由于巷道掘进率低、工作面产量高且煤壁不易片帮等优点，综放开采技术在我国厚煤层矿区中得到了广泛应用，已经成为我国开采厚煤层的主要方法。自1982年钱鸣高院士创立“砌体梁”理论以来，我国采场矿山压力研究实现了从定性假说到定量理论的跨越发展，在综放开采技术与装备、采面开采模式、采场覆岩运动与破断规律、岩层结构假说、综放支架与围压相互作用关系，以及智能放顶煤开采等方面，已形成具有中国特色的厚煤层开采与岩层控制成套技术体系[1,2,3,4],为我国煤矿安全高效、绿色开采提供了可靠的技术保障。

夏彬伟等[5]考虑了开采过程中煤岩体的损伤软化、顶板垮落、采空区充填等物理过程，提出了一种长壁开采全过程采场矿压数值模拟方法。许家林等[6]研究了厚煤层开采上覆关键层结构变化特征及对工作面矿压显现的影响，构建了关键层结构状态支架工作阻力计算力学模型，分析了不同关键层破断结构形态对工作面支架工作阻力的影响，并进行了现场实测验证。于斌等[7]针对大同矿区坚硬顶板综放开采条件，建立了特厚煤层开采采场岩层结构演化模型。结果表明，综放开采覆岩远、近场关键层运动对采场矿压产生影响，其中近场关键层为“悬臂梁+砌体梁”结构，远场关键层为“砌体梁”结构模型。近场关键层结构主要影响工作面支架工作阻力及其稳定性；远场关键层结构导致工作面临空巷道超前底鼓。杨胜利等[8]基于中厚板理论对厚层坚硬关键岩层的孤岛工作面，在初次来压、周期来压时关键岩层的位移及应力分布进行了研究，讨论了关键岩层厚度对于切应力分布的影响，揭示了关键岩层的受力与破断特征，提出了关键岩层破断模式判据。张俊文等[9]研究了厚煤层一次采全高低位顶板支托层(关键层)及其随动层的运动规律，建立了采空区侧向支承压力力学计算模型，揭示了低位厚硬岩层垮落诱冲机理。高明仕等[10]建立了冲击震源层破断力学模型，研究了覆岩冲击震源层的初次破断和周期破断产生的冲击能量，以及冲击震动波在传播过程中的能量耗散机理，分析了厚硬顶板覆岩冲击震源层位能级对下伏采掘空间冲击矿震影响的远近场效应。翟新献等[11]采用相似模拟试验方法研究了巨厚砾岩层变形移动规律，提出了巨厚砾岩层裂隙演化扩展具有较明显的时间效应。

2015年12月22日义马矿区耿村煤矿13230综放工作面发生一起严重的冲击地压事故，超前综放工作面160 m范围内运输平巷发生底鼓、支架倾斜、巷帮挤压变形等冲击地压显现。我国对义马矿区特厚煤层综放开采覆岩运移规律、巨厚砾岩层垮落失稳、采场矿压显现等进行了大量研究[12,13,14,15],然而耿村煤矿综放工作面上覆存在一层厚度大、强度较高、整体性完整的巨厚砾岩层，该岩层垮落失稳对下伏综放工作面顶板来压、采空区底板应力恢复程度、超前支承压力分布特征，以及诱发巷道冲击地压等较系统研究报道较少。论文以耿村煤矿13230综放面为工程背景，采用相似模拟方法，研究综放面回采过程中砾岩层变形移动垮落特征、声发射和震动加速度响应特征，以及超前支承压力分布规律。研究结论为义马矿区综放开采围岩控制和冲击地压防治提供技术支撑。

1、综放面赋存条件和砾岩层结构力学参数

1.1综放面地质采矿条件

义马矿区耿村煤矿位于河南省西部，矿井核定生产能力360万t/a,为冲击地压矿井。井田走向长度4.5 km,南北倾向宽度2.6 km,井田面积11.5 km2。井田整体呈南高北低，地质构造简单。主要开采中侏罗统义马组2-3煤层。井田采用斜井单水平上下山开拓方式。目前矿井有12采区和13采区两个生产采区，分别位于井田西部和东部，井田最大开采深度达到686 m。

