采动覆岩高位离层演化特征及涌（突）水前兆信息研究

乔 伟，赵世隆，李连刚，甘圣丰，江传文，刘梦楠，张 磊，段玉路

（1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.矿山水害防治技术基础研究国家级专业中心实验室，江苏 徐州 221116；3.陕西金源招贤矿业有限公司，陕西 宝鸡 721599；4.安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

我国侏罗系煤田主要集中在陕北、神东、黄陇、蒙东等国家大型煤炭开发基地，2020 年预计产量达到18.1 亿t，占全国的近50%［1-2］。 近年来，我国西北地区侏罗系厚及特厚煤层的开采引发的水害呈现一些新特点，主要表现为工作面强烈的矿压显现伴随高位白垩系含水层大流量涌水突水，突水具有瞬时量大、衰减较快，且具有周期性特征等。 如黄陇煤田彬长矿区大佛寺煤矿40110 工作面发生涌水量200 m3/h 以上的洛河组含水层涌（突）水10 次；永陇矿区崔木煤矿21301 工作面回采期间发生12 次压架突水事故，压架伴随涌水，洛河组底部离层水最大涌水量1 100 m3/h，导致90 台支架压架。 周期性突水水源主要来自白垩系巨厚含水层与其下伏的侏罗系软弱泥质岩层易形成高位离层积水。

在覆岩高位离层发育和离层水害方面，国内外学者开展了相关理论和实践研究。 谢宪德［3］从水量、水质、突水机理和离层裂隙分布规律等方面分析了南桐煤矿离层裂隙水突水特征。 乔伟等［4］分析了海孜矿离层突水条件和发生机理，提出“动力突水”的概念，对突水通道的形成进行了力学定量分析。 朱卫兵等［5］通过工程探测和理论分析，认为巨厚火成岩下封闭的离层区积水的荷载传递作用导致下部亚关键层发生复合破断，使得顶板导水裂缝带异常发育，沟通了离层区积水。 针对济宁二号井的离层水问题，乔伟等［6］提出离层水“静水压涌（突）水”的离层水涌（突）水类型，这类离层突水的关键是确定采场顶板离层水的静水压力及其可突破的相对隔水层厚度。 张鑫等［7］通过三维地震对离层发育层位及分布范围进行探测，依据薄板弹性理论，通过计算离层上下位岩层板的挠度差来预计离层体积。 舒宗运［8］等利用尖点突变模型解释离层关键层破断的能量跃迁方式，提出“压裂”和“劈裂”2 种离层突水模式。 国外学者开展了覆岩破坏模型、覆岩破坏高度实测和采动覆岩垂直方向渗透性等内容的研究［9-13］。 PALCHIK［14］在覆岩地层中定位离层，揭示了煤层厚度、离层发育位置、覆岩厚度等因素对水平裂缝的影响，并研究了离层空间上、下岩层的力学性能差异。 彭涛等［15］针对黄陇煤田照金煤矿突水溃砂事故，从导水通道、充水水源、物源、储水空间、动力源和地质构造等多方面对该类型灾害机制进行综合分析。 石磊［16］通过离散元颗粒流PFC3D软件模拟弱胶结覆岩条件下不同采厚情况下发生溃水溃沙的可能性。

1）崔木煤矿为招贤煤矿的邻近矿区，二者都属于永陇矿区，煤层开采条件相似，在离层水研究方面可以相互借鉴。 林青等［17］采用数值计算对崔木煤矿煤层顶板涌（突）水与水位联动机制、离层发育位置和覆岩导水裂缝带发育高度进行了研究。 乔伟等［18］分析了崔木煤矿巨厚煤层离层水的形成条件，设计地面直通式导流孔对离层积水进行有效疏放，并研究了采高和离层水突水的关系以及工作面推进速度与离层空间积水量的关联性。 娄金福等［19］围绕崔木煤矿松软富水地层覆岩破断与顶板来压特征、离层水致灾机理及灾害预警防控开展了现场跟班实测与理论研究。 雷利剑等［20］利用Theis 公式建立崔木煤矿了洛河组水位动态恢复模型，对突水造成的水位下降和恢复时间进行预计。 程香港等［21］以招贤煤矿为例提出了修正后的三维采动裂隙应力-渗流网络计算模型，分析了覆岩采动渗透率的动态变化规律。 甘圣丰等［22］对招贤煤矿1307 工作面顶板的涌水量进行了预测，计算出静储量，给出了离层积水均匀下泄时的涌水量计算方法和公式，通过比拟法确定了灾变涌水量。

