采動覆巖高位離層演化特征及涌（突）水前兆信息研究

喬 偉，趙世隆，李連剛，甘圣豐，江傳文，劉夢楠，張 磊，段玉路

（1.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；2.礦山水害防治技術(shù)基礎(chǔ)研究國家級專業(yè)中心實驗室，江蘇 徐州 221116；3.陜西金源招賢礦業(yè)有限公司，陜西 寶雞 721599；4.安徽省水利水電勘測設(shè)計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

我國侏羅系煤田主要集中在陜北、神東、黃隴、蒙東等國家大型煤炭開發(fā)基地，2020 年預計產(chǎn)量達到18.1 億t，占全國的近50%［1-2］。 近年來，我國西北地區(qū)侏羅系厚及特厚煤層的開采引發(fā)的水害呈現(xiàn)一些新特點，主要表現(xiàn)為工作面強烈的礦壓顯現(xiàn)伴隨高位白堊系含水層大流量涌水突水，突水具有瞬時量大、衰減較快，且具有周期性特征等。 如黃隴煤田彬長礦區(qū)大佛寺煤礦40110 工作面發(fā)生涌水量200 m3/h 以上的洛河組含水層涌（突）水10 次；永隴礦區(qū)崔木煤礦21301 工作面回采期間發(fā)生12 次壓架突水事故，壓架伴隨涌水，洛河組底部離層水最大涌水量1 100 m3/h，導致90 臺支架壓架。 周期性突水水源主要來自白堊系巨厚含水層與其下伏的侏羅系軟弱泥質(zhì)巖層易形成高位離層積水。

在覆巖高位離層發(fā)育和離層水害方面，國內(nèi)外學者開展了相關(guān)理論和實踐研究。 謝憲德［3］從水量、水質(zhì)、突水機理和離層裂隙分布規(guī)律等方面分析了南桐煤礦離層裂隙水突水特征。 喬偉等［4］分析了海孜礦離層突水條件和發(fā)生機理，提出“動力突水”的概念，對突水通道的形成進行了力學定量分析。 朱衛(wèi)兵等［5］通過工程探測和理論分析，認為巨厚火成巖下封閉的離層區(qū)積水的荷載傳遞作用導致下部亞關(guān)鍵層發(fā)生復合破斷，使得頂板導水裂縫帶異常發(fā)育，溝通了離層區(qū)積水。 針對濟寧二號井的離層水問題，喬偉等［6］提出離層水“靜水壓涌（突）水”的離層水涌（突）水類型，這類離層突水的關(guān)鍵是確定采場頂板離層水的靜水壓力及其可突破的相對隔水層厚度。 張鑫等［7］通過三維地震對離層發(fā)育層位及分布范圍進行探測，依據(jù)薄板彈性理論，通過計算離層上下位巖層板的撓度差來預計離層體積。 舒宗運［8］等利用尖點突變模型解釋離層關(guān)鍵層破斷的能量躍遷方式，提出“壓裂”和“劈裂”2 種離層突水模式。 國外學者開展了覆巖破壞模型、覆巖破壞高度實測和采動覆巖垂直方向滲透性等內(nèi)容的研究［9-13］。 PALCHIK［14］在覆巖地層中定位離層，揭示了煤層厚度、離層發(fā)育位置、覆巖厚度等因素對水平裂縫的影響，并研究了離層空間上、下巖層的力學性能差異。 彭濤等［15］針對黃隴煤田照金煤礦突水潰砂事故，從導水通道、充水水源、物源、儲水空間、動力源和地質(zhì)構(gòu)造等多方面對該類型災(zāi)害機制進行綜合分析。 石磊［16］通過離散元顆粒流PFC3D軟件模擬弱膠結(jié)覆巖條件下不同采厚情況下發(fā)生潰水潰沙的可能性。

1）崔木煤礦為招賢煤礦的鄰近礦區(qū)，二者都屬于永隴礦區(qū)，煤層開采條件相似，在離層水研究方面可以相互借鑒。 林青等［17］采用數(shù)值計算對崔木煤礦煤層頂板涌（突）水與水位聯(lián)動機制、離層發(fā)育位置和覆巖導水裂縫帶發(fā)育高度進行了研究。 喬偉等［18］分析了崔木煤礦巨厚煤層離層水的形成條件，設(shè)計地面直通式導流孔對離層積水進行有效疏放，并研究了采高和離層水突水的關(guān)系以及工作面推進速度與離層空間積水量的關(guān)聯(lián)性。 婁金福等［19］圍繞崔木煤礦松軟富水地層覆巖破斷與頂板來壓特征、離層水致災(zāi)機理及災(zāi)害預警防控開展了現(xiàn)場跟班實測與理論研究。 雷利劍等［20］利用Theis 公式建立崔木煤礦了洛河組水位動態(tài)恢復模型，對突水造成的水位下降和恢復時間進行預計。 程香港等［21］以招賢煤礦為例提出了修正后的三維采動裂隙應(yīng)力-滲流網(wǎng)絡(luò)計算模型，分析了覆巖采動滲透率的動態(tài)變化規(guī)律。 甘圣豐等［22］對招賢煤礦1307 工作面頂板的涌水量進行了預測，計算出靜儲量，給出了離層積水均勻下泄時的涌水量計算方法和公式，通過比擬法確定了災(zāi)變涌水量。