13230综放工作面位于13采区运输下山东侧，属于走向长壁工作面，该面仅北部为13210采空区，其他三面即西部、东部和南部均为实体煤。综放面走向长度971 m,倾向宽度196 m,运输平巷全长1 087 m。13230综放面回采2-3煤层，煤层厚度变化较大，平均厚度约10.5 m,煤层倾角9°～13°,平均倾角11°,属于缓倾斜特厚煤层。工作面直接底为黑灰色泥岩层，基本底为细粒砂岩层，直接顶为泥岩层，基本顶为细粒砂岩层。综放工作面综合柱状图和巷道布置如图1、2所示。13230综放面对应地面标高+625～+647 m,工作面煤层底板标高-39～+45 m,工作面平均采深630 m。

1.2砾岩层结构力学参数

由井筒揭露和井田内钻孔地质柱状图可知，13230综放面开采侏罗系煤系2-3煤层，其上覆存在一层厚度约320 m的巨厚砾岩层，砾石主要为石英岩、石英砂岩岩屑，含少量的岩浆岩和石灰岩砾石，一般为次棱角状和次圆状，分选差，粒径3.0～800.0 mm。砾岩层呈泥质、钙质胶结，局部为硅质胶结。强度较高、完整性好，砾岩样单轴抗压强度为31.07～89.65 MPa。砾岩层上覆为厚度8.0 m的第四系薄层黄土层，属于砾岩层的随动层。

由义马矿区厚煤层开采后地表沉陷观测结果[16]可知，位于义马煤田西部杨村井田煤层上覆没有砾岩层，厚煤层开采以后地表下沉系数达到0.8～0.9,地表下沉充分，矿井没有发生过冲击地压事件。耿村井田当煤层上覆砾岩层厚度小于250 m时，浅部煤层开采后地表下沉系数达到0.5,地表下沉较充分；而当上覆砾岩层厚度大于250 m,深部厚煤层开采以后地表下沉系数仅为0.12～0.18,深部未采区域下沉量与已采工作面下沉量相近，巨厚砾岩表现出明显的悬臂效应。同样，位于煤田中部的千秋煤矿，当巨厚砾岩厚度超过250 m、采深超过500 m时，厚煤层开采后地表下沉系数小于0.3。由此可知，厚煤层开采后上覆巨厚砾岩离层后处于悬顶状态，当综放面推进度达到临界跨度时，巨厚砾岩层出现初次或周期断裂失稳，在远场震动中巨厚砾岩层垮落体将对下伏综放面的煤岩体产生冲击作用，容易诱发冲击地压事故。

13230综放面上覆砾岩层厚的达到320 m,综放面开采地表下沉稳定后，地表仍处于非充分采动状态。由于巨厚砾岩层间含一层软弱夹层，呈平行不整合接触，可以将巨厚砾岩层简化为上位和下位砾岩层，平均厚度各为200.0 m和120.0 m。综放工作面开采时，可以用上位砾岩层下沉移动表示地表的下沉移动。

在13230综放面选取大块煤岩样，在河南理工大学岩石力学实验室对煤层及其顶底板岩样进行冲击倾向性测定。试验结果表明，2-3煤层具有强冲击倾向性，底板岩层为强冲击倾向性。顶板岩层为弱冲击倾向性。上位砾岩层单轴抗压强度35.22～89.65 MPa,均值74.78 MPa;下位砾岩层单轴抗压强度31.07～80.49 MPa,均值68.64 MPa。

