煤炭開采與巖層運動

錢鳴高,許家林

(1.中國礦業大學(北京),北京 100083; 2.中國礦業大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

采礦長期以來被認為是一種技術。為此，煤炭企業大多在采礦工藝和采礦系統等方面下功夫，不斷提高采礦機械化程度并完善與之相適應的開拓系統，以達到高產高效目的。例如，從技術上由手工發展到全面機械化、自動化與智能化，從系統上由房柱開采發展到長壁開采，單個工作面的產量也由幾十萬噸提高到上千萬噸。然而，采礦是從礦區地層內獲取煤炭資源的過程，必然會對礦區地層產生與其采出量規模相當的擾動，從而影響該地區環境和獲取資源的安全。

目前，我國煤炭年產量已近40億t，歷年累計為國家的能源貢獻了800億t左右的煤炭，顯然嚴重影響資源地區的生態環境。若這些問題不加以解決，必然會在煤炭為社會貢獻的同時受到社會的責難。為此，有必要總結和創建從地層中合理獲取煤炭資源的科學體系，以解決獲取中的負面效應。也就是說采礦中有科學問題。因此，可以將采礦定義為:從地層環境中科學地獲取礦產資源造福于人類的科學和技術。

由于采礦是從地層內部獲取資源，資源的采出必然破壞巖層的原始平衡狀態而引起巖層運動。因此，采礦引起的巖層運動是采礦科學的基礎。另外，煤炭開采是從沉積巖中獲取煤炭資源，其巖層運動必然具有層狀特點。沉積巖是在沉積過程中形成強度與厚度不同的層狀巖體的疊加，因此，采礦雖然是對巖層的破壞，但各巖層的破壞是不一致且不同步的。顯然，隨著工作面推進軟巖層將同步斷裂，而硬巖層將產生間斷式斷裂而形成塊體。硬巖層斷裂塊體的重新排列，必然將影響到整個巖層原始狀態，從而影響巖層內部流體(瓦斯和水等)的滲流、地面沉降和采場空間的安全。

可見，采礦作為一門科學，必須研究采礦前后巖層的平衡狀態，即硬巖層破斷前后的力學行為?！捌茢嗪蟮牧W行為”是采礦科學與其他學科(如散體)顯著不同的地方。由于硬巖層的破斷主導著巖層運動，因此煤炭開采的“巖層力學”(Strata mechanics)必然要研究硬巖層在開采空間狀態下的破斷規律，例如:破斷前的應力集中和破斷后的巖塊運動規則(如回轉和滑移等);巖塊由于受到采礦空間的限制是否可能形成一定的結構，及其形態與穩定條件必然也是研究的重點。由此可見，煤炭開采形成的破碎巖層是宏觀上的“破碎體”，更確切地說是堅硬巖層破斷的“塊體”主導著巖層運動。巖層運動的特點是:不連續突變的塊體運動；塊體運動受采礦空間限制，主要是轉動和滑移；塊體運動時互相咬合可能形成結構，其特點是“大變形”。當然，巖層破斷和塊體運動必然帶來巖層內部“應力場”和“裂隙場”的變化。上述問題的研究將提高人們對采礦科學性的認知，必然帶來技術上的進一步發展，促使煤炭行業健康發展，并為社會所接受。

煤層開采必然引起上覆巖層產生運動，由此發生了一系列力學現象，影響著生產安全和生態環境。因此，研究煤炭開采引起的巖層運動規律是發展開采技術的基礎。本文將就采動巖層運動及其對安全和環境的影響規律進行相關的研究，以及原有的研究進展進行介紹。

1 煤炭開采上覆巖層運動的塊體結構特征

煤炭上覆巖層為沉積巖，各層強度與厚度并不一致。經過大量實踐[1-4]，可以發現在采動過程中堅硬巖層(關鍵層)的破斷呈現間斷性(步距一般在10～20 m之間、個別可能達50 m以上)，而軟巖層基本上處于破散狀態，事實上是硬巖層上的載荷。隨著工作面推進采場上覆堅硬巖層的破斷及破斷塊體運動決定了上覆巖層運動的規律。為了了解破斷巖塊的形態必須研究堅硬巖層在采空范圍內的破斷規律，長壁開采堅硬巖層(可視為“板”)呈長方形，因此形成豎“O-X”型破斷規律[1-2]，此時工作面中部的結構狀態就可以用圖1的模式表達。先以工作面上方第1層堅硬巖層(基本頂)為例，圖1中h為基本頂厚度。隨著工作面推進基本頂斷裂(按照彈性基礎梁計算斷裂線在煤壁以內[1-2,5])，B巖塊開始回轉，由于巖塊在橫向受到限制，這時B巖塊與未斷裂的A和已經斷裂的C呈現如圖1的鉸接狀態。隨著工作面的推進，當巖塊A斷裂時將發生如原來B巖塊的回轉，而巖塊B將如巖塊C一樣出現反向回轉。由此其上覆巖層點的移動必然不是垂直移動，而是隨著工作面推進先向后而后向前的“反S型”或者“S型”移動(與工作面推進方向有關)。這些都得到了內部巖層移動觀測結果的驗證。

