煤炭在中国一次性能源结构中占有重要地位，对于中国经济起到重要的推动作用，虽然中国加大了对清洁能源的扶持，到2020年，中国煤炭消耗降到37亿吨，但其占能源消费总量比为58%，未来相当长的一段时间内，中国能源还是以煤炭为主^[1-5]。

煤炭资源的大量开发伴随着煤炭事故的不断发生，特别是煤矿瓦斯和水灾害事故时常发生，随着煤炭开采深度的逐年增加，煤层渗透性降低，对于瓦斯抽来不利，随着优势资源的逐渐减少，煤炭企业不得不开采劣势区域煤炭资源，特别是水体下煤炭的开采。而水体下煤炭的开采面临较大危险，对于瓦斯抽采和水体下采煤，覆岩破坏高度是进行瓦斯抽放孔布置、合理布置防水煤柱的基础参数，因此，煤层开采后覆岩破坏高度的研究是一个重要的内容，现从覆岩破坏空间形态、覆岩破坏机理、覆岩破坏高度研究三个方面进行总结，针对目前存在的问题，提出未来覆岩破坏高度研究的发展趋势^[6-10]。

1、煤层开采覆岩破坏空间形态

煤层开采后，覆岩将发生变形、破坏，最终形成规律的覆岩三带，其发青高度受多种因素影响，包括:地质条件、开采方法、工作面布置方式、煤层倾角、覆岩力学特性、顶板处理方法、开采深度等，其形态发青与煤层倾角有关。

对于近水平煤层，煤层开采后覆岩冒落带呈对称的枕形，其边界位于采空区边界内，而裂隙带发育形态呈马鞍形，边界位于采空区边界之外，同时，由于中部矿压显现强烈，导致其中部下沉较大，岩块破碎严重，同时，最上部的弯曲下沉带会使中部采空区进一步被压缩，中部导水裂缝带较两侧偏低，因此，其最终形态为:冒落带是为凹的枕形，裂隙带呈马鞍形，同时沿走向方向上基本呈对称分布。

当煤层为缓倾斜煤层，冒落带发育形态由近水平的对称枕形变为不对称的枕形，但冒落带边界仍在采空区边界内，上部大于下部，同时，裂隙带发育形态由对称的马鞍形变为上大不一的非对称凹形，类似于抛物线，由于煤层倾角较大，导致上部破碎岩块落人到下部采空区内。

当煤层为急倾斜煤层，倾角较大，采空区垮落的煤研石在自身重力的作用下能够发生滑动。充填了采空区下部区域。由于其支撑作用，导致该区域的裂隙发育度底。而上部由于没有垮落煤肝石的支撑作用。容易发生片帮，并产生破碎。在此条件下，导致覆岩破坏高度不断向上发展，超出采空区上边界，最终使得覆岩破坏呈现不对称图形。

2、煤层开采覆岩破坏机理

煤层回采前，覆岩基本呈连续的介质。当煤层回采后，受采动影响，覆岩必然发生破坏，变为不连续的介质。覆岩变形破坏特征存在多种理论。

2.1 砌体梁理论

该理论由中国钱鸣高院士等川提出。其理论为采动引起的覆岩破坏断块与砖石的砌体结构类型。其外表为梁，实际上是拱形结构。在该模型的基础上分析了其力学特性以及受力特征。并给出了关键块体的稳定性分析。

2.2 关键层理论

关键层理论是由钱鸣高院士等^[12]在砌体梁理论的基础上提出的，其理论认为在上覆岩层中存在一个坚硬的岩层对于覆岩破坏以及裂隙发展起着决定性作用，在该层破断前对覆岩起着支撑作用。并对其关键层的几何特征、岩性特征、变形特征、破断特征、支撑特征进行了定义。同时，对关键层上的载荷进行了理论分析研究。最后给出了关键层的判别方法。

2.3 传递岩梁假说

传递岩梁假说于1978年由山东科技大学宋振骥等根据现场实测资料提出的。该假说首先与众不同地建立了直接顶与老顶两个基本概念。其认为该岩梁是由同时运动，且对矿压显现同时有明显影响的岩层组合而成。岩梁在采场推进过程中，无论是在相对稳定阶段，还是进入显著运动的阶段，都能在工作面推进方向上始终保持传递力的联系，从而能将其作用力传递至煤壁前方和采空区己冒落的研石之上。