2、砾岩层垮落冲击相似模拟研究

2.1相似模型的制作和边界条件

大量研究表明[15,16,17],耿村煤矿煤层开采以后上覆巨厚砾岩层大面积悬顶，与下伏垮落岩层之间存在离层空间，当下位砾岩层初次垮落后，垮落体对综放面巷道煤岩体产生冲击，冲击动能与垮落体质量和砾岩层离层量成正变关系，当冲击应力波传递至综放面回采巷道的煤岩体时，在动静载荷作用下引起煤岩体出现大能量矿震事件，甚至诱发冲击地压事故。所以耿村煤矿下位砾岩层垮落体垮落产生的远场震动场是诱发下伏综放面巷道煤岩体产生大能量微震事件的主因。

为研究砾岩层变形移动垮落全过程及其垮落体对综放面煤岩体的冲击特性，以13230综放工作面为原型，沿着13230综放面中部走向方向选取单位长度的地质剖面进行相似模型制作。模型选用细河沙为骨料，石膏和碳酸钙为胶结料，硼砂作为缓凝剂；利用云母模拟层理面，滑石粉模拟层面和节理。模型煤岩层物理力学参数选取时，以单轴抗压强度为主要相似物理量，同时要求其他各物理量的近似相似。按照模型煤岩层的相似配比整层或分层制作，模拟岩层压密、压实以后，干燥4～6 d,煤岩层充分固结后，对模型施加边界应力，同时设置不同观测线和观测点。

依据13230综放面综合柱状图，利用关键层理论计算出[14,15],2-3煤层回采时上覆岩层中的亚关键层1(即基本顶简称KS1)、亚关键层2(KS2)、亚关键层3(KS3)、主关键层(KS4),依次为煤层顶板中的细粒砂岩层(层厚19.0 m)、中粒砂岩层(23.0 m)、下位砾岩层(120.0 m)和上位砾岩层(200.0 m)。

采用平面应力相似模型，模型尺寸长度×宽度×高度分别为4 000 mm×300 mm×1 585 mm。模型底面为固支边界，左右两端为简支边界；上表面为自由面。受相似模拟试验台高度限制，模型没有模拟KS4和薄层松散层，按照相似理论设计计算出模型相似常数：几何相似常数CL=200,容重相似常数Cγ=0.75;强度相似常数Cσ=0.003 75;时间相似常数Ct=14.1;泊松比相似常数Cμ=1。KS4为主关键层，发生初次断裂失稳前对其下伏垮落岩层不施加载荷，因此在模型上边界没有施加未模拟上位砾岩层和薄层松散层的自重应力。为消除煤层开采过程中边界效应对煤层上覆岩层变形移动破坏的影响，在模型两侧各留300 mm宽度边界固定煤柱，模拟煤层工作面自始采线向终采线方向推进。

2.2模型观测线和观测点设置及观测仪器

为了观测模拟煤层开采时综放工作面前方煤层底板、采空区底板，以及开切眼侧煤柱垂直应力进行实时观测。在模拟煤层底部10 mm的直接底岩层中，依次布设编号为1#～19#、间距为80/240 mm的BX-1型压力传感器，共铺设19个压力传感器；其中位于开切眼侧煤柱底板传感器编号为1#～4#;5#～18#的传感器位于采空区的煤层底板，而19#传感器位于停采后的煤层底板。采用36通道的DH3816N静态应变仪、DHDAS动态信号采集分析系统进行采动应力在线观测。

在模型正面布置4条位移观测线即A、B、C、D观测线，分别位于下部、中下部、中上部和上部巨厚砾岩层中。每条观测线内布置39个观测点，相邻观测点水平间距100 mm。利用三维数字近景摄影测量系统，观测记录模拟煤层开采过程中砾岩层变形移动规律、采动裂隙发育情况等。

为研究砾岩层垮落失稳后垮落体对综放工作面煤岩体的冲击作用，分别在砾岩层底部和煤层底板岩层中分别布置2个加速度传感器，用来测定震动加速度的响应特征。选用ZC1010L型压电式加速度传感器，传感器电压灵敏度为5 mV/g,使用频率范围为500～10 000 Hz,分辨率为0.02g,最大量程1 000g,采用DAQami数据采集系统进行在线观测。考虑到砾岩层垮落时，垮落体中部围岩震动加速度最大，因此，将1#和2#加速度传感器布置在砾岩层底部，距离模型左边界分别为1 700 mm和3 325 mm, 3#和4#传感器布置煤层底板岩层，距离模型左边界依次为3 100 mm和3 550 mm。

