0316 钱鸣高1，2,许家林2
(1.中国矿业大学(北京),北京 100083; 2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116)
摘 要:采矿是从地层内获取煤炭资源的过程，是一次对矿区地层的扰动，必然引起岩层运动和地层内应力场与裂隙场的改变，从而影响矿压显现、地下水流失和地表沉陷等安全与环境问题。因此，采动岩层运动及其对安全与环境的影响规律是煤炭开采的基础科学问题，对这些规律的认识将提高煤炭开采的科学性。由于采动岩层运动的复杂性，至今仍然有很多问题没有解决。介绍了采动覆岩运动的块体结构形式、岩层运动对工作面空间维护的影响、岩层运动对覆岩裂隙演化与地下水和地表沉陷等环境问题的影响、岩层运动对采动应力场影响等方面的研究进展与存在的主要问题，明确了岩层运动研究的重点和方向。结果表明:采动岩层运动是一种坚硬岩层破断前的应力集中和破断后形成块体的力学行为，坚硬岩层的破断和块体运动具有突变和不连续性，破断块体互相咬合可能形成“大变形”结构，块体咬合结构的S-R稳定性将对矿压显现、采动裂隙和地表沉陷等产生重要影响。岩层运动是一个“黑箱”，目前仅仅在控制原理上得到解释，达到“灰箱”程度。因此，岩层控制在很多场合只能是“宏观”控制。“砌体梁”结构力学模型的建立明确了支护原理和支架工作阻力估算原则。一般情况下，按照4～8倍采高岩柱自重估算支架工作阻力可以满足工程需要，在大采高或薄直接顶、浅部开采、特殊压架条件等情况下支架工作阻力估算应采用上限，个别条件下单纯提高支架阻力仍无法彻底解决压架问题，还需配套实施相关工程措施加以防范。根据覆岩关键层破断块体结构的稳定性，将我国不同表土层条件下的地表沉陷划分为3种类型，提出应根据地表沉陷的不同类型进行预测、控制与选择复垦方法。关键层的赋存与破断特性对采动应力分布影响显著。目前，由于应力集中引起的事故比瓦斯事故更难以预防，为此，深部和构造应力集中区域只能开设试验矿井。
关键词:岩层运动;“砌体梁”结构;关键层;块体运动;科学采矿
中图分类号:TD8
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2019)04-0973-12
收稿日期:20190316
修回日期:20190322
责任编辑:许升阳
基金项目:国家重点研发计划资助项目(2016YFC0501100)
作者简介:钱鸣高(1932—),男,江苏无锡人,中国工程院院士,教授,博士生导师。E-mail:mgqian@cumt.edu.cn
QIAN Minggao1,2,XU Jialin2
(1.China University of Mining and Technology (Beijing),Beijing 100083,China; 2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116,China)
Abstract:Coal mining involves extracting the resources from the earth.It will disturb the strata in the mining area,which inevitably causes strata movement and the change of stress and fracture fields,thus affect safety and environmental such as the occurrence of ground pressure,groundwater loss and surface subsidence.Therefore,mining-induced strata movement and its influence on safety and environment are the basic scientific problems of coal mining.The understanding of these laws will improve the scientific nature of coal mining.Because of the complexity of strata movement,however,there are still several issues to be addressed.This paper introduces the mining-induced strata movement of the block structure,which is followed by the review of advances and outstanding issues in the influence of strata movement on longwall face support,mining-induced fractures evolution,groundwater,surface subsidence,and mining-induced stress field.It is found that mining-induced strata movement is a combination of stress concentration caused by the span of thick and hard strata and the mechanical behaviors of the rock blocks associated with the breakage of the strata.During the collapse of thick strata and the corresponding rock block movement,the characteristics of mutations and discontinuities typically occur.In such a process,a structure that can sustain large deformation may be formed after the rock blocks are hinged.The “R-S” stability of the structure causes significant influence to such phenomena as the occurrence of ground pressure,mining-induced fractures and surface subsidence.Mining-induced strata movement is like a “black box” system.Currently it is just explained in the aspect of control principle,and reaches the level of a “gray box” system.Therefore,strata control refers to “macroscopic” control in many engineering cases.The Voussoir Beam model has established longwall support theory and the estimation principle of support working resistance.In a general case,the support resistance that is determined as the weight of the overburden with a thickness of 4-8 times the mining height could meet the safety requirements of most mining projects.Specially,8 times should be chosen for the longwalls with a large mining height or a thin immediate roof,a shallow cover depth,or the support crush risks.As for some particular conditions,however,support crush cannot be avoided by the single measure of increasing support resistance,but should be combined with other engineering precautionary measures.According to the stability of rock blocks of overburden key strata,three types were proposed to characterize surface subsidence for varied alluvium conditions in different areas of China.It is suggested that subsidence type should be considered during the selection of subsidence prediction,control and reclamation methods.The presence of key strata and the corresponding breakage characteristics play a vital role in the distribution of mining-induced stress.At present,the prevention of accidents caused by stress concentration is harder than that of methane accidents.With this in mind,it is suggested that only test-style mines could be established in the areas with tectonic stress concentration or a large depth.This paper points out the direction for the study of strata movement and the corresponding influence on safety and environment in the coal mining industry.