2）招賢煤礦1307 工作面回采期間工作面未出水，但宜君組含水層水位出現(xiàn)4 次異常降深的情況，而1304 工作面接連出現(xiàn)“3·29”“5·6”和“7·1”三次離層涌（突）水。 筆者采用理論分析、數(shù)值模擬、物理模擬、開采期間水位及微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究招賢煤礦首采區(qū)白堊系巨厚層含水層與侏羅系軟弱泥質(zhì)巖層形成的高位離層發(fā)育規(guī)律，分析離層涌（突）水前兆信息，為防治侏羅-白堊系采動覆巖離層涌水提供依據(jù)。

1 首采區(qū)工作面概況

招賢煤礦位于陜西省寶雞市麟游縣西北部，1307 工作面及首采面位于招賢煤礦首采區(qū)東南翼，屬隴東黃土高原南部邊緣地帶。 1307 工作面開采煤層為侏羅系中統(tǒng)延安組3 煤，該煤層傾角3°～17°，平均傾角9°，煤厚為4.00 ～15.00 m，平均厚度10.33 m。 工作面起止標高+760—+879 m，工作面走向長1 108 m，開切眼傾向?qū)?55 m； 1304 工作面位于招賢煤礦首采區(qū)西北部，為1307 工作面的接替面，煤層傾角5°～22°，平均傾角14°，3 煤厚為7 ～16 m，平均厚度11 m。 工作面起止標高+746—+965 m，工作面走向長1 680 m，傾斜寬186 m。 招賢煤礦首采區(qū)地質(zhì)平面如圖1 所示。

圖1 招賢煤礦首采區(qū)地質(zhì)平面圖Fig.1 Geological profile of initial mining area in Zhaoxian Coal Mine

招賢煤礦地層由老至新依次有：三疊系中統(tǒng)銅川組（T2t），侏羅系下統(tǒng)富縣組（J1f）、中統(tǒng)延安組（J2y）、直羅組（J2z）、安定組（J2a），白堊系下統(tǒng)宜君組（K1y）、洛河組（K1l），新近系（N）及第四系中-上更新統(tǒng)（Q2+3）、全新統(tǒng)（Q4）。

由圖1 可知，招賢煤礦首采區(qū)3 煤頂板以上覆含（隔）水層由下往上分別為侏羅系延安組砂巖裂隙含水層（J2y）、侏羅系直羅組砂巖裂隙含水層（J2z）、侏羅系安定組泥巖隔水層（J2a）、白堊系宜君組礫巖裂隙含水層（K1y）、白堊系洛河組砂巖孔隙裂隙含水層（K1l）。 侏羅系中統(tǒng)延安組煤層及頂板砂巖裂隙含水層（J2y）單位涌水量0.000 34～0.003 76 L/（s·m），滲透系數(shù)0.000 576～0.021 96 m/d，富水性弱。 侏羅系中統(tǒng)直羅-安定組砂巖裂隙含水層（J2z）單位涌水量0.000 18～0.009 5 L/（s·m），滲透系數(shù)0.000 481 ～0.062 58 m/d，富水性弱。 白堊系下統(tǒng)宜君組礫巖裂隙含水層（K1y）單位涌水量0.006 1 ～0.037 96 L/（s·m），滲透系數(shù)0.002 951～0.05 m/d，富水性弱。 白堊系洛河組砂巖孔隙裂隙含水層（K1l）單位涌水量0.000 31～0.003 87 L/（s·m），滲透系數(shù)0.001 812～0.006 500 m/d，富水性弱。 其中安定組中泥巖含量較高，可以劃分為3 個巖組：泥巖-粉砂巖互層、泥巖-細砂巖互層和泥巖-粉砂巖互層，泥巖作為隔水層能夠阻隔其上部含水層向下補給，另外泥巖遇水崩解軟化，重新彌合后可使因煤層采動形成的導水裂隙彌合。

2 高位離層關(guān)鍵層判斷

在煤系地層中存在一層或多層硬厚巖層對采場上覆巖層活動起控制作用，其中對采場上覆局部巖層起控制作用的巖層被稱為亞關(guān)鍵層；對地表至煤層頂板的全部巖層活動起控制作用的巖層被稱為主關(guān)鍵層［23］。 煤層開采后形成采空區(qū)，采空區(qū)上覆巖層下沉變形，在關(guān)鍵層下沉變形的過程中承受上覆巖層載荷，與其上覆巖層協(xié)調(diào)變形，而其下部巖層不再承擔它所承受的荷載，關(guān)鍵層與其下部巖層出現(xiàn)不協(xié)調(diào)變形產(chǎn)生離層［24］，可得