2）招贤煤矿1307 工作面回采期间工作面未出水，但宜君组含水层水位出现4 次异常降深的情况，而1304 工作面接连出现“3·29”“5·6”和“7·1”三次离层涌（突）水。 笔者采用理论分析、数值模拟、物理模拟、开采期间水位及微震监测数据，研究招贤煤矿首采区白垩系巨厚层含水层与侏罗系软弱泥质岩层形成的高位离层发育规律，分析离层涌（突）水前兆信息，为防治侏罗-白垩系采动覆岩离层涌水提供依据。

1 首采区工作面概况

招贤煤矿位于陕西省宝鸡市麟游县西北部，1307 工作面及首采面位于招贤煤矿首采区东南翼，属陇东黄土高原南部边缘地带。 1307 工作面开采煤层为侏罗系中统延安组3 煤，该煤层倾角3°～17°，平均倾角9°，煤厚为4.00 ～15.00 m，平均厚度10.33 m。 工作面起止标高+760—+879 m，工作面走向长1 108 m，开切眼倾向宽155 m； 1304 工作面位于招贤煤矿首采区西北部，为1307 工作面的接替面，煤层倾角5°～22°，平均倾角14°，3 煤厚为7 ～16 m，平均厚度11 m。 工作面起止标高+746—+965 m，工作面走向长1 680 m，倾斜宽186 m。 招贤煤矿首采区地质平面如图1 所示。

图1 招贤煤矿首采区地质平面图Fig.1 Geological profile of initial mining area in Zhaoxian Coal Mine

招贤煤矿地层由老至新依次有：三叠系中统铜川组（T2t），侏罗系下统富县组（J1f）、中统延安组（J2y）、直罗组（J2z）、安定组（J2a），白垩系下统宜君组（K1y）、洛河组（K1l），新近系（N）及第四系中-上更新统（Q2+3）、全新统（Q4）。

由图1 可知，招贤煤矿首采区3 煤顶板以上覆含（隔）水层由下往上分别为侏罗系延安组砂岩裂隙含水层（J2y）、侏罗系直罗组砂岩裂隙含水层（J2z）、侏罗系安定组泥岩隔水层（J2a）、白垩系宜君组砾岩裂隙含水层（K1y）、白垩系洛河组砂岩孔隙裂隙含水层（K1l）。 侏罗系中统延安组煤层及顶板砂岩裂隙含水层（J2y）单位涌水量0.000 34～0.003 76 L/（s·m），渗透系数0.000 576～0.021 96 m/d，富水性弱。 侏罗系中统直罗-安定组砂岩裂隙含水层（J2z）单位涌水量0.000 18～0.009 5 L/（s·m），渗透系数0.000 481 ～0.062 58 m/d，富水性弱。 白垩系下统宜君组砾岩裂隙含水层（K1y）单位涌水量0.006 1 ～0.037 96 L/（s·m），渗透系数0.002 951～0.05 m/d，富水性弱。 白垩系洛河组砂岩孔隙裂隙含水层（K1l）单位涌水量0.000 31～0.003 87 L/（s·m），渗透系数0.001 812～0.006 500 m/d，富水性弱。 其中安定组中泥岩含量较高，可以划分为3 个岩组：泥岩-粉砂岩互层、泥岩-细砂岩互层和泥岩-粉砂岩互层，泥岩作为隔水层能够阻隔其上部含水层向下补给，另外泥岩遇水崩解软化，重新弥合后可使因煤层采动形成的导水裂隙弥合。

2 高位离层关键层判断

在煤系地层中存在一层或多层硬厚岩层对采场上覆岩层活动起控制作用，其中对采场上覆局部岩层起控制作用的岩层被称为亚关键层；对地表至煤层顶板的全部岩层活动起控制作用的岩层被称为主关键层［23］。 煤层开采后形成采空区，采空区上覆岩层下沉变形，在关键层下沉变形的过程中承受上覆岩层载荷，与其上覆岩层协调变形，而其下部岩层不再承担它所承受的荷载，关键层与其下部岩层出现不协调变形产生离层［24］，可得

