采后覆巖分帶模型及工程意義探討

呂玉廣，喬 偉，程建遠，崔 平

采后覆巖分帶模型及工程意義探討

呂玉廣1,2，喬 偉1，程建遠3，崔 平2

(1. 中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2. 內蒙古上海廟礦業有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 016299；3. 中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

采后覆巖力學狀態與頂板事故、頂板水害等直接相關，有必要對采后覆巖結構進行深入研究。提出了覆巖結構“新四帶”模型：垮落帶、裂隙帶、基巖離層帶、松散沖積層帶。結合前人的“三帶”模型、“四帶”模型進行了空間上對比分析，厘清了3種分帶模型的空間關系。重點從覆巖內含水層水位受采動影響、光纖探測、頂板淋水現象等幾個方面探討了“新四帶”模型的科學性，得出煤層上覆基巖內任何層段都可能產生離層裂隙(達到一定宏觀尺度時稱為離層空間)的結論。“三帶”主要用來校核采煤支架的額定工作阻力以及指導防隔水煤(巖)柱的設計；“四帶”可在一定程度上指導離層帶注漿工程實踐，但存在井下潰漿安全風險以及弱化“三帶”原有工程價值的缺點；“新四帶”傳承了“三帶”的工程意義，同時可有效指導頂板離層水害的防治。

采后覆巖；“三帶”模型；“四帶”模型；“新四帶”模型；工程意義；離層水害防治

20世紀60年代以前，我國對導水裂隙的研究基本處于概念化階段[1]；20世紀70年代以來，通過觀測孔來研究覆巖內導水裂隙帶高度，基于觀測孔中水位變化及水的漏失量等，區分有效和無效導水裂隙[2]；二十世紀八九十年代劉天泉院士提出的覆巖移動“三帶”模型，具有劃時代的意義，相關的經驗公式被寫入《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》(以下簡稱“三下”開采規范)，并且沿用至今。此后，國內學者圍繞巖層物理力學性質、巖層結構、采煤方法、采高、煤層賦存狀態等方向繼續探索?？涤廊A[3]提出減小開采高度可以降低導水裂隙發育高度的觀點；朱慶偉等[4]、王曉振等[5]認為導水裂隙的發育高度同時受到采高和覆巖關鍵層結構的影響；許家林等[6]、錢鳴高等[7]提出通過覆巖關鍵層位置來預計導水裂縫帶高度的方法；柴華彬等[8]提出基于 GA-SVR 的采動覆巖導水裂隙高度預測方法。上述研究成果均在“三帶”模型框架內展開，是對經驗公式的完善和補充。20世紀90年代，高延法[9]采用有限元數值模擬計算方法，通過位移反分析，提出“四帶”模型觀點，為離層帶注漿工程實踐提供理論基礎[10]。近年來，頂板離層水害多發，原有的分帶模型難以有效指導離層水害防治，筆者透過含水層水位受采動影響、光纖(纜)破斷、頂板淋水規律等工程實踐現象，分析認為采場上覆基巖內任何層段均可能產生離層。為區別于前人“四帶”觀點，筆者提出“新四帶”觀點；探討了3種分帶模型的空間關系及其工程意義，為離層水害防治提供理論依據。

1 采后覆巖分帶模型

1.1 “三帶”模型

根據覆巖變形破壞特征及其導水性能，將采場上覆巖層由下至上依次劃分為垮落帶、導水裂隙帶和彎曲下沉帶(圖1)。

垮落帶：位于覆巖的最下部，緊貼煤層。煤層采出后，上覆巖層失去平衡，直接頂板巖層開始垮落，并逐漸向上發展；垮落巖塊由于碎脹，體積較垮落前增大。

導水裂隙帶：位于垮落帶之上，由于巖層向下彎曲受拉，在裂隙帶內產生垂直或斜交于巖層的新生張裂隙，部分或全部穿過巖石分層，但其連續性未受破壞；巖層向下彎曲移動不同步引起沿層面產生離層裂隙。

