近年来，随着大型高产高效矿井的建设，特厚煤层逐渐成为许多矿区开采的主力煤层[1]。特厚煤层的主要开采方式为综放开采[2]。特厚煤层综放开采条件下，开采空间大，矿压显现剧烈，与普通煤层开采呈现不一样的特点[3,4]。因此，研究关键层破断形成的结构及上覆岩层运动特征对于了解采场矿压规律具有重要意义。

目前一些采矿学者对特厚煤层综放采场覆岩结构也进行了相关研究和探索。闫少宏等[5]利用理论推导与模拟分析等手段，发现特厚煤层大采高综放采动条件下上覆岩层形成悬臂梁与铰接岩梁的结构；李化敏、侯运炳等[6,7,8]通过建立覆岩力学模型，研究了特厚煤层大采高综放工作面覆岩结构和支架工作阻力，发现砌体梁结构发生滑落失稳是工作面来压剧烈的主要原因；于斌等[9]针对大同矿区具体地质条件，认为特厚煤层综放工作面矿压显现是远近场关键层综合作用的结果，其中近场关键层以竖O-X破断的悬臂梁与砌体梁组合结构存在，远场关键层以横O-X破断的砌体梁结构存在；孔令海等[10,11]结合微地震监测手段与岩层运动理论，研究了特厚煤层综放工作面顶板活动规律，得出微震现象在时空上具有一定规律性的结论；张宏伟等[12]通过建立特厚煤层坚硬顶板柱壳结构模型，较好地解释了综放工作面强矿压显现特征。以上研究者通过现场监测、理论分析和数值模拟等方法研究了特厚煤层综放条件下覆岩运移的规律，取得了一些研究成果。但上述研究未能定量判断关键层的破断位置和全面分析覆岩结构形式。鉴于此，本文将开展特厚煤层综放开采覆岩破断特征及异常性机制特征研究，有利于进一步丰富岩层移动理论。

1、特厚煤层综放开采矿压显现规律

大同矿区某矿工作面长度为220 m, 主要开采5号煤层，煤层厚度为15 m, 属于特厚煤层，采用综合机械化放顶煤开采。工作面直接底和伪顶为炭质泥岩，黑色，泥质块状结构，含有植物化石；底板为砂岩，灰白色块状砂质结构；直接顶为砂岩，白色粒状结构，钙质胶结；基本顶为中粗砂岩，主要为长石和石英。采用关键层判别理论计算得到13.5 m厚的中粗砂岩为关键层，工作面煤层顶底板情况见图1。

特厚煤层综放开采的开采空间大，造成工作面矿压剧烈，支承压力分布范围大，围岩结构和应力环境恶化。现场监测发现基本顶初次来压期间，支架工作阻力表现为中部区域来压强度大、范围广，煤壁处发生局部片帮，深度在0.1 m至0.3 m之间，底板发生鼓起，单体支柱插入底板，见图2。受动载影响，部分区域出现支架倾倒。工作面推进150 m时，基本顶周期来压明显，由于推进速度较慢，来压持续时间较长。

图1 岩层柱状图  

图2 工作面矿压显现  

为进一步掌握综放开采应力分布特征，采用数值模拟探究不同推进距离下工作面垂直应力的变化规律，见图3。综采面推进至10 m时，工作面超前区无显著应力集中，采空区后面煤体垂直应力分布大于工作面顶底板，同时工作面后方的煤体中存在应力集中，最大垂直应力为10 MPa, 围岩受开采影响较小。综采面推进至20 m时，工作面超前区垂直应力变大，峰值达到12 MPa。此时综采面顶煤出现破碎，有利于实现高效放煤。综采面推进至30 m时，超前工作面5 m区域应力显著增大，最大应力为17 MPa, 此时工作面受开采扰动影响较大。综采面推进至40 m时，工作面超前段仍存在应力集中，但与推进至30 m时相比，应力集中范围显著变小，同时综采面上方煤体中的应力集中程度也变弱，推测采场高位岩层出现新的覆岩结构，工作面超前段最大垂直应力为14 MPa, 与推进至30 m时相比有所减小。综采面推进至50 m时，工作面超前段应力集中区显著变大，应力峰值达到23 MPa, 表明更高层位岩层出现初次来压，导致应力变大。综采面推进至60 m时，应力峰值为22 MPa, 但采动影响区域减小，表明综采面在出现初次来压后，进一步转化为新的覆岩结构。

图3 不同推进距离下工作面的应力分布   

通过对比分析得到不同推进距离下工作面支承压力演化规律，如图4所示。由图4可得，最初开采时工作面超前支承压力数值较小，随着工作面的不断开采，超前支承压力数值增大，曲线峰值也增大，且峰值对应位置逐渐向煤体内部移动，表明超前支承压力影响范围也在逐渐增大。当工作面开采至50 m时，超前支承压力峰值为23 MPa, 峰值点对应位置距离煤壁5 m, 与其他推进距离相比更靠近煤壁内部，影响范围更大。