式中：qn、qn+1分别为第n、n+1 层岩层对第1 层关键层形成的荷载。

若将采场上覆岩层看成由若干组岩层叠加组合而成，且各岩层上的荷载呈均匀分布，根据组合梁原理可得

式（2）可简化为

式中：Ei、hi、γi分别为第i层岩层弹性模量、厚度、容重。

根据首采区地层资料，按照工程地质岩组将覆岩进行合并，并通过覆岩关键层理论判别关键层［25］，判别结果见表1。

表1 招贤首采区关键层判别Table 1 Discrimination of key stratum in first mining area of Zhaoxian Coal Mine

3 煤的直接充水含水层为侏罗系延安组煤系裂隙含水层及直罗组砂岩裂隙含水层，但其覆岩发育有巨厚宜君组砾岩含水层，工作面推进过程中，其与下方安定组泥岩分界面处由于挠度差异易产生不协调沉降，形成一定的离层空间，离层空间接受宜君组巨厚砾岩含水层补给形成离层积水。 随着开采面积扩大，覆岩变形和破坏更加剧烈，可能会形成一定规模的离层积水。

3 覆岩离层模拟分析

3.1 相似模拟

3.1.1 相似模型布置

根据招贤煤矿实际工程地质条件，制作相似模拟试验。 相似模拟试验遵循相似三定理理论，应满足几何相似、运动相似、边界相似及对应物理量成比例的要求［26］。 基于研究对象及试验条件，本次物理模拟试验相似模型采用2 500 mm×300 mm×2 000 mm 相似模拟试验台搭建模型，几何相似比CL＝300，时间相似比Ct＝17.32，模型相似材料密度约1.60 g/cm3。 本试验选用抗压强度作为原型和模型相似的主要指标，根据岩层与煤层相似关系计算应力比分别得：CσR＝473，CσC＝249。

受限于实验室相似模拟试验台，本次相似模拟试验相似模型的研究区选取的工程地质单元从宜君组中砾岩顶界面到煤层下延安组粉砂岩底界面，实际厚度为465 m，模型厚度为1.55 m。 研究区以上岩土体产生的应力采用荷载补偿装置加载，荷载大小7.2 kN。 相应的覆岩模型物理力学参数见表2。

表2 覆岩模型物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of overburden mode

为了消除边界效应的影响，在模型两侧留设30 cm煤柱，在模型右侧开切眼，从右向左推进，采高4 cm，每次向右推进10 cm，每次开挖一次静置1 h，相当于原型一次采全高11 m，后期可适当增大开挖距离，模型稳定后及时采集数据，再进行下一次的开挖。

3.1.2 相似模拟结果

物理模型开挖由右向左，在开挖初期，由于开挖距离未达到岩层破断距，覆岩无明显变化，模型暂时处于稳定状态，裂隙发育不明显。 模型开采50 cm（对应实际150 m）时，煤层顶板上延安组细砂岩出现横向裂隙，并发生垮落，垮落岩层高度7 cm（对应实际21 m）。 模型开采70 cm（对应实际210 m）的模型破坏情况（图2a），直罗组粉砂岩与安定组粗砂岩之间出现离层，离层最大宽度48 cm（对应实际144 m），离层空间最高点距离煤层顶板26 cm（对应实际78 m），此时开切眼侧岩层破断角74°，推进侧岩层破断角61°。

图2 模型开采70 cm 和130 cm 时的覆岩破坏Fig.2 Overburden failure when working face advanced distance 70 cm and 130 cm

工作面推进100 cm 时（实际300 m），直罗组粉砂岩与安定组粗砂岩之间的离层闭合；安定组中部产生了新的离层，离层最大宽度65 cm（实际195 m），此时开切眼侧岩层破断角80°，推进侧岩层破断角66°。 覆岩中可见八字形纵向主导水裂隙，横向裂隙发育早于纵向裂隙，此时纵向主导水裂隙尚未与离层空间贯通。

工作面推进110 cm 时（实际330 m），安定组中部离层最大宽度仍为65 cm（实际195 m），而安定组与宜君组之间出现了新的离层空间，但纵向裂隙尚未突破安定组中部的离层空间。 工作面推进130 cm时（实际390 m），安定组与宜君组之间的离层扩大，离层最大宽度69 cm（实际234 m），离层空间最高点距离煤层顶板82 cm（实际246 m），此时开切眼侧岩层破断角81°，推进侧岩层破断角60°（图2b），安定组亚关键层初次极限破断距和周期破断距分别为38、32 cm，即实际的114、96 m。

