关键层破断对地表移动变形超前影响的机理研究

孙庆先，陈清通，李宏杰，牟 义

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

煤层采出后，覆岩破坏自下而上不断发展直至地表产生以沉陷为主的移动变形。在工作面推进过程中，工作面前方地表受采动影响下沉，这种现象就是超前影响，地表开始移动的点到当时工作面的水平距离为超前影响距，地表开始移动的点和当时工作面的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为超前影响角。

目前常用的采动影响预计计算多为地表移动变形的最终结果，即静态结果。许多专家学者意识到，除了静态的最终结果外，工程实践中也需要动态预测地表变形，以便准确地评价受护对象的影响程度，科学地制定地表及其附属物的治理修复方案和时机[1-3]。为此，很多学者作出了不懈努力，也获得了一定研究成果，但作为动态变形的超前影响却较少受到关注，且大多数研究成果认为，当工作面地质采矿条件稳定时，超前影响距(角)是固定不变的，是与采深、采厚、工作面推进速度、重复采动等因素有关的常量[4-9]。本研究通过理论分析和实例证实，超前影响距(角)是周期性变化的变量，为开采沉陷预测提供一种新的技术思想。

1 工作面开采对地表移动变形超前影响的机理分析

1.1 关键层理论简要介绍

1996年，钱鸣高等[10]首次提出了关键层理论，为深入研究矿山压力与岩层控制理论提供了依据。关键层理论认为，煤层上覆岩是由厚度不等、强度不同的岩层相间组成的，其中一层或数层厚硬岩层不易折断，在岩层移动中起主要的控制作用。对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩体起控制作用的岩层称为关键层，前者称为亚关键层，后者称为主关键层[11]。主关键层的破断导致全部上覆岩层的破断，也就是说，覆岩主关键层对地表移动的动态过程起控制作用，覆岩主关键层的破断引起地表下沉速度和地表下沉影响边界的明显增大和周期性变化。阳泉矿区某煤矿[12]和神东矿区某煤矿[13]工作面内部岩移的地面钻孔原位观测与地表沉陷观测的对比发现，地表变形与主关键层的破断同步。以此证明：主关键层控制了上覆基岩直至地表的移动变形。

1.2 基于关键层理论的地表移动变形超前影响机理

典型化和理想化了的超前影响过程如图1所示。为简化说明，假定工作面上覆岩层中仅有一层关键层，地质采矿条件正常，单一煤层且不受邻区开采影响，图中H0为采深。

图1 工作面开采的超前影响示意

图1(a)为某任意时刻工作面开采后的情形，此时工作面位于位置A，工作面前方地表受采动影响最前端的点为1号点，下沉曲线为W1，超前影响距为l，超前影响角为ω；图1(b)为工作面继续推进至覆岩中关键层破断前临界状态的情形，此时工作面位于位置B，由于关键层未破断，关键层下界面以下覆岩垮落充填了采空区，关键层上界面以上覆岩直至地表未发生变化，工作面前方地表受采动影响最前端的点仍为1号点，下沉曲线仍为W1，此时的超前影响距为最小值lmin，而超前影响角达到最大值ωmax；图1(c)为工作面位于位置B时覆岩中关键层破断后的情形，由于关键层已破断，关键层及其以上覆岩直至地表下沉变形，波及到工作面地表最前端的点由1号点前移至2号点，下沉曲线变化为W2，此时的超前影响距为最小值lmax，而超前影响角为最大值ωmin。此后周而复始，循环往复，直至回采结束。

覆岩中的关键层周期性破断，从而引起工作面周期性来压。从图1可以看出，当工作面地质采矿条件稳定时，超前影响距的大小是周期性变化的，超前影响距最大值lmax和最小值lmin之差大致与工作面周期来压步距lZ相当，即

lmax-lmin≈lZ

(1)

根据关键层理论对地表移动变形超前影响机理分析可知，地表移动变形是煤层开采后的覆岩破坏由下往上逐层传递直至地表的最终反映，地表下沉是在纵向上的反映，超前影响是在横向上的反映。由于关键层对地表移动变形具有控制性作用，因此，地表移动变形与关键层破坏移动几近同步，大体反映了关键层破断前后的运动过程。