式中：qn、qn+1分別為第n、n+1 層巖層對第1 層關(guān)鍵層形成的荷載。

若將采場上覆巖層看成由若干組巖層疊加組合而成，且各巖層上的荷載呈均勻分布，根據(jù)組合梁原理可得

式（2）可簡化為

式中：Ei、hi、γi分別為第i層巖層彈性模量、厚度、容重。

根據(jù)首采區(qū)地層資料，按照工程地質(zhì)巖組將覆巖進行合并，并通過覆巖關(guān)鍵層理論判別關(guān)鍵層［25］，判別結(jié)果見表1。

表1 招賢首采區(qū)關(guān)鍵層判別Table 1 Discrimination of key stratum in first mining area of Zhaoxian Coal Mine

3 煤的直接充水含水層為侏羅系延安組煤系裂隙含水層及直羅組砂巖裂隙含水層，但其覆巖發(fā)育有巨厚宜君組礫巖含水層，工作面推進過程中，其與下方安定組泥巖分界面處由于撓度差異易產(chǎn)生不協(xié)調(diào)沉降，形成一定的離層空間，離層空間接受宜君組巨厚礫巖含水層補給形成離層積水。 隨著開采面積擴大，覆巖變形和破壞更加劇烈，可能會形成一定規(guī)模的離層積水。

3 覆巖離層模擬分析

3.1 相似模擬

3.1.1 相似模型布置

根據(jù)招賢煤礦實際工程地質(zhì)條件，制作相似模擬試驗。 相似模擬試驗遵循相似三定理理論，應(yīng)滿足幾何相似、運動相似、邊界相似及對應(yīng)物理量成比例的要求［26］。 基于研究對象及試驗條件，本次物理模擬試驗相似模型采用2 500 mm×300 mm×2 000 mm 相似模擬試驗臺搭建模型，幾何相似比CL＝300，時間相似比Ct＝17.32，模型相似材料密度約1.60 g/cm3。 本試驗選用抗壓強度作為原型和模型相似的主要指標，根據(jù)巖層與煤層相似關(guān)系計算應(yīng)力比分別得：CσR＝473，CσC＝249。

受限于實驗室相似模擬試驗臺，本次相似模擬試驗相似模型的研究區(qū)選取的工程地質(zhì)單元從宜君組中礫巖頂界面到煤層下延安組粉砂巖底界面，實際厚度為465 m，模型厚度為1.55 m。 研究區(qū)以上巖土體產(chǎn)生的應(yīng)力采用荷載補償裝置加載，荷載大小7.2 kN。 相應(yīng)的覆巖模型物理力學參數(shù)見表2。

表2 覆巖模型物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of overburden mode

為了消除邊界效應(yīng)的影響，在模型兩側(cè)留設(shè)30 cm煤柱，在模型右側(cè)開切眼，從右向左推進，采高4 cm，每次向右推進10 cm，每次開挖一次靜置1 h，相當于原型一次采全高11 m，后期可適當增大開挖距離，模型穩(wěn)定后及時采集數(shù)據(jù)，再進行下一次的開挖。

3.1.2 相似模擬結(jié)果

物理模型開挖由右向左，在開挖初期，由于開挖距離未達到巖層破斷距，覆巖無明顯變化，模型暫時處于穩(wěn)定狀態(tài)，裂隙發(fā)育不明顯。 模型開采50 cm（對應(yīng)實際150 m）時，煤層頂板上延安組細砂巖出現(xiàn)橫向裂隙，并發(fā)生垮落，垮落巖層高度7 cm（對應(yīng)實際21 m）。 模型開采70 cm（對應(yīng)實際210 m）的模型破壞情況（圖2a），直羅組粉砂巖與安定組粗砂巖之間出現(xiàn)離層，離層最大寬度48 cm（對應(yīng)實際144 m），離層空間最高點距離煤層頂板26 cm（對應(yīng)實際78 m），此時開切眼側(cè)巖層破斷角74°，推進側(cè)巖層破斷角61°。

圖2 模型開采70 cm 和130 cm 時的覆巖破壞Fig.2 Overburden failure when working face advanced distance 70 cm and 130 cm

工作面推進100 cm 時（實際300 m），直羅組粉砂巖與安定組粗砂巖之間的離層閉合；安定組中部產(chǎn)生了新的離層，離層最大寬度65 cm（實際195 m），此時開切眼側(cè)巖層破斷角80°，推進側(cè)巖層破斷角66°。 覆巖中可見八字形縱向主導水裂隙，橫向裂隙發(fā)育早于縱向裂隙，此時縱向主導水裂隙尚未與離層空間貫通。

工作面推進110 cm 時（實際330 m），安定組中部離層最大寬度仍為65 cm（實際195 m），而安定組與宜君組之間出現(xiàn)了新的離層空間，但縱向裂隙尚未突破安定組中部的離層空間。 工作面推進130 cm時（實際390 m），安定組與宜君組之間的離層擴大，離層最大寬度69 cm（實際234 m），離層空間最高點距離煤層頂板82 cm（實際246 m），此時開切眼側(cè)巖層破斷角81°，推進側(cè)巖層破斷角60°（圖2b），安定組亞關(guān)鍵層初次極限破斷距和周期破斷距分別為38、32 cm，即實際的114、96 m。

