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深厚表土覆岩结构运移演化及高应力突变致灾机理
随着我国煤炭开采逐渐进入深部，冲击地压、冒顶、煤与瓦斯突出等动力灾害日趋严重且复杂 。众多动力灾害事故案例表明，煤矿动力灾害主要是采场覆岩空间结构运动演化及由此形成的高采动应力作用于煤岩体并使其应力状态发生突变造成的。在我国，地层结构具有显著区域性特征；我国华东、华北等地区煤层上覆第三、四系深厚表土层，由于深厚表土层及软弱覆岩特殊地层组合结构，覆岩运动规律趋于复杂，并易诱发地表剧烈下沉、冲击地压等动力现象。以山东省巨野矿区为例，表土层平均厚度在500 m以上，是全国冲击地压高发区，先后发生5起冲击地压事故(龙郓“10·20”事故等)，累计造成29人死亡，破坏巷道超千米，造成巨大经济损失和人员伤亡。因此，针对深厚表土条件下覆岩运移规律及高应力突变致灾机理开展研究极具迫切性与必要性。
近年来，国内外学者在深厚松散表土层条件下的覆岩运动演化及其响应等方面进行了有益探索。如许家林等研究了厚松散层条件下关键层对地表移动的控制作用，提出了“砌体梁”结构位移曲线的拟合方程；许延春等通过离散元数值模拟发现厚松散层移动有明显的曲线特征；王金庄等研究了巨厚松散层条件下的地表移动特征，揭示了厚松散层内部移动破坏机理与地表沉陷的关系；顾伟等将基岩与松散层两种介质进行耦合，推导了岩体的移动和变形计算公式，建立了双重介质下沉空间逐层传递的开采沉陷模型；刘义新等实测研究了淮南地区巨厚松散层大采深条件下的地表移动规律，认为单工作面开采时易接近或达到充分采动；陈俊杰等总结了开滦矿区地表移动变形规律及地表移动参数与地质采矿因素间的关系；刘金海等研究了典型深厚表土煤层条件下的冲击地压模式，揭示了煤层应力演化与覆岩运动之间的关系；王乃国等开展了深厚表土层地表沉陷与冲击地压联动效应的实测研究，验证了岩层运动、地表沉陷与冲击地压发生之间的关联性。上述研究成果主要集中在深厚表土层条件下的覆岩结构演化及地表沉陷响应方面，为本文研究提供了良好借鉴。然而，由于煤矿生产地质条件的复杂性，深厚表土条件下覆岩结构演化受覆岩岩性、地层结构、工作面尺寸及开采方法等诸多因素的影响，当前关于巨厚松散层条件下煤层开采的相关研究中，松散层、基岩均保持恒定厚度，尚未有考虑表土层−基岩2者厚度变化引起覆岩运动及采动应力演化差异性的文献。笔者前期亦对巨厚松散层下覆岩破坏规律进行了研究，揭示了表土层与基岩联动演化规律及其与开采高度、松散层厚度的关联性，但对于表土层−基岩双层介质在不同厚度组合条件下的运移演化规律及其引发的应力突变响应方面的研究涉及很少。
鉴于此，笔者以山东巨野矿区3301工作面为工程背景，模拟研究表土层−基岩厚度组合变化条件下覆岩运移规律，揭示2种典型表土层−基岩组合条件下采动应力演化机理，进而建立采动应力估算模型，分析高应力突变致灾机理，并进行工程验证分析。研究成果对于同类型地层条件下的煤炭资源开发、井巷工程建设及灾害防控等具有重要理论与实践意义。
图 1 试验工作面 SX−1 号钻孔柱状
图 2 试验工作面地质剖面
图 3 相似模拟模型及监测方案
图 4 表土层运移演化过程及特征
图 5 2、11 号传感器随工作面回采应力变化曲线
图 6 7、16、25 号传感器随工作面回采应力变化
图 7 不同表土层−基岩组合条件下支承压力形成示意
图 8 支承压力估算模型
图 9 试验工作面支承压力变化曲线对比
图 10 试验工作面推采过程中地表沉降
图 11 工作面应力监测点布置