2 实例介绍分析

覆岩断裂后的移动变形是否立即传至地表，主要取决于覆岩与松散层厚度的比值(基载比)和覆岩力学性质，基载比越小，传至地表的时间就越短，一般在几个小时至几天不等[8]。基载比为0.57的柠条塔煤矿N1201工作面初次来压后大约5h，地表就开始出现下沉[8]。覆岩运动传播速度如此之快，即便在正常观测频率条件下，也很难捕捉到地表超前影响的准确信息。在以往的研究中，地表沉陷与工作面来压大多是分开单独研究的，人们未深刻理解工作面来压(关键层破断)与地表变形之间存在的对应关系而往往忽视对超前影响的观测。因此，超前影响与工作面来压(关键层破断)同时报道的文献记录很少。本文介绍两个实例。

2.1 实例1

大柳塔煤矿52306工作面开采5-2煤层。工作面走向长度1284.8m，倾斜长度280.5m，煤层厚度7.2～7.6m，平均厚度7.35m，上覆岩层的厚度135～185m，煤层倾角1°～3°，52306工作面岩移监测孔平面布置如图2所示[14，15]。该工作面为综采工艺全部垮落法管理顶板。根据钻孔揭露岩性和力学参数，判定工作面覆岩中存在3个关键层，最上部的主关键层为厚度8.75m的粉砂岩。为研究覆岩运动和地表沉陷变形规律，在工作面地表沿走向和倾向各布置了两条观测线，工作面内部靠近回风顺槽一侧施工了DS1、DS2两个钻孔，其中DS1钻孔内安装了4个位移计用于监测岩层内部变形情况，位移计尽量靠近关键层位置，如图3所示[14]。

图2 52306工作面岩移监测孔平面布置

图3 52306工作面DS1钻孔内部岩移监测点布置

分析DS1钻孔内的位移计记录信息和地表观测站记录信息发现[14]，覆岩自下而上依次破断下沉直至地表，主关键层以下两个亚关键层破断下沉步调不同步，但主关键层破断后，所有测点直至地表测点下沉速度趋于一致，也就是说，全部岩层直至地表几乎与主关键层保持同步下沉。

地表沉陷观测结果显示[14]，超前影响距最大值、最小值分别为62.5m、34.8m，对应的超前影响角最小值、最大值分别为70.8°、79.1°。当覆岩主关键层破断时，超前影响距大大增加，超前影响角迅速变小。随着工作面的推进，超前影响距慢慢减小，超前影响角逐渐增大，直至覆岩主关键层的下一次周期破断。

对神东矿区大采高综采工作面矿压显现规律的研究成果显示[16]，5-2煤层综采工作面的周期来压步距为15.0～18.0m；以52306工作面为工程背景的物理相似模拟试验表明[17]，工作面的周期来压步距为9.0～22.5m。这与52306工作面超前影响距最大、最小值之差大体相等。

地表沉陷观测记录和钻孔内部位移监测记录以及神东矿区5-2煤层综采工作面矿压显现规律的总结成果和物理相似模拟试验成果证实本研究提出的观点是科学可靠的。

2.2 实例2

补连塔煤矿31401工作面开采1-2煤层。工作面走向长度4629m，倾斜长度265m，煤层平均厚度4.6m，采高4.2m，煤层倾角1°～3°，如图4所示[13，17]。该工作面为综采工艺，全部垮落法管理顶板。为研究覆岩运动和地表沉陷变形规律，在工作面地表沿走向和倾向各布置了一条观测线，工作面中部施工了S18钻孔，孔内安装了2个位移计用于监测岩层内部变形情况，其中1个安装在主关键层位置，另一个安装在主关键层上部50m处，如图5所示[13]。根据钻孔揭露岩性和力学参数，判定工作面覆岩中存在3个关键层，最上部的主关键层为厚度47m的粉砂岩。

图4 31401工作面岩移监测孔平面布置

图5 31401工作面S18钻孔内部岩移监测点布置

S18钻孔内的位移计记录信息和地表孔口观测点记录信息显示[17]，3个测点的下沉量有少许差异，但对应的下沉速度曲线出现完全一致的变化，周期性地同时达到最大值和最小值。

实测数据显示[17]，超前影响距最大值、最小值分别为76m、65m，对应的超前影响角最小值、最大值分别为75°、73°，当主关键层破断时，超前影响为最大值，超前影响角为最小值。这说明主关键层对地表移动的动态过程起控制作用，主关键层的破断引起地表下沉速度和下沉影响边界的明显增大和周期性变化。

