再论大采高采场顶板“组合短悬臂梁-铰接岩梁”定量化结构

作     者：闫少宏 路洋波 尹希文 徐刚 

作者机构：中国矿业大学(北京)能源与矿业学院 中煤科工开采研究院有限公司 

出 版 物：《煤炭学报》 (Journal of China Coal Society)

年 卷 期：2025年

核心收录：

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主　　题：组合短悬臂梁—铰接岩梁结构 边界层 近场与远场岩层 极限下沉量 可能下沉量 

摘      要：针对大采高采场“组合短悬臂梁—铰接岩梁定量化结构进行研究。采高加大必然引起采场覆岩在横向、纵向的活动范围加大，由于采场覆岩自下而上运动以及冒落碎胀的特点，必将使采空区冒落空间在某一时间趋近于零，因此提出了对采场支架产生作用力的顶板岩层是有范围的，即存在边界层并给出了边界层的概念和判断方法。随着采场的继续推进，采空区冒落的矸石将继续在上覆岩层的作用下发生蠕变而再次压缩变形，从而引起上覆岩层多次下沉传导，引起地表沉陷直至最终稳定，因此从对采场矿压显现有影响的角度将采场至地表的覆岩分为近场岩层和远场岩层。近场岩层为支架上方至边界层内的复合岩层，远场岩层为边界层至地表的复合岩层，近场岩层运动规律是采场矿压研究的重点、远场岩层运动规律是开采地表沉陷研究的重点。基于大采高采场下位复合顶板在垮落前不能触矸而呈“组合短悬臂梁结构、其上位复合顶板岩层在采场前方煤壁、支架与直接顶联合支撑体、采空区冒落矸石支撑下在采场横向呈“铰接岩梁结构的特点，提出了大采高采场近场岩层中直接顶、基本顶的新概念并给出了定量化判定方法，从而形成了大采高采场顶板“组合短悬臂梁—铰接岩梁定量化结构。呈“铰接岩梁结构的基本顶岩层一般会有一层甚至多层，取决于采高与顶板岩层的厚度、强度、层位等，其形成铰接结构的基本条件是：①基本顶可能下沉量小于其极限下沉量(△m△f)；②在结构面的中截面上部应力大于其抗拉强度(σt[Rt])且下部应力小于其抗压强度(σc[Rc])；③断裂步距大于其厚度的2倍。以曹家滩煤矿10m超大采高采场为工程背景，通过现场实测分析得到边界层存在的客观性。作为大采高采场“组合短悬臂梁—铰接岩梁定量化结构理论的应用，研究确定了曹家滩煤矿10m超大采高采场设备回撤专用垛式支架的支护强度。研究成果为深入认识大采高近场岩层所成“组合短悬臂梁—铰接岩梁结构以及对支架作用力的定量计算、采场岩层定量化控制提供了理论支持，丰富和发展了我国中厚煤层采场矿压理论。