半煤岩下保护层覆岩运移规律与卸压效应

Movement patterns and pressure relief effects of overlying rock in the protection layer beneath semi⁃coal seams

摘要

探究厚硬关键层影响下半煤岩保护层不同采高采动卸压效应，对半煤岩保护层确定合理采高，以控制排矸量、保障卸压效果及实现高效生产等具有重要意义.以金岭煤业172105半煤岩下保护层开采为例，通过物理相似模拟和FLAC^3D数值模拟，探明了半煤岩下保护层不同采高下关键层运移规律及对被保护层的卸压效应.结果表明：采高为0.8 m时，层间关键层未发生破断，上覆岩层整体平稳弯曲下沉，被保护层卸压不充分；采高大于1.15 m时，层间关键层发生破断，裂隙带发育至二₁煤顶板砂岩关键层底部，被保护层卸压显著.发现采高和厚硬灰岩关键层是金岭煤业半煤岩下保护层卸压效应的关键控制因素，构建了考虑采高和关键层影响的被保护层应力及膨胀变形量预测模型，明确了被保护层卸压程度与关键层和采高之间的定量关系.发现层间灰岩关键层厚度为8.0 m，采高为1.15 m时膨胀变形量可达到3.0‰；采高提高至1.9 m时，灰岩关键层发生破断，被保护层应力降低了41.6%~70.2%，被保护层最大膨胀变形量增大至23.3‰，取得了显著的卸压效果.研究结果指导了金岭煤业172105半煤岩保护层合理采高的确定和被保护层的高效卸压.

Abstract

Investigating the destressing effects of different mining heights in lower protective layer of semi⁃coal rock under the influence of thick and hard key strata is of great significance for determining a reasonable mining height， controlling gangue discharge， ensuring effective pressure relief， and achieving efficient production. Taking the 172105 lower protective layer of semi⁃coal rock in Jinling Coal Mine as an example， both physical similarity simulation and FLAC^3D numerical modeling were employed to reveal the fracture and movement patterns of key strata at varying mining heights， as well as their destressing effects on the protected seam. The results indicate that when the mining height is 0.8 m， the interlayer key stratum does not fracture； the overlying strata bend and subside smoothly as a whole， and the protected seam experiences insufficient destressing. When the mining height exceeds 1.15 m， the interlayer key stratum fractures， with the fracture zone developing upward to the bottom of the key sandstone stratum above seam No. 2_-1， resulting in significant destressing of the protected seam. It is found that when the thickness of the interlayer limestone key stratum is 8.0 m and the mining height is 1.15 m， the swelling deformation reaches 3.0‰； when the mining height increases to 1.9 m， the limestone key stratum fractures， the stress in the protected seam is reduced by 41.6%—70.2%， and the maximum swelling deformation of the protected seam increases to 23.3‰， achieving a significant pressure⁃relief effect. These results guide the determination of a reasonable mining height for the half⁃coal⁃half⁃rock protective seam at working face 172105 of Jinling Coal Mine and ensure efficient pressure relief of the protected seam.

Graphical abstract

关键词

半煤岩下保护层 / 采高 / 覆岩运移 / 关键层破断 / 卸压效应

Key words

lower protective layer of semi⁃coal rock / mining height / overburden migration / the fracture of key strata / pressure relief effect

煤与瓦斯突出是威胁煤矿安全高效开采的主要灾害之一^［1‑4］.长期的研究和实践表明，开采保护层是防治煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害的有效手段^［5‑6］，但单一主采突出煤层开采条件下，无常规煤层保护层可采，可选择不可采或局部可采的薄煤层、岩石作为保护层，如《河南省煤矿瓦斯防治管理办法》（矿安豫联〔2023〕1号）^［7］要求：“不具备开采保护层条件的，可以把井田范围内未列入开采范围的不可采薄煤层或软岩作为保护层进行开采”.薄煤层或岩石保护层采高偏小，会制约保护层开采效率，典型厚硬关键层影响下还会造成采动裂隙发育程度低、被保护层卸压不充分等问题.增大保护层采高可破解上述问题，但会引起排矸量大、能耗高、煤质差、洗选成本高等问题.因此，研究半煤岩下保护层覆岩运移规律与卸压效应，对半煤岩或岩石保护层合理采高确定，实现瓦斯高效治理具有重要意义.