3.2 數(shù)值模擬

3.2.1 計算模型建立

根據(jù)招賢首采區(qū)實際情況建立數(shù)值模型（圖3）。

圖3 離散元數(shù)值計算模型Fig.3 Discrete element numerical model

通過招賢首采區(qū)綜合柱狀圖劃分出12 個工程地質(zhì)巖組，各地層參數(shù)參照相似模擬試驗，節(jié)理參數(shù)見表3。 模型長度為1 200 m，寬度300 m，高度為465 m，煤層底板為18 m 厚粉砂巖，模型按各巖層水平處理。 模型上邊界為宜君組中礫巖頂界面，在模型上邊界施加1.177 MPa 豎向荷載模擬上覆巖層的作用，模型左邊界、右邊界和下部邊界視為位移為0的約束邊界，模型頂部為自由邊界。 考慮到邊界效應(yīng)，將開挖模型設(shè)置在模型中部，開切眼設(shè)置在距離右邊界200 m 處，向模型左側(cè)開挖，采高11 m，共推進800 m，兩邊設(shè)置足夠的保護煤柱。

表3 節(jié)理力學參數(shù)Table 3 Joint mechanical parameters

3.2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

工作面推進50 m 時，直接頂隨即開始垮落，由于煤柱支撐作用，基本頂暫未有明顯裂隙。 ①工作面推進100 m 后（圖4a），直接頂繼續(xù)垮落，第3 層延安組細砂巖與第4 層延安組泥巖之間出現(xiàn)離層，離層最大寬度59 m，高度0.8 m。 工作面推進200 m時，第3 層延安組細砂巖與第4 層延安組泥巖之間的離層閉合；第4 層延安組泥巖與第5 層直羅組粉砂巖之間產(chǎn)生明顯的橫向離層空間；②工作面推進250 m 時（圖4b），第4 層延安組泥巖與第5 層直羅組粉砂巖之間的離層空間閉合；新的離層出現(xiàn)在第5 層直羅組粉砂巖與第6 層安定組粗砂巖之間，離層最大寬度138 m，高度5.4 m，在離層空間之上則發(fā)育有。 工作面推進300 m 時，第5 層直羅組粉砂巖與第6 層安定組粗砂巖之間的離層擴大；第10 層安定組粉砂巖與第11 組宜君組礫巖之間產(chǎn)生新的離層；第7、8、9 層都為泥巖，巖層之間參數(shù)指標相似，整體巖性軟弱，不具備“空腔型”離層產(chǎn)生的條件，因此未見明顯離層發(fā)育。

圖4 工作面推進100 m 和250 m 時覆巖破壞Fig.4 Overburden failure when working face advanced distance 100 m and 250 m

工作面推進到400 m 時（圖5a），第5 層直羅組粉砂巖與第6 層安定組粗砂巖之間的離層閉合；第10 層安定組粉砂巖與第11 層宜君組礫巖之間的離層擴大。 此時左右兩側(cè)巖層破斷角分別為72°和71°。 第10 層安定組粉砂巖巖層初次破斷距為131 m，周期破斷距119 m。 工作面推進到600 m 時，第10 層安定組粉砂巖與第11 層宜君組礫巖之間的離層發(fā)育到最大，宜君組內(nèi)部第11 層與第12 層之間開始出現(xiàn)離層，覆巖充分運動后，其下部離層空間逐漸彌合，壓實區(qū)范圍逐漸擴大。 工作面推進到800 m 時（圖5b），宜君組內(nèi)部高位離層空間擴大，安定組與宜君組礫巖之間離層在橫向上擴大，高度減小，其下部巖層充分運動后，壓實區(qū)不斷增大。 此時左右兩側(cè)巖層破斷角分別為70°和72°。

圖5 工作面推進400 m 和800 m 時覆巖破壞Fig.5 Overburden failure when working face advanced distance 400 m and 800 m

運用MATLAB 對覆巖破壞切片圖進行識別提取，構(gòu)建覆巖主控裂隙概念模型（圖6）。 在水平開采條件下，在對稱梯形破壞區(qū)中最大橫向高位離層位于其頂部，橫縱裂隙網(wǎng)格與主控裂隙并存。 根據(jù)梯形破壞區(qū)整體裂隙發(fā)育類型將覆巖破壞分為6 個區(qū)域：1 離層區(qū)位于梯形破壞區(qū)右下開切眼側(cè)，巖層的垮落回轉(zhuǎn)形成較為明顯的橫向裂隙；2 離層區(qū)與1離層區(qū)對稱，區(qū)域內(nèi)離層相對較小，隨著工作面推進不斷更新前移；3 壓實區(qū)位于采空區(qū)中部，由于壓實作用區(qū)域內(nèi)橫向裂隙幾乎不發(fā)育，縱向裂隙發(fā)育也較少；4、5 微離層區(qū)位于梯形破壞區(qū)兩側(cè)，由于采空區(qū)空間一定，離層區(qū)由煤層頂向上逐級發(fā)育，巖層的破斷導致巖石碎脹，上層離層的發(fā)育空間逐級減少，離層發(fā)育規(guī)模較小，屬微離層區(qū)；6 裂隙網(wǎng)格區(qū)位于“富裂隙拱”之上，區(qū)域內(nèi)以橫縱裂隙網(wǎng)格為主，裂隙密集但規(guī)模較小。 覆巖主控裂隙由縱向主導水裂隙和橫向高位離層裂隙（空間）組成，縱向主導水裂隙呈八字形對稱分布，覆巖層位的增高使得縱向主導水裂隙逐漸變陡。