Key words:strata movement;voussoir beam structure;key strata;block movement;sustainable mining
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钱鸣高,许家林.煤炭开采与岩层运动[J].煤炭学报,2019,44(4):973-984.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2019.0337
QIAN Minggao,XU Jialin.Behaviors of strata movement in coal mining[J].Journal of China Coal Society,2019,44(4):973-984.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2019.0337
采矿长期以来被认为是一种技术。为此，煤炭企业大多在采矿工艺和采矿系统等方面下功夫，不断提高采矿机械化程度并完善与之相适应的开拓系统，以达到高产高效目的。例如，从技术上由手工发展到全面机械化、自动化与智能化，从系统上由房柱开采发展到长壁开采，单个工作面的产量也由几十万吨提高到上千万吨。然而，采矿是从矿区地层内获取煤炭资源的过程，必然会对矿区地层产生与其采出量规模相当的扰动，从而影响该地区环境和获取资源的安全。
目前，我国煤炭年产量已近40亿t，历年累计为国家的能源贡献了800亿t左右的煤炭，显然严重影响资源地区的生态环境。若这些问题不加以解决，必然会在煤炭为社会贡献的同时受到社会的责难。为此，有必要总结和创建从地层中合理获取煤炭资源的科学体系，以解决获取中的负面效应。也就是说采矿中有科学问题。因此，可以将采矿定义为:从地层环境中科学地获取矿产资源造福于人类的科学和技术。
由于采矿是从地层内部获取资源，资源的采出必然破坏岩层的原始平衡状态而引起岩层运动。因此，采矿引起的岩层运动是采矿科学的基础。另外，煤炭开采是从沉积岩中获取煤炭资源，其岩层运动必然具有层状特点。沉积岩是在沉积过程中形成强度与厚度不同的层状岩体的叠加，因此，采矿虽然是对岩层的破坏，但各岩层的破坏是不一致且不同步的。显然，随着工作面推进软岩层将同步断裂，而硬岩层将产生间断式断裂而形成块体。硬岩层断裂块体的重新排列，必然将影响到整个岩层原始状态，从而影响岩层内部流体(瓦斯和水等)的渗流、地面沉降和采场空间的安全。
可见，采矿作为一门科学，必须研究采矿前后岩层的平衡状态，即硬岩层破断前后的力学行为。“破断后的力学行为”是采矿科学与其他学科(如散体)显著不同的地方。由于硬岩层的破断主导着岩层运动，因此煤炭开采的“岩层力学”(Strata mechanics)必然要研究硬岩层在开采空间状态下的破断规律，例如:破断前的应力集中和破断后的岩块运动规则(如回转和滑移等);岩块由于受到采矿空间的限制是否可能形成一定的结构，及其形态与稳定条件必然也是研究的重点。由此可见，煤炭开采形成的破碎岩层是宏观上的“破碎体”，更确切地说是坚硬岩层破断的“块体”主导着岩层运动。岩层运动的特点是:不连续突变的块体运动；块体运动受采矿空间限制，主要是转动和滑移；块体运动时互相咬合可能形成结构，其特点是“大变形”。当然，岩层破断和块体运动必然带来岩层内部“应力场”和“裂隙场”的变化。上述问题的研究将提高人们对采矿科学性的认知，必然带来技术上的进一步发展，促使煤炭行业健康发展，并为社会所接受。
煤层开采必然引起上覆岩层产生运动，由此发生了一系列力学现象，影响着生产安全和生态环境。因此，研究煤炭开采引起的岩层运动规律是发展开采技术的基础。本文将就采动岩层运动及其对安全和环境的影响规律进行相关的研究，以及原有的研究进展进行介绍。
煤炭上覆岩层为沉积岩，各层强度与厚度并不一致。经过大量实践[1-4]，可以发现在采动过程中坚硬岩层(关键层)的破断呈现间断性(步距一般在10～20 m之间、个别可能达50 m以上)，而软岩层基本上处于破散状态，事实上是硬岩层上的载荷。随着工作面推进采场上覆坚硬岩层的破断及破断块体运动决定了上覆岩层运动的规律。为了了解破断岩块的形态必须研究坚硬岩层在采空范围内的破断规律，长壁开采坚硬岩层(可视为“板”)呈长方形，因此形成竖“O-X”型破断规律[1-2]，此时工作面中部的结构状态就可以用图1的模式表达。先以工作面上方第1层坚硬岩层(基本顶)为例，图1中h为基本顶厚度。随着工作面推进基本顶断裂(按照弹性基础梁计算断裂线在煤壁以内[1-2,5])，B岩块开始回转，由于岩块在横向受到限制，这时B岩块与未断裂的A和已经断裂的C呈现如图1的铰接状态。随着工作面的推进，当岩块A断裂时将发生如原来B岩块的回转，而岩块B将如岩块C一样出现反向回转。由此其上覆岩层点的移动必然不是垂直移动，而是随着工作面推进先向后而后向前的“反S型”或者“S型”移动(与工作面推进方向有关)。这些都得到了内部岩层移动观测结果的验证。