3.2 数值模拟

3.2.1 计算模型建立

根据招贤首采区实际情况建立数值模型（图3）。

图3 离散元数值计算模型Fig.3 Discrete element numerical model

通过招贤首采区综合柱状图划分出12 个工程地质岩组，各地层参数参照相似模拟试验，节理参数见表3。 模型长度为1 200 m，宽度300 m，高度为465 m，煤层底板为18 m 厚粉砂岩，模型按各岩层水平处理。 模型上边界为宜君组中砾岩顶界面，在模型上边界施加1.177 MPa 竖向荷载模拟上覆岩层的作用，模型左边界、右边界和下部边界视为位移为0的约束边界，模型顶部为自由边界。 考虑到边界效应，将开挖模型设置在模型中部，开切眼设置在距离右边界200 m 处，向模型左侧开挖，采高11 m，共推进800 m，两边设置足够的保护煤柱。

表3 节理力学参数Table 3 Joint mechanical parameters

3.2.2 数值模拟结果分析

工作面推进50 m 时，直接顶随即开始垮落，由于煤柱支撑作用，基本顶暂未有明显裂隙。 ①工作面推进100 m 后（图4a），直接顶继续垮落，第3 层延安组细砂岩与第4 层延安组泥岩之间出现离层，离层最大宽度59 m，高度0.8 m。 工作面推进200 m时，第3 层延安组细砂岩与第4 层延安组泥岩之间的离层闭合；第4 层延安组泥岩与第5 层直罗组粉砂岩之间产生明显的横向离层空间；②工作面推进250 m 时（图4b），第4 层延安组泥岩与第5 层直罗组粉砂岩之间的离层空间闭合；新的离层出现在第5 层直罗组粉砂岩与第6 层安定组粗砂岩之间，离层最大宽度138 m，高度5.4 m，在离层空间之上则发育有。 工作面推进300 m 时，第5 层直罗组粉砂岩与第6 层安定组粗砂岩之间的离层扩大；第10 层安定组粉砂岩与第11 组宜君组砾岩之间产生新的离层；第7、8、9 层都为泥岩，岩层之间参数指标相似，整体岩性软弱，不具备“空腔型”离层产生的条件，因此未见明显离层发育。

图4 工作面推进100 m 和250 m 时覆岩破坏Fig.4 Overburden failure when working face advanced distance 100 m and 250 m

工作面推进到400 m 时（图5a），第5 层直罗组粉砂岩与第6 层安定组粗砂岩之间的离层闭合；第10 层安定组粉砂岩与第11 层宜君组砾岩之间的离层扩大。 此时左右两侧岩层破断角分别为72°和71°。 第10 层安定组粉砂岩岩层初次破断距为131 m，周期破断距119 m。 工作面推进到600 m 时，第10 层安定组粉砂岩与第11 层宜君组砾岩之间的离层发育到最大，宜君组内部第11 层与第12 层之间开始出现离层，覆岩充分运动后，其下部离层空间逐渐弥合，压实区范围逐渐扩大。 工作面推进到800 m 时（图5b），宜君组内部高位离层空间扩大，安定组与宜君组砾岩之间离层在横向上扩大，高度减小，其下部岩层充分运动后，压实区不断增大。 此时左右两侧岩层破断角分别为70°和72°。

图5 工作面推进400 m 和800 m 时覆岩破坏Fig.5 Overburden failure when working face advanced distance 400 m and 800 m

运用MATLAB 对覆岩破坏切片图进行识别提取，构建覆岩主控裂隙概念模型（图6）。 在水平开采条件下，在对称梯形破坏区中最大横向高位离层位于其顶部，横纵裂隙网格与主控裂隙并存。 根据梯形破坏区整体裂隙发育类型将覆岩破坏分为6 个区域：1 离层区位于梯形破坏区右下开切眼侧，岩层的垮落回转形成较为明显的横向裂隙；2 离层区与1离层区对称，区域内离层相对较小，随着工作面推进不断更新前移；3 压实区位于采空区中部，由于压实作用区域内横向裂隙几乎不发育，纵向裂隙发育也较少；4、5 微离层区位于梯形破坏区两侧，由于采空区空间一定，离层区由煤层顶向上逐级发育，岩层的破断导致岩石碎胀，上层离层的发育空间逐级减少，离层发育规模较小，属微离层区；6 裂隙网格区位于“富裂隙拱”之上，区域内以横纵裂隙网格为主，裂隙密集但规模较小。 覆岩主控裂隙由纵向主导水裂隙和横向高位离层裂隙（空间）组成，纵向主导水裂隙呈八字形对称分布，覆岩层位的增高使得纵向主导水裂隙逐渐变陡。

