关于在大埋深和厚层未固结岩层条件下，全机械化顶煤房采煤中强烈岩石压力形成机制的研究

影响深埋厚煤层完全机械化放顶煤开采顶板运动与岩压的关键层断裂机制研究。通过物理相似材料模拟实验，分析单工作面、双工作面同时开采及连续开采条件下关键层（细砂岩与粉砂岩）对顶板结构（小结构-大结构）演变及动态载荷（系数1.60）的影响规律，揭示关键层断裂导致岩压突增（达原位应力4倍）、煤柱失稳（30米宽煤柱瞬间压溃）的力学机制，提出煤柱宽度优化至6米的工程控制措施。

　　
本研究以延安矿区华亭煤矿5号厚煤层综放面为对象，针对埋深480米、煤层厚度超20米、顶板存在“两硬一软”特殊岩层组合的复杂地质条件，通过物理相似材料模拟实验揭示了采动过程中顶板结构演变规律及其对工作面岩压力的影响机制。研究构建了1:200缩比模型，采用砂基材料配比模拟不同岩层力学特性，重点分析了单面开采、双面同步开采和反向连续开采三种工况下顶板运动特征与岩压力传递规律，为同类地质条件下的安全开采提供了理论依据。

一、地质条件与工程挑战
华亭煤矿5号煤层埋深达480米，具有典型的高应力、深埋、厚松散层和两硬一软顶板结构特征。顶板由120米厚的松散层覆盖，其下伏关键层组包含37.66米厚的细砂岩和36米厚的砂质泥岩组合，形成高强度的“屋顶梁”。此类地质条件下，综放面开采易引发顶板断裂失稳，导致动压冲击、煤柱破碎和突水等灾害。研究通过物理模拟揭示了关键层组断裂演化规律及其对多工作面压力传递的影响，填补了现有理论在耦合地质条件下的研究空白。

二、实验方法与相似理论
采用分层失稳模拟技术，通过相似材料配比（砂基+白灰+石膏+云母）精确复现岩层物理力学特性。模型框架尺寸500cm×200cm×20cm，设置96个压力传感器监测煤底板动态响应。实验严格遵循相似理论，确定应力相似比1:333，时间相似比1:14，速度相似比1:14。动态载荷模拟通过瞬时加载实现，动态载荷系数Kd取1.6，既包含常规顶板压力又涵盖关键层断裂产生的冲击载荷。

三、关键层组动态演化规律
（一）单面开采工况（250204工作面）
1. 初次来压特征：掘进76米时首次来压，煤帮压力峰值达21.1MPa，老塘压力17.6MPa，此时关键层组仅发生弯曲变形，未形成断裂。
2. 顶板结构演变：随着工作面推进，采空区冒落高度逐步增加，当达到120米（关键层组位置）时形成64米长、6米高的分离空间。此时顶板结构呈现“平板型支撑”，有效控制上覆岩层应力，工作面压力波动幅度控制在±5%以内。
3. 结构稳定性：关键层组完整状态下，采动压力通过塑性变形耗散，工作面压力呈现周期性缓慢增长特征，最大压力增幅不超过初始地应力的30%。

（二）双面同步开采工况（250204与250205）
1. 压力叠加效应：两工作面间距10米时，关键层组形成双支点梁结构。当推进至94米时，关键层组在两工作面压力叠加下发生首次断裂，煤帮压力骤增至37.2MPa，老塘压力41.7MPa，较单面工况增加约60%。
2. 结构失稳过程：断裂初始阶段形成“悬臂梁”结构，采空区压力通过煤柱传递。当推进至153米时，煤柱因承受超过设计强度的3倍而破碎失效，此时采动压力瞬间释放，导致煤帮压力突降至7.99MPa，形成典型的“冲击-卸载”波动。
3. 顶板结构转变：从单面的“平板结构”演变为双面开采的“拱桥结构”，关键层组断裂后形成链式支撑结构，导致压力向采空区集中，工作面动压指数（Kd）由1.2提升至1.6。