图1 开采引起的岩块回转运动[1]
Fig.1 Rotation of mining-induced Voussoir Beam block[1]
h—基本顶厚度；∑h—直接顶厚度；M—煤厚；M1—顶煤厚度；k—碎胀系数；φ—安息角;α—垮落角;θ—回转角;Δ—浮煤厚度
图2为一次采动上覆岩层运动轨迹的实测结果[1-2,4]，测点J9,J10,J11,J12运动轨迹证明了岩层运动的块体特征，表现为随着岩块的回转和反向回转，测定点先向工作面后而后再向前运动。
图2 开采影响的岩层移动轨迹[2]
Fig.2 Trail of the mining-induced strata movement[2]
由于破断后的岩块互相的限制呈现咬合状态。因此有可能形成承载结构。由此可以设想将坚硬岩层随着工作面推进破断岩块视为构件，再考虑其受力和边界条件，从而建立了“砌体梁”结构力学模型[1-4]。按照此结构的动态运动规律，破断岩块随着工作面推进，其运动轨迹符合图2的规律。
显然，随着工作面的推进，坚硬岩层经过破断成为块状，随着回转和反向回转是否可能重新整齐排列，是研究开采引起岩层运动的重点。其中正在开始回转的岩块B可以称之为“砌体梁的关键块”，关键块在砌体梁结构的平衡中起着关键作用，其平衡条件必须符合“S-R”(滑落与回转)稳定条件[1-4]。关键块的“S-R”稳定除了与载荷条件有关外，以下几种情况需要特别注意:
(1)关键块B的后铰接点(B与C铰接点)必须高出前铰接点(A与B铰接点)，“砌体梁”才能形成支点向煤壁的半拱式平衡，相反则此时必须限制采高或者用充填的方法解决。
(2)当关键层断裂面倾向采空区而且与层面夹角小于岩层内摩擦角(50°左右)时，岩块间难以产生摩擦力来平衡岩块重力，将无法形成稳定的铰接结构。这种情况在工作面存在平行断层时最易发生，此时如果工作面推进方向与断层倾向一致且断层与层面夹角小于50°左右，顶板就会沿断层面滑落失稳。
(3)采高和直接顶厚度对砌体梁结构平衡起关键作用，当采高与直接顶厚度之比越大时，“砌体梁”结构回转失稳或铰接点断开垮落的趋向越明显，就越不易形成这种半拱式平衡。
可以推断基本顶以上的坚硬岩层(关键层)也将随着工作面推进产生类似的破裂过程。由此假设上覆有两层坚硬岩层(其中之一为基本顶)，则随着工作面推进坚硬岩层破断为岩块，则上覆岩层运动最终形成图3所示的坚硬岩层主导的采动覆岩运动概貌。
图3 采动坚硬岩层主导的覆岩运动概貌
Fig.3 Sketch of strata movement controlled by hard strata
由此推论采场上覆前后岩层状态按照横向可以划分为如图4所示的3个区。图4中A区是采动支承压力影响区;B区是岩层剧烈运动区(裂隙发育区)，是矿压、裂隙与沉陷的剧烈变化区域。显然，B区对工作面维护、地下水渗流和地表沉陷影响有重要影响，因此是岩层运动研究的重点区域;C区为重新压实区，岩层运动重新趋于平稳，岩层裂隙又重新闭合。
图4 上覆岩层运动分区[2]
Fig.4 Conceptual model of overburden strata movement[2]
Ⅰ—垮落带;Ⅱ—裂缝带;Ⅲ—弯曲下沉带
由于岩层运动不是散体运动，而是坚硬岩层破断后的块体运动，因此地表受开采影响的移动点必然是随着工作面推进(跳跃式)向前移动。其内部岩层移动边界线，它并非地表沉陷边界与煤层开采边界两点相连的一条直线，而是与关键层厚度、位置及破断特征等相关。正如图4所示岩层运动破裂滑移线是先向采空区内收敛至最上面有一定厚度的坚硬岩层(主关键层)，其上覆软岩层(或者冲积层)运动破断滑移线呈向采空区外扩散一直到地表。因此，岩层运动破裂滑移边界可能是先收敛后扩散的“类双曲线”[6]。岩层运动过程中的岩体碎胀与再压实特性(残余碎胀)将会影响采动覆岩的破裂运动过程和地表最大下沉系数。通常情况下，垮落带岩层的残余碎胀系数较上覆岩层的残余碎胀系数要大。而我国煤矿开采地表最大下沉系数变化较大(0.27～1.00)，造成这种差异的原因可能与直接顶厚度和不同地质开采条件下坚硬岩层破断后的平衡状态以及是否充分采动有很大关系。当然这些还有待于进一步研究的证明。
当坚硬岩层经过破断，岩块结构都能取得平衡，则随着工作面推进各岩层最后下降一定高度仍然能够按照顺序整齐排列。若岩块不能取得平衡，则坚硬岩层有可能打破原来的排列，从而产生工作面矿压、岩体内部“裂隙场”和地表沉陷等一系列特殊变化。如，在开采煤层群时，为了保证开采本煤层时对其它煤层不产生影响，一般采用下行开采顺序。但若采动岩体能够保持坚硬岩层砌体梁结构稳定，则采动岩体最终将仍然按照原来顺序整齐排列。此时根据需要也可以采用上行开采模式。大屯孔庄煤矿基于对覆岩破断运动的监测就成功地实现了上行开采[7]。
