煤炭资源在我国能源生产和消费结构中占据重要地位，安全稳定供给是煤炭生产的重要任务。我国厚煤层赋存丰富，占目前煤炭探明总储量的47.8%,厚煤层及特厚煤层年产量占我国煤炭总年产量的45%,为煤炭工业高质量发展提供了有力的资源保障[1]。放顶煤开采作为主要的厚煤层开采手段，具有产量高、成本低等优点。但厚煤层放顶煤开采易受顶板条件限制，由于其采高较普通综采大，工作面应力运移及压力显现较为复杂，当其顶板结构为多层致密硬岩时，易造成“悬而不垮”等现象，大面积悬顶突然垮落会导致工作面动载突变，矿压显现强烈，严重威胁工作面的安全高效回采。

针对厚煤层放顶煤开采顶板的破断失稳特征，学者们进行了一系列的研究。赵象卓等[2]通过研究大倾角特厚煤层半煤岩巷道失稳地质动力条件，给出了针对性的支护优化方案；来兴平等[3]研究了急倾斜巨厚煤层不同开采深度下的覆岩能量演化规律，提出了针对性的厚煤层开采动力灾害防治理念；袁崇亮等[4]建立了“夹持岩梁”与“U-λ”岩板力学模型，得出了近直立特厚煤层分段综放夹持煤柱冲击机理；赵鹏翔等[5,6]以倾斜厚煤层为地质工程背景，研究了仰斜综采方法对覆岩破断和瓦斯运移规律的影响；王鹏、高玉兵等[7,8]研究了特厚煤层下分层巷道布置以及临空动压巷道围岩变形机理和卸压控制；刘洪涛等[9]系统研究了大采高综放工作面开采覆岩破断与应力运移规律；韩宇锋等[10]将液压支架简化为恒刚度弹簧，建立了顶煤力学模型，研究了厚煤层综放开采顶煤分区破坏特征。

物理模拟试验具有速度快、易操作、成本低、精度高等诸多优势，被广泛应用于科学仿真研究，能够客观反应工程结构与地质构造的关系，准确模拟煤岩体破裂特征，快速直观地反映试验结果，为矿井实际生产提供依据。刘程等[11]通过相似模拟的手段，研究了大倾角智能开采工作面矿压显现规律，给出了回采的可行性依据；王正义、张杰、秦喜文等[12,13,14]通过改变物理模型的铺设方案，分别研究了特厚煤层、近距离煤层群以及小窑破坏区残煤综放开采不同条件下的覆岩失稳破断规律；肖鹏等[15]运用物理模拟与微震监测相结合的手段，研究了“三软”煤层覆岩裂隙演化规律。

综上所述，现有的成果对厚煤层放顶煤安全开采提供了一定的参考依据，但较少研究多层硬顶条件下特厚煤层放顶煤开采的顶板失稳破断特征。现有的研究主要以数值模拟为主，较少采取相似物理模拟的手段进行直观地研究。本文以麻家梁矿14202工作面生产地质条件为基础，对特厚煤层低位双硬顶板结构破断的动载效应进行分析，为该条件下的煤炭安全开采、巷道布置及围岩控制提供理论依据。

1、特厚煤层双硬顶板采动失稳破断相似模拟

同煤集团麻家梁矿主采4#煤层，4#煤层位于山西组下部，煤厚为8.3 m, 埋深为640 m, 倾角为0°～5°,为低瓦斯煤层。其中14202工作面上覆多层坚硬顶板，距离煤层最近的为8.8 m厚的粗砂岩和10.0 m厚的中粗砂岩，形成低位双硬顶板结构，该结构在工作面回采后易“悬而不垮”,达到极限破断距后破断失稳会引起严重的矿压显现，制约工作面的安全高效回采。

1.1 相似模型

通过二维平面应力试验平台进行相似模拟试验研究，模拟对象为14202工作面，模型尺寸：长×宽×高=2500 mm×200 mm×1250 mm, 煤岩配比参数见表1,模型相似比见表2。

表1 煤岩层相似材料配比

表2 主要相似常数

1.2 模型铺设及测点布置

相似材料的成分主要为水、沙子、石灰、石膏，按照表中的配比混合，在不同岩层之间均匀铺设云母粉进行分层，在模型顶部均匀施加载荷补偿上覆岩层自重。

通过布置位移测线和内置压力盒来监测特厚煤层采动压力运移规律和上覆岩层结构破断规律，模型铺设时，在煤层顶底板岩层中布置压力盒。模型干燥后均匀布置位移测点，模型铺设和压力盒布置如图1所示。