图6 主控裂隙概念模型Fig.6 Conceptual model of master fractures

4 高位离层演化规律与突水前兆信息

4.1 高位离层演化模拟结果

对比相似材料模拟试验结果与数值模拟试验结果，得到的覆岩主控裂隙发育研究规律基本一致。在煤层开采过程中，一般来说横向裂隙先发育，纵向裂隙后发育，横向裂隙的增大会促进纵向裂隙的发育，直到整个岩层破断，产生大量纵向裂隙。 随着工作面不断推进，形成采空区，覆岩下沉变形破坏，由于岩层之间的不协调变形，横向离层由下到上逐层发育，当推进距离达到岩层破断距，岩层破断后产生纵向裂隙；覆岩运动伴随离层的发育，由采动引起的覆岩运动促进离层的扩容，覆岩充分运动后离层逐渐弥合形成压实区；工作面开切眼、推进方向上方的岩层，横、竖向裂隙发育较密集，这是由于覆岩破断岩块之间咬合结构未完全破坏，对岩块提供支撑能力。

通过数值模拟和相似模拟预计了安定组亚关键层3 的极限破断距和周期破断距，2 种方法得到的亚关键层破断距汇总见表4。 采用数值模拟和物理模拟的平均值，分别对工作面推进过程中离层水害威胁较大的区域进行预计见表5。 通过对比发现，经过数值模拟和物理模拟计算得出的亚关键层破断位置与经过实测分析基本一致。

表4 招贤煤矿首采工作面亚关键层破断距对比Table 4 Comparison of breaking distance of sub key strata in innitial mining area of Zhaoxian coal mine

表5 招贤煤矿首工作面亚关键层破断位置预测Table 5 Prediction of sub key layer breaking position of working face in nitial mining area of Zhaoxian coal mine

4.2 高位离层演化的含水层水位响应

招贤煤矿1307、1304 工作面开采期间水位变动与微震异常与侏罗-白垩系采动覆岩高位离层演化存在联系，将含水层水位变动、微震监测异常作为离层涌（突）水前兆信息，指导矿井安全高效生产。

4.2.1 1307 工作面

1307 工作面开采期间附近共有3 个水文长观孔，分别记作G1、G2 和G3，3 个孔水位监测孔的目的层位宜君组含水层。 随着1307 工作面的推进，观测孔水位总体呈下降趋势如图7 所示。 根据G1 和G2 孔水位变化曲线，G1 和G2 孔水位下降异常区具有一致性，G2 孔在采掘过程中距离工作面较近，作为预计的主要的参照对象。 对G2 孔几个异常区间进行汇总，工作面推进范围分别为307.9 ～324.9、332.9～382.2、672.6 ～687.0 和1091.2 ～1119.4 m，其降深分别为3.35、3.16、5.57、6.10 m。 微震监测设备在2018 年8 月12 日—12 月18 日期间出现故障，造成部分数据缺失。

图7 1307 工作面微震-水位联动分析Fig.7 Analysis of micro seismic water level linkage in No.1307 working face

煤层开采过后形成采空区，覆岩自下而上逐渐变形破坏，上层覆岩产生高位横向裂隙形成离层空间。 在2018 年2 月8 日—16 日，工作面推进距离为307.9～324.9 m，G2 孔水位出现第1 次异常降深，且在2018 年2 月13 日出现微震大能量事件（在1307 工作面开采过程中微震能量大于2×104J），此时符合宜君组下亚关键层在297 m 附近发生破断的预测。 根据覆岩模拟结果，在工作面推进300 m 附近，宜君组下伏亚关键层破断，宜君组砾岩与安定组粉砂岩之间开始出现离层，离层空间拉开，离层开始接受上覆宜君组层补给，造成含水层水位下降。