综上所述，岩层运动是上覆坚硬岩层(关键层)随着工作面推进形成破断“岩块”运动的综合反映，是以“块体”运动主导的力学现象。块体运动的特点:① 未断裂前将形成应力集中，一旦断裂将引起应力场的剧烈变化;② 块体运动是非连续的突变运动;③ 由于块体受采矿空间影响互相限制，因此运动过程可能形成“砌体梁”结构，其特点是“大变形”。显然，不同地质开采条件下，煤层开采厚度与直接顶厚度是变化的，而且覆岩中关键层(坚硬岩层)的层数、厚度与位置也是不同的，从而造成不同地质开采条件下岩层运动规律及其工程效应的差异。因此，岩层运动研究中要充分重视具体地质开采条件采高、直接顶及其覆岩关键层特点。
在表现形式上，首先是基本顶的来压和防治冒顶的支护原理问题。显然工作面空间的维护必须符合基本顶形成的“砌体梁”结构力学模型的形态，由此导致工作面支护顶板的下沉量既不是弹性变形也不是塑性变形而是“大变形”。为此支架必须有符合此大变形的可缩量。目前液压支架主要由让压元件如安全阀来完成此功能。对于大变形引起的顶板快速下沉来说，安全阀的流量和动态性能则尤为重要。同时支架的工作阻力必须保证直接顶的完整和“砌体梁”结构关键块的稳定。
为了确定支架需要的工作阻力就必须研究“砌体梁”结构的“S-R”稳定条件。显然支架阻力除了保证直接顶的稳定外，还必须防止“关键块”滑落和回转失稳。由于地质开采条件的复杂多变，因此工作面控制的上覆岩层状态属于 “黑箱”。“砌体梁”结构力学模型的建立只是明确了支护原理，“砌体梁”结构的载荷对支架工作阻力的影响程度仍然难以定量。因此“砌体梁”结构力学模型的建立，仅仅使岩层控制由一片模糊的“黑箱”变成原理上清楚的“灰箱”，仍然不能达到在具体情况下准确确定各项参数的“白箱”要求，只能定性判断而难以定量确定。从另一方面看，支架工作阻力必须适应工作面覆岩条件一定范围的变化，因此也没有必要一对一精确设计。为此，支架工作阻力的确定是一个“宏观控制”问题，主要根据可能出现的矿山压力情况和实践效果进行估算。支架工作阻力估算的具体方法很多[2,8]，基本思路是考虑必须满足直接顶重量与基本顶作用于支架载荷之和，其中后者可以通过对基本顶破断移动规律的不同理论和假说进行估算或设定系数，也可以通过工程实践统计分析来确定。再加上考虑支架在井下的服务时间较长和工作面推进遇到地质条件的差异，显然要求支架工作阻力有相当的富裕量，因此，支架趋向强力化是必然的要求。
我国自从1973年引入液压支架至今已经40多年，关于支架工作阻力的确定已经有丰富的经验。上覆岩层“砌体梁”结构的平衡与采高和直接顶的厚度有直接关系，在一般条件下支架工作阻力可以按照顶梁上每平方米4～8倍采高岩柱自重确定，它一直是国内外普遍采用的一种简便估算方法，实践证明可以满足多数煤矿安全生产的实际需要，并取得了成功的经验。国内已经设计的支架工作阻力，最高为8倍采高岩柱自重(放顶煤除外)。显然，遇到下述情况时，支架工作阻力的确定将更为复杂。
(1)大采高或薄直接顶(如直接顶厚度≤采高)。这时很容易造成基本顶断裂岩块的回转失稳，从而使平衡的砌体梁结构上移。此时支架的工作阻力必须大幅度提高。如，神东矿区特大采高支架(>7.0 m)综采工作面的开采实践表明[9-10]，因一次采全高综采工作面的采高显著增大，基本顶(第1层关键层)将无法形成“砌体梁”结构而进入垮落带，其载荷将全部由支架承担。此时基本顶呈现“悬臂梁”结构发生周期性破断，其上方第2层关键层破断块体形成“砌体梁”结构，造成工作面周期来压步距与强度呈现一大一小的周期性变化特征。
(2)浅埋煤层开采。当在浅部开采时，尤其是薄基本顶条件下，若上覆载荷远大于“砌体梁”结构块体间的摩擦力，则很容易产生滑落失稳，导致工作面发生压架事故[11-13]。因此就需要比一般情况下更大的支架工作阻力，此时将根据基本顶的厚度与上覆软岩层的载荷情况进行确定，显然基本顶越薄而上覆软岩层载荷越大则工作阻力就越高。
(3)特殊开采条件下压架。实践中发现在一些特殊开采条件下支架阻力确定也较为困难，易发生大面积压架，如:煤层群开采时下部煤层工作面采出上覆煤柱边界时、浅埋煤层过沟谷地形上坡段时、邻近松散承压含水层开采时等特殊开采条件[11,14-18]。提高支架工作阻力是降低此类压架冒顶的有效措施，但有时单纯提高支架阻力仍无法彻底解决，还需从减少或转移上覆载荷的角度配套实施相关措施加以防范。
上述情况到目前为止设计的支架工作阻力最大取值为8倍采高岩柱自重。