相似模型位移观测线和观测点布置、压力传感器、声发射探头，以及震动加速度传感器设置的位置，如图3所示。

图3模型观测线及其观测点布置立面图(mm)  

2.3模拟综放面回采期间观测方法

现场综放工作面实行综采放顶煤一次采全高采煤法，因此模拟综放工作面实行厚煤层一次采全高回采方法。自开切眼始采线到终采线实现连续开采，模拟综放面间隔30 min回采一次，回采步距50 mm,对应于现场综放面回采速度为34.0 m/d。

2.4模拟试验结果

不同推进度时巨厚砾岩层变形移动特征如图4所示。当工作面推进度440.0 m时，下位砾岩层底部出现离层，最大离层量和离层区间分别为2.9、260.0 m。离层量和离层区间与工作面推进度有关，当工作面推进度为480.0～600.0 m时，离层区间保持在260.0 m左右，随着工作面推进度的增加，离层量逐渐增大，最大离层量达到5.0 m。当工作面推进度620.0 m时，在砾岩层底部距综放面煤壁363.0 m位置产生一条高倾角采动裂隙，裂隙倾角88°,裂隙长度67.0 m,最大裂隙宽度0.25 m,此时离层区间增加至310.0 m,最大离层量则增加到5.2 m。在砾岩层底部出现高倾角的采动裂隙是砾岩层发生初次垮落失稳的前兆。

当推进度660.0 m时，模拟工作面停采35 min后(实际工作面停采8.225 h),砾岩层底部出现的高倾角采动裂隙快速向上扩展，裂隙长度和宽度分别增加到112.0 m和0.33 m,但裂隙倾角基本不变，砾岩层离层区间急剧增加到472.0 m,离层量增加到5.5 m。当模拟工作面停采75 min后(实际工作面停采17.625 h)如图4(d),砾岩层将产生新的斜交裂隙和水平裂隙(其中蓝色表示斜交裂隙，粉色表示水平裂隙),这些次生采动裂隙相互交错但并未贯通整个砾岩层，砾岩层不会出现垮落失稳；但当离层区间增大到477.0 m,砾岩层产生新的次生裂隙后，砾岩层发生整体下沉，离层量减小到5.3 m。当模拟工作面停采90 min后(实际工作面停采21.150 h),砾岩层突然垮落后形成类四棱柱垮落体，垮落体顶面距砾岩层顶部52.0 m,砾岩层底部离层闭合。统计结果显示，垮落前砾岩层出现7条水平裂隙和8条斜交裂隙；当这些水平和斜交的次生裂隙相互贯通，且完全贯穿砾岩层时砾岩层垮落，因此砾岩层初次垮落步距为660.0 m。

当工作面推进度为720.0 m时，砾岩层中裂隙进一步扩大，模型顶部出现弯曲下沉，砾岩层再次发生垮落，周期垮落步距为60.0 m。当工作面推进度为760.0 m,工作面停采115 min后(实际工作面停采27.025 h),砾岩层次生裂隙相互交错，且在采空区中部和煤壁侧形成了3条贯通砾岩层的斜交裂隙，此时模型顶部出现明显下沉，最大下沉量达到3.6 m。

图4不同推进度时巨厚砾岩层变形移动特征  

3、相似模型试验结果分析

3.1砾岩层变形移动规律

综放工作面不同推进度时，砾岩层中A～D观测线下沉曲线如图5所示。由图5可知，砾岩层变形移动和垮落与观测线和观测点的位置、工作面推进度和停采时间有关，砾岩层自下而上观测线最大下沉量逐渐减小。砾岩层下部观测线A的下沉曲线如图5(a),当工作面推进度660 m时分别停采35 min和75 min时，砾岩层底部的观测线A最大下沉量分别为1.46 m和2.13 m;当工作面停采90 min后，砾岩层突然破断垮落，最大下沉量突然增大到7.20 m。