3、覆岩破坏研究方法

工作面回采后，覆岩受采动影响发生移动、破坏，最后破断。自下而上形成规律的三带。其覆岩破坏测试方法众多主要有经验公式法、实验室分析法、现场测试法三种方法。

3.1 经验公式法

经验公式法主要由刘天泉院士经过多年的分析研究，总结出了覆岩三带的经验公式，并写入了国家煤炭工业局制定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，该方法综合了开采工艺、煤层开采厚度、倾角等影响覆岩破坏高度的因素进行研究。最终总结出了自变量为煤层开采厚度的经验公式。随着中国开采技术的提高，采高的不断增大，该经验公式已不适应目前的开采条件。因此，各个矿区进行了经验公式的总结。许武等在分析传统最大破坏高度的适应性的基础上，提出了提高最大破坏高度预计结果准确性的方法，并对陕北榆神矿区榆树湾井田20102工作面导水裂缝带发

育规律进行了研究;马雄德等以神南矿区为试验对象，采用相似模拟、数值模拟建立了该矿区的经验公式，开采厚度与覆岩破坏高度呈非线性关系，其结果与实测数据更加逼真;乔小龙以山西某矿为研究对象，采用注水试验、钻孔电视、地质雷达、微震监测对覆岩破坏高度进行了研究，通过实测数据对传统经验公式进行了修正。

3.2 实验室分析法

实验室分析法主要包含两种方法数值模拟和相似模拟。

3.2.1 数值模拟

数值模拟方法的出现，大大降低了现场测试以及相似模拟实验过程中存在的不足。能够更直观地观测到覆岩垮落特征和裂隙演化特征，通常采用的软件有RFPA、UDEC、FLAC等模拟软件。采用的数学方法主要为有限元法、有限差分法、离散元法。

(1) RFPA

RFPA数值模拟软件由大连理工大学唐春安教授研发的基于有限差分数值模拟的计算方法。将细观力学方法与数值计算方法有机地结合起来，通过考虑非均匀性特点研究岩石的非线性力学行为，是一种运用连续介质力学方法解决非连续介质力学问题的新型数值分析方法，为岩石的非线性力学响应和破坏过程的分析与模拟提供了非常有用和方便的工具。

唐春安等采用RFPA分析了采场上覆岩层移动规律，如图1所示，该软件可以从几何、岩性、变形、破裂及支撑等多方面较真实地模拟开采过程中上覆岩层变形、离层、断裂规律，其具有较好的适应性;石永生等问利用该软件分析了大倾角煤层开采过程中顶板变形及破坏规律，为大倾角煤层开采提供了安全技术参数;温彦良等以长沟峪矿15槽煤层为例，采用该软件模拟了急倾斜煤层顶板垮落过程，对矿山安全生产具有重要指导意义;王俭通过该软件模拟了工作面回采过程中覆岩裂隙演化动态特征，得出了垮落高度及来压步距;段俭君^[叫运用该软件对覆岩导水裂缝带发育高度进行了预测，结果表明模拟结果与实际测量数据相吻合，进一步证实了其适应性。

(2) UDEC

UDEC是世界范围内第一款采用离散单元法作为基本理论背景进行开发并商业化的高级计算分析程序，离散单元法最早在1971年提出理论雏形，特别适用于不连续介质力学特性和受力变形特征的研究，在1980年开始把这一方法思想拓展到研究颗粒状物质的微破裂、破裂扩展、和颗粒流动问题。与连续力学方法相比，离散元的重要区别是能够同时模拟连续体、和非连续体的力学行为。UDEC将现实地质体、工程结构对象处理为块体的组合，结构面及内部缺陷等不连续特征通过块体边界来表征，而块体受力变形性质则沿袭采用连续介质力学方法进行描述，且支撑选择或兼容刚体和变形体两种方式。在物理介质运动过程中，UDEC采用处于世界前沿的接触算法搜索块体边界接触条件(接触类型、接触变形等)变化并计算接触受力状态，当接触处于屈服状态即形成剪切滑动或张开时，块体发生运动位移(平动、转动)甚至破坏现象。