对于放顶煤开采的支架工作阻力:放顶煤开采由于采厚大，对上覆岩层的扰动也大。放顶煤开采支架的直接支护对象是即将放落的顶煤。而支架是处于“直接顶-支架-底板”支护系统中的，支护系统各部分的刚度特性对支架阻力有直接影响。 因此，“顶煤的刚度”对支架阻力有着直接的影响。放顶煤使直接顶尤其是顶煤得到松动，成为“变形体”，其刚度明显降低，导致顶煤难以传递上覆岩层对于支架上的作用力。此时基本顶的部分作用力可以转移为由煤壁支撑，转移力的大小随顶煤和直接顶刚度大小而变化。显然，刚度大则支架受力就大。因此在使用放顶煤时出现2种情况:其一，当顶煤松散时支架工作阻力可能小于正常情况(有时仅为同样采高的70%～80%)，此时支架前柱受力大于后柱。实践中多数放顶煤开采属于这种情况。其二，当顶煤刚度大时，顶煤就成为传递压力的介质，此时其支架工作阻力将比一般工作面要大的多，此时支架后柱受力大于前柱。如，大同塔山煤矿3-5煤层是坚硬煤层，顶煤刚度大，早期按照上述第1种情况设计的支架工作阻力为10 000 kN，工作面经常发生压架等强烈矿压显现，将支架工作阻力提高至15 000 kN后，压架问题得到明显改善。显然，此时工作阻力就不能以“采高”的(4～8)倍岩柱自重进行确定。
综上所述，“砌体梁”结构模型及其“S-R”稳定条件为支架选型设计提供了基本遵循，在确定支架工作阻力时必须根据具体情况进行估算，即:① 正常状态;② 大采高或薄直接顶;③ 浅部开采;④ 特殊开采条件下压架;⑤ 放顶煤开采。当前，端面冒顶与压架事故仍是影响工作面安全高效开采的重要因素之一，如何更有效地预测和防治仍有待深入研究。
资源的“获取—使用—回归”是人与自然相处的三大学问。人类通过从自然界获取资源得以生存，使用后以同等数量回归自然。在这一过程中，善待地球、善待环境就是善待人类自己，为此，人类不能只研究“使用”而不注意“获取”与“回归”，同样在获取中不能只要求取得而不注意获取时对环境的影响。矿业是人类从大自然获取资源的重要手段之一，是人类不可或缺的行业。因此，研究矿业必须研究其与环境的关系。煤炭开采前矿区地层和环境处于平衡状态，随着煤炭的采出，岩层的平衡状态被改变，即岩层运动改变了岩层内部原来的状态，由此引起严重的环境问题，尤其是岩层运动引起的地下水破坏与地表沉陷问题。因此，需要研究岩层运动对环境的影响规律，为实现科学采矿提供理论基础[19-21]。
岩层运动引起的横向裂隙(离层)和纵向裂隙(破断裂隙)是地下水、瓦斯和充填浆体的流动通道，其演化规律与地下水流失、卸压瓦斯运移和注浆充填减沉等一系列问题紧密相关，因此，研究掌握岩层采动裂隙动态分布规律是十分必要的[22]。由图4可知，B区是岩层运动剧烈影响区，也是裂隙发育区。而C区是岩层重新压实区，岩层若按照原来顺序排列，裂隙将重新闭合，则裂隙度将有可能基本上恢复到原来状态。显然，岩层运动对岩层内部裂隙的影响重点发生在B区域。
3.1.1 岩层内部横向裂隙分布规律
开采导致上覆多层关键层破断的块体咬合形成“砌体梁”结构，其下沉曲线拟合方程可用下面的关系式[23]表示:
w(x)=w0{1-1/[1+e(x-0.5l)/a]}
(1)
式中,w0为岩层移动稳定后的最大下沉量，m;x为距煤层开采边界的距离，m;l为关键层断块长度，m;a为与关键层断块长度及煤体刚度有关的系数。
式(1)中引入的关键层破断岩块的长度将影响岩层移动曲线的平缓程度，而各关键层破断后的块度和形状的差别将导致层与层间产生离层形成横向裂隙，从而导致地下水和气产生渗流变化。例如，一定条件下相邻两层破断块体长度分别为10 m和30 m，由式(1)可以绘出图5所示的2层关键层下沉曲线与离层量分布曲线。由图5可见，2层关键层因各自破断块体长度的差异导致了移动曲线平缓程度的不同，并导致层间出现离层裂隙，离层裂隙仅在开采边界一定宽度范围内出现，从而在采空区四周形成“O”形裂隙圈[24]。煤层采高越大，“O”形圈宽度相对越大[25]。
图5 关键层破断块体长度对下沉曲线与离层的影响
Fig.5 Influence of block length of key strata on subsidence and bedding separation
3.1.2 岩层内部纵向裂隙
显然，图4中B区是纵向裂隙发育区。由于关键层破断后关键块的转动，引起断裂面张开，从而会产生纵向渗流加大。但由于岩块的互相限制，当关键块反向回转时，断裂面又闭合，此时对渗流的影响就会减小。但当回转岩块发生“S-R”(滑落和回转)失稳，则将形成贯通的纵向通道，对地下水的流失将产生严重影响[22,26]。此时为了避免因关键层破断块体结构失稳导致的纵向裂隙，必须采用限制采高或者充填技术以帮助关键层的关键块回转时保持平衡。上下贯通的岩层破断裂隙是采动覆岩导水与导气裂隙，覆岩关键层的破断运动对覆岩纵向裂隙动态发育过程起控制作用[22]，随工作面采宽增大，覆岩纵向裂隙发育高度并非线性增大，而是随关键层破断运动存在缓滞和突变现象。在实践中，为了控制纵向裂隙发育到某层亚关键层以上高度，只要控制该亚关键层不发生破断即可，这是采用限制面宽(条带开采)控制纵向裂隙发育高度的机理所在。
贯通的纵向裂隙发育高度还受到断层活化、关键层破断块体结构稳定性等因素的影响[22]。断层活化易导致贯通的纵向裂隙发育高度增大，工作面推进方向由断层下盘到上盘比由断层上盘到下盘时的贯通的纵向裂隙发育高度更高。
