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作者

任辰锋¹，孙彬¹，张红凯²，胡英杰²

单位

1. 国能亿利能源有限责任公司 黄玉川煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000

2. 中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京 100083

摘要

为探究黄玉川煤矿12407工作面浅埋高强度综采工作面覆岩破坏高度，选取工作面上方适当位置分别打设采前、采后两个地面钻孔，基于钻孔数据对其覆岩关键层及破坏高度进行理论分析与原位实测，综合考虑多指标因素进而确定覆岩破坏高度。通过钻井冲洗液消耗量及井下电视成像等现场实测方法，监测采前、采后钻孔钻进过程中特征参量变化过程，对覆岩破坏高度进行多指标综合评估，结果表明：12407工作面覆岩主要存在两层关键层，其中埋深88.7~116.5m位置处细粒砂岩为覆岩主关键层；12407工作面覆岩导水裂隙带发育高度距煤层底板约77m，与覆岩主关键层位置相近，主关键层对覆岩破坏高度产生抑制作用；对覆岩破坏高度多指标综合分析，可知在浅埋、高强度开采及厚硬基岩等多特殊条件叠加作用下，“两带”经验公式计算裂隙带高度在该工作面条件下适用性一般，综合确定12407工作面导水裂隙带发育高度以实测值77m为准。

背景

随着我国浅埋煤层开采深度的持续增加，上覆岩层在采动应力作用下的破断形态与演化规律呈现显著复杂化趋势，由此引发的地表非连续塌陷、采动裂隙导通含水层等工程灾害严重制约矿井安全高效生产。覆岩破坏高度的精准预测是地表沉陷防控与水害防治的核心依据，近年来学者围绕浅埋煤层开采覆岩破断机制开展了多维度研究：徐飞亚等基于关键层理论分析了地表移动变形特征，王双明等揭示了覆岩力链演化对地裂缝发育的影响机制，刘国建等通过物理相似试验探讨了导水裂隙带发育规律，徐祝贺等建立了开采宽深比与地表下沉系数的定量模型，王方田等则从采动应力场角度阐释了覆岩关键层的动态响应特征。这些研究多采用数值模拟、相似模拟与理论推演相结合的方法，在覆岩破坏模式识别、地裂缝演化周期划分及采动应力传递规律等方面取得重要进展，为浅埋煤层安全开采提供了理论支撑。

然而，现有研究仍存在显著局限性：其一，浅埋高强度开采条件下覆岩破坏高度的实测数据严重匮乏，现有成果多依托计算机模拟间接推演，导致理论模型缺乏现场验证；其二，高强度开采引发的超前支承压力重分布、关键层复合破断等特殊力学行为，可能显著改变覆岩裂隙扩展路径，传统经验公式的适用性亟待检验；其三，薄基岩、厚松散层等特殊地质条件与高强度开采的耦合作用机制尚不明晰，制约着水害预警精度与地表生态保护效果。为此，本研究选取黄玉川煤矿典型浅埋高强度综采工作面为工程载体，通过钻孔电视成像、瞬变电磁探测等多源信息融合技术，系统开展覆岩破坏高度原位实测研究。研究成果将揭示高强度开采扰动下覆岩裂隙动态发育规律，为建立区域适应性更强的"两带"高度预测模型提供数据支撑，对完善浅埋煤层采动灾害防控体系、推动矿区绿色开采技术发展具有重要工程价值。

研究内容

1 工程概况

2 “两带”高度预计与关键层判定

2.1 综采工作面覆岩“两带”发育高度理论计算

2.2 12407综采工作面覆岩关键层判定分析

2.2.1 关键层判定依据

2.2.2 工作面上覆载荷分析

2.2.3 基本顶垮落步距分析

2.2.4 覆岩关键层层位判定

3 工作面覆岩破坏高度现场实测分析

3.1 钻孔布置与实测方法

3.2 钻孔冲洗液漏失量观测

3.3 井下电视观测

4 覆岩破坏高度多指标综合分析

结论

1）根据黄玉川煤矿12407工作面岩层岩性信息，基于“两带”高度经验公式计算预计其导水裂隙带发育高度范围为51.16~ 68.96m，垮落带高度范围为14.68~19.68m。

2）对覆岩基本顶载荷及其垮落步距理论分析，进而确定了12407工作面覆岩存在两层关键层，其中亚关键层为埋深152.20~166.71m砂质泥岩，主关键层为埋深88.7~116.5m细粒砂岩，关键层的垮断可影响导水裂隙裂隙带的发育高度，并对上覆岩层起到控制作用。

3）对覆岩破坏高度多指标综合分析，可知在浅埋、高强度开采及厚硬基岩等多特殊条件叠加作用下，“两带”经验公式在该工作面条件下适用性一般，主关键层会对覆岩破坏高度产生抑制作用，以实测值确定12407工作面导水裂隙带发育高度约为77m。

图表

引用格式

任辰锋，孙彬，张红凯，等. 浅埋高强度综采工作面覆岩破坏高度与实测研究 [J]. 煤炭工程，2025，57 (1)：90-97.

REN Chenfeng，SUN Bin，ZHANG Hongkai，et al.Study and measurement of overburden failure height above high intensity fully mechanized mining face in shallow seams [J]. Coal Engineering，2025，57 (1)：90-97.