彎曲下沉帶：基本上為整體移動，其下部在軟、硬巖層交替接觸處可出現離層，但離層與下伏導水裂隙帶不連通。

圖1 “三帶”模型

1.2 “四帶”模型

高延法[9]認為：地表松散層的沉降變形規律不同于基巖段，單獨劃分出松散層沉降帶；巖體的垮落與巖體內部產生裂隙，其本質都是物理損傷，故將垮落帶與導水裂隙帶合并稱為破裂帶。此外，運用有限元數據模擬方法，計算地表最大下沉量和最大水平移動量，所建立的本構方程為：

式中：u為巖層內任一點的位移；為外載荷；為材料的變形模量；x、y、z為第點的坐標；為泊松比；c為物體的體位移；1和2函數為與，，等無關的坐標點和時間的函數。

將模擬計算結果與現場實測值進行對比后發現：假定不考慮離層帶，則地面下沉盆地邊緣過長，拐點處傾斜值過小。破裂帶上覆巖層的離層是地表能夠充分下沉的先決條件，離層帶與彎曲帶之間存在滑動層面，彼此層面的水平移動是無關的。因此，應在彎曲帶下部單獨劃分出離層帶；表土層松散軟弱，其變形模量較小，內部不會產生離層。為此提出“四帶”模型觀點，包括破裂帶、離層帶、彎曲帶、松散沖積層帶(圖2)。

圖2 “四帶”模型

1.3 “新四帶”模型

煤層開采過程中，覆巖變形、破斷并形成大量裂隙，包括水平裂隙、順層裂隙、垂直裂隙和斜交裂隙等，沿巖層層理或層內順層方向拉開的裂隙稱為離層裂隙(簡稱離層)，當離層裂隙達到一定宏觀尺度時稱為離層空間[11-12]。

巖層間物理力學性質上的差異決定其下沉運動存在不協調性；既然從垮落帶巖層直至地表都有一個下沉運動過程，則煤層上覆基巖內任何層段上都可能產生離層。離層的產生是絕對的，離層宏觀尺度大小是相對的；低位基巖內離層裂隙發育程度可能優于高位基巖，但不宜在彎曲下沉帶的下部單獨劃出離層帶，故將裂隙帶上部基巖段統稱為基巖離層帶；松散層內不能產生離層，故單獨分為一帶。為區別于前人的“四帶”，稱為“新四帶”，即垮落帶、裂隙帶、基巖離層帶、松散沖積層帶(圖3)。

圖3 “新四帶”模型

上述3種分帶模型空間關系對比如圖4所示。當地表有松散沖積層時，將其單獨分帶本身意義不大，僅是為了突出覆巖內基巖部分，強調基巖內任何層段上都可能產生離層的特點。

圖4 3種分帶模型空間關系比較

2 “新四帶”模型劃分依據

2.1 含水層水位觀測

某礦開采侏羅系延安組煤層，從上至下地層為：第四系風積砂(厚度1.0～6.5 m /均厚2.7 m，下同)、古近系砂巖及泥巖互層(9.2～75.3 m/35.1 m)、白堊系砂礫及泥巖(106.5～261.7 m/153.8 m)、侏羅系延安組含煤巖系?；鶐r中砂巖為含水層，泥質巖層為隔水層。礦井為多煤層開采，其中8煤回采了111082、113082、113081、111084共4個工作面，15煤開采了114152 工作面。采場附近有Z1、G1兩個水文觀測孔，工作面及水文觀測孔相對位置見采掘工程平面圖(圖5)；工作面(煤層)與上覆含水層空間關系如圖6所示。

圖5 采掘工程平面

圖6 工作面(煤層)與含水層空間關系

1) Z1孔水位受采動影響

Z1觀測孔位于111084工作面切眼附近，觀測侏羅系直羅組下段砂巖含水層水位，該段砂巖俗稱“七里鎮砂巖”，富水性弱至中等。巖石單軸抗壓強度3.8～25.4 MPa，多小于6.0 MPa；軟化系數0～0.6，多小于0.3。選擇“三下”開采規范中的軟巖適用公式計算導水裂隙帶高度(表1)，計算結果表明，111084工作面的導水裂隙可以波及“七里鎮砂巖”，其他工作面的導水裂隙均波及不到上覆含水層。

