关键层运动监测及岩移5阶段规律——以红庆河煤矿为例

鞠金峰，许家林，刘阳军，马 祥，王晓振，王业征，刘 乐，谢建林，赵富强

(1.中国矿业大学 矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室，江苏 徐州 221008；2.中国矿业大学 物联网(感知矿山)研究中心，江苏 徐州 221008；3.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；4.内蒙古伊泰集团有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000；5.内蒙古仲泰能源有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000；6.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；7.国电建投内蒙古能源有限公司 察哈素煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

煤炭地下开采将引起上覆岩层的移动、破坏，由此在覆岩中产生应力的重新分布以及导水(气)裂隙的发育，最终导致地表沉降、地下水气泄流、井下矿压显现等系列采损问题的发生。因此，一切采矿问题均源于岩层移动，研究煤层开采过程中上覆岩层由下向上逐步破断发展的运移过程，是科学解决上述采矿系列问题的重要基础。为此，许多学者对此开展研究；从早期国外学者提出的“压力拱”、“铰接岩块”等假说，到我国学者提出的采场“砌体梁”结构模型及覆岩“横三区、竖三带”理论，再到岩层控制的关键层理论等，无不体现了广大采矿学者对岩层移动问题的思考与认识。

然而，由于采动岩层的移动规律是一个十分复杂的“黑箱”问题，长期以来，人们往往只能依靠一些采动表征现象来试图揭开其内部作用机制。例如，通过地表沉陷的连续监测，获得采煤活动引起的地表移动范围，并将移动盆地边缘与采煤边界的连线视为采动引起的岩移边界线；然而，这只是一种均化的粗略定义，对于覆岩内部各岩层的移动边界究竟在哪，这种移动边界又是如何逐步扩展为地表的移动盆地的等问题都尚未解决。再如，通过监测和分析采场围岩变形与支架阻力的变化，可一定程度判断上覆基本顶的破断运移特征(初次/周期破断距、破断回转角等)，但对于基本顶以上更高层位岩层的破断规律仍无从知晓。还有许多研究通过模拟实验、理论建模等手段试图揭示覆岩结构特征及其运动规律，但受实际采煤地质条件复杂多变、实验相似性难以保证等因素影响，相关研究仍难以准确描绘采动内部岩移的具体作用过程。所以，已有相关研究虽能从一定层面反映覆岩的部分运移规律，但对于岩层逐步向上发生垮冒、断裂、弯曲、直至诱发地表沉降的运移全过程，尚缺乏全面认识。

早在20世纪80年代，文献[3-4,16]就尝试采用钻孔深基点监测方法对岩层内部移动规律开展了实测研究；通过在工作面上方顶板空巷内布设测站，得到了上覆25 m范围内不同层位岩层随采动的位移特征，并据此建立了岩层动态下沉的负指数拟合曲线方程。这为采动内部岩移的监测与反演研究奠定了重要基础，但它仅反映了顶板局部范围的岩移规律，对于以上更高层位直至地表之间岩层的活动规律尚未获得。

而后，随着关键层理论的提出，对岩移问题研究的理论依据更为清晰。由于煤系地层属层状赋存岩体，岩层数量多、厚度及岩性变化大，导致不同层位岩层受采动影响呈现的运移规律差异明显；若考虑对每层岩层均开展位移监测，难度必然较大。为此，本文重点考虑覆岩中的关键层，采用地面钻孔原位监测方法，通过在关键层或厚硬岩层位置布设有限的岩移测点，开展了覆岩全地层随煤层开采的运移规律研究，以期为采矿工程相关基础理论问题研究提供数据基础。

1 覆岩内部岩移监测

1.1 试验区概况

试验矿井红庆河煤矿位于内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗境内，矿井主采3煤，采用综采一次采全高采煤工艺。研究试验区位于北翼的四盘区，盘区内已布置2个工作面，其中31401工作面已回采完毕，邻近的31402工作面正在回采，岩移监测区域即覆盖这2个工作面，以考察31402工作面回采引起的本工作面覆岩以及邻近31401工作面已断覆岩的运移规律，如图1所示。

图1 红庆河煤矿岩移监测试验区工作面布置

已采的31401工作面为四盘区的首采工作面，对应煤层埋深679～756 m，工作面宽241 m，推进长度约2 500 m，平均采高6.5 m。31402工作面对应煤层埋深697～719 m，工作面宽246 m，推进长度3 616 m，平均采高6.0 m。两工作面之间留设区段煤柱宽度40 m，开采区域对应覆岩柱状如图2所示。