圖1 開采引起的巖塊回轉運動[1]Fig.1 Rotation of mining-induced Voussoir Beam block[1]h—基本頂厚度；∑h—直接頂厚度；M—煤厚；M1—頂煤厚度；k—碎脹系數；φ—安息角;α—垮落角;θ—回轉角;Δ—浮煤厚度

圖2為一次采動上覆巖層運動軌跡的實測結果[1-2,4]，測點J9,J10,J11,J12運動軌跡證明了巖層運動的塊體特征，表現為隨著巖塊的回轉和反向回轉，測定點先向工作面后而后再向前運動。

圖2 開采影響的巖層移動軌跡[2]Fig.2 Trail of the mining-induced strata movement[2]

由于破斷后的巖塊互相的限制呈現咬合狀態。因此有可能形成承載結構。由此可以設想將堅硬巖層隨著工作面推進破斷巖塊視為構件，再考慮其受力和邊界條件，從而建立了“砌體梁”結構力學模型[1-4]。按照此結構的動態運動規律，破斷巖塊隨著工作面推進，其運動軌跡符合圖2的規律。

顯然，隨著工作面的推進，堅硬巖層經過破斷成為塊狀，隨著回轉和反向回轉是否可能重新整齊排列，是研究開采引起巖層運動的重點。其中正在開始回轉的巖塊B可以稱之為“砌體梁的關鍵塊”，關鍵塊在砌體梁結構的平衡中起著關鍵作用，其平衡條件必須符合“S-R”(滑落與回轉)穩定條件[1-4]。關鍵塊的“S-R”穩定除了與載荷條件有關外，以下幾種情況需要特別注意:

(1)關鍵塊B的后鉸接點(B與C鉸接點)必須高出前鉸接點(A與B鉸接點)，“砌體梁”才能形成支點向煤壁的半拱式平衡，相反則此時必須限制采高或者用充填的方法解決。

(2)當關鍵層斷裂面傾向采空區而且與層面夾角小于巖層內摩擦角(50°左右)時，巖塊間難以產生摩擦力來平衡巖塊重力，將無法形成穩定的鉸接結構。這種情況在工作面存在平行斷層時最易發生，此時如果工作面推進方向與斷層傾向一致且斷層與層面夾角小于50°左右，頂板就會沿斷層面滑落失穩。

(3)采高和直接頂厚度對砌體梁結構平衡起關鍵作用，當采高與直接頂厚度之比越大時，“砌體梁”結構回轉失穩或鉸接點斷開垮落的趨向越明顯，就越不易形成這種半拱式平衡。

可以推斷基本頂以上的堅硬巖層(關鍵層)也將隨著工作面推進產生類似的破裂過程。由此假設上覆有兩層堅硬巖層(其中之一為基本頂)，則隨著工作面推進堅硬巖層破斷為巖塊，則上覆巖層運動最終形成圖3所示的堅硬巖層主導的采動覆巖運動概貌。

圖3 采動堅硬巖層主導的覆巖運動概貌Fig.3 Sketch of strata movement controlled by hard strata

由此推論采場上覆前后巖層狀態按照橫向可以劃分為如圖4所示的3個區。圖4中A區是采動支承壓力影響區;B區是巖層劇烈運動區(裂隙發育區)，是礦壓、裂隙與沉陷的劇烈變化區域。顯然，B區對工作面維護、地下水滲流和地表沉陷影響有重要影響，因此是巖層運動研究的重點區域;C區為重新壓實區，巖層運動重新趨于平穩，巖層裂隙又重新閉合。

圖4 上覆巖層運動分區[2]Fig.4 Conceptual model of overburden strata movement[2]Ⅰ—垮落帶;Ⅱ—裂縫帶;Ⅲ—彎曲下沉帶

由于巖層運動不是散體運動，而是堅硬巖層破斷后的塊體運動，因此地表受開采影響的移動點必然是隨著工作面推進(跳躍式)向前移動。其內部巖層移動邊界線，它并非地表沉陷邊界與煤層開采邊界兩點相連的一條直線，而是與關鍵層厚度、位置及破斷特征等相關。正如圖4所示巖層運動破裂滑移線是先向采空區內收斂至最上面有一定厚度的堅硬巖層(主關鍵層)，其上覆軟巖層(或者沖積層)運動破斷滑移線呈向采空區外擴散一直到地表。因此，巖層運動破裂滑移邊界可能是先收斂后擴散的“類雙曲線”[6]。巖層運動過程中的巖體碎脹與再壓實特性(殘余碎脹)將會影響采動覆巖的破裂運動過程和地表最大下沉系數。通常情況下，垮落帶巖層的殘余碎脹系數較上覆巖層的殘余碎脹系數要大。而我國煤礦開采地表最大下沉系數變化較大(0.27～1.00)，造成這種差異的原因可能與直接頂厚度和不同地質開采條件下堅硬巖層破斷后的平衡狀態以及是否充分采動有很大關系。當然這些還有待于進一步研究的證明。