根據Z1孔多年持續觀測的水位數據繪制水位歷時曲線(圖7)。111084工作面導水裂隙波及“七里鎮砂巖”突水，水位下降明顯，堵水后水位快速回升；其他4個工作面導水裂隙均波及不到該含水層，尤其是114152工作面上距“七里鎮砂巖”116.5 m，遠大于導水裂隙帶發育高度；回采過程中采空區無涌水，即含水層沒有水的損失。但各工作面回采過程均引起含水層水位有規律的變化，先是快速下降，隨后緩慢回升。

表1 工作面相關參數統計

圖7 Z1孔水位歷時曲線

2) G1孔水位變化

G1孔觀測白堊系下段礫巖含水層，該含水層富水性弱–中等。根據圖6，工作面(煤層)上距白堊系礫巖底界184～276 m。經計算，導水裂隙帶均波及不到白堊系含水層(表2)。

表2 工作面相關數據統計

根據G1孔持續多年觀測的水位數據繪制水位歷時曲線(圖8)。從圖8可以看出，每個工作面回采過程中白堊系水位均有明顯的響應，先是快速下降，然后緩慢回升，水位變化曲線似“√”。

Z1孔觀測直羅組下部約80 m層段的水位，說明8煤層頂板上方32～138 m的巖層受到采動影響；G1孔觀測白堊系底部約120 m層段的水位，說明15煤頂板上方184～396 m的巖層受到采動影響。由此得到如下結論：覆巖內低位、中高位及高位上均產生了離層裂隙；離層裂隙吸收了砂巖裂隙水，引起含水層水位暫時性快速下降；離層的發育、發展是一個動態演化過程，覆巖持續壓縮離層空間并趨于閉合，離層內匯集的水體在擠壓作用下最終回歸砂巖層內，這個過程是緩慢的，表現為水位緩慢回升并趨近于原始水位。

圖8 G1孔水位歷時曲線

2.2 光纖探測

2019年，在113082工作面上方(地表)預先施工一個鉆孔，終孔于8煤層，全孔取巖心并做力學測試。孔內安置一套特制光纖傳感器，包括金屬基索狀應變感測光纜(?=5 mm)、定點式應變感測光纜、GFRP傳感光纜(?=3.5 mm)、電法線纜(?=10 mm)，最后用水泥漿液封閉全孔。工作面回采至監測孔160 m時開始采集數據，直至工作面推過監測孔210 m時止，歷時43 d，共采集光纖數據44組。力學測試數據表明，天然狀態下，巖石單軸抗壓強度普遍小于20 MPa(圖10)，部分巖層甚至無法做成試塊，但也有抗壓強度較高的巖石。

在工作面距離監測鉆孔130.5 m時，孔內上部首先監測到拉應力變化，中下部則以壓應力為主；隨著工作面向監測鉆孔靠近，應力值逐漸增加，拉應力范圍向下延伸(圖9)，下部由受壓逐漸過渡為受拉。

工作面距離監測鉆孔61.0 m時，傳感線纜在孔深375 m處首次被拉斷(下部不再有監測數據)，最后一次破斷發生在工作面推過監測鉆孔36.5 m時，線纜共發生5次破斷(表3)。

線纜第1次破斷位置位于煤層頂板97.72 m處，顯然破斷點位于導水裂隙帶以上，此次探測可以得出如下結論：

(1) 在工作面到監測孔尚有一定距離時，孔內上部首先監測到拉應力，下部監測到壓應力。由于遠處煤層被采空，上覆巖層向采空區方向反轉，在高位基巖內產生拉應力，低位基巖則承受巖層反轉施加的壓應力。