1.2 监测方案

采用地面钻孔原位监测方法开展采动岩层内部移动规律的研究。如图1所示，根据工作面开采条件，分别在回采的31402工作面中部以及已采的31401工作面边界处各布置1个探测钻孔，探测钻孔的施工及孔内测点的布置均在超前31402工作面回采位置350 m前实施完毕。其中，D2钻孔距离区段煤柱边界30 m，与D1钻孔处于同一走向位置。同时，在两孔的孔口附近布置固定GPS测桩(在线实时监测，数据采集间隔1 h)，以监测孔口地表的采动沉降规律。

D1钻孔设计终孔深度722 m，直至3煤底板。钻进过程中进行取芯和柱状编制，根据柱状的关键层位置判别结果，设计岩移测点布置层位，如图2所示。孔内共布置6个测点，均对应于关键层或厚硬砂岩位置。考虑到煤层采高较大，覆岩最下位关键层已处于预计的垮落带范围，因而将最低位测点布置于煤层以上第2层关键层位置，对应深度640 m。用特制的线缆将各测点下放至孔内对应位置，而后全孔封闭。在孔口用位移传感器与各测点线缆连接，并配备太阳能电池以及数据存储与发送模块，实现在线监测，如图3所示。监测获得的内部岩移数据实际反映了各层位测点与地表之间的相对位移量。

图2 岩移监测区覆岩柱状及测站布置

D2钻孔布置于31401工作面采空区，用于探测已断覆岩受邻近31402工作面回采影响的二次活化规律。设计终孔深度650 m，施工过程中，采用冲洗液漏失量法和钻孔电视对导水裂隙带高度(简称“导高”)进行探测，以便为后期岩移规律反演分析提供依据。考虑到其已断覆岩的二次活动程度相对偏弱，故成孔后在孔内仅布置光纤进行地层位移/变形的监测，最后同样进行全孔封闭。工作面回采过程中，间隔2～7 d对光纤信号进行采集和解算，以掌握钻孔全段地层的随采变形情况。

1.3 监测结果

..已采工作面覆岩“导高”探测结果(D2孔)

31401工作面采空区D2钻孔施工同时，采用钻孔冲洗液漏失量法和钻孔电视观测，对覆岩导水裂隙带高度(简称“导高”)进行了探测。

探测结果显示，在孔深458 m位置开始出现冲洗液大量漏失及孔口不返浆现象，但孔内水位并未出现大幅下降现象；后续钻进过程，冲洗液虽有一定漏失，但孔内水位一直保持在孔口以下60 m左右。推断可能是钻孔揭露覆岩离层裂隙所致。直至钻进至孔深583 m，冲洗液出现大量漏失、孔内水位发生突降，推断钻孔已至导水裂隙带顶界面附近。而后持续钻进过程中，始终处于孔口不返浆状态。待成孔后，下放钻孔电视进一步观测，发现在孔深456 m以下开始密集出现孔壁破坏现象，且破坏状态以环状空洞为主；直至孔深585 m处开始出现孔壁裂隙发育现象，如图3所示。由此综合判断，导水裂隙带顶界面位于孔深583 m处，对应“导高”为120.3 m。

图3 D2孔导水裂隙探测

..D1孔内部岩移监测结果

D1孔内部岩移监测结果反映了31402本工作面回采引起的覆岩断裂运移特征，工作面推过钻孔前后各测点相对地表的位移变化曲线如图4所示。可见，随着工作面的不断推进，孔内6个测点均表现出明显位移变化现象，但受测点布置层位差异影响，不同测点位移曲线走势差异显著。

图4 D1孔监测得到的各层位测点随工作面开采相对地表的位移曲线

首先，测点开始发生显著运移的时刻(或对应工作面推进位置)。处于下位的测点1～4在工作面距离钻孔还有35 m左右位置时就开始发生显著运移，而上位的测点5，6在工作面推过钻孔40～50 m之外才发生显著位移。这与采动覆岩由下向上逐步断裂发展的运移过程相符。