當堅硬巖層經過破斷，巖塊結構都能取得平衡，則隨著工作面推進各巖層最后下降一定高度仍然能夠按照順序整齊排列。若巖塊不能取得平衡，則堅硬巖層有可能打破原來的排列，從而產生工作面礦壓、巖體內部“裂隙場”和地表沉陷等一系列特殊變化。如，在開采煤層群時，為了保證開采本煤層時對其它煤層不產生影響，一般采用下行開采順序。但若采動巖體能夠保持堅硬巖層砌體梁結構穩定，則采動巖體最終將仍然按照原來順序整齊排列。此時根據需要也可以采用上行開采模式。大屯孔莊煤礦基于對覆巖破斷運動的監測就成功地實現了上行開采[7]。

綜上所述，巖層運動是上覆堅硬巖層(關鍵層)隨著工作面推進形成破斷“巖塊”運動的綜合反映，是以“塊體”運動主導的力學現象。塊體運動的特點:① 未斷裂前將形成應力集中，一旦斷裂將引起應力場的劇烈變化;② 塊體運動是非連續的突變運動;③ 由于塊體受采礦空間影響互相限制，因此運動過程可能形成“砌體梁”結構，其特點是“大變形”。顯然，不同地質開采條件下，煤層開采厚度與直接頂厚度是變化的，而且覆巖中關鍵層(堅硬巖層)的層數、厚度與位置也是不同的，從而造成不同地質開采條件下巖層運動規律及其工程效應的差異。因此，巖層運動研究中要充分重視具體地質開采條件采高、直接頂及其覆巖關鍵層特點。

2 巖層運動對工作空間維護的影響

在表現形式上，首先是基本頂的來壓和防治冒頂的支護原理問題。顯然工作面空間的維護必須符合基本頂形成的“砌體梁”結構力學模型的形態，由此導致工作面支護頂板的下沉量既不是彈性變形也不是塑性變形而是“大變形”。為此支架必須有符合此大變形的可縮量。目前液壓支架主要由讓壓元件如安全閥來完成此功能。對于大變形引起的頂板快速下沉來說，安全閥的流量和動態性能則尤為重要。同時支架的工作阻力必須保證直接頂的完整和“砌體梁”結構關鍵塊的穩定。

為了確定支架需要的工作阻力就必須研究“砌體梁”結構的“S-R”穩定條件。顯然支架阻力除了保證直接頂的穩定外，還必須防止“關鍵塊”滑落和回轉失穩。由于地質開采條件的復雜多變，因此工作面控制的上覆巖層狀態屬于 “黑箱”?！捌鲶w梁”結構力學模型的建立只是明確了支護原理，“砌體梁”結構的載荷對支架工作阻力的影響程度仍然難以定量。因此“砌體梁”結構力學模型的建立，僅僅使巖層控制由一片模糊的“黑箱”變成原理上清楚的“灰箱”，仍然不能達到在具體情況下準確確定各項參數的“白箱”要求，只能定性判斷而難以定量確定。從另一方面看，支架工作阻力必須適應工作面覆巖條件一定范圍的變化，因此也沒有必要一對一精確設計。為此，支架工作阻力的確定是一個“宏觀控制”問題，主要根據可能出現的礦山壓力情況和實踐效果進行估算。支架工作阻力估算的具體方法很多[2,8]，基本思路是考慮必須滿足直接頂重量與基本頂作用于支架載荷之和，其中后者可以通過對基本頂破斷移動規律的不同理論和假說進行估算或設定系數，也可以通過工程實踐統計分析來確定。再加上考慮支架在井下的服務時間較長和工作面推進遇到地質條件的差異，顯然要求支架工作阻力有相當的富裕量，因此，支架趨向強力化是必然的要求。

我國自從1973年引入液壓支架至今已經40多年，關于支架工作阻力的確定已經有豐富的經驗。上覆巖層“砌體梁”結構的平衡與采高和直接頂的厚度有直接關系，在一般條件下支架工作阻力可以按照頂梁上每平方米4～8倍采高巖柱自重確定，它一直是國內外普遍采用的一種簡便估算方法，實踐證明可以滿足多數煤礦安全生產的實際需要，并取得了成功的經驗。國內已經設計的支架工作阻力，最高為8倍采高巖柱自重(放頂煤除外)。顯然，遇到下述情況時，支架工作阻力的確定將更為復雜。

(1)大采高或薄直接頂(如直接頂厚度≤采高)。這時很容易造成基本頂斷裂巖塊的回轉失穩，從而使平衡的砌體梁結構上移。此時支架的工作阻力必須大幅度提高。如，神東礦區特大采高支架(>7.0 m)綜采工作面的開采實踐表明[9-10]，因一次采全高綜采工作面的采高顯著增大，基本頂(第1層關鍵層)將無法形成“砌體梁”結構而進入垮落帶，其載荷將全部由支架承擔。此時基本頂呈現“懸臂梁”結構發生周期性破斷，其上方第2層關鍵層破斷塊體形成“砌體梁”結構，造成工作面周期來壓步距與強度呈現一大一小的周期性變化特征。