如前所述，岩层运动产生的横向或纵向裂隙为地下水提供了运移通道，也成为地下水流失、地下水位下降、地表生态退化等问题发生的地质根源。当岩层运动导致其结构发生“S-R”失稳或活化断层等地质构造时，其引起的大范围纵向延展贯通裂隙将导致井下涌水量的突增，极易诱发透水、溃砂、甚至淹井等事故[21-22,27]。所以，长期以来，我国许多煤矿在水体下采煤时通常首先考虑的是如何进行水害的防治。而事实上，因岩层运动导致的地下水运移或流失问题不仅仅体现在透水等安全事故上，还表现在它对地下水的疏干及其恶化地表生态环境等方面(尤其是在西北部浅埋的缺水矿区)。
以我国西部最重要的煤炭基地之一陕西榆神府矿区为例。该矿区自1987年开始开发，1996年建成投产第1批现代化矿井;近年来煤炭产量快速递增，2018年生产原煤4.56亿t(含神华在陕)，但20多年来的高强度开采，导致地下水资源的渗漏、地表河川径流的减少，以及井、泉的干涸现象普遍发生。据有关资料[28]，该区地下水位下降幅度大于15 m的面积达306 km2，下降幅度8～15 m的面积达352 km2，下降幅度5～8 m的面积达215 km2。而对于泉水的调查发现，煤炭开发前，有记录的泉眼2 580个，总流量达到4 997.06 L/s，2015年仅剩376个还有水流，总流量下降到996.39 L/s，其他泉水都干涸了，并由此导致了窟野河流量的大幅度衰减，2000年窟野河断流75 d，2001年106 d，2002年220 d，之后基本处于断流状态，严重影响了区域生态环境。如图6所示的考考乌素沟在采煤前后的泉流变化示意图[29-30]，在地下煤炭开采前，大气降水或浅层地下水通过萨拉乌苏组含水层径流并流入沟内，进行泉流补给和沿沟生态维持;而后由于一些地区的煤炭开采，导致浅层地下水直接下渗至矿井采空区，阻断了考考乌素沟的水补给，使得沟内流水减少甚至干枯、沿沟生态变化。由于上述地区多处于沙漠与黄土高原的接壤地区，地表植被对地下水具有较强的依赖性;地下水位下降后，部分植被就无法正常发育生长，可能导致植被退化、土地荒漠化。
图6 煤炭开采阻断地下水对沟谷泉流的补给
Fig.6 Interruption of groundwater supply to gully springs associated with coal mining
我国煤炭大省之一的山西也存在上述类似的现象。山西煤炭产量长时期占全国1/4，大面积煤炭开发对生态环境影响严重。以山西晋祠地下水为例[31]:晋祠泉域基本覆盖整个西山煤田，据不完全统计，在泉域内分布煤矿共有392座，开采能力3 822.75万t/a，总排水量达2 068.17万m3/a。随着煤炭及地下水的不断开采，泉水流量逐渐减少至1994年5月断流，如图7所示。
图7 煤炭开采对晋祠地下水的影响
Fig.7 Influence of coal mining on groundwater in the Jinci Temple
由此可见，煤炭开采将引起地下水位的下降，甚至地下水的大量流失，对地区生态将产生严重影响(尤其是一些缺水地区)，由此为了环境保护必须采取保水采煤等绿色开采技术[19-21]。近年来，由于大型国企重视矿区生态环境修复和重建，充分利用了矿井水资源[32-35]，使地表生态环境得到了较好的恢复。然而，受大面积、高强度、多煤层等开采因素的影响，区域生态受破坏程度及其恢复难度显著增大，在有些场合煤炭的盈利甚至无法弥补环境损失，使得政府和企业面临重大资金困难。
前面叙述了陕西和山西开采对地下水系统的严重影响，应该认识到开采不仅对上覆岩层裂隙状态有影响，同时由于应力状态的改变必然影响底板岩层的裂隙状态，有相当部分可能还与地质构造有关，即开采引起的岩层运动促使构造活化从而与岩溶水沟通导致不能恢复。
根据推理采场上覆岩层由完整到破碎再到重新压实，裂隙将有较大程度闭合。因此地下水位经过下降一段时期还能有一定程度恢复。例如，神东矿区补连塔煤矿1-2煤四盘区开采时[21]，覆岩导水裂隙直接发育至基岩顶界面，导致地表水文观测钻孔内水全部漏失;而随着工作面开采的继续推进，进入重新压实区C，导水裂隙随岩层破断回转而逐渐闭合，加上松散层中的沙和岩层中黏土矿物的弥合作用，裂隙的导水能力显著下降，引起钻孔内水位又出现逐步恢复的现象(图8)。在南方一些矿区也正是充分考虑到泥质类物质对裂隙的弥合降渗作用和在岩层中存在泥质页岩，才得以实施河下或海下的采煤实践，如淮河下、微山湖下和龙口海下等，当然在这种情况下也必须控制采高以保证安全。
图8 补连塔煤矿1-2煤四盘区采动对水文观测孔水位变化影响[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]
可见，研究掌握采动裂隙水渗流的长期演变特征及其对地下水恢复的作用规律，对于高效实施区域生态环境保护与修复具有重要意义，有关开采引起的裂隙渗流规律及对地下水的影响还需要根据地质和开采条件进行深入研究。