其次，各测点位移曲线走势表现出明显的“成组同步运移”现象。即在一定区段内，多个测点的位移曲线走势保持一致；且在工作面相对钻孔位置不同时，这种“成组”的测点组成也不相同。如在工作面推过钻孔25 m之前，测点1，2、测点3，4以及测点5，6分别两两为一组，对应位移曲线走势基本一致；而后直至工作面推过钻孔80 m左右，这种“分组”开始打乱，各测点位移开始按各自走势发展，仅测点1，4的位移走势基本一致；随着工作面继续推进直至各测点位移基本稳定，测点间的成组位移趋势再次出现，在工作面推过钻孔80～137 m区段内，测点1，2，4，5呈现成组位移，在工作面推过钻孔225 m后，测点1，2以及测点4，5，6各为一组发生成组位移。可见，随着工作面不断推进，采空区后方上覆岩层的运移逐步由“逐层渐次向上发展”演变为“上下一定范围同步运移”趋势。

第三，各测点相对地表的最终位移量。处于中部层位的测点4，5相对位移量最大，约230 mm；而后依次为测点2，1，6，3，相对位移量分别为137，117，104，88 mm。整体而言，中部测点相对地表的位移量最大、浅部测点最小、深部测点居中。

..D2孔光纤变形监测结果

D2孔光纤变形监测结果反映了31401采空区已断覆岩受邻近31402工作面回采扰动引起的二次运移特征，不同日期(对应31402工作面相对钻孔不同位置)监测得到的孔内全段光纤应变绝对值，以及局部变形区段的应变增量曲线如图5所示。

图5 D2孔光纤受邻近工作面采动影响的应变曲线

在工作面距离钻孔还有361 m时即开展D2孔的光纤监测工作(2019-11-18)。随着工作面逐步靠近钻孔，仅在孔深60 m以上的局部区段发生拉伸变形，直至2020-01-21工作面距钻孔还有132 m时，光纤在孔深28.5 m位置被拉断，其下部直至孔底光纤信号中断。这种拉伸变形应是由超前采动影响产生的水平滑移引起。

由图5(b)可见，光纤拉伸变形主要集中于孔深21.6～24.4 m和孔深25.5～27.7 m，另外在孔深33.8，43.7，50.6 m等位置附近也出现有小幅拉伸变形现象。在光纤被拉断后，随着工作面继续推进，原来孔深21.6～24.4 m的拉伸变形区应变峰值有所降低，但变形范围略有增大(波及至孔深20 m处)，同时在更浅部孔深6和11 m附近又出现新的拉伸变形，但应变增量并不显著。由图5(c)可知，孔深23和26 m位置附近岩层的水平变形呈线性增长趋势，而孔深6 m位置附近岩层则在工作面采过钻孔80 m后才出现明显移动，并在后方200 m左右移动稳定。

由上可见，31401采空区已断覆岩受邻近采煤扰动发生的二次运移首先出现在浅部岩层中，且随采煤工作面不断靠近，覆岩运移范围逐步加大。但由于光纤已被拉断，孔深28.5 m以下范围岩层的位移情况未能获得。

..两孔孔口地表沉降监测结果

两钻孔对应孔口地表随工作面开采的三向位移曲线(走向/倾向水平移动、垂向下沉)如图6所示，将两者位移曲线投影到走向和倾向2个剖面，同时得到如图7所示的移动轨迹。可见，因D2孔基本处于两工作面整体开采区域的倾向中部，其孔口地表移动程度明显偏高。31402面回采结束后(即推过钻孔653 m)，D1，D2孔口地表最终下沉量分别为1 547，1 876 mm。

注：走向水平位移朝工作面推进方向则数值为正，倾向水平位移朝31401工作面一侧则数值为正。因中途曾发生停采，故曲线出现“台阶”。

由于两孔相对工作面布置位置不同，两者地表移动曲线差异明显，尤其体现在水平位移曲线走势上。在走向水平位移上，D1孔口地表经历了先向采空区方向、再向推进方向的“折返”过程，“折返”的拐点对应工作面推过钻孔87 m，对应走向偏移-53 mm(沿走向推进方向，位移值为正，详见图注)；拐点过后走向位移的归零点出现在工作面推过钻孔240 m位置，如图7(a)所示。而对于D2孔，其孔口地表的走向位移基本朝向推进方向。两者最终向推进方向的位移量分别为167 mm和359 mm。在图7(b)所示的倾向剖面上，两者水平位移均朝着中部区段煤柱区域“靠拢”。与走向剖面“变曲率”的沉降曲线不同的是，倾向剖面两者沉降曲线几乎呈线性变化趋势(仅在初期时D2孔位置对应曲线出现小幅折曲)，对应最终的倾向偏移量分别为337和385 mm。