(2)淺埋煤層開采。當在淺部開采時，尤其是薄基本頂條件下，若上覆載荷遠大于“砌體梁”結構塊體間的摩擦力，則很容易產生滑落失穩，導致工作面發生壓架事故[11-13]。因此就需要比一般情況下更大的支架工作阻力，此時將根據基本頂的厚度與上覆軟巖層的載荷情況進行確定，顯然基本頂越薄而上覆軟巖層載荷越大則工作阻力就越高。

(3)特殊開采條件下壓架。實踐中發現在一些特殊開采條件下支架阻力確定也較為困難，易發生大面積壓架，如:煤層群開采時下部煤層工作面采出上覆煤柱邊界時、淺埋煤層過溝谷地形上坡段時、鄰近松散承壓含水層開采時等特殊開采條件[11,14-18]。提高支架工作阻力是降低此類壓架冒頂的有效措施，但有時單純提高支架阻力仍無法徹底解決，還需從減少或轉移上覆載荷的角度配套實施相關措施加以防范。

上述情況到目前為止設計的支架工作阻力最大取值為8倍采高巖柱自重。

對于放頂煤開采的支架工作阻力:放頂煤開采由于采厚大，對上覆巖層的擾動也大。放頂煤開采支架的直接支護對象是即將放落的頂煤。而支架是處于“直接頂-支架-底板”支護系統中的，支護系統各部分的剛度特性對支架阻力有直接影響。 因此，“頂煤的剛度”對支架阻力有著直接的影響。放頂煤使直接頂尤其是頂煤得到松動，成為“變形體”，其剛度明顯降低，導致頂煤難以傳遞上覆巖層對于支架上的作用力。此時基本頂的部分作用力可以轉移為由煤壁支撐，轉移力的大小隨頂煤和直接頂剛度大小而變化。顯然，剛度大則支架受力就大。因此在使用放頂煤時出現2種情況:其一，當頂煤松散時支架工作阻力可能小于正常情況(有時僅為同樣采高的70%～80%)，此時支架前柱受力大于后柱。實踐中多數放頂煤開采屬于這種情況。其二，當頂煤剛度大時，頂煤就成為傳遞壓力的介質，此時其支架工作阻力將比一般工作面要大的多，此時支架后柱受力大于前柱。如，大同塔山煤礦3-5煤層是堅硬煤層，頂煤剛度大，早期按照上述第1種情況設計的支架工作阻力為10 000 kN，工作面經常發生壓架等強烈礦壓顯現，將支架工作阻力提高至15 000 kN后，壓架問題得到明顯改善。顯然，此時工作阻力就不能以“采高”的(4～8)倍巖柱自重進行確定。

綜上所述，“砌體梁”結構模型及其“S-R”穩定條件為支架選型設計提供了基本遵循，在確定支架工作阻力時必須根據具體情況進行估算，即:① 正常狀態;② 大采高或薄直接頂;③ 淺部開采;④ 特殊開采條件下壓架;⑤ 放頂煤開采。當前，端面冒頂與壓架事故仍是影響工作面安全高效開采的重要因素之一，如何更有效地預測和防治仍有待深入研究。

3 巖層運動對環境的影響

資源的“獲取—使用—回歸”是人與自然相處的三大學問。人類通過從自然界獲取資源得以生存，使用后以同等數量回歸自然。在這一過程中，善待地球、善待環境就是善待人類自己，為此，人類不能只研究“使用”而不注意“獲取”與“回歸”，同樣在獲取中不能只要求取得而不注意獲取時對環境的影響。礦業是人類從大自然獲取資源的重要手段之一，是人類不可或缺的行業。因此，研究礦業必須研究其與環境的關系。煤炭開采前礦區地層和環境處于平衡狀態，隨著煤炭的采出，巖層的平衡狀態被改變，即巖層運動改變了巖層內部原來的狀態，由此引起嚴重的環境問題，尤其是巖層運動引起的地下水破壞與地表沉陷問題。因此，需要研究巖層運動對環境的影響規律，為實現科學采礦提供理論基礎[19-21]。

3.1 巖層運動對采動裂隙的影響

巖層運動引起的橫向裂隙(離層)和縱向裂隙(破斷裂隙)是地下水、瓦斯和充填漿體的流動通道，其演化規律與地下水流失、卸壓瓦斯運移和注漿充填減沉等一系列問題緊密相關，因此，研究掌握巖層采動裂隙動態分布規律是十分必要的[22]。由圖4可知，B區是巖層運動劇烈影響區，也是裂隙發育區。而C區是巖層重新壓實區，巖層若按照原來順序排列，裂隙將重新閉合，則裂隙度將有可能基本上恢復到原來狀態。顯然，巖層運動對巖層內部裂隙的影響重點發生在B區域。

3.1.1巖層內部橫向裂隙分布規律

開采導致上覆多層關鍵層破斷的塊體咬合形成“砌體梁”結構，其下沉曲線擬合方程可用下面的關系式[23]表示:

w(x)=w0{1-1/[1+e(x-0.5l)/a]}

(1)