值得指出，与岩层运动对地下水产生影响相类似，岩层运动也会影响邻近层卸压瓦斯的动态涌出过程，“O”形裂隙圈是卸压瓦斯抽采钻孔布置的最佳区域，因此，开展岩层运动对邻近层卸压瓦斯运移影响规律的研究将有利于改善卸压瓦斯抽采效果[36-40]。
地表沉陷是煤炭开采导致的另一个严重环境问题，其状态是采取复垦的依据。显然，地表沉陷是岩层运动发展到地表的结果，岩层运动对地表沉陷的影响一般可用图3表示，其中呈现块状铰接的坚硬岩层(关键层)的运动是影响地表沉陷的根源。
由于岩层运动对地表沉陷影响的复杂性(它更像是一个“黑箱”)，因此过去是采用采动时期地面测量和数学统计的方法来描述开采对地表沉陷的影响，并构建了不同的影响函数，但本质属于一种数学方法。如，我国使用最为广泛的影响函数法是基于随机介质理论发展的概率积分法，它将采动岩层视为松散介质，认为开采引起的下沉盆地的剖面函数符合概率密度函数的积分表达式。然而，该方法对覆岩沉积岩层特性的考虑过于简化，特别是忽略了岩层运动对地表沉陷的影响，难以很好地描述岩层内部移动。
开采沉陷本质上是一个力学问题，关键层理论可以对开采沉陷形态有一个更接近实际的解释。研究表明[23,41-42]，覆岩中主关键层对地表沉陷的动态过程起控制作用，主关键层的破断将导致其上覆所有岩层的同步破断与地表的快速下沉，引起下沉速度和下沉影响边界的明显增大和周期性变化。
事实上，开采引起的地表沉陷都是覆岩主关键层破断块体互相咬合的结构曲线和表土层散体(或者黄土)运动相互作用的结果。虽然关键层控制着地表沉陷的动态过程，但松散层起着消化关键层非均匀下沉的作用，松散层越薄，地表下沉的非均匀、非正态特征越显著，当关键层破断块度较小或松散层厚度足够大时，关键层对地表下沉的影响相对较小[23]。
根据覆岩关键层破断块体结构的稳定性以及我国不同地区表土层条件差异，水平及倾斜煤层开采引起的地表沉陷可以分为以下3种类型:
(1)平缓式下沉。其条件是存在厚度较大的松散冲积层或者软岩层。地表沉陷曲线基本上是主关键层的块体咬合形成的不连续折线经过上覆软岩层运动的均化而形成，一般存在连续、平缓的盆地(图9)。根据地下潜水位和地表下沉量的相对关系可分为2种情况:潜水位高于和低地表下沉量。前者会在地表形成不同范围的积水，一般发生在我国东部和南部矿区。后者不会在地表形成积水，一般发生在我国西部和北部矿区。
图9 平缓式下沉时高潜水位和低潜水位地表沉陷照片
Fig.9 Photographs of surface subsidence trough for areas with high and low groundwater level
(2)开裂式下沉。其条件是表土层为很厚的黄土层，一般发生在西部黄土高原地带。当主关键层破断岩块B产生回转时造成裂隙张开，黄土层由于其自身黏结性低，就会随岩层裂隙的张开而发生竖向开裂并一直到达地表(图10)。当然当岩块B反回转时，裂缝就会有一定程度闭合。
图10 开裂式下沉
Fig.10 Photographs of surface subsidence with cracks
(3)台阶式下沉。其条件是采高很大(如采用大采高或者放顶煤开采)且埋深小。当主关键层破断块体无法满足平衡条件而产生滑落失稳时，必然导致地表呈现台阶式的沉陷(图11)。如果主关键层破断失稳块体进入垮落带，则地表将出现塌陷坑[43]。 显然这种地表沉陷形式对地面生态的破坏是最严重的，因此，这种条件下所需采用的开采技术必须经过对地面生态影响的科学评估而后决定。
图11 台阶式下沉
Fig.11 Photographs of surface sinkhole
显然，一般意义上的开采沉陷控制事实上是在平缓式下沉情况下如何防范地表弯曲下沉的过程。在这种情况下采用原来的概率积分法沉陷预计基本是可行的，但对于开裂式下沉和台阶式下沉是没有意义的。因此，形成基于关键层破断结构并考虑不同表土层(冲积层、黄土层等)赋存特征的地表下沉预计方法是仍需深入研究的科学问题[44-46]。随着科学研究的发展，将促进矿山压力和岩层移动(开采沉陷)这两个原本被孤立开来的学科实现统一。
由于对地表影响最大的是上覆岩层中的主关键层，它的平衡状态将直接影响到地表。通过控制主关键层的破断运动，可以防止和减少采动对地表环境的不良影响。如，通过部分充填形成覆岩主关键层结构-充填条带-隔离煤柱联合承载体系控制地表沉陷，从而减少充填材料用量、降低充填成本、提高充填采煤效率[47-52]。其次，应针对不同地表沉陷模式采用针对性的复垦技术。
采动改变了原来地层内部的应力平衡，引起覆岩载荷发生转移而在采场围岩出现应力重新分布。根据坚硬岩层破断后的块体运动特点，开采空间的不断移动导致应力场也在不断地变化。一部分采空区域应力得到释放形成应力降低区，而一部分区域(煤柱等)形成应力集中区。应力集中会产生以下问题:
(1)发生在巷道地区将使巷道处于“大变形”状态和应力不对称，导致锚杆承受剪切力，巷道难以维护。