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

4 高位離層演化規(guī)律與突水前兆信息

4.1 高位離層演化模擬結(jié)果

對比相似材料模擬試驗結(jié)果與數(shù)值模擬試驗結(jié)果，得到的覆巖主控裂隙發(fā)育研究規(guī)律基本一致。在煤層開采過程中，一般來說橫向裂隙先發(fā)育，縱向裂隙后發(fā)育，橫向裂隙的增大會促進縱向裂隙的發(fā)育，直到整個巖層破斷，產(chǎn)生大量縱向裂隙。 隨著工作面不斷推進，形成采空區(qū)，覆巖下沉變形破壞，由于巖層之間的不協(xié)調(diào)變形，橫向離層由下到上逐層發(fā)育，當推進距離達到巖層破斷距，巖層破斷后產(chǎn)生縱向裂隙；覆巖運動伴隨離層的發(fā)育，由采動引起的覆巖運動促進離層的擴容，覆巖充分運動后離層逐漸彌合形成壓實區(qū)；工作面開切眼、推進方向上方的巖層，橫、豎向裂隙發(fā)育較密集，這是由于覆巖破斷巖塊之間咬合結(jié)構(gòu)未完全破壞，對巖塊提供支撐能力。

通過數(shù)值模擬和相似模擬預計了安定組亞關(guān)鍵層3 的極限破斷距和周期破斷距，2 種方法得到的亞關(guān)鍵層破斷距匯總見表4。 采用數(shù)值模擬和物理模擬的平均值，分別對工作面推進過程中離層水害威脅較大的區(qū)域進行預計見表5。 通過對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過數(shù)值模擬和物理模擬計算得出的亞關(guān)鍵層破斷位置與經(jīng)過實測分析基本一致。

表4 招賢煤礦首采工作面亞關(guān)鍵層破斷距對比Table 4 Comparison of breaking distance of sub key strata in innitial mining area of Zhaoxian coal mine

表5 招賢煤礦首工作面亞關(guān)鍵層破斷位置預測Table 5 Prediction of sub key layer breaking position of working face in nitial mining area of Zhaoxian coal mine

4.2 高位離層演化的含水層水位響應(yīng)

招賢煤礦1307、1304 工作面開采期間水位變動與微震異常與侏羅-白堊系采動覆巖高位離層演化存在聯(lián)系，將含水層水位變動、微震監(jiān)測異常作為離層涌（突）水前兆信息，指導礦井安全高效生產(chǎn)。

4.2.1 1307 工作面

1307 工作面開采期間附近共有3 個水文長觀孔，分別記作G1、G2 和G3，3 個孔水位監(jiān)測孔的目的層位宜君組含水層。 隨著1307 工作面的推進，觀測孔水位總體呈下降趨勢如圖7 所示。 根據(jù)G1 和G2 孔水位變化曲線，G1 和G2 孔水位下降異常區(qū)具有一致性，G2 孔在采掘過程中距離工作面較近，作為預計的主要的參照對象。 對G2 孔幾個異常區(qū)間進行匯總，工作面推進范圍分別為307.9 ～324.9、332.9～382.2、672.6 ～687.0 和1091.2 ～1119.4 m，其降深分別為3.35、3.16、5.57、6.10 m。 微震監(jiān)測設(shè)備在2018 年8 月12 日—12 月18 日期間出現(xiàn)故障，造成部分數(shù)據(jù)缺失。

圖7 1307 工作面微震-水位聯(lián)動分析Fig.7 Analysis of micro seismic water level linkage in No.1307 working face

煤層開采過后形成采空區(qū)，覆巖自下而上逐漸變形破壞，上層覆巖產(chǎn)生高位橫向裂隙形成離層空間。 在2018 年2 月8 日—16 日，工作面推進距離為307.9～324.9 m，G2 孔水位出現(xiàn)第1 次異常降深，且在2018 年2 月13 日出現(xiàn)微震大能量事件（在1307 工作面開采過程中微震能量大于2×104J），此時符合宜君組下亞關(guān)鍵層在297 m 附近發(fā)生破斷的預測。 根據(jù)覆巖模擬結(jié)果，在工作面推進300 m 附近，宜君組下伏亞關(guān)鍵層破斷，宜君組礫巖與安定組粉砂巖之間開始出現(xiàn)離層，離層空間拉開，離層開始接受上覆宜君組層補給，造成含水層水位下降。

