□王宏
作者簡介：
    王宏，男，工程師，河北邯鄲人。現任冀中能源峰峰集團科技發展部副部長；在基層從事煤礦地質工作23年，相關論文曾獲河北省科技成果三等獎。從事“三下”采煤10多年，進行了各項巖層移動和礦山壓力觀測和實踐，特別是在水體和沖積層下開采巖層破壞上限的合理確定，密集村莊下采后巖層移動及其對民用建筑物的損壞等進行了廣泛實踐和探索，現就工作面采后上覆巖層下沉機理和移動規律提出理論性觀點。
    巖層下沉的機理
    煤層采后，原始地應力場被打破，新的礦山應力場形成，也稱礦山壓力。在平面上，圍繞采空區四周形成框狀集中應力分布區，在垂向上（包括走向和傾斜方向）圍繞采空區形成扁橢球體壯應力分布區，稱之為扁橢球體應力模型，采空區為低應力球心區，球心區外圍為高應力區，逐步衰減至應力場空間邊界。三維分布狀況：長軸位于采空區中心且垂直于煤層；次長軸位于采空區中心與煤層傾斜方向一致；短軸位于采空區中心與煤層走向 （或工作面推進方向）一致。整個扁橢球應力體隨工作面推進而移動。當采深與采長比大于等于2~2.6時，垂向上的應力橢球體完整，當采深、采長比小于2時，在垂向上橢球體部分將暴露于地表，形成不完整橢球體。采深、采厚、開采次數和累計厚度、工作面長度等參數都直接影響著橢球體的形狀、大小，且呈正變函數關系。
    礦山壓力與上覆巖層
    下沉過程關系
    礦山壓力是上覆巖層下沉運動的動力。煤層開采前，煤層及其圍巖各質點六面承受均等的自然壓應力，即原始平衡狀態。煤層采后，礦山應力場內各質點應力平衡狀態被打破，在采空區四周垂直方向上，由于壓力升高，產生壓縮變形；在水平方向上產生由高應力區向低應力區發生位移變形；在低應力區 （采空區）因重力作用產生下沉運動。下沉過程是一個時間和空間的運動體系，一是垂直下沉的空間過程，二是下沉的時間過程。
    首先是應力升高與拽動區。初采時，以巖層斷裂面為后界，寬度約60~120米，復采時為62~135米。隨著工作面推進，上覆巖體形成壓力拱，拱的超前嵌入部分巖體其重量向采空區方向轉嫁過來，形成超前工作面支撐壓力區，即高壓區。垂向上煤巖體受壓縮，水平方向煤巖體受張力。拱的后部部分受低壓區的負壓拽動作用移向低壓區（采空區及其上方）。
    其次是應力恢復與緩慢下沉區。由于工作面不斷向前推進，采場壓力拱后半部分隨之形成，在初采25~75米，復采42~65米之后，初采160~200米，復采65~140米之前，自下而上出現應力恢復區，上覆巖層緩慢下沉，逐漸被壓實與固結。
    最后是應力恢復與基本穩定區。在緩慢下沉區之后，工作面中間部分的上覆巖層趨于正常狀態，工作面上下端上覆巖層仍有微量下沉，其趨于正常狀態的時間可能延長數月不等。
    巖層下沉規律
    巖層下沉范圍的規律：下沉范圍受工作面空間幾何形狀和煤層賦存條件制約。地表下沉輪廓基本和采空區形似，面積為采空區的3.6倍。空間形狀為似倒梯形體，四邊為不對稱的曲面圍成，不同地質條件曲面形狀各異。傾斜方向上下沉范圍是一個不對稱的槽狀。走向上，初采時在基巖內超前工作面60~120米，滯后工作面110~190米有壓力升高現象，呈不對稱的倒喇叭口狀。
    下沉過程在垂向上的分布規律：從頂板跨落，下沉過程開始，自下向上以拱形分層次或周期逐步傳播直至地表，每一層次或周期的傳播高度與傳播時間比為始端傳播速度。一定時間后，出現自下而上下沉過程的終端傳播。始端傳播和終端傳播構成了巖層空間下沉過程。在水平方向上，下沉空間內不同高度平面下沉范圍和下沉量不同。但都存在下沉開始和終止兩個時間，時間差為下沉時間過程，也稱下沉期。
    下沉特征與應用
    按巖層質點下沉軌跡，在采空區上方為垂直下沉區，對地標建筑和井下工程保護有利；外圍各點下沉趨向采空區，為傾斜下沉區，對地表建筑和井下工程保護不利。
    按下沉充分程度：充分下沉區，巖體破壞充分，下沉周期短，采動裂隙率小，巖體處于壓縮狀態，對地標建筑保護有利。非充分下沉區，巖體破壞不充分，采動裂隙率大，下沉周期長，對建筑物保護不利。
    按巖體結構和壓實作用過程：從上覆巖層下沉過程看，巖體結構包含破壞和壓實兩種作用過程。宏觀上看，劇烈下沉區為破壞作用區，巖體裂隙最發育，透水性好，是開采煤層上部和下部水體突出的危險期，也是疏放的有利時期。對地面建筑保護來講，此時應停止使用和進行加固維修。
    在了解上述煤層采后上覆巖層下沉機理和規律，礦山壓力與巖層下沉過程的內在聯系，下沉過程的始末及其在時空上的作用和影響等規律后，可以有效地利用規律，進行科學設計，避免事故的發生。