圖9 工作面距離監測孔不同距離時的應力曲線

(2) 隨著工作面向監測孔靠近，低位巖層受到采場直接擾動，下部壓應力轉變為拉應力。雖然因為線纜破斷未能監測到下部完整的數據，可以推測工作面采過監測孔時，下部巖層受到的拉應力應該更為劇烈。

(3) 上述5次破斷位置均處于軟、硬巖層交界面附近(圖10中標黃色巖層)，說明巖性不同在同等應力作用下產生應變不同，這是離層產生的物理原因。

拉應力是產生離層的動力源，高位覆巖內首先監測到拉應力，且5次破斷均發生在導水裂隙帶以上，說明高位基巖內產生了離層。

2.3 頂板淋水現象

煤層頂板砂巖含有或多或少的裂隙水，采場經?？梢钥吹搅芩F象，且頂板淋水多出現在工作面下部端頭附近。根據山東濟寧、內蒙古上海廟等礦區頂板淋水情況統計數據(表4)，檢修班或因故停產期間，淋水區會從工作面下端頭向工作面中上部擴大，停產時間越長，淋水面積向上部擴大范圍越廣，可見淋水面積大小與工作面推進速度有關。

巖層在斷裂、垮落以前(超前于煤壁)向采空區方向彎曲、反轉，高位上產生順層裂隙(離層)。裂隙水從起動到進入采場過程可分為2個時間段，巖層斷裂以前滲流時間為1，巖層斷裂以后進入采場以前運動時間為2。在1時間內，裂隙水沿離層裂隙滲流；在2時間內，裂隙水一方面沿離層裂隙滲流，同時在遇到穿層裂隙時又會沿穿層路徑滲流，則沿著順層方向滲流總時間為1+2，沿著垂直于巖層面方向的滲流時間為2。由于2個方向上滲流時間不等，1+2恒大于2，因此，裂隙水優先到達采場下部以頂板淋水形式出現，水滲流路徑(時間)如圖11所示。可見，即便是在垮落帶內，在其變形、垮落過程中也曾出現過離層裂隙。

綜上，基巖任何層段上均可能產生離層，產生離層裂隙是絕對的，離層裂隙的宏觀尺度是相對的，可以合理推測下部基巖內離層裂隙較為發育，若在彎曲下沉帶的底部單獨劃出“離層帶”，則值得商榷。

3 工程意義探討

3.1 “三帶”模型工程意義

覆巖“三帶”結構模型的工程意義主要體現在指導防隔水煤(巖)柱設計、校核采煤支架的工作阻力等。

(1) 當煤層頂板存在富水性中等及以上間接充水含水層，又不易疏干或疏干不經濟時，需要留設防隔水煤(巖)柱，防隔水煤(巖)柱的高度必須滿足下式：

表4 采煤工作面頂板淋水情況統計

圖11 水滲流路徑(時間)分布

由于地層結構的復雜性、物理力學性質各向異性、各層異性，精準探測“兩帶”高度在實踐中是很困難的。為了確保隔水煤(巖)柱有效的隔水性，通常在垮落帶、導水裂隙帶之上應再增加一定的隔水層厚度，即通常所說的保護層。

(2) 采煤支架額定工作阻力必須適應采場圍巖條件，支架工作阻力過小，容易在生產中發生切頂壓架事故，甚至引起頂板突水等連鎖反應。支架額定工作阻力必須滿足下式：

式中：g為支架額定工作阻力，kN/m2；為最大采高，m；為上覆巖層平均容重，kN/m3；為支架控頂面積，m2；為采高倍數。

應用式(3)時以垮落帶高度與采高成倍數關系為前提，垮落帶巖層的重量全部由采煤支架承擔。

3.2 “四帶”模型工程意義

為了減少地面下沉量、減輕地表變形量，保護地面建筑，從20世紀90年代開始，向采后覆巖內高壓灌注粉煤灰、黏土、水泥漿液或復合漿液的注漿工程在全國多地都有開展；近年在環境保護要求下，將煤矸石球磨后制成漿液作為充填材料以消化煤矸石為主要目的的工程在山東省、內蒙古自治區等地均有嘗試。“四帶”模型一度被用來指導離層帶注漿，抓住離層帶的有利空間提高漿液注入量。