保护层开采的卸压效应受到多种地质采矿因素的影响，如保护层采高、层间岩层赋存条件等^［8‑10］.文献［11‑12］通过理论分析和现场试验发现极薄保护层开采后顶板岩层垮落规律与常规采高开采存在明显不同.文献［13］通过观察不同采高煤层引起的塑性区变化，发现采高对煤层底板的变形程度和破坏深度影响较小.文献［14］根据实测采场上覆岩层移动曲线，提出了在不同采高下工作面采动后可能形成顶板的切落和台阶下沉.文献［15‑16］指出，垮落带和裂隙带高度受采高和关键层结构共同控制，并在关键层作用下随采高台阶式增加，而非连续近线性变化.文献［17‑18］发现随着上覆亚关键层的破断，离层空间向上发育，呈现台阶式发育过程，对于走向倾斜式煤层开采，覆岩变形整体呈现“非对称性汤匙状”.可见，采高和关键层结构对煤岩层卸压效应有控制性作用，但二者如何协同控制卸压效应还未厘清.

《防治煤与瓦斯突出细则》^［19］指出被保护层的理论保护范围可根据卸压角确定，但未给出与采高、关键层赋存特征等因素的定量关系确定方法.部分研究还发现下保护层开采的卸压效果主要受保护层采高和煤层层间距控制，同时提出了考虑保护层采高与层间硬岩含量系数的当量相对层间距^{［20‑21］}，为卸压瓦斯抽采设计提供了指导，但其模型未结合关键层的运移规律.文献［22‑23］研究发现若层间存在巨厚关键层，会显著削弱被保护层的卸压效果，其卸压范围也会受到影响.文献［24‑25］指出覆岩应力的变化程度主要取决于关键层的破断运动，提出了基于关键层运移及承载结构特征的采动应力场演化预测模型.文献［26‑28］研究明确了保护层采高对卸压效果的影响规律，发现被保护煤层膨胀变形率随保护层采高增加呈线性增加趋势，确定了能达到实际卸压效果的最小采高.文献［29］发现薄煤层保护层开采过程中，被保护煤层的应力和膨胀变形呈现先增大后趋于稳定的变化规律.上述成果阐述了保护层保护效果与采高、层间距、硬岩含量等因素的关系，但目前对于半煤岩下保护层开采，尚未建立采高与关键层破断运动协同作用下对被保护层卸压效应预测模型，造成估算的卸压保护效果与现场实际偏差较大，难以确定合理采高.

为此，本文以金岭煤业172105半煤岩下保护层开采为工程背景，开展厚硬关键层影响下半煤岩下保护层不同采高采动卸压效应的相似模拟及数值模拟试验研究，构建关键层和采高协同作用下半煤岩下保护层开采卸压效应预测模型，拟查明半煤岩下保护层开采层间关键层破断运动特征、应力和变形等卸压规律，指导金岭煤业半煤岩下保护层开采合理采高的确定与卸压瓦斯的高效抽采.

1 典型采高半煤岩下保护层采动卸压效应物理相似模拟试验

1.1 工程背景

河南省金岭煤业主采的二₁煤层为突出煤层，煤层厚度为0.18~15.90 m，平均厚度为4.5 m，实测煤层最大原始瓦斯含量为14.16 m³/t，最大原始瓦斯压力为1.18 MPa，透气性系数为0.001 5~0.002 0 m²/（MPa²·d），防突难度大.一₇煤层厚度为0~0.88 m，平均厚度为0.55 m，属于薄煤层，无突出危险性，一₇煤层保护层直接顶板为L₇灰岩，厚度为4.8~8.0 m，上距二₁煤层约20.0 m，煤岩层柱状图及关键层判识结果如图1所示.

矿井前期选择一₇煤层层位作为二₁煤层的下保护层开采，采高约0.8 m，采用炮采严重制约了保护层开采效率；172105工作面一₇煤层保护层直接顶板为坚硬L₇灰岩关键层，厚度大，达到8.0 m，导致采动裂隙发育程度低、被保护层卸压不充分，造成二₁煤层卸压瓦斯抽采效率偏低.为了提高保护层开采效率和卸压保护效果，亟需考虑层间关键层破断运动特征，查明半煤岩下保护层不同采高采动卸压效应，以优化一₇煤层下保护层开采设计.