随着工作面继续推进，当推进度达到760 m工作面回采结束后，在观测线A中部出现下沉盆地，说明砾岩层垮落后达到超充分采动状态。观测线B和观测线C位于砾岩层中部，如图5(b)和图5(c)所示，当工作面回采结束后，观测线B和观测线C的最大下沉量分别为6.81 m和4.85 m。砾岩层上部的观测线D下沉曲线如图5(d),当工作面回采结束后，观测线最大下沉量仅3.66 m。综上所述，当工作面推进度760 m回采结束后，巨厚层砾岩层中自下而上4条观测线依次处于超充分采动、充分采动、非充分、非充分采动状态。

图5不同推进度时观测线下沉曲线  

3.2砾岩层声发射响应特征

1)声发射定位特征

煤岩体在发生变形、损伤和破坏过程中，伴随有弹性能的积累和释放，煤岩体破坏时弹性能以弹性波的形式向外释放，产生声发射事件，采用时差定位法确定事件的位置。图6为综放面不同推进度时声发射信号定位图。当综放面推进度分别为440.0、480.0、540.0和600.0 m时，其间声发射定位的事件数依次为6、9、11和25次，如图6(a)～(d)。随着推进度的增加，其间声发射事件次数呈波动增大趋势，靠近工作面煤壁侧和采空区中部的事件次数明显大于开切眼侧，由此说明，随着回采的进行，位于工作面煤壁侧和采空区中部上覆砾岩层破裂程度较大，砾岩层内裂纹扩展演化前，伴随着声发射事件；图6(d)在345.1～371.7 m模型长度区间和198.1～265.4 m模型高度区间内出现的7次声发射事件，为推进度600.0 m时声发射事件总数的28%。当工作面推进度620.0 m时，如图6(e),声发射事件出现41次，主要分布在175.1～271.0 m模型高度区间即集中分布在砾岩层中下部，声发射事件位置与砾岩层中部出现的高倾角裂隙位置基本一致，如图4(b)所示。

大量现场微震监测结果表明，当综放面煤岩体发生冲击地压前，微震事件出现平静期或微震事件数急剧下降。当推进度660.0 m时，砾岩层离层区间和高倾角裂缝长度分别是推进度620 m时的1.52倍和1.67倍，高倾角裂缝将贯通整个砾岩层，为砾岩层断裂前兆特征。模拟工作面停采35、75和90 min时的声发射事件如图6(f)～(h)所示，声发射事件数从83、54次急剧下降到12次，砾岩层突然垮落后声发射事件数减少了77.7%～85.5%。其间监测到83次声发射事件，在砾岩层中部255.6～263.5 m高度区间呈簇状分布，该位置与停采90 min后砾岩层破断垮落时主控裂隙位置相一致。当工作面推进度720.0 m时如图6(i),其间监测到21次声发射事件，砾岩层裂隙发育程度继续增加。主要原因是砾岩层发生初次垮落后出现大量的次生裂隙，砾岩层裂隙发育，当砾岩层发生二次(周期)垮落时，声发射信号在初次垮落的砾岩层内传递时，入射和反射波信号强度衰减明显，声发射系统对较弱信号定位困难，声发射探头接收到的声发射事件较少。当工作面回采结束后，对模型开切眼一侧的固定煤柱进行回收，同时进行声发射定位验证，如图6(j),当工作面推进度760.0 m时，在162.1～312.7 m模型高度区间，监测到13次声发射事件，而在开切眼煤柱上方监测到6次束状声发射事件。

与常规标准圆柱体试件的声发射试验相比，由于模拟煤岩层密度小、层面发育、采动裂隙和裂缝较多，声波信号在传播过程中能量损失较大，造成相似模拟试验监测到的声发射事件数明显较少。但声发射监测到砾岩层中主控裂隙的孕育产生、扩展演化以及砾岩层垮落的全过程，主控裂隙演化时间长，脆性垮落具有瞬时性和突发性的特征。