许延春等采用该数值模拟软件分析了厚松散层的变形特征与开采充分度、采厚、松散层厚度和松散层岩性等的相关关系，为保护煤层的设计提供了基础参数;郝志勇等利用UDEC3.0对近距离上保护层开采导致的覆岩移动以及裂隙发育过程进行了数值模拟研究，预知了开采中瓦斯运移通道的动态分布，为防止瓦斯突出具有重要指导意义;李树刚等对亭南煤矿101综放面进行了数值模拟研究分析了周期来压，再现了顶板冒落以及应力集中现象，与现场矿山压力观测符合，为矿压观测提供了直观、准确的模拟方法;高保彬等采用UDEC4.0对李雅庄2-226工作面上覆岩层进行了模拟，得出其明显的竖向裂隙带，为高位钻场布置提供了技术参数;杨卓明等采用该数值模拟软件对工作面上覆岩层的垮落规律进行研究，分析采空区在形成过程中采场上方岩层的应力分布和破坏规律，为采空区的瓦斯治理及高抽巷位置的确定提供一定的科学依据;李振峰等采用UDEC对赵庄煤矿3304工作面采动过程进行了研究，确定了覆岩破坏的最大高度，模拟结果与实测结果相吻合。

(3) FLAC

是一款目前岩土体工程领域内应用最为广泛、功能最为强大的连续介质力学专业分析软件之一，该产品高度体现了数学理论与岩土力学理论的有机融合，即有效地采用有限差分求解方法来处理众多有限元程序难于解决的岩土体等工程材料的强烈非线性问题，特别擅长针对大变形、强烈非线性及系统物理不稳定系统(甚至大面积屈服/失稳或明塌)等破坏现象的力学描述和模拟o该软件是采用显示差分求解方法，解决传统有限元线性方程组求解时在复杂条件下计算不收敛问题，能够追踪、记录、和展示破坏发展过程，清晰揭示破坏发生的时间、部位、和演化历程，采用离散元理论元方法的界面单元(Interface)直接模拟其非连续力学行为。

谢和平等采用FLAC对河南省鹤壁矿务局4矿开采沉陷进行了研究，发现该软件能够真实地模拟现场地质条件，弥补一般经典方法不能考虑断层影响的不足，是一种简单易行的开采沉陷预计方法(如图2所示);尹光志等采用该软件对南桐煤矿二井三区煤层开采引起的岩体移动、矿山压力分布和地表沉陷的基本规律进行了研究，所得结果对现场开采具有一定的指导作用;尹尚先等问采用该软件对推动过程进行了准动态模拟，为防水煤柱的设计提供了技术参数;刘玉成^[33]采用FLAC3D软件模拟分析了煤层地下开采引起的地表移动过程为地表下沉测点布置提供了技术参数;李培现等采用该软件分析了不同开采宽度采空区上方应力变化，得出了覆岩破坏高度与采空区宽度关系，在相同采厚条件下，导水断裂带高度与开采宽度成二次函数关系;方传峰等采用该软件对自然崩落法开采过程进行了动态模拟，确定拉底和出矿速度的平衡关系，从而指导矿山合理确定和调整拉底和放矿速度。图2FLAC模拟结果

3.2.2 相似模拟

相似模拟是一种重要的科学研究手段，是在实验室内按相似原理制作与原型相似的模型，借助测试仪表现测模型内力学参数及其分布规律，利用在模型上研究的结果，借以推断原型中可能发生的力学现象以及岩体压力分布的规律，从而解决岩体工程生产中的实际问题。相似模拟实验遵循相似三定理。遵循几何相似、运动学相似、动力学相似。

张永吉等以东梁矿五井综放面为试验对象，采用石英砂作为骨料，以石膏与水泥的混合料作为胶结材料对开采过程中，覆岩变形以及破坏特征进行了分析(如图3所示);瞿新献以义马常村煤矿为地质模型，以砂子为骨料，石膏、石灰、水泥的海合料作为胶结材料采用配比试验选定合适的相似材料比，对分层开采顶板移动特征进行了分析，揭示了砌体梁结构;郜进海等以神华集团渤海湾矿业公司老石且矿16号煤层作为地质模型，采用相似模拟实验对巷邦裂隙发育特征进行研究，为巷道锚固提供了基础参数;闰德忠等以W9-15101工作面作为地质模型，以细沙作为骨料，石灰和石膏的混合料作为胶结材料;齐黎明等采用相似模拟实验模拟松软煤层裂隙发育规律，对不同含水率的型煤进行钻孔，分析其裂隙空间特征，为瓦斯抽采钻孔布置提供基础参数。图3相似模拟实验