图7 两钻孔对应孔口地表沉降剖面

将监测初期的位移曲线进行局部放大后发现，两孔孔口地表受采动影响开始发生位移的超前距离也明显不同，而且对于各自而言3个方向上开始发生位移的时刻也存在差异。D1孔口地表超前工作面340 m左右首先开始发生走向位移(方向朝向采空区)，而后在超前工作面320 m左右才开始发生垂向下沉，直至超前工作面267 m位置，倾向位移才开始发生。与其明显不同，D2孔口地表基本在测站布置完毕后就开始发生位移，且首先发生的是垂向下沉和倾向水平位移，随后在超前工作面338 m左右开始发生走向水平位移。

需要说明的是，由于31401工作面回采后地表已产生一定沉降，所以本次监测得到的是31402开采后的新增沉降量，并不代表两工作面开采后的累计沉降情况。

2 采动覆岩典型5阶段运移规律反演

综合前述钻孔内部岩移、光纤变形、地表沉降以及覆岩“导高”等实测数据，可对覆岩关键层受采动影响的运移特征进行反演分析。

通过对图4所示D1钻孔不同层位岩层移动规律的对比分析后发现，随着工作面逐步靠近并远离钻孔，其内部岩移测点的移动呈现明显的“分区”现象，表现出覆岩关键层在工作面不同推进位置受不同采动影响而呈现的“分区”运移特征。经统计分析，可将其划分为5个典型阶段。

(1)阶段1：覆岩超前受压变形阶段。对应工作面距钻孔距离大于35.6 m的开采范围，表现为覆岩受超前支承压力影响发生变形时的微弱岩移。

受采动支承压力的影响，工作面前方煤岩体会发生一定程度的变形，各层岩层的变形量累积后，即为地表的超前沉降盆地，这种变形量既包含垂直的下沉位移，也包含走向/倾向的水平位移(图6，7)。而内部岩移测点监测的位移量即代表了测点所在层位直至地表之间岩层产生的变形量，同样包含垂直和水平位移；当垂直位移占主导时，监测值将表现为负值，否则为正值。

由图8所示的局部放大图可见，测点1～4岩移曲线基本保持平稳状态，且相互之间基本平行，期间有局部位置发生小幅振荡；而测点5，6岩移曲线则分别在超前299和310 m位置开始持续处于负增长状态，且两者走势也趋于相同。直至超前工作面35.6 m处，前述状态才被打破。由此可见，测点1～4对应埋深405～640 m岩层整体相对地表处于同步运移状态，采动超前支承压力引起的变形主要发生在埋深640 m以下、405 m以上的岩层中，这可能与埋深405～640 m岩层整体相对较硬有关。

图8 超前工作面阶段的内部岩移监测曲线

(2)阶段2：逐层向上断裂运移阶段。对应工作面距钻孔35.6 m至推过钻孔85 m的开采范围，表现为覆岩关键层由下向上逐层断裂引起的缓慢岩移过程。

当工作面逐步靠近探测钻孔，监测区岩层开始发生超前断裂，由于此时地表尚未出现较大沉降运动，这将引起岩移监测数据曲线的增长。由图4(b)和图8可知，各测点由下向上依次发生位移增长现象，表明对应岩层的断裂回转运动正逐步向上发展。受超前煤岩体的支撑约束作用，超前断裂岩层的回转运动相对缓慢，因而对应其岩移数据的增长速度也相对偏低。同时，各测点的岩移速度不尽相同，体现了相邻测点间对应岩层中离层产生与闭合的发育过程。

通过对各点岩移数据开始发生增长的位置进行统计，可进一步推断各层关键层发生断裂的位置。其中，测点1对应亚关键层2超前35.6 m发生断裂，测点2，3对应亚关键层3超前22.4 m发生断裂，测点4对应亚关键层4超前13.2 m发生断裂，而测点5，6对应的亚关键层5和主关键层则分别滞后工作面13.2和28.9 m发生断裂。这一统计结果将有助于进一步分析覆岩向上断裂延展的活动边界，具体将在后节介绍。