1.2 试验方案

按照区域地质条件和工作面柱状图，开展了2个典型采高0.8 m（原采高）和1.9 m（拟采用）半煤岩下保护层采动卸压效应的二维物理相似模拟对比试验.以实体尺寸为基本依据，采高0.8 m物理相似模拟模型铺装尺寸为4.0 m×0.3 m×1.9 m（长×宽×高），工作面回采长度设置为100 cm，从右至左依次开采.采高1.9 m物理相似模拟模型铺装尺寸为2.0 m×0.2 m×1.6 m（长×宽×高），工作面回采长度设置为160 cm，从左至右依次开采.2个典型采高模型均采用单次回采5 cm.在采高0.8 m和1.9 m模型顶部加载模拟埋深对应的荷载，按照应力相似比计算加载的应力约为0.1 MPa，设定几何相似比为1∶100，容重相似比为1∶1.5，时间相似比为1∶10.

为简化试验，暂不考虑地层倾角对卸压效果的影响，模拟试验的部分材料配比见表1.为监测下保护层开采覆岩卸压变形情况，在保护层、被保护层及多个岩层处布置应力传感器及位移测点，测点行列间距均为15 cm，模型铺设及测点布置如图2~图3所示.

1.3 试验结果及讨论

1.3.1 覆岩运移规律及承载结构演化特征

采高为0.8 m和1.9 m时覆岩运移情况分别如图4和图5所示.由图4a可知，采高为0.8 m条件下，工作面推进至65 m时，覆岩在采动作用下产生离层裂隙，同时整体弯曲下沉，层间灰岩关键层（亚关键层1）未破断，未见纵向裂隙；工作面推进至100 m时，离层裂隙最高发育至距一₇煤上方二₁煤层顶板大占砂岩底部（亚关键层2），采空区上覆岩层整体持续弯曲下沉，但未发生垮落、破断，如图4b所示.层间关键层在覆岩自重作用下逐渐下沉接触底板，形成“连续介质梁”承载结构，采动裂隙发育程度低，二₁煤卸压不充分.

采高为1.9 m条件下，由图5a可知，工作面推进至65 m时，上覆岩层发生周期性破断运移，裂隙发育至二₁煤层顶部，裂隙发育高度为24.5 cm.采空区中部压实，二₁煤层上方亚关键层2底部离层裂隙长度进一步扩大，长度约为48 cm.岩层破断角约为55°，破坏区域整体呈梯形状.当工作面推进115 m时，“三带”沿工作面推进方向进一步扩展，如图5b所示，由于亚关键层2的控制作用，竖向裂隙未继续向上发育，裂隙最大发育高度维持在24.5 cm，二₁煤层顶部离层裂隙长度进一步增大，长度约64 cm，间隙约1.4 cm.随着工作面的不断向前推进，覆岩不断垮落，周期为15~20 cm，当一₇煤层工作面推进160 m时，基本顶累计垮落次数为9次，“三带”沿工作面推进方向不断向前扩展，如图5c所示，由于亚关键层2的控制作用，竖向裂隙未继续向上发育，二₁煤层顶部离层裂隙由于亚关键层2的弯曲下沉，长度和间隙相较于开采115 m时减小，呈现两侧高，中间压实基本无裂隙的分布趋势，两侧离层裂隙长度约为50~55 cm，间隙约为0.3~0.8 cm.随着保护层开采，顶板岩层发生周期性破断，大量竖向裂隙发育至大占砂岩关键层底部，二₁煤层产生大量竖向贯通裂隙，裂隙发育最大高度不再随回采发生变化；二₁煤层与顶板大占砂岩间产生大量离层裂隙，离层裂隙随回采沿大占砂岩关键层底界逐步扩展和迁移，为二₁煤卸压瓦斯抽采提供良好的卸压环境.

1.3.2 被保护层应力分布规律

通过预埋在物理模型中的应力盒，监测分析工作面推进过程中覆岩应力演化规律，被保护层应力变化情况如图6所示.保护层工作面回采期间，采高0.8 m时，被保护层应力降低了17%，卸压不充分.采高1.9 m时，被保护层应力降低了44%，卸压保护区内被保护层应力系数平均约为0.65，远小于原岩应力，卸压程度为56%~72%左右，卸压程度明显优于采高0.8 m条件，整体卸压效果显著.