在2018 年2 月23 日—3 月9 日，工作面推進距離為332.9～382.2 m，G2 孔水位出現(xiàn)第2 次異常降深，在此期間微震監(jiān)測較為正常，宜君組下伏亞關(guān)鍵層在發(fā)生第一次破斷后，亞關(guān)鍵層下伏巖層充分運動后，亞關(guān)鍵層開始回轉(zhuǎn)，離層空間迅速擴大，水位由升轉(zhuǎn)降。

在2018 年3 月21 日—6 月1 日，工作面推進距離為428.7～657.3 m，G2 孔水位穩(wěn)定下降，亞關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)穩(wěn)定，離層空間逐漸拉開，期間微震檢測存在異常區(qū)間，宜君組下伏亞關(guān)鍵層破斷預測405、514、623 m 附近存在微震大能量事件。

在2018 年6 月6—12 日，工作面推進距離為672.6～687 m，G2 孔水位出現(xiàn)第3 次異常降深，且在2018 年6 月8 日、6 月12 日出現(xiàn)2 次微震大能量事件，此時符合宜君組下亞關(guān)鍵層在732 m 附近發(fā)生破斷的預測，此次亞關(guān)鍵層破斷后發(fā)生大規(guī)?；剞D(zhuǎn)，水位下降異常。

在2018 年6 月13 日—12 月19 日，工作面推進距離為689.3～1 086.4 m，G2 孔水位變化較小，持續(xù)緩慢上升或緩慢下降，在此期間離層進行周期性發(fā)育；通過模擬試驗可知，在工作面推進距離達到600 m后宜君組內(nèi)部開始出現(xiàn)離層；宜君組關(guān)鍵層破斷后，其下部宜君組與安定組之間的離層開始閉合，涌（突）水通道彌合，含水層水位上升。

在2018 年12 月20—31 日，工作面推進距離為1 091.2 ～1 120.8 m，G2 孔水位出現(xiàn)第四次異常降深，且在2018 年12 月21 日出現(xiàn)微震大能量事件，此時符合宜君組下亞關(guān)鍵層在1 059 m 附近發(fā)生破斷的預測，此次亞關(guān)鍵層破斷后發(fā)生大規(guī)?；剞D(zhuǎn)，水位下降異常；隨著工作面推進距離的增加，巖層懸露長度也在增加，宜君組巨厚層礫巖層發(fā)生破斷，對下伏巖層有較強的壓力，覆巖運動加劇，巖層大規(guī)?；剞D(zhuǎn)，造成水位異常降深。

4.2.2 1304 工作面

1304 工作面開采附近共有3 個水文長觀孔，分別為G3、G4 和G7，其中G3、G4 孔水位變化較為明顯。 隨著1304 工作面的推進，觀測孔水位總體呈下降趨勢，在水位下降的過程中，存在異常區(qū)間，如圖8 所示。 1304 工作面根據(jù)微震頻次以及微震能量將工作面充分采動范圍劃分為19 個階段，見表6。

圖8 1304 工作面微震-水位聯(lián)動分析Fig.8 Analysis of micro seismic water level linkage in No.1304 working face

表6 1304 工作面微震監(jiān)測異常分區(qū)Table 6 Abnormal zoning of microseismic monitoring in No.1304 working face

1）第1—4 階段，工作面推進距離為113.2 ～313.5 m，煤層開采過后3 煤上巖層由下向上逐漸破壞，工作面處于開采初期，存在較大單次震動能量事件，上覆關(guān)鍵層已經(jīng)開始發(fā)生破斷，處于工作面“見方位置”出現(xiàn)較大單次震動能量。 在此階段初期，離層空間發(fā)育速度較慢，宜君組下伏離層空間發(fā)育較小，宜君組向離層空間補水向G3、G4 孔水位有下降趨勢，但變化幅度較??；微震單次大震動能量（在1304 工作面開采過程中大于5×104J）事件可以體現(xiàn)關(guān)鍵層的破斷，關(guān)鍵層破斷后，關(guān)鍵層及其下伏巖層回轉(zhuǎn)變形破壞加劇，表現(xiàn)為微震日總震動能量較大，單次震動能量較小，宜君組下伏離層空間迅速擴大，宜君組向離層空間補水，G3、G4 孔水位急劇下降。