(3)阶段3：覆岩整体快速沉降阶段。对应工作面推过钻孔85～190 m的开采范围，表现为覆岩整体断裂回转产生的快速沉降以及离层扩展或闭合的动态发育过程。

随着工作面逐步远离探测钻孔，监测区岩层断裂活动受边界约束的影响越来越小，岩层运移程度逐步加大。由图4可知，工作面推过钻孔85 m后，测点岩移速度明显加快，测点1～6几乎同步开始发生整体快速运移(即前面1.3节所述“成组运移”)，而后在工作面推过钻孔103.6 m后，测点6脱离成组运移，表明主关键层与下部亚关键层5之间离层持续扩展发育；后续在工作面推过钻孔137.2 m后，测点1～3也发生脱离，并单独成组，表明亚关键层4底界与测点3厚硬岩层之间的离层发生逐步闭合。

根据各测点间这种成组运移的变化可以推断，测点1，2成组运移对应其亚关键层2，3的断裂步距应基本相同，测点4，5成组运移对应其亚关键层4，5的断裂步距基本相同；根据测点6及测点1～3脱离成组运移的变化过程也能进一步推断各关键层断裂步距的大小关系：主关键层>亚关键层4，5>亚关键层2，3。

(4)阶段4：上位岩层向下压实阶段。对应工作面推过钻孔190～410 m的开采范围，表现为上位岩层进一步沉降而压实下位岩层的离层闭合及岩移放缓过程。

随着垮裂带岩体的压实度不断增大(测点1处于导水裂隙带顶界以下，测点2，3处于弯曲下沉带下部向导水裂隙带过渡区域)，下位测点1～3对应岩层的运动进一步放缓，并在工作面推过钻孔约235 m处开始基本平稳。而上位测点4，5对应岩层仍处于快速运移阶段，但运移速度有所降低。期间，在工作面推过钻孔约230 m后，原本处于相对稳定状态的主关键层突然发生快速运移，并与测点4，5对应的亚关键层4，5一起发生同步运移，由此进一步压缩其与亚关键层3之间的离层裂隙。可见，此时覆岩离层主要集中于亚关键层5与主关键层之间的岩层中。

上述测点1～3和测点6岩移曲线的这2个典型变化点(推过钻孔235和230 m)正好处于图7所示孔口地表走向位移“归零点”(推过钻孔240 m)，表明覆岩的断裂活动已完成正向和反向的双向回转，开始进入整体沉降状态。

(5)阶段5：覆岩整体稳沉阶段。对应工作面推过钻孔410 m之外范围，表现为采动影响衰减引起的覆岩整体稳沉过程。

随着工作面采动影响的持续衰减，监测区覆岩断裂运动趋于稳定。除测点4，5，其余测点的岩移曲线均已平稳，与地表保持相对静止状态。测点4，5的持续缓慢运移则代表了主关键层下部与亚关键层5之间离层的进一步扩展发育，以及亚关键层4底界附近离层的进一步闭合。

由上述现象并结合前述31401采空区D2孔钻进的冲洗液漏失情况可进一步推断，原先在31401已断覆岩中对应埋深456 m以上未产生离层的区域(该区段未发生冲洗液漏失)，在31402工作面采后开始出现离层的发育，这显然与开采尺寸加大引起的覆岩采动充分程度提高密切相关。