在2018 年2 月23 日—3 月9 日，工作面推进距离为332.9～382.2 m，G2 孔水位出现第2 次异常降深，在此期间微震监测较为正常，宜君组下伏亚关键层在发生第一次破断后，亚关键层下伏岩层充分运动后，亚关键层开始回转，离层空间迅速扩大，水位由升转降。

在2018 年3 月21 日—6 月1 日，工作面推进距离为428.7～657.3 m，G2 孔水位稳定下降，亚关键层回转稳定，离层空间逐渐拉开，期间微震检测存在异常区间，宜君组下伏亚关键层破断预测405、514、623 m 附近存在微震大能量事件。

在2018 年6 月6—12 日，工作面推进距离为672.6～687 m，G2 孔水位出现第3 次异常降深，且在2018 年6 月8 日、6 月12 日出现2 次微震大能量事件，此时符合宜君组下亚关键层在732 m 附近发生破断的预测，此次亚关键层破断后发生大规模回转，水位下降异常。

在2018 年6 月13 日—12 月19 日，工作面推进距离为689.3～1 086.4 m，G2 孔水位变化较小，持续缓慢上升或缓慢下降，在此期间离层进行周期性发育；通过模拟试验可知，在工作面推进距离达到600 m后宜君组内部开始出现离层；宜君组关键层破断后，其下部宜君组与安定组之间的离层开始闭合，涌（突）水通道弥合，含水层水位上升。

在2018 年12 月20—31 日，工作面推进距离为1 091.2 ～1 120.8 m，G2 孔水位出现第四次异常降深，且在2018 年12 月21 日出现微震大能量事件，此时符合宜君组下亚关键层在1 059 m 附近发生破断的预测，此次亚关键层破断后发生大规模回转，水位下降异常；随着工作面推进距离的增加，岩层悬露长度也在增加，宜君组巨厚层砾岩层发生破断，对下伏岩层有较强的压力，覆岩运动加剧，岩层大规模回转，造成水位异常降深。

4.2.2 1304 工作面

1304 工作面开采附近共有3 个水文长观孔，分别为G3、G4 和G7，其中G3、G4 孔水位变化较为明显。 随着1304 工作面的推进，观测孔水位总体呈下降趋势，在水位下降的过程中，存在异常区间，如图8 所示。 1304 工作面根据微震频次以及微震能量将工作面充分采动范围划分为19 个阶段，见表6。

图8 1304 工作面微震-水位联动分析Fig.8 Analysis of micro seismic water level linkage in No.1304 working face

表6 1304 工作面微震监测异常分区Table 6 Abnormal zoning of microseismic monitoring in No.1304 working face

1）第1—4 阶段，工作面推进距离为113.2 ～313.5 m，煤层开采过后3 煤上岩层由下向上逐渐破坏，工作面处于开采初期，存在较大单次震动能量事件，上覆关键层已经开始发生破断，处于工作面“见方位置”出现较大单次震动能量。 在此阶段初期，离层空间发育速度较慢，宜君组下伏离层空间发育较小，宜君组向离层空间补水向G3、G4 孔水位有下降趋势，但变化幅度较小；微震单次大震动能量（在1304 工作面开采过程中大于5×104J）事件可以体现关键层的破断，关键层破断后，关键层及其下伏岩层回转变形破坏加剧，表现为微震日总震动能量较大，单次震动能量较小，宜君组下伏离层空间迅速扩大，宜君组向离层空间补水，G3、G4 孔水位急剧下降。

2）第5—12 阶段，随着工作面开采煤层上覆岩层运动加剧，工作面推进距离为316.7 ～793.7 m，G3、G4 水位上下波动，微震单次大能量事件呈周期性在亚关键层破断位置预测位置附近出现。 在此阶段，离层随关键层周期性破断产生周期性扩大、闭合，在关键层破断后非关键层岩层破断加剧，由于未完全破断的下伏亚关键层还具有一定的自稳能力，且岩层具有碎胀性，阻止上覆关键层的变形破坏，同时覆岩关键层首先在四周支点断裂，关键层在支点处有一定的铰接能力，岩层处于相对稳定的状态，离层空间会随着关键层在支点处回转变形缓慢扩大，此时离层空间扩大量较小且之前形成的离层空间在逐渐闭合，宜君组含水层补给量大于离层空间汇水量，G3、G4 水位回升；在关键层完全破断岩层失稳后离层汇水空间迅速增大，水位下降，待岩层恢复稳定后水位继续上升；2020 年1 月15 日，工作面推进778.9 m，出现1 次微震大震动能量事件，上述模拟结果也显示工作面推进600 m 后宜君组内部开始出现离层，工作面推进800 m 后宜君组内部巨厚层砾岩破断，离层空间拉开；在宜君组内部巨厚层砾岩破断前，微震频次及微震总能量较大，微震单次最大震动能量较小，随着小的岩体结构破裂事件不断孕育会产生大的岩体结构的破断，宜君组下伏亚关键层的初次破断和多次周期破断加剧了宜君组关键层的破断下沉过程。