1.3.3 被保护层膨胀变形量分布规律

保护层开采结束后，覆岩垮落达到稳定状态，通过预留在物理模型上的位移测点对其位移变形进行监测，将被保护层产生的相对位移转化膨胀变形量进行定量分析，膨胀变形量与相对位移的关系如式（1）所示.

ξ=\frac{d_{\mathrm{r}}-d_{\mathrm{b}}}{H_{\mathrm{m}}}×1000,(1)

式中：ξ为被保护层膨胀变形量，‰；d_r为被保护层顶板的位移量，m；d_b为被保护层底板的位移量，m；H_m为被保护层厚度，m.

根据试验监测数据，结合式（1）计算被保护层的膨胀变形量如图7所示.依据《防治煤与瓦斯突出细则》^［19］，取卸压角60°划定理论保护范围，卸压保护范围内采高为0.8 m时，膨胀变形量为0.8‰~4.2‰，被保护层卸压不充分.卸压保护范围内采高1.9 m时，被保护层的膨胀变形量为7.5‰~26.1‰，均大于3‰.被保护层卸压效果显著.

2 不同采高下层间关键层破断和塑性区发育情况

物理相似模拟结果表明，层间关键层在0.8 m采高时未发生破断，采高1.9 m时发生了破断，2种情况的卸压效应差异显著，但采高差异较大，无法确定关键层发生破断的临界采高.为此，采用FLAC^3D三维数值模拟软件，研究保护层开采引起的塑性区发育情况，明确采高变化对层间关键层破断的影响.

2.1 模型建立

基于金岭煤业172105保护层工作面采动地质条件建立了数值模型，尺寸为300.0 m×210.0 m×187.5 m（长×宽×高），如图8所示.为消除沿边界效应，工作面走向、倾向左右两侧各留50 m和30 m煤柱，左右边界固定x方向位移；前后边界固定y方向位移；底部边界固定z方向位移；上边界为自由边界，未模拟的岩层转化为均匀载荷，在模型顶部加载应力为16.05 MPa，模型边界载荷施加及开采方式如图9所示.模型中煤岩本构关系采用莫尔⁃库伦准则，接触面的本构模型选为库伦滑移模型.根据金岭煤业煤岩物理力学参数，模型物理力学参数见表2.为研究不同采高层间关键层破断情况和塑性区发育情况，设计5种采高，即保护层采高分别为0.8，1.15，1.5，1.9，2.3 m，回采长度均为200 m.

2.2 模拟结果分析

保护层工作面在不同采高下的关键层破断情况和塑性区发育高度如图10所示，塑性区整体形状较为对称.由图10a可知，采高0.8 m时，由于采高较小，且层间灰岩关键层未破断，上覆岩层未发生塑性破坏，仍保持原本结构状态，底板在采动影响下产生的破坏较小，可知关键层对覆岩运移有控制作用.

由图10b~10e可知，采高为1.15，1.5，1.9，2.3 m时，采动影响扩大，采空区顶底板煤岩体产生塑性破坏，一₇煤层上方石灰岩关键层发生破断垮落，塑性区高度均发育至二₁煤层顶板砂岩关键层底部后趋于稳定，二₁煤层内部出现较多塑形破坏；同时一₇煤层底板破坏程度进一步加深扩大，塑性破坏区逐渐呈现上边长、下边短的“倒台阶”分布.随着采高增大，拉伸破坏区域逐步增加，上覆岩层离层现象更加明显，塑性区范围随回采横向扩展.采高处于1.15~2.3 m时，由于层间关键层破断而亚关键层2未破断，塑性区发育高度未发生明显变化，水平方向塑性区范围显著增大.