图1 模型铺设及测点压力盒布置(单位：mm)   

2、相似模拟结果分析

按照前文确定的时间相似比对模型进行开挖，其中原工作面每日进尺6 m, 模型中开挖速度为0.55 m/h, 模型两侧留设50 cm煤柱用以减小边界效应。

2.1 下位坚硬顶板垮落

2.1.1 下位坚硬顶板初次垮落

工作面推进至24 m, 下位坚硬顶板萌生横向微小裂隙；工作面推进至36 m, 裂隙发育扩展形成离层；工作面推进至48 m, 下位坚硬顶板下分层两端发育多条纵向裂隙分叉，开始弯曲下沉，上分层与其上覆夹层离层显著；工作面推进至60 m, 下位坚硬顶板下分层达到极限破断距，发生初次垮落，垮落厚度为4.2 m左右，破断角为60°,顶板断裂线距煤壁5.8 m; 推进至72 m时，下位坚硬顶板全部垮落。此时采空区空间较大，其上方与上位坚硬顶板之间的软弱夹层无法形成稳定铰接结构，因此夹层下部第一分层也随之垮落，其余分层开始出现离层。下位坚硬顶板自离层萌生到全部垮落工作面累计推进36 m, 其结构垮落特征如图2所示。

图2 下位坚硬顶板初次垮落  

2.1.2 下位坚硬顶板周期垮落

下位垮落坚硬顶板断裂形态呈“梯形”并形成悬臂梁结构，随着工作面推进，悬臂梁结构不断到达极限垮落步距，发生周期性破断，向回采方向动态迁移，周期垮落步距约为23～25 m。同时，坚硬顶板周期垮落导致其上覆软弱夹层同步协调运动，形成“台阶下沉”,其中下位坚硬顶板周期垮落，如图3所示。

图3 下位坚硬顶板周期垮落运动特征   

2.2 上位坚硬顶板垮落

2.2.1 上位坚硬顶板初次垮落

工作面推进至80 m时，下位坚硬顶板已经出现明显的离层破断，此时上位坚硬顶板仍然保持稳定，但采空区已经存在较大回转空间；工作面推进至85 m时，上位坚硬顶板下分层瞬间下沉破断，作用在其下方的软弱夹层分层同步垮落，至此，下位坚硬顶板以及上下坚硬顶板之间的所有软弱夹层均破断垮落，并落到下方采空区矸石上，垮落岩块相互铰接形成砌体梁结构；工作面推进至108 m时，上位坚硬顶板残余稳定层也达到极限破断距，发生垮落并带动其上部部分软岩垮落，形成大的回转空间。对比之前垮落岩层，本次垮落破断岩块尺寸较大，至此，上位坚硬顶板初次垮落结束，其运动特征如图4所示。

图4 上位坚硬顶板初次垮落结构特征   

2.2.2 上位坚硬顶板周期垮落

初次垮落的上位坚硬顶板随着工作面推进，不同岩层之间出现相嵌- 相切 - 相离的运移特征，采空区自由空间逐渐增大，达到回转极限时，已经垮落的顶板块体互相挤压咬合压实，形成具备一定承载能力的砌体梁结构，并伴随回采不断推进形成周期性的破断、平移、再压实过程。上位坚硬顶板破断形成较大块体，受水平剪力小，承载能力差。上位坚硬顶板作为亚关键层破断失稳后，上覆岩层大幅垮落，随着工作面推进呈现周期性垮落。上位坚硬顶板周期破断步距约为55～65 m, 破断角约为60°,其中上位坚硬顶板结构周期垮落，如图5所示。

图5 上位坚硬顶板周期垮落结构特征   

2.3 特厚煤层开采上覆岩层的运动特征

特厚煤层开挖后，其上覆岩层首先萌生张拉裂隙，裂隙发育导致离层显现，两端出现剪切错动裂隙，导致块体断裂，覆岩整体下沉。其中顶板岩层下沉量与煤层开挖空间成正比，不同岩层离层量持续发育、变化，最终铰接压实，具备一定承载能力并且形成协同组合运动的结构。特厚煤层顶板岩层相对位移随工作面推进的变化曲线如图6所示。由图6可知，在不考虑模型边界影响的情况下，顶板各岩层位移量差距不明显，均表现为逐渐下沉的趋势，最终下沉位移为6～7 m。其中，下位坚硬顶板与软弱夹层中下部分同步运移，上位坚硬顶板与软弱夹层上分层以及其上覆软弱岩层运移规律一致，符合特厚煤层开采后顶板破断规律。