对神东矿区大采高综采工作面矿压显现规律的研究成果显示[16]，1-2煤层周期来压步距普遍为9～14m。这与31401工作面超前影响距最大、最小值之差大体相等。

地表沉陷观测记录和钻孔内部位移监测记录以及神东矿区1-2煤层综采工作面矿压显现规律的总结成果再次证实本研究提出的观点是科学可靠的。

3 超前影响距(角)的影响因素分析

很多研究成果认为[18，19]超前影响距(角)受采动充分程度、煤层赋存条件、覆岩力学性质、工作面推进速度、重复采动等因素影响，超前影响距(角)是固定不变的常量。为此，很多学者通过对实测数据的回归分析建立了适合矿区特点的定量关系方程。例如有学者[20]分析东胜矿区的实测数据后认为，覆岩越坚硬、采深越大、工作面推进速度越快，超前影响角就越大，超前影响角与采深和推进速度之间的定量关系明显。机理分析和实例证实，超前影响距(角)是在最大值和最小值之间周期性变化的变量，变化周期与工作面周期来压步距大体一致。本文就影响超前影响距(角)变化的因素进行分析。

1)关键层性质与结构因素。关键层越厚、越坚硬，就越难破断，破断块度就越大。关键层破断后形成的“砌体梁”结构直接影响着其上覆岩层及地表下沉曲线形态特征。关键层破断块度越大，其对地表下沉曲线特征的影响越显著，关键层破断块度越短，地表下沉曲线越均化，越接近于正态分布[21]。覆岩中往往存在多个关键层，尽管亚关键层破断后的移动未波及地表，但亚关键层依次破断可以导致主关键层发生弯曲，进而弱化了主关键层对地表形态的控制性作用，多个关键层破断的耦合导致工作面来压步距表现出大小周期交替出现的非均值性，也会出现来压不明显的现象。主关键层的位置也影响其对地表形态控制性作用的大小，距离地表越近，影响程度越大，补连塔煤矿31401工作面主关键层至地表129m，大柳塔煤矿52306工作面主关键层距地表35m，因此，52306工作面主关键层的破断对超前影响距(角)的影响程度大于31401工作面[14]。

2)覆岩结构与力学性质因素。覆岩结构与力学性质是影响覆岩运动传播的重要因素，研究表明，基载比越小，覆岩断裂后的运动传播至地表的时间就越短[8]。松散层对超前影响距(角)的影响具有多重性，松散层的存在可以消化关键层的非均匀下沉[20]，中东部矿区大多存在一定厚度的松散层，这是难以观测到超前影响距(角)周期性变化的原因之一，但是松散层的存在加速了覆岩运动的传播速度，这是因为松散层的粘聚力很小，如果松散层是风积沙，覆岩破断后的运动可直接传播至地表[8]。

3)工作面推进速度因素。以往的研究成果视超前影响距(角)为常量，研究认为[18，19]推进速度越快，超前影响距就越小，超前影响角就越大。实际上，推进速度影响着关键层的破断，因而对工作面来压步距和地表超前影响距(角)造成影响。研究成果表明[21]，工作面推进速度越快，周期来压步距越大。这将对超前影响距(角)的变化周期构成影响。

4)观测频率与误差。地表下沉速度曲线不是平滑的曲线，而是呈现上下波动大小交替的现象，下沉速度峰值呈现周期性[9]。也就是说，在关键层先后两次破断的间隔期内，地表最前方的下沉点位置几乎没有变化。我国开展了大量的地表移动观测工作，迄今为止的公开文献显示，从没有对超前影响进行过专门的观测，而是在对观测站的日常观测时随机观测超前影响距2～3次，取均值最为最终结果。总体上，地表观测站的日常观测频率平均不足每月1次，地表活动的活跃期仅为每2个月3次。显然，日常观测的频率偏低，实测数据不是关键层破断(来压)时所采集，因此，也就无法捕捉到超前影响的准确数据，存在误差在所难免。

4 结 语

主观上人们没有深刻理解超前影响的本质，客观上，地质采矿条件的千变万化导致地表超前影响周期性变化不明显，同时地表观测常常发生漏测现象，因此，难有超前影响距(角)周期性变化的观测记录和成果分析的公开报道。通过机理分析可知，关键层周期破断与地表超前影响距(角)、工作面周期来压步距存在一一对应关系。当地质采矿条件稳定时，超前影响距最大值lmax与最小值lmin之差与关键层周期破断导致的周期来压步距lZ大体相等，即lmax-lmin≈lZ。实例证明本文的技术思想科学可靠。覆岩破坏既引发采场来压，也导致地表沉陷。本文的技术思想为探索实现采场来压与地表移动变形的有机统一提供了新的思路。随着矿压理论的不断发展完善，开采沉陷理论也将融入更多的新理念、新观点。