但“四帶”模型沒有給出離層帶的計算方法或量化判據。離層帶鄰近導水裂隙帶，在此層段內實施高壓注漿存在著潰漿的安全風險，實踐中均在裂隙帶上方保留至少60 m的隔漿巖層，即注漿層段與所謂的離層帶在空間上并不對應；同時，“四帶”將垮落帶與導水裂隙帶合并為破裂帶，弱化了“三帶”模型原有的工程意義。

3.3 “新四帶”模型工程意義

“新四帶”與“四帶”在基巖內存在離層、表土松散層變形機理與基巖變形機理不同等觀點上是一致的，但“新四帶”認為離層可能產生在基巖的任何層段上。“新四帶”傳承了垮落帶、導水裂隙帶的觀點，使“三帶”原有的工程意義得以強化，同時還可以指導離層水害的防治。

離層水害需要同時具備4個條件[13]：富水性(水源)條件、導水通道條件、匯水時間條件、離層空間條件。離層空間所在的圍巖必須具備一定的富水性，通過一定時間的滲透匯集才可以在離層空間內形成自由水體，富水性越好所需要的匯水時間越短，這是發生離層水害的物質基礎。缺少導水通道條件，離層水體無法潰入采場，而采礦擾動形成的導水裂隙是其必然的導水通道，斷層或其他劣化巖層完整性的構造只會破壞離層空間的封閉性，開放的離層空間無法匯集水源。

關于離層水害的突水通道，有學者認為多煤層開采對頂板重復擾動使導水裂隙上延[14]而導水；有學者認為離層水體下方相對隔水層可視為板狀隔水巖梁，在離層水體重力作用下，隔水巖梁破斷而突水，即“靜水壓涌”觀點[15-17]；也有學者認為采煤支架工作阻力不足，導致“壓架切頂”形成貫通性導水裂隙[18-19]；導水裂隙發育高度一方面受關鍵層控制[20]，一方面又隨著采高變化而呈臺階式發育。筆者認為，導水裂隙是基于巖體損傷和導水性而作出的定義，導水裂隙帶高度是特定的開采條件下導水裂隙能夠發育的最大高度，任何形式下的巖體破斷，只要破斷產生的裂隙具備導水能力，均應歸入導水裂隙范疇。因此，上述關于離層水害突水通道的各種觀點均無法回避導水裂隙這個關鍵點，導水裂隙是離層水害必然的導水通道。

可以合理推測，高位覆巖內的離層空間雖然具備匯水時間條件，因缺少導水裂隙這個導水通道條件，無法形成離層突水(如圖12的離層1)；低位覆巖內形成的離層裂隙很快會被導水裂隙“刺穿”，即不具備匯水的時間條件，無法在短時間內匯集一定量的水體，通常表現為采空區涌水(如圖12的離層3)；導水裂隙帶頂部附近的離層匯水時間相對較長，即具備匯水時間條件；同時具備導水通道條件。綜上可以得出結論：只有位于導水裂隙帶頂部附近的離層空間才能形成離層水害(如圖12的離層2)。得出的這個結論很重要，為離層水害的防治提供了靶域。

圖12 覆巖離層與導流管

以下2種措施可有效防范離層水害的發生：

1) 疏干開采

疏干措施是改變地層富水性條件，使得離層空間形成后因水源不足難以在一定時間內形成離層水體，疏干高度以“新四帶”模型為指導，即導水裂隙帶高度，在工作面上方及其附近形成疏干區(對應導水裂帶高度)、半疏干區(對應保護層厚度)、未疏放區(圖13)。在工作面上下2條巷道內施工放水孔，按“雙層雙向扇形”布孔法，向煤層頂板施工鉆孔疏放水，鉆孔均終孔于導水裂隙帶頂界附近。

圖13 疏干范圍(剖面)

