煤炭学报

作者：李建忠, 高富强, 娄金福, 黄志增, 张震, 杨锦鸿, 席朝东, 李鹏杰, 乐飞翔,

关键词：超大采高, 厚硬岩层, 长悬臂梁, 结构性破坏, 强矿压,

厚硬岩层赋存超大采高工作面，其覆岩运移与矿压显现特征表现为覆岩结构演化复杂、支架受载强度高、动载灾害频发，对顶板稳定与安全高效开采构成严峻挑战。为揭示厚硬岩层主导下覆岩结构失稳与强矿压作用机理，以曹家滩煤矿122104我国首个10 m超大采高工作面为研究对象，综合采用相似材料模拟、数字图像相关(DIC)技术与现场实测分析等手段，从覆岩破断演化、变形场特征及支架受载响应等方面，探究厚硬岩层条件下的覆岩运移特征与矿压显现机制，建立“断裂拱—长悬臂梁—铰接岩梁”复合力学模型。结果表明：覆岩破断与运移过程可分为3个阶段，① 渐进离层损伤阶段，采动初期直接顶及低位厚硬岩层发生离层变形，垮落高度与离层高度一致；② 结构性突发失稳阶段，低位厚硬岩层形成长悬臂梁结构，在小变形条件下突发断裂，触发上覆多层岩体联动垮落，垮落高度显著大于离层高度，表现为悬臂梁破断主导的结构性失稳；③ 联动垮落阶段，高低位厚硬岩层共同参与承载，形成超长悬臂梁结构，其临界破断诱发大范围覆岩联动垮落，垮落范围显著增大。DIC监测数据揭示，悬臂梁破断前主应变小于10−2，说明覆岩在弹性小变形状态下发生突发破断。覆岩运移与支架载荷演化呈现良好对应关系，覆岩渐进垮落阶段支架阻力静态缓增，未发生明显冲击；当长悬臂梁结构达到临界跨度突发断裂时，支架工作阻力瞬时跃升，呈现强动载冲击。高低位厚硬岩层协同作用使悬臂梁跨度与承载范围显著扩大，导致静载累积水平和动载冲击烈度同步增强。基于相似材料模拟与实测结果，提出的“断裂拱—长悬臂梁—铰接岩梁”结构力学模型揭示了矿压显现由静载渐进累积向动载突变转化的力学机制，厚硬岩层主导形成的长悬臂梁是高静载的根源，其突发破断触发大范围覆岩联动失稳，是强动载产生的直接原因。现场监测表明，支架工作阻力呈现“高静载累积—多重连续动载突增—高频周期来压”特征，平均立柱下缩量693 mm，安全阀平均开启率52.6%，与模型揭示特征高度一致，验证了其工程适用性。研究成果深化了对厚硬岩层主导覆岩失稳与强矿压作用机制的认识，为10 m超大采高工作面顶板控制与动力灾害防控提供了理论依据与技术支撑，对推动高强度矿压控制理论的发展具有重要意义。

来源：2026年第4期

《煤炭学报》期刊编辑部

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