图6不同推进度时声发射信号定位图  

2)声发射事件参数响应特征

声发射事件幅值门槛值35 dB。不同推进度时模拟工作面声发射事件参数变化规律如图7所示。

图7不同推进度时声发射参数变化规律 

图7(a)为声发射事件幅值与工作面推进度关系，当砾岩层发生初次垮落前(推进度660.0 m时),声发射幅值呈指数增加，当工作面推进度为420.0～600.0 m,声发射事件幅值相对平稳，最大幅值小于50 dB;当工作面推进度620.0 m时，声发射事件最大幅值增加到66 dB;当工作面推进度660.0 m时，随着模拟工作面停采时间的延长，声发射事件数量减少，而高幅值事件数增加；当工作面停采90 min后，砾岩层初次垮落时最大幅值为89 dB,之后随着工作面继续推进，声发射幅值逐渐降低。

图7(b)为声发射振铃计数与工作面推进度关系，在砾岩层发生初次垮落前，振铃计数随着推进度增加而逐渐增大，说明随着工作面推进度增加，砾岩层离层量和离层区间增大且砾岩层次生裂隙发育程度加剧；从振铃计数数量来看，当砾岩层完全垮落前，振铃计数最大800次；当砾岩层发生初次垮落后，振铃计数显著降低。

图7(c)为声发射事件绝对能量与工作面推进度关系。声发射绝对能量可以真实地反映出冲击信号的能量，采用绝对能量表征砾岩层内发生破裂的规模。从图中可以看出，在砾岩层发生初次垮落前，声发射事件绝对能量呈线性增加关系，其演化规律与声发射幅值和振铃计数的变化规律相一致性。当砾岩层垮落时，声发射事件绝对能量明显大于裂隙演化时的绝对能量，当砾岩层垮落时，绝对能量突然释放，声发射绝对能量达到最大值，峰值能量为50 000 J。

3.3砾岩层震动加速度响应特征

图8为工作面推进度660.0 m和720.0 m时，砾岩层垮落煤岩体震动加速度响应特征。当工作面推进度660.0 m时，如图8(a),1#～4#加速度传感器的峰值加速度依次为38.79、36.59、14.90和13.43 m/s2。从图中可以看出，砾岩层初次垮落时，震动加速度急剧增加，短时间内达到峰值后，迅速衰减到消失。1#和2#加速度传感器的峰值震动加速度明显大于3#和4#,且3#传感器的峰值加速度为4#峰值加速度的1.11倍。造成上述结果的主要原因是1#和2#传感器距垮落体震源的位置较近，而3#和4#传感器距震源的位置较远；3#传感器靠近采空区中部，4#传感器位于煤壁侧，距震源距离最远，接收到震动加速度信号最弱。

当工作面推进度720.0 m时，如图8(b),砾岩层发生周期垮落，1#、2#、3#传感器均没有监测到砾岩层垮落震动加速度信号，仅4#传感器监测到峰值震动加速度为4.19 m/s2,该值为砾岩层初次垮落时峰值震动加速度13.43 m/s2的31.2%,表明砾岩层初次垮落冲击强度远大于周期垮落冲击强度。对比图8(a)和图8(b)发现，当工作面推进660.0 m时，砾岩层初次垮落后，1#～4#震动加速度信号出现一次波动后快速衰减，震动加速度信号波动平均持续时间仅为0.3 ms;而当工作面推进720.0 m时，砾岩层周期垮落时震动加速度信号波动平均持续时间为1.6 ms,为初次垮落时震动加速度信号波动持续时间的5.33倍，表明砾岩层初次垮落对下伏综放工作面回采巷道煤岩体的冲击具有瞬时性特征。