2）第5—12 階段，隨著工作面開采煤層上覆巖層運動加劇，工作面推進距離為316.7 ～793.7 m，G3、G4 水位上下波動，微震單次大能量事件呈周期性在亞關(guān)鍵層破斷位置預測位置附近出現(xiàn)。 在此階段，離層隨關(guān)鍵層周期性破斷產(chǎn)生周期性擴大、閉合，在關(guān)鍵層破斷后非關(guān)鍵層巖層破斷加劇，由于未完全破斷的下伏亞關(guān)鍵層還具有一定的自穩(wěn)能力，且?guī)r層具有碎脹性，阻止上覆關(guān)鍵層的變形破壞，同時覆巖關(guān)鍵層首先在四周支點斷裂，關(guān)鍵層在支點處有一定的鉸接能力，巖層處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，離層空間會隨著關(guān)鍵層在支點處回轉(zhuǎn)變形緩慢擴大，此時離層空間擴大量較小且之前形成的離層空間在逐漸閉合，宜君組含水層補給量大于離層空間匯水量，G3、G4 水位回升；在關(guān)鍵層完全破斷巖層失穩(wěn)后離層匯水空間迅速增大，水位下降，待巖層恢復穩(wěn)定后水位繼續(xù)上升；2020 年1 月15 日，工作面推進778.9 m，出現(xiàn)1 次微震大震動能量事件，上述模擬結(jié)果也顯示工作面推進600 m 后宜君組內(nèi)部開始出現(xiàn)離層，工作面推進800 m 后宜君組內(nèi)部巨厚層礫巖破斷，離層空間拉開；在宜君組內(nèi)部巨厚層礫巖破斷前，微震頻次及微震總能量較大，微震單次最大震動能量較小，隨著小的巖體結(jié)構(gòu)破裂事件不斷孕育會產(chǎn)生大的巖體結(jié)構(gòu)的破斷，宜君組下伏亞關(guān)鍵層的初次破斷和多次周期破斷加劇了宜君組關(guān)鍵層的破斷下沉過程。

圖9 1304 工作面涌水量水位聯(lián)動分析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”影響，工作面停產(chǎn)，覆巖移動逐漸趨于穩(wěn)定，水位回升。

3）第13—14 階段，工作面推進距離為793.7 ～944.7 m，工作面恢復開采，重新擾動了上覆巖層，使上覆巖層逐步失穩(wěn)，離層空間擴大，G3、G4 水位開始呈下降趨勢。 在2020 年3 月23 日后水位開始急劇下降。 水位急劇下降之前，微震頻次與日震動總能量急劇上升，工作面上覆巖層劇烈運動，停采期間上覆巖層充分運動導水裂隙迅速發(fā)育，1304 工作面復采后擾動上覆巖層，造成關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)逐步失穩(wěn)，關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)變形破壞加劇，巖層失去自穩(wěn)能力，關(guān)鍵層控制的巖層大規(guī)模變形破壞，經(jīng)過停采暫時穩(wěn)定的裂縫帶導通上部離層空間，離層積水下泄，由于3 煤上到宜君組泥巖含量較高，下泄的離層水暫時儲存在覆巖裂隙中，宜君組向離層空間匯水G3、G4 水位急劇下降，巖層持續(xù)變形移動破壞，導水裂縫帶貫通，造成“3·29”突水。 隨著離層水的下泄，離層空間中的水逐漸減少，涌水量逐漸減小，導水通道慢慢閉合，G3、G4 水位開始回升。 第15 階段，工作面停產(chǎn)，覆巖充分運動后趨于穩(wěn)定，水位緩慢上升。

4）第16 階段，工作面推進距為944.7～1 001.2 m，工作面恢復開采，重新擾動上覆巖層，G3、G4 水位先呈上升趨勢，隨后急劇下降。 與第13—14 階段相似，水位急劇下降之前，微震頻次與日震動總能量上升，“3·29”突水造成1304 工作面停采，上覆巖層暫時穩(wěn)定，1304 工作面復采后再次擾動上覆巖層，造成關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)逐步失穩(wěn)，關(guān)鍵層回轉(zhuǎn)變形破壞加劇，巖層失去自穩(wěn)能力，關(guān)鍵層控制的巖層大規(guī)模變形破壞，經(jīng)過停采暫時穩(wěn)定的裂縫帶導通上部離層空間，離層積水下泄，造成“5·6”突水；工作面恢復開采后，出現(xiàn)一次微震大震動能量事件。 第17 階段，工作面停產(chǎn)，覆巖充分運動后趨于穩(wěn)定，水位緩慢上升。 第18 階段，工作面推進距離為1 001.2 ～1 009 m，在此期間工作面未采取只采不放的方法盡快推過涌（突）水位置；微震日均微震頻次較大，日總震動能量較大，幾乎沒有出現(xiàn)較大的微震能量事件，且工作面推進距離較短，證明工作面經(jīng)過前2 次出水，覆巖充分運動，覆巖結(jié)構(gòu)較為松散。

5）第19 階段，工作面停產(chǎn)，覆巖充分運動后趨于穩(wěn)定，水位緩慢上升。 隨著工作面不斷推進，安定組粉砂巖與宜君組礫巖之間的橫向離層不斷發(fā)育，宜君組含水層由于向離層空間補水，水文觀測孔水位整體上呈下降趨勢，由于亞關(guān)鍵層呈周期性破斷，所以橫向離層空間也呈周期性擴大、閉合，水文觀測孔水位呈周期性異常下降。

根據(jù)水位變動、微震監(jiān)測顯示，水位異常下降必定伴隨著關(guān)鍵層破斷，由于巖層具有一定的自穩(wěn)能力，且安定組泥巖隔水層厚度較大，關(guān)鍵層破斷不一定會引起水位下降。