图4 工作面支承压力变化曲线   

2、悬臂梁结构理论分析

2.1 关键层悬臂梁结构的形成条件

特厚煤层综放开采因一次采出煤量大，形成的开采空间大，使得上覆岩层运动剧烈，出现异常性工况，在一般开采厚度下能产生具有砌体梁结构的关键层，但在开采厚度加大的条件下，因空间较大而发生回转变形失稳，进而出现悬臂梁结构，高位关键层仍以砌体梁形式出现[13]。因此，特厚煤层综放开采条件下，覆岩破断形成的结构与关键层位置和煤层厚度密切相关。

当关键层岩块破断出现的可能回转量δ大于保证其处于稳定状态的最大回转量δmax时，则岩块破断后产生悬臂梁形式[14]。故可通过计算关键层岩块断裂的可能回转量来判断是否会出现悬臂梁，判断依据通过式(1)求解：

δ>δmax (1)

关键层岩块破断后的回转状态见图5。垮落的直接顶与关键层岩块之间的距离即为岩层破断后的可能回转量[15]:

δ=M(1-η)+(1-Kp)Σhi (2)

式中，δ为垮落岩层与关键层岩块间的距离；M为开采煤厚；η为放煤损失率；Kp为垮落后直接顶碎胀系数；Σhi为直接顶和伪顶的厚度。

图5 关键层岩块破断后的回转状态   

由采场岩层控制理论得到，岩层断裂后产生砌体梁形式所要求的最大回转量δmax如下[16]:

式中，δmax为形成稳定砌体梁结构的最大回转量；h为关键层岩块厚度；q为上覆岩层载荷；L0为工作面周期来压步距；k为无量纲系数(k=0.1h);σc为关键层岩块抗压强度。

将式(2)、式(3)代入式(1),可得上覆关键层岩块破断形成悬臂梁的条件为：

根据工作面生产地质情况，煤层厚度M=15 m, 放煤损失率η=20%,直接顶碎胀系数Kp=1.3,直接顶和伪顶的厚度Σhi=5.5 m, 关键层岩块厚度h=13.5 m, 上覆岩层载荷q=10.25 MPa, 通过现场矿压观测，可得工作面周期来压步距L0=28.6 m, 关键岩层抗压强度σc=71 MPa。最终求得δ=10.35 m, 而δmax=7.02 m, 所以煤层采出后下位关键层形成悬臂梁结构。最终可知，该特厚煤层综放开采工作面上覆关键层形成“低位悬臂梁+高位砌体梁”的结构位态。

2.2 悬臂梁结构的几何特征

“低位悬臂梁+高位砌体梁”的结构位态对采场和巷道稳定性起着关键控制作用，其中悬臂梁结构容易造成采场矿压显现剧烈和支架设备损毁，所以有必要确定悬臂梁结构的位态特征，如厚度、断裂长度和在煤壁上的破断位置。由开采面实际地质条件得到悬臂梁厚度h=13.5 m, 断裂长度通过式(5)求解[17]:

式中，S为工作面倾斜长度。

由开采面实际地质条件和现场矿压观测确定，L0=28.6 m, S=220 m, 通过式(5)求解得悬臂梁破断长度L=31.5 m。

悬臂梁在煤壁上的断裂位置可通过内外应力场理论进行求解。悬臂梁断裂后，上覆岩层传递到实体煤上的压力以断裂线为界，分为内应力场S1与外应力场S2两部分，内应力场承担“低位悬臂梁+高位砌体梁”结构所控制的岩层重力，外应力场承担更高层位岩层重力与内应力场转移的额外应力，如图6所示，内应力场所处范围与悬臂梁断裂位置一致[18]。

图6 悬臂梁结构的几何位态  

基于材料力学，得到处于内应力场范围中距离煤壁x处煤体所受的垂直应力[19]:

σy=Gx·yx (6)

式中，σy为距离煤壁x时作用于煤体的垂直应力；Gx为距离煤壁x时煤体刚度模量；yx为距离煤壁x时煤体压缩量。

从浅部煤壁向深部煤壁过渡时，煤体受力状态从二维变为三维，煤体刚度模量变大，煤体的垂直压缩量变小，但煤体压缩量最大值位于煤壁处。为便于求解，认为在浅部煤壁处煤体压缩量与刚度模量呈线性变化，满足[20]:

式中，G0为内应力场中最大煤体刚度；y0为煤壁边界处煤体压缩量；x0为内应力场变化区间。

内应力场区间中垂直应力F的求解公式如下：

顶板初次破断时工作面附近煤体所受垂直应力等于“低位悬臂梁+高位砌体梁”复合结构承载岩层载荷[21],可知：

为“低位悬臂梁+高位砌体梁”结构控制的岩层厚度。

y0、x0满足如下关系：

式中，Δh为基本顶岩层的最大下沉量。

由矿山压力与岩层控制理论可知，基本顶最大下沉量表达式如下：

Δh=M-Σhi(Kp-1) (12)