3 采动内部岩移与断裂活动的特征边界

根据D1孔内部岩移监测及其5个阶段典型运移特征的推演分析结果，对采动覆岩的内部岩移与断裂活动特征边界线进行绘制，如图9所示。

图9 采动覆岩断裂运移特征及其“横三区”分布的推演

覆岩内部移动总是超前工作面发生，且由深至浅其影响范围不断向外围延伸。根据关键层分区运移阶段1中各测点岩移曲线的变化特征点，分别确定了对应层位发生岩移的边界点。由地表向下依次确定，根据图6(a)地表发生移动的临界点为超前340 m处；根据图8的超前岩移曲线，得到测点6和测点5的岩移边界点分别为各自开始产生位移负增长的超前310 m和超前299 m处；而对于测点1～4，初期其岩移曲线始终保持平行状态，但在超前工作面185 m时开始出现整体振荡波动，测点5，6也随之振荡，表明覆岩移动范围进一步加大，故推断测点1～4的岩移边界线为超前185 m处。这一推断也得到了D1孔口地表在超前工作面阶段的走向剖面沉降曲线的验证(图10(a))，此处垂向下沉分量显著变大，说明覆岩更深部一定范围岩层又开始发生位移。由于测点1～4岩移曲线基本平行，因此其岩移边界点也绘制为同一位置。而后继续至超前工作面99 m时，所有测点岩移曲线再次出现整体振荡，推断这是由煤层及其上部附近岩层开始受支承压力影响所致，而这一位置也与现场实测得到的工作面巷道70～100 m的超前影响范围相符，由此确定煤层处的岩移边界点为超前99 m处。根据各层位岩移边界点的连线，进一步拟合得到了采动岩移的边界轮廓线，基本符合指数曲线形态。由此可见，传统的利用地表沉陷观测得到的移动边界(图9所示64°移动角)难以表征超前岩移发生的具体范围，它仅能一定程度展现内部岩移的变化趋势。

图10 孔口地表沉降走向剖面的局部放大

类似地，根据前述关键层分区运移阶段2中各测点岩移增长的位置，确定了各关键层的断裂位置，如图9所示。可见，处于下位的亚关键层1～4均为超前断裂，而上位的亚关键层5和主关键层为滞后断裂，关键层发生超前和滞后断裂的分界线位于埋深320 m处，基本处于煤层中部埋深位置。覆岩整体的断裂角约为83°。

进一步地，根据前述关键层运移的5个阶段分析结果，结合经典“横三区”理论，对试验工作面的覆岩“横三区”的具体分布进行了确定。其中，岩移边界线和岩层断裂线之间的区域为A区超前变形区(对原理论中的“煤壁支撑区”进行了适当修改命名)，即对应于前述关键层运移阶段1。由于工作面采后190 m，处于下位的关键层岩移已趋于稳定，而在采后410 m，处于最上位的覆岩主关键层也运移平稳，说明在井上下分别滞后工作面410 m和190 m的范围，是覆岩离层动态发育的区域，因而将该两处特征点的连线与岩层断裂线之间的区域划分为B区离层区；该区域即对应于前述岩移阶段2～4。最后，在后方的采空区即划分为C区重新压实区，对应于前述岩移阶段5。

4 讨 论

4.1 关键层运动对地表沉陷的控制规律

通过将D1孔内部岩移曲线和孔口地表下沉速度曲线叠合在一起后发现(图4(a))，不同层位关键层的运动表现出对地表沉陷的不同控制作用。

按照矿山开采沉陷学的划分，地表下沉速度达到1.7 mm/d前，属于下沉运动初始期；超过该临界值后，进入下沉运动活跃期；最终再次低于该临界值时，则进入下沉衰减期。对照这一划分，发现地表下沉的不同活跃期表现出与内部岩移5个阶段显著的对应关系。即，岩移阶段1对应地表下沉初始期，岩移阶段2，3，4又分别对应下沉速度的攀升区、峰值区以及降低区，而岩移阶段5则基本对应地表下沉的衰退期。同时结合图7(a)还发现，孔口地表走向水平位移的拐点正好对应地表下沉速度开始进入峰值期。这说明覆岩关键层不同的运移状态将引起地表不同活跃程度的沉陷。由此结合前述5个阶段岩移分析结果，可以得出：

(1)因亚关键层2的断裂略滞后于地表沉陷活跃期的开始，故推断最下位亚关键层1的断裂可能就是地表沉陷活跃期的开始。

(2)在关键层由下向上逐步发生断裂运动过程中，地表沉陷活跃度随之上升，直至覆岩主关键层结束其正向回转并开始反向回转时，地表沉陷才开始进入峰值状态；此后，仅当覆岩处于整体沉降运动状态时，这种峰值状态才能得以保持。

(3)当下位亚关键层1～3的运移趋于稳定时，地表沉陷活跃度开始降低，且沉陷速度受控于上位亚关键层4及以上岩层的运移状态。

(4)在主关键层与地表保持相对静止的阶段，地表沉陷速度急剧下降；当它突然再次随关键层4，5发生同步运移时，地表沉陷活跃度明显提高(推断这种突然运移可能是由于其双向回转平稳后发生结构失稳所致)；最后随着它运移的逐步衰减，地表沉陷结束活跃期，开始进入衰退期。