3 关键层影响下半煤岩下保护层不同采高卸压效应的理论模型构建

3.1 半煤岩下保护层开采卸压效应预测方程

本文前期考虑采高、采场形状与尺寸以及覆岩不同层位关键层破断运动特征等因素，将弯曲下沉带不同层位关键层简化为多层叠合无限长弹性地基板，实体煤侧裂隙带不同层位关键层简化为多层叠合半无限长弹性地基板，采空区侧裂隙带不同层位破断关键层简化为多层叠合“砌体梁”，建立了基于采动覆岩关键层“板⁃梁”结构的应力场演化预测模型^［25］，如图11所示.采动覆岩实体煤侧不同层位关键层和采空区侧弯曲下沉带不同层位未破断关键层的采动应力分布方程见式（2），采空区侧不同层位破断关键层下的采动应力分布方程见式（3），相关参数含义见文献［25］.

\left\{\begin{array}{l}{\sigma }_{\mathrm{1}}(x,y)=k_{\mathrm{1}}{w}_{\mathrm{1}}(x,y)+q_{\mathrm{1}}+\dots +q_j,\\ {\sigma }_{\mathrm{2}}(x,y)=k_{\mathrm{2}}[w_{\mathrm{2}}(x,y)-w_{\mathrm{1}}(x,y)]+q_{\mathrm{2}}+\dots +q_j,\\ \mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\dots \\ {\sigma }_{i-\mathrm{1}}(x,y)=k_{i-\mathrm{1}}[w_{i-\mathrm{1}}(x,y)-w_{i-\mathrm{2}}(x,y)]+q_{i-\mathrm{1}}+\dots +q_j,\\ {\sigma }_i(x,y)=k_i[w_i(x,y)-w_{i-\mathrm{1}}(x,y)]+q_i+\dots +q_j,\\ \mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\dots \\ {\sigma }_{j-\mathrm{1}}(x,y)=k_{j-\mathrm{1}}[w_{j-\mathrm{1}}(x,y)-w_{j-\mathrm{2}}(x,y)]+q_{j-\mathrm{1}}+q_j,\\ {\sigma }_j(x,y)=k_j[w_j(x,y)-w_{j-\mathrm{1}}(x,y)]+q_j.\end{array}\right.　　　(x,y)∈Ω₁(2)

　　(x,y)∈Ω₂(3)

式中：σ₁（x，y），σ₂（x，y），…，σ_j （x，y）分别为实体煤侧不同层位关键层下的采动应力分布，MPa；k₁，k₂，…，k_j 分别为不同层位关键层的地基系数，N/m³；w₁（x，y），w₂（x，y），…，w_j （x，y）分别为实体煤侧不同层位关键层挠度，m；q₁，q₂，…，q_j 分别为不同层位关键层的载荷，MPa；σ_n1（x，y），σ_n2（x，y），…， σ_nj （x，y）分别为采空区侧裂隙带不同层位破断关键层下的采动应力分布，MPa；a为采空区长度，m；b为采空区宽度，m；l₁为关键层一破断块体长度，m；{l_i}_{-\mathrm{1}}为裂隙带不同层位关键层破断块体的长度，m；min（x，y）为采空区任意一点距采空区边界的最小距离，m；k_ni，k_i+1，…，k_j 分别为采空区侧亚关键层的基地系数，N/m³；w_ni （x，y），w_ni+1（x，y），…，w_nj （x，y）分别为采空区侧弯曲下沉带不同层位关键层的挠度；Ω₁为实体煤侧区域；Ω₂为采空区侧区域.

在此基础上，提出了基于采动覆岩关键层“板⁃梁”结构的半煤岩下保护层开采被保护层应力和变形预测方程.假设被保护层处于关键层m和关键层m+1之间，则被保护层的应力分布方程和膨胀变形量方程分别为式（4）和式（5）.

σ_b(x,y)=σ_m+1(x,y)+q_b,(4)

B(x,y)=\frac{{\sigma }_{\mathrm{0}}(x,y)-{\sigma }_{\mathrm{b}}(x,y)}{K_{\mathrm{b}}\times h_{\mathrm{b}}}×1 000,(5)

式中：σ_b（x，y）为被保护层的应力分布，MPa；σ_m+1（x，y）为关键层m+1下的应力分布，MPa；q_b为被保护层至关键层m+1岩层的载荷，MPa；B（x，y）为被保护层膨胀变形量，‰；σ₀为被保护层的原岩应力；K_b为变形系数；h_b为被保护层的厚度.