图6 顶板岩层相对位移曲线   

2.4 双硬顶板破断特征及应力变化规律

由特厚煤层综采相似模拟试验可得，煤层上下坚硬顶板形成“长 - 短铰接结构”,即下位坚硬顶板破断形成“短悬臂梁”结构，上位坚硬顶板破断形成“长砌体梁”结构，特厚煤层双硬顶板结构破断运移特征如图7所示。

图7 特厚煤层双硬顶板结构破断运移特征   

特厚煤层放顶煤开采后，采空区空间较大，下位坚硬顶板失稳破断，形成“短悬臂梁”结构，同时下位坚硬顶板控制的软弱夹层下分层也随之垮落，共同作用于工作面液压支架上部，随着工作面持续推进，破断结构向前动态推进，形成小周期来压。上位坚硬顶板由于具备一定的承载能力，会出现“悬而不垮”的情况，形成大面积悬顶，达到承载极限后会突然破断，形成较大尺寸的岩石块体，互相嵌合形成具有一定承载能力的“长砌体梁”结构。该结构在回转下沉时会导致其下部的软弱夹层上分层同步破断，共同作用在下位坚硬顶板的“短悬臂梁”结构，迫使其提前破断，两种结构相互挤压共同作用于工作面支架，形成大周期来压。特厚煤层因为采高大、采空区空间发育较大，再加上双硬顶板及其软弱夹层形成的结构厚度大、强度高，该结构的破断失稳会造成工作面矿压显现剧烈。

采空区暴露空间会随着工作面推进逐渐增大，在达到顶板极限破断距后，由下至上逐渐垮落，顶板岩层垮落方式主要为下位坚硬顶板单次垮落和上下坚硬顶板同步垮落。不同垮落情况对采场和巷道围岩产生一定的动载效应，首先，下位坚硬顶板垮落会形成初次矿压显现，给采场和巷道围岩稳定性造成一定影响；然后，上位坚硬顶板由于强度高、厚度大，极限破断距大，会造成大面积悬顶，当其达到极限发生破断时，会对软弱夹层和下位坚硬顶板造成冲击，进而发生同步垮落，形成较大的冲击来压。软弱夹层作为缓冲层能够削弱上位坚硬顶板垮落对其下部工作面和巷道的动载影响。在顶板岩层中布置压力监测传感器，压力监测曲线如图8所示。

由图8可知，临近煤层双硬顶板的破断失稳在采空区侧方形成一定范围的应力升高区，应力升高区中监测到的应力峰值为23 MPa, 应力集中系数为1.57,应力峰值距采空区边界20 m左右，即侧向应力影响范围为20 m。

图8 顶板岩层压力监测曲线   

3、结论

(1) 下位坚硬顶板在工作面推进至60 m时发生初次失稳破断，垮落厚度为4.2 m, 破断角为60°,顶板断裂线距煤壁5.8 m, 周期垮落步距为23～25 m; 上位坚硬顶板破断步距为55～65 m, 破断角约为60°;下位坚硬顶板与上位坚硬顶板完全破断工作面分别推进36 m、23 m。坚硬顶板与其中间的软弱夹层同步协调运动下移，形成“台阶下沉”。

(2) 位移监测结果显示下位坚硬顶板与软弱夹层中下部分、上位坚硬顶板与软弱夹层上分层以及其上覆软弱岩层运动规律保持一致；双硬顶板破断失稳在采空区侧方形成一定范围的应力升高区，应力峰值为23 MPa, 应力集中系数为1.57,应力峰值距采空区边界20 m左右，即侧向应力影响范围为20 m。

(3) 由模拟试验可知，下位坚硬顶板破断形成“短悬臂梁”结构，该结构随工作面回采动态前移形成小周期来压；上位坚硬顶板破断形成“长砌体梁”结构，该结构破断失稳动载作用于下部“短悬臂梁”,使得其提前破断而共同作用于工作面支护体，形成大周期来压。

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[3]来兴平,贾冲,崔峰,等.急倾斜巨厚煤层开采深度影响的覆岩能量演化规律研究[J].岩石力学与工程学报,2023,42(2):261-274.

[4]袁崇亮,王永忠,施现院,等.近直立特厚煤层分段综放夹持煤柱冲击机理[J].采矿与安全工程学报,2023,40(1):60-68.

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基金资助:安徽省自然科学基金项目(2108085ME155);安徽省重点研究和开发计划资助项目(201904a07020011,1804a0802214);

文章来源:康志鹏,罗勇,段昌瑞.特厚煤层低位双硬顶板破断失稳规律试验研究[J].矿业研究与开发,2024,44(01):48-53.