图9 1304 工作面涌水量水位联动分析Fig.9 Linkage analysis diagram of water inflow and water level in No.1304 working face

2020 年1 月20 日—2 月6 日，因“新冠肺炎疫情”影响，工作面停产，覆岩移动逐渐趋于稳定，水位回升。

3）第13—14 阶段，工作面推进距离为793.7 ～944.7 m，工作面恢复开采，重新扰动了上覆岩层，使上覆岩层逐步失稳，离层空间扩大，G3、G4 水位开始呈下降趋势。 在2020 年3 月23 日后水位开始急剧下降。 水位急剧下降之前，微震频次与日震动总能量急剧上升，工作面上覆岩层剧烈运动，停采期间上覆岩层充分运动导水裂隙迅速发育，1304 工作面复采后扰动上覆岩层，造成关键层结构逐步失稳，关键层回转变形破坏加剧，岩层失去自稳能力，关键层控制的岩层大规模变形破坏，经过停采暂时稳定的裂缝带导通上部离层空间，离层积水下泄，由于3 煤上到宜君组泥岩含量较高，下泄的离层水暂时储存在覆岩裂隙中，宜君组向离层空间汇水G3、G4 水位急剧下降，岩层持续变形移动破坏，导水裂缝带贯通，造成“3·29”突水。 随着离层水的下泄，离层空间中的水逐渐减少，涌水量逐渐减小，导水通道慢慢闭合，G3、G4 水位开始回升。 第15 阶段，工作面停产，覆岩充分运动后趋于稳定，水位缓慢上升。

4）第16 阶段，工作面推进距为944.7～1 001.2 m，工作面恢复开采，重新扰动上覆岩层，G3、G4 水位先呈上升趋势，随后急剧下降。 与第13—14 阶段相似，水位急剧下降之前，微震频次与日震动总能量上升，“3·29”突水造成1304 工作面停采，上覆岩层暂时稳定，1304 工作面复采后再次扰动上覆岩层，造成关键层结构逐步失稳，关键层回转变形破坏加剧，岩层失去自稳能力，关键层控制的岩层大规模变形破坏，经过停采暂时稳定的裂缝带导通上部离层空间，离层积水下泄，造成“5·6”突水；工作面恢复开采后，出现一次微震大震动能量事件。 第17 阶段，工作面停产，覆岩充分运动后趋于稳定，水位缓慢上升。 第18 阶段，工作面推进距离为1 001.2 ～1 009 m，在此期间工作面未采取只采不放的方法尽快推过涌（突）水位置；微震日均微震频次较大，日总震动能量较大，几乎没有出现较大的微震能量事件，且工作面推进距离较短，证明工作面经过前2 次出水，覆岩充分运动，覆岩结构较为松散。

5）第19 阶段，工作面停产，覆岩充分运动后趋于稳定，水位缓慢上升。 随着工作面不断推进，安定组粉砂岩与宜君组砾岩之间的横向离层不断发育，宜君组含水层由于向离层空间补水，水文观测孔水位整体上呈下降趋势，由于亚关键层呈周期性破断，所以横向离层空间也呈周期性扩大、闭合，水文观测孔水位呈周期性异常下降。

根据水位变动、微震监测显示，水位异常下降必定伴随着关键层破断，由于岩层具有一定的自稳能力，且安定组泥岩隔水层厚度较大，关键层破断不一定会引起水位下降。

4.3 离层突水预警

1304 工作面出水之前，工作面附近地面水文长观孔水位同步持续下降，工作面支架压力显现明显，逐渐大面积来压以致安全阀大面积持续开启，支架动载系数增大，动载强烈，支架增阻速率是周期来压成倍显现，煤壁有切断现象，有淋渗水并逐步加大，瓦斯涌出量迅速增大50%以上，微震事件发生增多或能量增大现象。

