時(shí)，地表影響角降至最低，采空區(qū)中部覆巖全部被壓實(shí)，壓實(shí)區(qū)達(dá)到最大，離層區(qū)消失。工作面繼續(xù)推進(jìn)，覆巖斷裂位置跟隨工作面前進(jìn)，裂隙富集區(qū)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，覆巖斷裂雙等腰梯形寬度增加，但高度不變。

圖17 覆巖斷裂演化過程Fig.17 Evolution process of overburden fault

5 結(jié) 論

1）亞關(guān)鍵層和主關(guān)鍵層的斷裂共同決定覆巖的下沉，覆巖下沉量由下至上逐層遞減。導(dǎo)水裂隙帶內(nèi)巖層隨工作面推進(jìn)表現(xiàn)為臺(tái)階下沉，同層巖層下沉趨勢沿走向表現(xiàn)為急劇下降→穩(wěn)定（最大值）→快速上升→穩(wěn)定（最小值）。

2）覆巖運(yùn)動(dòng)場由初次來壓時(shí)的兩區(qū)分布（加速下沉區(qū)、緩慢下沉區(qū)）逐漸演化為3 區(qū)分布（加速下沉區(qū)、緩慢下沉區(qū)、穩(wěn)定區(qū)），同一層巖層下沉速度會(huì)經(jīng)歷急劇加速→大幅減速→穩(wěn)定階段，覆巖逐漸向上運(yùn)動(dòng)，且最大下沉速度逐漸減小。

3）通過理論分析，得出了地表開始下沉?xí)r任意點(diǎn)下沉值的理論計(jì)算式與地表最大下沉值的理論計(jì)算式，且煤層厚度與離層量對地表最大下沉值起決定性作用。

4）通過相似模擬與數(shù)值模擬的試驗(yàn)結(jié)果，提出了覆巖斷裂的動(dòng)態(tài)演化過程。其演化過程分為3 階段和1 個(gè)過渡期，覆巖斷裂形態(tài)由單等腰梯形演化為雙等腰梯形，表土層影響區(qū)由矩形演化為倒梯形。分析了覆巖中垮落區(qū)、離層區(qū)、壓實(shí)區(qū)、裂隙富集區(qū)的動(dòng)態(tài)演化過程。