式中,w0為巖層移動穩定后的最大下沉量，m;x為距煤層開采邊界的距離，m;l為關鍵層斷塊長度，m;a為與關鍵層斷塊長度及煤體剛度有關的系數。

式(1)中引入的關鍵層破斷巖塊的長度將影響巖層移動曲線的平緩程度，而各關鍵層破斷后的塊度和形狀的差別將導致層與層間產生離層形成橫向裂隙，從而導致地下水和氣產生滲流變化。例如，一定條件下相鄰兩層破斷塊體長度分別為10 m和30 m，由式(1)可以繪出圖5所示的2層關鍵層下沉曲線與離層量分布曲線。由圖5可見，2層關鍵層因各自破斷塊體長度的差異導致了移動曲線平緩程度的不同，并導致層間出現離層裂隙，離層裂隙僅在開采邊界一定寬度范圍內出現，從而在采空區四周形成“O”形裂隙圈[24]。煤層采高越大，“O”形圈寬度相對越大[25]。

圖5 關鍵層破斷塊體長度對下沉曲線與離層的影響Fig.5 Influence of block length of key strata on subsidence and bedding separation

3.1.2巖層內部縱向裂隙

顯然，圖4中B區是縱向裂隙發育區。由于關鍵層破斷后關鍵塊的轉動，引起斷裂面張開，從而會產生縱向滲流加大。但由于巖塊的互相限制，當關鍵塊反向回轉時，斷裂面又閉合，此時對滲流的影響就會減小。但當回轉巖塊發生“S-R”(滑落和回轉)失穩，則將形成貫通的縱向通道，對地下水的流失將產生嚴重影響[22,26]。此時為了避免因關鍵層破斷塊體結構失穩導致的縱向裂隙，必須采用限制采高或者充填技術以幫助關鍵層的關鍵塊回轉時保持平衡。上下貫通的巖層破斷裂隙是采動覆巖導水與導氣裂隙，覆巖關鍵層的破斷運動對覆巖縱向裂隙動態發育過程起控制作用[22]，隨工作面采寬增大，覆巖縱向裂隙發育高度并非線性增大，而是隨關鍵層破斷運動存在緩滯和突變現象。在實踐中，為了控制縱向裂隙發育到某層亞關鍵層以上高度，只要控制該亞關鍵層不發生破斷即可，這是采用限制面寬(條帶開采)控制縱向裂隙發育高度的機理所在。

貫通的縱向裂隙發育高度還受到斷層活化、關鍵層破斷塊體結構穩定性等因素的影響[22]。斷層活化易導致貫通的縱向裂隙發育高度增大，工作面推進方向由斷層下盤到上盤比由斷層上盤到下盤時的貫通的縱向裂隙發育高度更高。

3.2 巖層運動對地下水的影響

如前所述，巖層運動產生的橫向或縱向裂隙為地下水提供了運移通道，也成為地下水流失、地下水位下降、地表生態退化等問題發生的地質根源。當巖層運動導致其結構發生“S-R”失穩或活化斷層等地質構造時，其引起的大范圍縱向延展貫通裂隙將導致井下涌水量的突增，極易誘發透水、潰砂、甚至淹井等事故[21-22,27]。所以，長期以來，我國許多煤礦在水體下采煤時通常首先考慮的是如何進行水害的防治。而事實上，因巖層運動導致的地下水運移或流失問題不僅僅體現在透水等安全事故上，還表現在它對地下水的疏干及其惡化地表生態環境等方面(尤其是在西北部淺埋的缺水礦區)。

以我國西部最重要的煤炭基地之一陜西榆神府礦區為例。該礦區自1987年開始開發，1996年建成投產第1批現代化礦井;近年來煤炭產量快速遞增，2018年生產原煤4.56億t(含神華在陜)，但20多年來的高強度開采，導致地下水資源的滲漏、地表河川徑流的減少，以及井、泉的干涸現象普遍發生。據有關資料[28]，該區地下水位下降幅度大于15 m的面積達306 km2，下降幅度8～15 m的面積達352 km2，下降幅度5～8 m的面積達215 km2。而對于泉水的調查發現，煤炭開發前，有記錄的泉眼2 580個，總流量達到4 997.06 L/s，2015年僅剩376個還有水流，總流量下降到996.39 L/s，其他泉水都干涸了，并由此導致了窟野河流量的大幅度衰減，2000年窟野河斷流75 d，2001年106 d，2002年220 d，之后基本處于斷流狀態，嚴重影響了區域生態環境。如圖6所示的考考烏素溝在采煤前后的泉流變化示意圖[29-30]，在地下煤炭開采前，大氣降水或淺層地下水通過薩拉烏蘇組含水層徑流并流入溝內，進行泉流補給和沿溝生態維持;而后由于一些地區的煤炭開采，導致淺層地下水直接下滲至礦井采空區，阻斷了考考烏素溝的水補給，使得溝內流水減少甚至干枯、沿溝生態變化。由于上述地區多處于沙漠與黃土高原的接壤地區，地表植被對地下水具有較強的依賴性;地下水位下降后，部分植被就無法正常發育生長，可能導致植被退化、土地荒漠化。