3.3 现场测试法

3.3.1 钻孔电视法

钻孔全孔壁数字成像系统的基本原理是在井下设备中采用了一种特殊的反射棱镜成像的CCD光学藕合器件将钻孔孔壁图像以360。全方位连续显现出来，利用计算机或中央处理器来控制图像的采集和图像的处理，实现模-数之间的转换。图像处理系统自动地对孔壁图像进行采集、展开、拼接、记录并保存在硬盘上，再呈二维或三维的形式展示出来。亦即把从锥面反射镜拍摄下来的环状图像转换为孔壁展开图或柱面图。依据兰带裂隙发育特征确定覆岩破坏高度。

葛修润等对数字式全景钻孔摄像技术进行了全面介绍，并对其应用前景进行了诠释;张玉军等采用钻孔彩色电视系统对大量钻孔内部原生裂隙及裂隙发育特征进行了分析，通过钻孔电视数据图分析了其发育特点，如图4所示;张军胜采用钻孔电视探测技术对寺河矿2#井进行了观测，对其覆岩冒落带发育高度进行了研究，准确确定了其破坏高度如图5所示;张刚艳等采用彩色钻孔电视观测了后黄土层覆盖采动裂隙闭合特征。图4钻孔电视；图5钻孔电视图像

3.3.2 分段注水法

分段注水法工作原理是采动后上覆岩层会形成分层且各分层的裂隙大小与数量不等，因此各阶段的注水量不同，采用封孔器封住两端，利用测试段测量此段注水量的多少，利用注水量的多少来判断此段情况。

范志胜采用分段注水设备对亭南煤矿106工作面导水裂隙带发育高度进行了研究，为该矿合理开采上限提供了技术参数(如图6^[9]、图7^[9]所示);王晓蕾等^[9]采用钻孔电视对郭庄煤矿覆岩裂隙演化及破坏高度进行了研究，分析了回采中裂隙演化规律;吕立斌采用仰孔分段注水法对81401工作面覆岩破坏规律进行了分析，确定了合理的高抽巷层位。图6分段注水系统^[9]；图7分段注水数据^[9]

3.3.3 地质雷达法

地质雷达法是注浆效果评价的重要方法之一。其测试方法是利用电磁波，以宽频带短脉冲形式，由地面通过天线发射器进入到地下或由巷道煤岩体表面经过天线发射器进入煤岩体深部。经过地下或者煤岩体深部目标体以及界面反射后再返回地表或者煤岩体表面，被地质雷达天线器接收。通过计算机对地质雷达接收的雷达信号进行转译、处理，以可解释的图片形式展示出来。通过图片可发现隐蔽介质分布于特征以及煤岩体深部注浆异常区域，根据电磁波在介质中的波速、往返路程所需时间、煤岩体表面至煤岩体深部厚度。

刘武浩等采用地质雷达法对煤矿采空区覆岩"两带"破坏高度进行了分析，准确确定了覆岩破坏高度;乔小龙采用地质雷达对山西某矿大采高工作面进行了，研究了其裂隙发育特征，并确定了覆岩破坏高度(如图8所示)。图8地质雷达

3.3.4 微震技术法

微震基本原理是通过传感器收集和采集由岩体破坏或者岩石破裂所发射出的地震波信号。对地震波信号进行处理分析，从而得到矿震发生的位置、震级大小、能量、地震矩等信息。利用系统所携带的软件，结合地震学原理对围岩的应力应变状态进行分析，从而判断岩层的稳定性。

刘建东采用微震技术对煤岩体的稳定性进行了分析;乔小龙采用微震技术对山西某矿大采高工作面进行了，研究了其裂隙发育特征，并确定了覆岩破坏高度。

4、问题与展望

覆岩破坏特征及高度对于煤矿安全生产具有重要意义，国内外学者进行了大量研究，取得了众多研究成果，但也存在一定问题。

(1) 对于相似模拟。进行模拟材料配比时，工作量巨大，且不易准确配制出完全吻合的材料。未来可以通过数字岩心技术，结合3D打印技术还原岩层中的岩心。

(2) 对于现场测试。不能连续监测其动态发育过程，极大地降低了数据的可信度。未来现场监测从工作面开采时进行监测直到整个工作面回采完毕。

(3) 经验公式法。传统经验公式法已不完全适应目前的开采工艺，与实测相差较大。未来应先各矿区进行经验公式的总结。

(4)数值模拟法。虽然能够极大地降低成本和劳动强度，但其与实际开采相差较远而且在参数方面存在较多不足，只能作为辅助手段。未来模拟软件能够结合众多影响覆岩发育规律的条件进行模拟。

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