从G3 孔、G4 孔宜君组水位标高变化，及水位变化速率来看（图9），1304 工作面在第1 次突水前，水位变化速率迅速增大，水位出现明显下降，突水之前最大水位下降速率分别达到6.26、7.85 m/d，累计降深分别达到11.58、25.59 m。

“3·29”突水从水位下降至工作面出水周期约6 d，“5·6”突水从水位下降至工作面出水，周期约4 d，而在“7·1”离层突水事故前，水位提前下降仅有44 h，且瞬时涌水量及累计涌水量也在逐次增加。“3·29”突水时，1304 工作面涌水量从工作面开始出水3 m3/h 达到最大涌水量210 m3/h 不足5 h，累计涌水量15 322 m3；“5·6”突水时，1304 工作面涌水量从工作面开始出水15 m3/h 达到最大涌水量260 m3/h 用时约8h，累计涌水量26 011 m3；“7·1”突水时，1304 工作面涌水量从工作面开始出水为0达到最大涌水量420 m3/h 用时约23 h，累计涌水量40 354 m3。 1304 工作面经过反复停采复采，上覆岩层反复受到重复扰动，岩层自稳能力逐次下降，离层空间逐渐扩大，离层涌（突）水通道形成速度逐次加快，离层涌（突）水事故水位提前下降时间减少；1304 工作面第1 次突水后，由于3 煤到宜君组泥质岩类含量较高，泥岩软化，离层涌（突）水通道逐渐弥合；第2、3 次突水时，形成新的离层涌（突）水通道，同时之前形成的涌（突）水通道中泥质弥合物被冲开，涌（突）水通道逐渐扩大，最大涌水量逐次递增，且从开始出水达到最大涌水量用时逐渐增加。

工作面突水灾害的发生与目标含水层水位下降具有对应关系，水位预警值的设置对于工作面安全开采具有重要意义，通过1304 工作面实测数据，将招贤煤矿工作面首次出水，水位预警值设置为累水位下降速率为1.0 m/d；在工作面首次出水后，水位预警值设置为水位下降速率为0.2 m/d，同时应制定应急措施并保证排水设备正常可用满足最大排水能力。

5 结 论

1）结合数值模拟试验与物理模拟试验，构建了覆岩主控裂隙概念模型，当工作面达到充分开采时，近顶板的覆岩中裂隙较为明显，呈现＂富裂隙拱＂的形态，即在采空区两帮离层裂隙较为发育，而在中部则处于压实区。 最大的横向高位离层位于梯形破坏区顶部，在梯形破坏区内裂隙网格和主控裂隙并存，根据裂隙发育特征可将覆岩破坏分为6 个区。

2）综合模拟试验、理论分析、水位监测、微震监测，确定安定组亚关键层极限破断距为297 m，周期破断距为108 m。 煤层开采产生的离层空间在亚关键层破断后造成工作面周期性来压，横向高位离层空间周期性扩张、闭合，宜君组巨厚含水层向离层空间补水，造成宜君组水位周期性异常下降。

3）1304 工作面经长时停采，覆岩充分运动，恢复开采后，重复扰动覆岩会诱发覆岩体结构失稳，导水裂缝带沟通离层空间，造成离层涌（突）水。

4）1304 工作面离层涌（突）水前宜君组水位突降、水位下降速率突增、微震能量事件增多增大，可以作为离层涌（突）水前兆信息。 关键层的破断会引起微震大能量事件；关键层破断、快速回转、下沉扩大离层空间造成宜君组水位异常下降；在关键层的破断时，由于岩层具有一定的自稳能力，破断岩层之间结构未完全破坏，岩层不一定会发生大规模回转变形引起宜君组水位异常下降。

5）1304 工作面3 次离层涌（突）水均存在长时间停采，多次复采造成覆岩自稳能力逐渐劣化严重，离层空间逐渐增大，加快离层涌（突）水通道形成，离层涌（突）水通道逐渐增大。 随出水次数增加，水位提前下降时间减少，微震能量事件能量降低，最大涌水量增大，累计涌水量增大。