圖6 煤炭開采阻斷地下水對溝谷泉流的補給Fig.6 Interruption of groundwater supply to gully springs associated with coal mining

我國煤炭大省之一的山西也存在上述類似的現象。山西煤炭產量長時期占全國1/4，大面積煤炭開發對生態環境影響嚴重。以山西晉祠地下水為例[31]:晉祠泉域基本覆蓋整個西山煤田，據不完全統計，在泉域內分布煤礦共有392座，開采能力3 822.75萬t/a，總排水量達2 068.17萬m3/a。隨著煤炭及地下水的不斷開采，泉水流量逐漸減少至1994年5月斷流，如圖7所示。

圖7 煤炭開采對晉祠地下水的影響Fig.7 Influence of coal mining on groundwater in the Jinci Temple

由此可見，煤炭開采將引起地下水位的下降，甚至地下水的大量流失，對地區生態將產生嚴重影響(尤其是一些缺水地區)，由此為了環境保護必須采取保水采煤等綠色開采技術[19-21]。近年來，由于大型國企重視礦區生態環境修復和重建，充分利用了礦井水資源[32-35]，使地表生態環境得到了較好的恢復。然而，受大面積、高強度、多煤層等開采因素的影響，區域生態受破壞程度及其恢復難度顯著增大，在有些場合煤炭的盈利甚至無法彌補環境損失，使得政府和企業面臨重大資金困難。

前面敘述了陜西和山西開采對地下水系統的嚴重影響，應該認識到開采不僅對上覆巖層裂隙狀態有影響，同時由于應力狀態的改變必然影響底板巖層的裂隙狀態，有相當部分可能還與地質構造有關，即開采引起的巖層運動促使構造活化從而與巖溶水溝通導致不能恢復。

根據推理采場上覆巖層由完整到破碎再到重新壓實，裂隙將有較大程度閉合。因此地下水位經過下降一段時期還能有一定程度恢復。例如，神東礦區補連塔煤礦1-2煤四盤區開采時[21]，覆巖導水裂隙直接發育至基巖頂界面，導致地表水文觀測鉆孔內水全部漏失;而隨著工作面開采的繼續推進，進入重新壓實區C，導水裂隙隨巖層破斷回轉而逐漸閉合，加上松散層中的沙和巖層中黏土礦物的彌合作用，裂隙的導水能力顯著下降，引起鉆孔內水位又出現逐步恢復的現象(圖8)。在南方一些礦區也正是充分考慮到泥質類物質對裂隙的彌合降滲作用和在巖層中存在泥質頁巖，才得以實施河下或海下的采煤實踐，如淮河下、微山湖下和龍口海下等，當然在這種情況下也必須控制采高以保證安全。

圖8 補連塔煤礦1-2煤四盤區采動對水文觀測孔水位變化影響[21]Fig.8 Influence of coal mining on groundwater level based on borehole measurement in the No.4 mining area of seam 1-2 in the Bulianta Coal Mine[21]

可見，研究掌握采動裂隙水滲流的長期演變特征及其對地下水恢復的作用規律，對于高效實施區域生態環境保護與修復具有重要意義，有關開采引起的裂隙滲流規律及對地下水的影響還需要根據地質和開采條件進行深入研究。

值得指出，與巖層運動對地下水產生影響相類似，巖層運動也會影響鄰近層卸壓瓦斯的動態涌出過程，“O”形裂隙圈是卸壓瓦斯抽采鉆孔布置的最佳區域，因此，開展巖層運動對鄰近層卸壓瓦斯運移影響規律的研究將有利于改善卸壓瓦斯抽采效果[36-40]。

3.3 巖層運動對地表沉陷的影響

地表沉陷是煤炭開采導致的另一個嚴重環境問題，其狀態是采取復墾的依據。顯然，地表沉陷是巖層運動發展到地表的結果，巖層運動對地表沉陷的影響一般可用圖3表示，其中呈現塊狀鉸接的堅硬巖層(關鍵層)的運動是影響地表沉陷的根源。

由于巖層運動對地表沉陷影響的復雜性(它更像是一個“黑箱”)，因此過去是采用采動時期地面測量和數學統計的方法來描述開采對地表沉陷的影響，并構建了不同的影響函數，但本質屬于一種數學方法。如，我國使用最為廣泛的影響函數法是基于隨機介質理論發展的概率積分法，它將采動巖層視為松散介質，認為開采引起的下沉盆地的剖面函數符合概率密度函數的積分表達式。然而，該方法對覆巖沉積巖層特性的考慮過于簡化，特別是忽略了巖層運動對地表沉陷的影響，難以很好地描述巖層內部移動。

開采沉陷本質上是一個力學問題，關鍵層理論可以對開采沉陷形態有一個更接近實際的解釋。研究表明[23,41-42]，覆巖中主關鍵層對地表沉陷的動態過程起控制作用，主關鍵層的破斷將導致其上覆所有巖層的同步破斷與地表的快速下沉，引起下沉速度和下沉影響邊界的明顯增大和周期性變化。