(2)由于开采是一个动态过程，当开采引起坚硬岩层断裂瞬间，导致一部分应力释放而在另一部分地区应力瞬间集中。由此可能导致煤柱或者岩体产生瞬间的动力现象(如冲击地压、煤与瓦斯突出)。
为此在开采期间一定要注意上覆坚硬岩层的悬露状态，它瞬间的破断将发生应力场的突变，并在一定区域产生动力现象。另外在多煤层开采时必须对开采状况要有有空间概念，即明确哪些地方可能形成应力集中区，以便制定防范措施。
研究表明[3]，在关键层初次破断前，随着采出宽度增大，采场四周的支承压力峰值逐渐增大，当关键层初次破断时，支承压力峰值达最大值;关键层初次破断后，随着采出宽度继续增大，支承压力峰值有所降低并最终稳定。
此外，受覆岩关键层对采动岩层破断运动控制作用的影响，关键层的赋存状态不同时(如层位、厚度等)，煤层开采引起的采场四周支承压力分布也有所不同。研究表明[53]:关键层厚度越大，引起的采动应力集中程度越大;但随着关键层与煤层间距的增大，关键层对应力集中程度的影响变小，一定厚度的关键层与煤层间距达到某个临界高度时，不再对应力集中程度产生影响。
特殊情况下，当覆岩中存在特别厚硬关键层时(如淮北海孜煤矿140 m厚的巨厚火成岩)，采场支承压力分布受其影响将更为显著。研究表明[54-55]，覆岩存在巨厚火成岩时，采场四周支承压力影响范围将大大增加，支承压力峰值大小也有所增加。这主要是由于火成岩大跨度悬露不破断，造成其上覆大部分载荷向采场四周传递，导致煤岩体应力集中程度明显加大，从而可能诱发矿井动力灾害。该条件下可通过对该火成岩下部的离层空间进行注浆充填，使火成岩自重及其部分载荷向采空区垮裂矸石转移，减轻采场四周煤岩负载，减小采场四周支承压力集中程度。可见，关键层的赋存与破断特性对采场支承压力分布影响显著，但目前采场支承压力分布预计方法还难以考虑覆岩关键层对支承压力分布的影响，因而考虑不同覆岩关键层赋存条件对采动应力场的影响规律及其预计方法需要深入研究。
目前，因应力集中引发的动力灾害发生地点是难以预测的，加上缺乏有效监测手段，因此由应力集中引发的安全事故比由瓦斯引发的安全事故更难以预防。为此，深部开采和构造应力集中区域只能作为试验矿井，而不能作为正常生产矿井进行生产。
(1)采矿不仅仅是一门技术，还必须研究其科学问题。岩层运动及其对安全与环境的影响规律是煤炭开采的基础科学问题，对这些规律的认识将提高煤炭开采的科学性。由于岩层运动的复杂性和学科的特殊性，至今仍然有很多问题没有解决。只要人类从岩层中获取资源，采矿就是一个不可或缺的行业，采动岩层运动就必须持续研究以实现有效的岩层控制，使行业健康发展从而造福人类。
(2)与其他学科一般不研究破坏后力学行为这一特点明显不同的是，煤炭开采岩层运动是一种坚硬岩层破断前的应力集中和破断后形成“块体”的力学行为。坚硬岩层的破断和块体运动具有突变和不连续性，破断块体互相咬合可能形成“大变形”结构，块体咬合结构的S-R稳定性将对矿压显现、采动裂隙和地表沉陷等产生重要影响，需要采矿科技工作者下大力气研究并将其形成专门的学科！
(3)应该认识岩层运动是一个“黑箱”，目前仅仅在控制原理上得到解释，达到“灰箱”程度。因此，岩层控制在很多场合只能是“宏观”控制。① “砌体梁”结构力学模型的建立明确了支护原理和支架工作阻力估算原则。一般情况下，按照(4～8)倍采高岩柱重量估算支架工作阻力可以满足工程需要，在大采高或薄直接顶、浅部开采、特殊开采条件压架等情况下支架工作阻力估算必须采用高限，个别条件下单纯提高支架阻力仍无法彻底解决压架问题，还需配套实施相关工程措施加以防范。而放顶煤开采支架工作阻力估算必须考虑顶煤刚度的影响。② 岩层运动引起的岩层裂隙场变化将导致地下水系统的变化，其对环境损害程度不能低估。目前，采动裂隙水渗流的长期演变特征及其对区域地下水影响规律还不是十分清楚，仍需结合地质和开采条件进行深入研究，这对于区域生态环境保护与修复具有重要意义。
(4)根据覆岩关键层破断块体结构的稳定性以及我国不同地区表土层条件差异，将岩层运动对地表沉陷的影响划分为三种类型。对开采沉陷控制而言，应根据地表沉陷的不同类型进行预测、控制与选择复垦方法。同时，需要研究建立基于关键层破断结构并考虑不同表土层(冲积层、黄土层等)赋存特征的地表沉陷预计方法，最终统一矿山压力和岩层移动(开采沉陷)这两个一直相互独立的学科。
(5)关键层的赋存与破断特性对采动应力分布影响显著，需要深入研究不同覆岩关键层赋存条件对采动应力场的影响规律并提出预计方法。目前，由于应力引起的事故比瓦斯事故更难以预防，为此，深部开采和构造应力集中区域只能作为试验矿井，而不能作为正常生产矿井进行生产。
致谢 本文撰写过程中得到了煤炭科学研究总院赵衡山教授级高级工程师和陕西省地质环境监测总站范立民教授级高级工程师的帮助，在此表示感谢。
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