2) 預設導流管

由于地層沉積結構的復雜性和力學性質的各向異性，難以準確預測離層水害發生的時間、地點，根據“只有位于導水裂隙帶頂部附近的離層才可能發生離層水害”的觀點，可以預先埋設導流管，只要出現離層水體即可及時導出，不至于瞬時潰入采場(圖12)。

具體做法是在工作面下巷內每隔100 m左右施工鉆孔并安裝1根導流管，直達導水裂隙帶頂端附近。導流管前部做成花管便于導水，后部可為實管。

4 結論

a.覆巖內任何層段上均可能產生離層裂隙，產生離層裂隙是絕對的，離層裂隙宏觀尺度大小是相對的，下部離層的發育程度可能會優于上部，但絕不限于彎曲下沉帶的下部；覆巖下沉運動是產生離層的動力源，物理力學性質的差異性控制著離層裂隙產生的空間位置。

b.“三帶”模型的工程意義主要在于指導防隔水煤(巖)柱設計和校核綜采支架的工作阻力；“四帶”模型中單獨劃分的離層帶為離層注漿工程實踐提供了理論指導，但存在潰漿的安全風險，同時弱化了垮落帶和導水裂隙帶原有的工程應用價值。

c.“新四帶”模型傳承了“三帶”模型原有工程應用價值，“新四帶”關于“只有位于導水裂隙帶頂部附近的離層空間才能發生離層水害”的觀點，使離層水害的防治能夠做到有的放矢，是對“三帶”觀點的拓展和補充。

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Discussion on overburden zoning model after mining and its engineering significance

LYU Yuguang1,2, QIAO Wei1, CHENG Jianyuan3, CUI Ping2

(1.,,221116,;Inner Mongolia Shanghai Temple Mining Co. LtdOrdosChina. Xian Research Institute Co. LtdChina Coal Technology and Engineering Group CorpXianChina

The mechanical state of overburden after mining is directly related to roof accidents and roof water disasters, so it is necessary to study the overburden structure after mining. The “New Four Zones” model of overburden structure is proposed: caving zone, fracture zone, bedrock separation zone and loose alluvium zone. Combined with the previous “Three Zones” model and “Four Zones” model, this paper makes a spatial comparative analysis to clarify the spatial relationship of the three zoning models. It discusses the scientific nature of the “New Four Zones” model in terms of the influence of mining on water level of the aquifer in the overlying strata, optical fiber detection, roof water drenching, etc., and comes to the conclusion that any interval in the overlying bedrock of the coal seam may produce separation fissures(called separation spaces when reaching a certain macro scale). The “Three Zones” model is mainly used to check the rated working resistance of coal mining supports and to guide the design of water proof coal(rock) pillars. The “Four zones” model can guide the grouting engineering practice in the separated zone to a certain extent, but it has disadvantages of the safety risk of underground grouting and weakening the original engineering value of the “Three Zones” model. The “New Four Zones” model builds on the engineering significance of the “Three Zones” model, and can effectively guide the prevention and control of roof separation water disaster.

overburden after mining; “Three Zones” model; “Four Zones” model; “New Four Zones” model; engineering significance; prevention and control of separated layer water disaster

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語音講解

TD713

A

1001-1986(2021)05-0147-09

2021-05-01；

2021-06-13

內蒙古自治區科技計劃項目(2020GG0291)；鄂爾多斯市2019年度科技計劃資助項目

呂玉廣，1969年生，男，江蘇宿遷人，博士研究生，研究員，從事煤礦水害防治與技術管理工作. E-mail：lvyg691208@126.com

喬偉，1984年生，男，山東蒙陰人，博士，教授，博士生導師，從事水文地質與工程地質科研與教學工作. E-mail：qiaowei@cumt.edu.cn

呂玉廣，喬偉，程建遠，等. 采后覆巖分帶模型及工程意義探討[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(5)：147–155. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.016

LYU Yuguang，QIAO Wei，CHENG Jianyuan，et al. Discussion on overburden zoning model after mining and its engineering significance[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(5)：147–155. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021. 05.016

(責任編輯 周建軍)