图8不同推进度时关键层垮落围岩震动 加速度信号响应特征  

图9为3#和4#传感器监测到的顶板岩层垮落时峰值震动加速度与推进度之间关系。

图9峰值震动加速度与综放面推进度之间关系

从图中可以看出，直接顶垮落时，3#和4#传感器的峰值震动加速度基本一致，平均值1.32 m/s2;基本顶周期垮落时，传感器平均峰值震动加速度为4.12 m/s2;当砾岩层初次垮落时，受砾岩层垮落体与传感器之间距离、岩层孔隙率的影响，3#和4#传感器测得峰值震动加速度分别为14.90 m/s2和13.43 m/s2,平均值14.17 m/s2,该值远大于直接顶垮落和基本顶周期垮落时的平均震动加速度，由此可见，砾岩层初次垮落对工作面回采巷道煤岩体具有强冲击特性。

3.4工作面超前支承压力分布规律

煤层开采时工作面上覆存在砌体梁结构，随着工作面的推进，工作面前方出现应力升高区称为工作面超前支承压力影响区。超前支承压力特征可以用峰值应力集中系数Kmax、峰值应力距煤壁距离x0、超前支承压力影响范围L0这3个参数来反映。

采空区煤层底板位置压力传感器(5#～19#)观测的超前支承压力分布曲线如图10和表1所示。超前支承压力分布曲线呈“单峰型”曲线，随着距工作面煤壁距离的增加，支承压力呈单调增加，达到峰值以后，支承压力呈单调递减，并逐渐趋于原岩应力状态，垂直应力基本保持不变。观测结果表明，超前支承压力影响范围L0为170.0～190.0 m,均值180.0 m;峰值支承压力距煤壁距离x0为28.0～90.0 m,均值73.9 m。

在工作面初次来压阶段，随着工作面推进距离的增加，超前支承压力逐渐增大，应力集中系数逐渐升高，初次来压时Kmax增加到极大值1.91。工作面正常回采阶段，工作面超前支承压力出现周期性变化。当工作面推进度240.0 m时，关键层KS2发生初次垮落，导致下位关键层KS1同步垮落，此时Kmax增加到极大值2.06。当工作面推进度为660.0 m时，砾岩层发生初次垮落，Kmax增加到最大值3.12,该值分别为KS1和KS2关键层初次垮落时的1.63倍和1.51倍。

当工作面推进度680 m时，采空区底板垂直应力与原岩垂直应力的比值KZ如图12所示。工作面回采结束覆岩垮落稳定后，采空区底板垂直应力与原岩垂直应力比值曲线呈似梯形分布，采空区中部底板岩层的垂直应力恢复至原岩应力的80.7%左右，基本保持不变，而在采空区两侧底板处于低应力区，最小垂直应力4.058 MPa,为原岩应力的51.2%。

4、支架工作阻力与砾岩层断裂垮落关系

2018年10月1日至2019年2月28日对耿村煤矿13230综放工作面中部的65#支架工作阻力进行统计，如图13所示，观测期间综放面推进度为487.7～580.1 m。以支架时间加权平均工作阻力和1倍均方差之和即F¯¯¯t+σ˙作为综放面来压标志；以支架时间加权平均工作阻力和2倍均方差之和即F¯¯¯t+2σ˙作为综放面明显来压标志。

65#液压支架明显来压标志和明显来压标志分别为6 806.90 kN和8 178.52 kN。当工作面推进度487.7～580.1 m时，工作面中部的65#支架顶板出现7次周期来压显现，周期来压步距为11.4～21.0 m,平均16.6 m;其中工作面推进度分别为523.1、539.9和560.9 m时，工作面处于第3次见方区，如图2所示，顶板来压时动载系数KM依次为1.73、1.80和1.87,这3个值均大于非见方区顶板来压时的动载系数，且来压持续时间较长，一般为5～6 d。这种强矿压显现直接与上覆巨厚砾岩层垮落失稳有关。