事實上，開采引起的地表沉陷都是覆巖主關鍵層破斷塊體互相咬合的結構曲線和表土層散體(或者黃土)運動相互作用的結果。雖然關鍵層控制著地表沉陷的動態過程，但松散層起著消化關鍵層非均勻下沉的作用，松散層越薄，地表下沉的非均勻、非正態特征越顯著，當關鍵層破斷塊度較小或松散層厚度足夠大時，關鍵層對地表下沉的影響相對較小[23]。

根據覆巖關鍵層破斷塊體結構的穩定性以及我國不同地區表土層條件差異，水平及傾斜煤層開采引起的地表沉陷可以分為以下3種類型:

(1)平緩式下沉。其條件是存在厚度較大的松散沖積層或者軟巖層。地表沉陷曲線基本上是主關鍵層的塊體咬合形成的不連續折線經過上覆軟巖層運動的均化而形成，一般存在連續、平緩的盆地(圖9)。根據地下潛水位和地表下沉量的相對關系可分為2種情況:潛水位高于和低地表下沉量。前者會在地表形成不同范圍的積水，一般發生在我國東部和南部礦區。后者不會在地表形成積水，一般發生在我國西部和北部礦區。

圖9 平緩式下沉時高潛水位和低潛水位地表沉陷照片Fig.9 Photographs of surface subsidence trough for areas with high and low groundwater level

(2)開裂式下沉。其條件是表土層為很厚的黃土層，一般發生在西部黃土高原地帶。當主關鍵層破斷巖塊B產生回轉時造成裂隙張開，黃土層由于其自身黏結性低，就會隨巖層裂隙的張開而發生豎向開裂并一直到達地表(圖10)。當然當巖塊B反回轉時，裂縫就會有一定程度閉合。

圖10 開裂式下沉Fig.10 Photographs of surface subsidence with cracks

(3)臺階式下沉。其條件是采高很大(如采用大采高或者放頂煤開采)且埋深小。當主關鍵層破斷塊體無法滿足平衡條件而產生滑落失穩時，必然導致地表呈現臺階式的沉陷(圖11)。如果主關鍵層破斷失穩塊體進入垮落帶，則地表將出現塌陷坑[43]。 顯然這種地表沉陷形式對地面生態的破壞是最嚴重的，因此，這種條件下所需采用的開采技術必須經過對地面生態影響的科學評估而后決定。

圖11 臺階式下沉Fig.11 Photographs of surface sinkhole

顯然，一般意義上的開采沉陷控制事實上是在平緩式下沉情況下如何防范地表彎曲下沉的過程。在這種情況下采用原來的概率積分法沉陷預計基本是可行的，但對于開裂式下沉和臺階式下沉是沒有意義的。因此，形成基于關鍵層破斷結構并考慮不同表土層(沖積層、黃土層等)賦存特征的地表下沉預計方法是仍需深入研究的科學問題[44-46]。隨著科學研究的發展，將促進礦山壓力和巖層移動(開采沉陷)這兩個原本被孤立開來的學科實現統一。

由于對地表影響最大的是上覆巖層中的主關鍵層，它的平衡狀態將直接影響到地表。通過控制主關鍵層的破斷運動，可以防止和減少采動對地表環境的不良影響。如，通過部分充填形成覆巖主關鍵層結構-充填條帶-隔離煤柱聯合承載體系控制地表沉陷，從而減少充填材料用量、降低充填成本、提高充填采煤效率[47-52]。其次，應針對不同地表沉陷模式采用針對性的復墾技術。

4 巖層運動對地層內部應力場的影響

采動改變了原來地層內部的應力平衡，引起覆巖載荷發生轉移而在采場圍巖出現應力重新分布。根據堅硬巖層破斷后的塊體運動特點，開采空間的不斷移動導致應力場也在不斷地變化。一部分采空區域應力得到釋放形成應力降低區，而一部分區域(煤柱等)形成應力集中區。應力集中會產生以下問題:

(1)發生在巷道地區將使巷道處于“大變形”狀態和應力不對稱，導致錨桿承受剪切力，巷道難以維護。

(2)由于開采是一個動態過程，當開采引起堅硬巖層斷裂瞬間，導致一部分應力釋放而在另一部分地區應力瞬間集中。由此可能導致煤柱或者巖體產生瞬間的動力現象(如沖擊地壓、煤與瓦斯突出)。

為此在開采期間一定要注意上覆堅硬巖層的懸露狀態，它瞬間的破斷將發生應力場的突變，并在一定區域產生動力現象。另外在多煤層開采時必須對開采狀況要有有空間概念，即明確哪些地方可能形成應力集中區，以便制定防范措施。

研究表明[3]，在關鍵層初次破斷前，隨著采出寬度增大，采場四周的支承壓力峰值逐漸增大，當關鍵層初次破斷時，支承壓力峰值達最大值;關鍵層初次破斷后，隨著采出寬度繼續增大，支承壓力峰值有所降低并最終穩定。