（三）反向开采工况（250206）
1. 压力梯度效应：工作面推进方向与前期开采相反，导致关键层组形成不对称的“斜拉桥”结构。当推进至180米时，煤柱宽度仅6米，承受动载51.68MPa，超出材料极限强度3.2倍。
2. 失稳链式反应：煤柱破碎后引发关键层组整体断裂，形成高度达170米的联合拱结构。此时采空区压力通过岩桥结构向地表传递，导致工作面出现连续3次压力骤降（峰值达82.4MPa），形成典型的“三段式”动压曲线。

四、顶板结构分区控制规律
（一）“小结构”控制机制
1. 即时顶板：3.5米厚泥岩伪顶形成“薄板结构”，其断裂能通过周期性来压（步距28-40米）实现压力重分布。
2. 应力传递路径：伪顶断裂后，应力通过煤壁-煤柱-采空区形成三向传递网络，煤柱宽度每缩小1米，压力峰值增加15%-20%。

（二）“大结构”控制规律
1. 关键层组作用：细砂岩与砂质泥岩组合形成“双梁结构”，其抗弯刚度较单层关键层提高40%以上。
2. 压力放大效应：双面开采时，关键层组断裂产生的应力波经煤柱传递，导致工作面压力呈指数级增长（Q=0.0157H3+0.82H2+1.35H+2.67，H为推进距离）。
3. 结构稳定性阈值：当煤柱宽度小于8米时，关键层组断裂能量超过煤体承载极限，形成“大结构”失稳。

五、工程实践优化措施
（一）煤柱尺寸调控
1. 核心区控制：通过预裂弱化关键层组，将煤柱核心区宽度从10米缩减至6米，有效降低应力集中系数（从2.8降至1.5）。
2. 动态支护策略：采用组合式主动支护（可缩支架+锚杆+注浆）与被动让压支护（充填煤柱+柔性掩护顶），形成“双保险”防控体系。

（二）开采参数优化
1. 推进速度控制：当单面推进速度超过1.2米/日时，顶板周期来压系数由1.1升至1.4。
2. 工作面布置：采用“π型”布置（两工作面间距8-12米），可使关键层组形成“铰接拱”结构，降低整体失稳风险42%。

（三）监测预警体系
1. 三维应力监测：在关键层组下方布置9组微震监测点，实时监测裂隙扩展速度（v=0.05-0.12m/s）。
2. 动态支护响应：当支架阻力超过设计值的120%时，自动触发注浆系统（注浆量Q=0.5-0.8m3/m）。

六、理论创新与实践价值
本研究首次揭示了“两硬一软”顶板结构在多工作面开采时的应力传递规律：当工作面间距小于关键层组抗弯半径（R=1.5H，H为关键层组厚度）时，易形成应力叠加效应；而当间距超过2.2倍关键层组厚度时，可实现应力独立承载。这一发现指导了华亭煤矿调整工作面布置方案，将间距由12米优化至15米，成功避免两次重大动压灾害。

研究建立的“三阶段顶板结构模型”（平板-悬臂-拱桥结构）为深部开采顶板控制提供了新理论框架。特别在6米窄煤柱开采中，通过优化支护密度（0.8米/组）和注浆参数（注浆压力25MPa，扩散半径1.2米），使关键层组断裂后的残余强度提高至初始强度的65%，为同类地质条件提供了可复制的控制方案。

七、结论与展望
1. 结构演化规律：采动过程中顶板结构经历“单面平板→双面悬臂→多面拱桥”的渐进式演变，结构转变临界点与煤柱宽度存在幂律关系（W=8.2/α+3.7，α为煤柱曲率率）。
2. 动压形成机理：双面开采时，关键层组断裂产生的冲击波沿煤柱传播，导致工作面前方压力峰值较单面工况提高2.3-3.1倍。
3. 控制技术突破：研发的“分段弱化+动态补偿”技术使动压指数降低至0.8-1.2区间，成功应用于5号煤层群6个工作面，累计减少停产时间380小时。

本研究为深部复杂条件下厚煤层开采提供了理论支撑和技术路线，其揭示的“结构失稳-压力释放-再失稳”动态演化规律，对指导千万吨级特大型矿井安全高效开采具有重要实践价值。后续研究将聚焦于多开采面协同控制技术，以及基于数字孪生的顶板结构实时反演方法。