由式(11)、式(12)可得煤体压缩量表达式为：

受上覆岩层回转挤压而处于塑性状态的煤体刚度G0可表示为[22]:

式中，E、u分别为煤体弹性模量和泊松比；ξ为代表煤体裂隙扩展程度的完整性系数。

由式(10)、式(13)、式(14)得内应力场的分布范围x0为：

GPa, M=15 m, Σhi=5.5 m, Kp=1.3,将上述参数代入式(15)可得悬臂梁在煤壁上的断裂位置，即内应力场范围x0=15.4 m。悬臂梁结构的几何位态如图6所示。由式(15)可看出，影响悬臂梁破断位置的因素有煤层厚度、直接顶和老顶厚度、工作面倾斜长度、初次来压步距、周期来压步距和煤岩体自身力学性质。

3、物理相似模拟验证

为验证上述理论，采用物理相似模拟试验模拟了特厚煤层开采后工作面的覆岩结构及运动特征，发现覆岩破断过程经历4个阶段。在第1阶段，煤壁基本上没有发生变形破坏，仍处于弹性状态，关键层处于相对稳定状态，承受覆岩载荷并将其传递于煤层；在第2阶段，煤壁发生部分变形，煤体被挤压，覆岩以及关键层开始发生弯曲下沉；在第3阶段，煤壁已经被覆岩载荷压垮，处于塑性状态，下位关键层发生明显断裂，但关键层岩块之间仍互相铰接；在第4阶段，下位关键层发生断裂，最终接触垮落的矸石。总体来说，工作面开采过后，覆岩结构将经过变形、破断、回转下沉到最终稳定的运动过程。从图7可知，由于煤层开采厚度大，垮落直接顶不足以充填采空区，导致关键层破断形成“低位悬臂梁+高位砌体梁”结构。

图7 覆岩破断裂隙   

4、结论

(1) 针对综放开采工作面具体地质条件，15 m特厚煤层综放开采条件下的异常性机制中关键层产生“低位悬臂梁+高位砌体梁”的结构位态。

(2) 悬臂梁破断长度为31.5 m, 悬臂梁在距离煤壁15.4 m处发生断裂。影响悬臂梁破断位置的因素有煤层厚度、直接顶和老顶厚度、工作面倾斜长度、初次来压步距、周期来压步距和煤岩体自身力学性质。

(3) 煤层厚度增加引起关键层发生回转变形失稳，形成悬臂梁结构，能够较好地解释特厚煤层综放开采矿压显现剧烈的现象。

参考文献:

[1]田野,弓培林,孙得志,等.采空区下特厚煤层工作面顶板支护强度的确定[J].矿业研究与开发,2022,42(10):108-112.

[2]王家臣,吕华永,王兆会,等.特厚煤层卸压综放开采技术原理的实验研究[J].煤炭学报,2019,44(3):907-915.

[3]岳帅帅,谢生荣,陈冬冬,等.15 m特厚煤层综放高强度开采窄煤柱围岩控制研究[J].采矿与安全工程学报,2017,34(5):905-913.

[4]范红伟,杨涛.近距离特厚煤层采动影响下底板破坏及巷道稳定性研究[J].矿业研究与开发,2021,41(5):107-112.

[5]闫少宏,尹希文,许红杰,等.大采高综采顶板短悬臂梁 - 铰接岩梁结构与支架工作阻力的确定[J].煤炭学报,2011,36(11):1816-1820.

[6]李化敏,蒋东杰,李东印.特厚煤层大采高综放工作面矿压及顶板破断特征[J].煤炭学报,2014,39(10):1956-1960.

[7]李化敏,张群磊,刘闯,等.特厚煤层大采高开采覆岩运动与矿压显现特征分析[J].煤炭科学技术,2017,45(1):27-33.

[8]侯运炳,何尚森,周殿奇,等.特厚煤层大采高综放工作面覆岩结构及支架工作阻力研究[J].矿业科学学报,2017,2(1):42-48.

[9]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.

[10]孔令海,姜福兴,刘杰,等.基于高精度微震监测的特厚煤层综放面支架围岩关系[J].岩土工程学报,2010,32(3):401-407.

[11]孔令海,姜福兴,杨淑华,等.基于高精度微震监测的特厚煤层综放工作面顶板运动规律[J].北京科技大学学报,2010,32(5):552-558+588.

[12]张宏伟,付兴,于斌,等.特厚煤层坚硬覆岩柱壳结构特征模型及应用[J].中国矿业大学学报,2017,46(6):1226-1230.

[13]彭林军.特厚煤层沿空掘巷围岩变形失稳机理及其控制对策[D].北京:中国矿业大学(北京),2012.

基金资助:大同市科技计划重点研发(高新技术领域)项目(2022005);山西大同大学产学研项目(2022CXY14);

文章来源:张磊,王鹏,谷超等.特厚煤层综放开采覆岩破断与异常性机制特征研究[J].矿业研究与开发,2024,44(01):54-59.