此外，受覆巖關鍵層對采動巖層破斷運動控制作用的影響，關鍵層的賦存狀態不同時(如層位、厚度等)，煤層開采引起的采場四周支承壓力分布也有所不同。研究表明[53]:關鍵層厚度越大，引起的采動應力集中程度越大;但隨著關鍵層與煤層間距的增大，關鍵層對應力集中程度的影響變小，一定厚度的關鍵層與煤層間距達到某個臨界高度時，不再對應力集中程度產生影響。

特殊情況下，當覆巖中存在特別厚硬關鍵層時(如淮北海孜煤礦140 m厚的巨厚火成巖)，采場支承壓力分布受其影響將更為顯著。研究表明[54-55]，覆巖存在巨厚火成巖時，采場四周支承壓力影響范圍將大大增加，支承壓力峰值大小也有所增加。這主要是由于火成巖大跨度懸露不破斷，造成其上覆大部分載荷向采場四周傳遞，導致煤巖體應力集中程度明顯加大，從而可能誘發礦井動力災害。該條件下可通過對該火成巖下部的離層空間進行注漿充填，使火成巖自重及其部分載荷向采空區垮裂矸石轉移，減輕采場四周煤巖負載，減小采場四周支承壓力集中程度?？梢?，關鍵層的賦存與破斷特性對采場支承壓力分布影響顯著，但目前采場支承壓力分布預計方法還難以考慮覆巖關鍵層對支承壓力分布的影響，因而考慮不同覆巖關鍵層賦存條件對采動應力場的影響規律及其預計方法需要深入研究。

目前，因應力集中引發的動力災害發生地點是難以預測的，加上缺乏有效監測手段，因此由應力集中引發的安全事故比由瓦斯引發的安全事故更難以預防。為此，深部開采和構造應力集中區域只能作為試驗礦井，而不能作為正常生產礦井進行生產。

5 結 論

(1)采礦不僅僅是一門技術，還必須研究其科學問題。巖層運動及其對安全與環境的影響規律是煤炭開采的基礎科學問題，對這些規律的認識將提高煤炭開采的科學性。由于巖層運動的復雜性和學科的特殊性，至今仍然有很多問題沒有解決。只要人類從巖層中獲取資源，采礦就是一個不可或缺的行業，采動巖層運動就必須持續研究以實現有效的巖層控制，使行業健康發展從而造福人類。

(2)與其他學科一般不研究破壞后力學行為這一特點明顯不同的是，煤炭開采巖層運動是一種堅硬巖層破斷前的應力集中和破斷后形成“塊體”的力學行為。堅硬巖層的破斷和塊體運動具有突變和不連續性，破斷塊體互相咬合可能形成“大變形”結構，塊體咬合結構的S-R穩定性將對礦壓顯現、采動裂隙和地表沉陷等產生重要影響，需要采礦科技工作者下大力氣研究并將其形成專門的學科！

(3)應該認識巖層運動是一個“黑箱”，目前僅僅在控制原理上得到解釋，達到“灰箱”程度。因此，巖層控制在很多場合只能是“宏觀”控制。① “砌體梁”結構力學模型的建立明確了支護原理和支架工作阻力估算原則。一般情況下，按照(4～8)倍采高巖柱重量估算支架工作阻力可以滿足工程需要，在大采高或薄直接頂、淺部開采、特殊開采條件壓架等情況下支架工作阻力估算必須采用高限，個別條件下單純提高支架阻力仍無法徹底解決壓架問題，還需配套實施相關工程措施加以防范。而放頂煤開采支架工作阻力估算必須考慮頂煤剛度的影響。② 巖層運動引起的巖層裂隙場變化將導致地下水系統的變化，其對環境損害程度不能低估。目前，采動裂隙水滲流的長期演變特征及其對區域地下水影響規律還不是十分清楚，仍需結合地質和開采條件進行深入研究，這對于區域生態環境保護與修復具有重要意義。

(4)根據覆巖關鍵層破斷塊體結構的穩定性以及我國不同地區表土層條件差異，將巖層運動對地表沉陷的影響劃分為三種類型。對開采沉陷控制而言，應根據地表沉陷的不同類型進行預測、控制與選擇復墾方法。同時，需要研究建立基于關鍵層破斷結構并考慮不同表土層(沖積層、黃土層等)賦存特征的地表沉陷預計方法，最終統一礦山壓力和巖層移動(開采沉陷)這兩個一直相互獨立的學科。

(5)關鍵層的賦存與破斷特性對采動應力分布影響顯著，需要深入研究不同覆巖關鍵層賦存條件對采動應力場的影響規律并提出預計方法。目前，由于應力引起的事故比瓦斯事故更難以預防，為此，深部開采和構造應力集中區域只能作為試驗礦井，而不能作為正常生產礦井進行生產。

致謝本文撰寫過程中得到了煤炭科學研究總院趙衡山教授級高級工程師和陜西省地質環境監測總站范立民教授級高級工程師的幫助，在此表示感謝。