图 12 实测支承压力分布规律
第一作者简介
孟祥军，男，1963年12月生，山东金乡人，博士，教授，博士生导师。原兖矿集团总工程师、山东能源集团首席技术专家，现为山东科技大学二级教授，兼任中国煤炭工业协会理事会理事、技术委员会委员，中国煤炭学会副理事长，中国矿业科学协同创新联盟理事会理事，济宁市科学技术协会副主席等。先后荣获孙越崎能源大奖、中华国际科学交流基金会“杰出工程师”、山东省“泰山产业领军人才”、山东省有突出贡献的中青年专家，山东省“杰出工程师”、山东省“杰出创新人才”、“科技尖兵”、“煤炭工业”最美科技工作者”等荣誉，并享受国务院政府特殊津贴。获得国家及省部级科技奖励50余项，授权专利40余项，发表学术论文40余篇，主持或参编专著7部，制定国家标准2项。承担完成国家重点研发计划项目、山东省重大科技创新工程等国家及省部级重大研发课题20余项。
研究方向
煤矿重大灾害综合治理、智能化开采及装备制造、煤炭清洁利用及煤化工
主要成果
主持研制了世界首台套8.2m一次采全高及西部特厚硬煤层7m大采高综放开采成套装备，屡次刷新一次性开采厚度极限，实现了超大采高综采（放）装备设计、加工、制造的国产化，使兖矿集团煤炭开采技术始终处在世界领先地位；系统阐释了矿井开拓布局与重大灾害预控治理协同耦合机理，创新建立不同地质条件综采（放）安全高效生产技术保障体系，推动了矿井灾害多维识别与预警技术的重大变革，创造性建立了适应于多种赋存条件煤层的安全高效生产“兖矿模式”，并将其推广至国内外其他矿区。
通讯作者简介
张广超，男，1987年11月生，博士，教授，硕士生导师。长期从事矿山压力与岩层控制、巷道围岩控制等方面研究。现任山东科技大学能源与矿业工程学院资源工程系党支部书记，山东省煤矿矿震灾害智能预控创新团队带头人，兼任中国岩石力学与工程学会采矿岩石力学分会理事会理事，绿色矿山产业联盟青年技术委员会委员，《煤炭科学技术》《中国矿业大学学报》《煤炭与化工》等期刊中青年编委。先后获评全国煤炭青年科技奖、全国煤炭青年五四奖章、绿色矿山青年科技奖、中国岩石力学学会陈宗基奖、山东能源集团荣誉科技工作者等多项荣誉。在IJRMMS、RMRE等行业权威期刊发表论文56篇，其中第一或通讯作者SCI检索论文16篇（ESI 热点+高被引 3 篇）、EI 检索中文论文 18 篇（中国岩石力学与工程学会优秀论文“陈宗基奖”1 篇 + F5000 中国精品科技期刊顶尖学术论文 4 篇）；出版学术专著 3 部（首位 2 部）；首位授权国内外发明专利12项，转化应用7项。
研究方向
矿山压力与岩层控制、煤岩体工程灾变机制、巷道围岩控制理论与技术
主要成果
主持参与国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省/辽宁省自然科学基金、中国博士后科学基金等纵向课题22 项；主持企业横向委托课题 18 项，已结题项目经鉴定，1 项成果达到国际领先水平、3项成果达到国际先进水平。取得了大断面综放沿空煤巷不对称破坏机制、桁架锚索围岩控制系统、动力灾害防控等多项创新成果，在全国30多个煤矿推广使用，获山东省科技进步二等奖（首位）、山东省科技进步三等奖（首位）、绿色矿山协会科技进步一等奖（首位）、中国安全生产协会科技进步一等奖等省部级奖励 18 项。
来源：
孟祥军，张广超，李友，等. 深厚表土覆岩结构运移演化及高应力突变致灾机理[J]. 煤炭学报，2023，48(5):1919−1931.
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