由此可见，覆岩最下位关键层发生断裂运移意味着地表沉陷活跃期的开始，而沉陷活跃期的结束则取决于最上位主关键层运移的稳定。可见，覆岩关键层运动对地表沉陷的显著控制作用。

4.2 D2孔已断覆岩的超前活化运移特征

从前述的监测结果可见，D2孔处无论是孔内光纤变形还是孔口地表沉降，基本都是在测站布置好后就发生变化，这显然与31401工作面采动覆岩仍处于非充分采动状态有关。在其还未受到31402工作面回采影响前，其已断覆岩就一直处于残余沉降状态。当31402工作面距钻孔还有327 m时，孔口地表走向水平位移即出现折返拐点，说明这种二次采动影响引起的覆岩超前变形已波及至钻孔处，并持续向前延伸，这将导致31402回风巷(临空侧)受超前影响范围和程度显著加大，由此恰恰解释了红庆河矿这种开采条件下易发生临空巷道动压问题的原因。

根据光纤变形的监测结果，D2孔受超前采动影响的区域集中在埋深53 m以浅，其余区段未见明显变化。由此推断，埋深53～640 m岩层未发生变形，处于整体沉降状态；而覆岩超前受压变形主要发生于埋深640 m以下(尤其是区段煤柱及其直接顶)、埋深53 m以上区域，这与D1孔的监测结果有异有同。不同的是，D1孔浅部岩层变形产生的位移以垂直压缩为主，D2孔则为水平拉伸；相同的是，都体现覆岩超前受压变形主要集中于中下部岩层中。

由于D2孔光纤在超前工作面132 m就被拉断而信号中断，因而未能测到后续开采过程中的覆岩运移情况。但根据已有的监测结果及上述分析也能进一步推断，D2孔已断覆岩的运移主要是随区段煤柱及其上部岩体的压缩变形而呈整体沉降过程，表现为已断裂岩层再次发生反向回转运动，由此波及至地表，引起两工作面合并区沉陷盆地“盆底”的形成。

5 结 论

(1)以红庆河煤矿3煤四盘区为现场实测试验区，通过实施地面钻孔内部岩移、采空区光纤变形、地表沉降以及覆岩“导高”等监测或探查，获得了采煤引起的本工作面覆岩及邻近采空区已断覆岩的运移规律，推演得到了采动覆岩超前运移的“类指数”边界线、关键层逐层向上运动的断裂线以及覆岩“横三区”分布特征，并探讨了关键层运动对地表沉陷的控制规律。

(2)揭示了覆岩随开采过程呈现的5个阶段典型运移特征，分别为超前35.6 m之外覆岩受压变形阶段，采后35.6～85.0 m覆岩关键层向上逐层断裂回转阶段，采后85～180 m覆岩整体快速沉降及离层扩展或闭合的动态发育阶段，采后180～410 m上位岩层进一步沉降而压实下位岩层的离层闭合及岩移放缓阶段，以及采后410 m之外采动影响衰减的覆岩整体稳沉阶段。

(3)依据采动岩移的5个阶段分区规律，确定了覆岩超前变形区、离层区、重新压实区的“横三区”分布特征。“三区”的分布范围分别对应于岩移阶段1、阶段2～4以及阶段5。同时还发现，岩移5个阶段的分布与地表沉陷的初始期、活跃攀升期、活跃峰值期、活跃降低期以及衰退期也呈现显著的一一对应关系，显示了覆岩关键层不同运移状态对地表沉陷的影响差异。从另一角度也说明，覆岩“横三区”的分布范围直接决定了地表沉陷不同活跃期的持续长度。

(4)受采动支承压力的影响，覆岩超前远距离发生受压变形，但这种变形发生的区域呈现明显局域性。本工作面覆岩超前变形主要集中于埋深640 m以下、405 m以上岩层中，而区段煤柱附近采空区已断覆岩，超前变形集中于埋深640 m以下、53 m以上岩层中，两者覆岩对应中部均处于整体同步运移状态，这与不同层位岩层的强度差异密切相关。

(5)采动覆岩的内部移动十分复杂，受地质赋存条件与开采参数影响，不同矿区采动岩移规律必然不同。本文是在前人已有研究基础上开展的一些探索和尝试，其监测结果仅能反映红庆河煤矿及周边类似开采条件下的岩移特征，不一定能反映覆岩运移的普适规律。因此，后续将结合不同开采条件开展更为深入的研究。