4支架工作阻力与砾岩层断裂垮落关系

2018年10月1日至2019年2月28日对耿村煤矿13230综放工作面中部的65#支架工作阻力进行统计，如图13所示，观测期间综放面推进度为487.7～580.1 m。以支架时间加权平均工作阻力和1倍均方差之和即F¯¯¯t+σ˙作为综放面来压标志；以支架时间加权平均工作阻力和2倍均方差之和即F¯¯¯t+2σ˙作为综放面明显来压标志。

65#液压支架明显来压标志和明显来压标志分别为6 806.90 kN和8 178.52 kN。当工作面推进度487.7～580.1 m时，工作面中部的65#支架顶板出现7次周期来压显现，周期来压步距为11.4～21.0 m,平均16.6 m;其中工作面推进度分别为523.1、539.9和560.9 m时，工作面处于第3次见方区，如图2所示，顶板来压时动载系数KM依次为1.73、1.80和1.87,这3个值均大于非见方区顶板来压时的动载系数，且来压持续时间较长，一般为5～6 d。这种强矿压显现直接与上覆巨厚砾岩层垮落失稳有关。

参考文献：

[1]王家臣,许家林,杨胜利,等煤矿采场岩层运动与控制研究进展纪念钱鸣高院士"砌体梁"理论40 J煤炭科学技术, 2023,51(1):80-94.

[2]王家臣.我国综放开采40年及展望[J].煤炭学报, 2023.48(1):83-99.

[3]康红普,徐刚，王彪谋,等我国煤炭开采与岩层控制技术发展40 a及展望[J].采矿与岩层控制工程学报, 2019.1(1);1-33.

[4]于雷,闫少宏特厚煤层综放开采顶板运动形式及矿压规律研究[]煤炭科学技术, 2015,43(8):40-44.

[5]夏彬伟,龚涛,于斌，等.长壁开采全过程采场矿压数值模拟方法[J].煤炭学报, 2017.42(9):2235-2244.

[6]许家林,鞠金峰特大采高综采面关键层结构形态及其对矿压显现的影响[J].岩石力学与工程学报, 2011,30(8):1547-1556 .

[7]于斌,朱卫兵,高瑞,等.特厚煤层综放开采大空间采场覆岩结构及作用机制[J]煤炭学报, 2016,41(3):571-580.

[8]杨胜利,王家臣,李良晖基于中厚板理论的关键岩层变形及破断特征研究[J]煤炭学报, 2020,45(8):2718-2727

[9]张俊文，董续凯,柴海涛,等.厚煤层- -次采全高低位厚硬岩层垮落致冲机理与防治[J]煤炭学报, 2022,47(2).734-744.

[10]高明仕,徐东,贺永亮,等厚硬顶板覆岩冲击矿震影响的远近场效应研究[J].采矿与安全工程学报, 2022 39(2):215-226.

[11]翟新献，赵晓凡,涂兴子，等放顶煤开采上夏巨厚砾岩层变形移动规律研究[J]河南理工大学学报(自然科学版),2019,38(3)16-23

[12]翟新献,孙乐乾,涂兴子，等 耿村煤矿综放开采覆岩移动和矿压显现规律研究[J].河南理工大学学报(自然科学版),.2018,37(4): 1-8

[13]孙乐乾耿村煤矿综放开采覆岩和巨厚砾岩层运移规律研究[D]焦作:河南理工大学, 2018.

[14]赵晓凡耿村煤矿巨厚砾岩层下综放开采覆岩变形移动规律研究[D]焦作:河南理工大学, 2019.

[15]赵晓凡巨厚砾岩层垮落对综放面煤岩体冲击作用机理及应用研究[D].焦作:河南理工大学, 2023.

[16]翟新献,赵晓凡，翟俨伟,等综放开采上覆巨厚砾岩层离层和断裂力学模型及其应用[J].中国矿业大学学报，2023,52 (2):241-254 .

文章来源:翟新献,赵晓凡,郭钊洋,任柱安.综放开采上覆巨厚砾岩层变形垮落冲击相似模拟研究[J].采矿与安全工程学报,2023,40(05):1018-1030.