4.3 離層突水預警

1304 工作面出水之前，工作面附近地面水文長觀孔水位同步持續(xù)下降，工作面支架壓力顯現(xiàn)明顯，逐漸大面積來壓以致安全閥大面積持續(xù)開啟，支架動載系數(shù)增大，動載強烈，支架增阻速率是周期來壓成倍顯現(xiàn)，煤壁有切斷現(xiàn)象，有淋滲水并逐步加大，瓦斯涌出量迅速增大50%以上，微震事件發(fā)生增多或能量增大現(xiàn)象。

從G3 孔、G4 孔宜君組水位標高變化，及水位變化速率來看（圖9），1304 工作面在第1 次突水前，水位變化速率迅速增大，水位出現(xiàn)明顯下降，突水之前最大水位下降速率分別達到6.26、7.85 m/d，累計降深分別達到11.58、25.59 m。

“3·29”突水從水位下降至工作面出水周期約6 d，“5·6”突水從水位下降至工作面出水，周期約4 d，而在“7·1”離層突水事故前，水位提前下降僅有44 h，且瞬時涌水量及累計涌水量也在逐次增加?！?·29”突水時，1304 工作面涌水量從工作面開始出水3 m3/h 達到最大涌水量210 m3/h 不足5 h，累計涌水量15 322 m3；“5·6”突水時，1304 工作面涌水量從工作面開始出水15 m3/h 達到最大涌水量260 m3/h 用時約8h，累計涌水量26 011 m3；“7·1”突水時，1304 工作面涌水量從工作面開始出水為0達到最大涌水量420 m3/h 用時約23 h，累計涌水量40 354 m3。 1304 工作面經(jīng)過反復停采復采，上覆巖層反復受到重復擾動，巖層自穩(wěn)能力逐次下降，離層空間逐漸擴大，離層涌（突）水通道形成速度逐次加快，離層涌（突）水事故水位提前下降時間減少；1304 工作面第1 次突水后，由于3 煤到宜君組泥質(zhì)巖類含量較高，泥巖軟化，離層涌（突）水通道逐漸彌合；第2、3 次突水時，形成新的離層涌（突）水通道，同時之前形成的涌（突）水通道中泥質(zhì)彌合物被沖開，涌（突）水通道逐漸擴大，最大涌水量逐次遞增，且從開始出水達到最大涌水量用時逐漸增加。

工作面突水災(zāi)害的發(fā)生與目標含水層水位下降具有對應(yīng)關(guān)系，水位預警值的設(shè)置對于工作面安全開采具有重要意義，通過1304 工作面實測數(shù)據(jù)，將招賢煤礦工作面首次出水，水位預警值設(shè)置為累水位下降速率為1.0 m/d；在工作面首次出水后，水位預警值設(shè)置為水位下降速率為0.2 m/d，同時應(yīng)制定應(yīng)急措施并保證排水設(shè)備正?？捎脻M足最大排水能力。

5 結(jié) 論

1）結(jié)合數(shù)值模擬試驗與物理模擬試驗，構(gòu)建了覆巖主控裂隙概念模型，當工作面達到充分開采時，近頂板的覆巖中裂隙較為明顯，呈現(xiàn)＂富裂隙拱＂的形態(tài)，即在采空區(qū)兩幫離層裂隙較為發(fā)育，而在中部則處于壓實區(qū)。 最大的橫向高位離層位于梯形破壞區(qū)頂部，在梯形破壞區(qū)內(nèi)裂隙網(wǎng)格和主控裂隙并存，根據(jù)裂隙發(fā)育特征可將覆巖破壞分為6 個區(qū)。

2）綜合模擬試驗、理論分析、水位監(jiān)測、微震監(jiān)測，確定安定組亞關(guān)鍵層極限破斷距為297 m，周期破斷距為108 m。 煤層開采產(chǎn)生的離層空間在亞關(guān)鍵層破斷后造成工作面周期性來壓，橫向高位離層空間周期性擴張、閉合，宜君組巨厚含水層向離層空間補水，造成宜君組水位周期性異常下降。

3）1304 工作面經(jīng)長時停采，覆巖充分運動，恢復開采后，重復擾動覆巖會誘發(fā)覆巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，導水裂縫帶溝通離層空間，造成離層涌（突）水。

4）1304 工作面離層涌（突）水前宜君組水位突降、水位下降速率突增、微震能量事件增多增大，可以作為離層涌（突）水前兆信息。 關(guān)鍵層的破斷會引起微震大能量事件；關(guān)鍵層破斷、快速回轉(zhuǎn)、下沉擴大離層空間造成宜君組水位異常下降；在關(guān)鍵層的破斷時，由于巖層具有一定的自穩(wěn)能力，破斷巖層之間結(jié)構(gòu)未完全破壞，巖層不一定會發(fā)生大規(guī)?；剞D(zhuǎn)變形引起宜君組水位異常下降。

5）1304 工作面3 次離層涌（突）水均存在長時間停采，多次復采造成覆巖自穩(wěn)能力逐漸劣化嚴重，離層空間逐漸增大，加快離層涌（突）水通道形成，離層涌（突）水通道逐漸增大。 隨出水次數(shù)增加，水位提前下降時間減少，微震能量事件能量降低，最大涌水量增大，累計涌水量增大。