3.2 关键层影响下半煤岩下保护层开采被保护层应力和变形分布规律

根据第1节、第2节研究结果和关键层理论^［30］，随着半煤岩下保护层采高变化，关键层破断情况会随之改变，当下保护层采高为0.8 m时，层间灰岩关键层（亚关键层1）未发生破断，即上覆岩层均处于弯曲下沉带中，则将关键层简化为多层叠合无限长弹性地基板；采高为1.15，1.5，1.9，2.3 m时，层间关键层（亚关键层1）发生破断，二₁煤层顶板大占砂岩（亚关键层2）未发生破断，则将层间关键层采空区侧简化为“砌体梁”，实体煤侧简化为半无限长弹性地基板，其余关键层简化为多层叠合无限长弹性地基板进行计算.结合金岭煤业采动地质条件，地层共存在5层关键层，见表3.根据所建立的关键层影响下半煤岩下保护层卸压效应预测方程，预测了采高分别为0.8，1.15，1.5，1.9，2.3 m时，被保护层应力和变形规律，计算参数见表4和表5.

3.3 采高对半煤岩下保护层开采卸压效应的影响

不同半煤岩下保护层采高下被保护应力分布如图12所示，采高增大，被保护层卸压程度及影响范围随之不断增大.采高分别为0.8，1.15，1.5，1.9，2.3 m时，应力分别为10.9~15.3，10.6~14.3，6.1~11.7，5.3~10.4，4.1~9.0 MPa，降低了约14.0%~38.8%，20.0%~40.0%，34.3%~65.7%，41.6%~70.2%和49.4%~77.0%，卸压愈发充分.半煤岩下保护层采高大于1.15 m时，被保护层应力得到有效释放，加之其处于裂隙带中，随着采高增大，卸压效果逐渐理想；保护层工作面采高为0.8 m时，被保护层处于弯曲下沉带，未被裂隙贯通，被保护层的卸压程度明显降低.

不同采高时被保护层膨胀变形量如图13所示，采高分别为1.5，1.9，2.3 m时，保护范围内被保护层最大膨胀变形量分别为15.1‰，23.8‰，25.0‰，远大于3.0‰；而采高为0.8 m时，被保护层部分区域膨胀变形量未超过3.0‰.经计算得出，采高为1.15 m，被保护层膨胀变形量均大于3.0‰.

4 现场验证与应用

4.1 金岭煤业半煤岩下保护层开采合理采高确定

根据前述研究成果，对于172105工作面，若下保护层采高为0.8 m，由于采高偏小，加之基本顶为厚硬灰岩关键层，厚度达到8.0 m，顶板上方第1层灰岩关键层不会破断，呈整体稳定下沉特征，无纵向裂隙产生，存在部分离层裂隙，被保护层卸压效果一般.采高大于1.15 m时，顶板灰岩关键层发生破断，出现纵向裂隙，最高发育至二₁煤顶板砂岩关键层底部.

但理论预测表明，采高为1.15 m被保护层膨胀变形量均大于3.0‰，达到《防治煤与瓦斯突出细则》^［19］要求的临界值.采高提高至1.9 m时，灰岩关键层发生破断，被保护层应力降低了41.6%~70.2%，被保护层最大膨胀变形量增大至23.8‰，卸压效果更为显著.同时鉴于一₇煤层顶板为厚硬灰岩、底板为中粒砂岩，岩石坚固性系数f值平均可达到9，表明顶底板岩石极其坚固，要求配备重型采煤机（尺寸相对较大）以有效切割硬岩，普通小采高采煤机难以满足要求.综合卸压效果、回采效率、设备能力及尺寸选型，金岭煤业172105半煤岩下保护层采高1.9 m左右.

4.2 采空区覆岩垮落特征

现场考察了金岭煤业172203和172105下保护层工作面采高分别为0.8 m和1.9 m时的覆岩运移规律.发现172203薄煤层下保护层工作面采高为0.8 m时，采空区顶板整体平稳弯曲下沉，未发生垮落破断，如图14所示.172105半煤岩下保护层工作面采高为1.9 m左右时，在采动影响下层间关键层发生破断，如图15所示.

一₇煤下保护层工作面上方约10 m左右位置存在一个抽放巷，用于抽采被保护层卸压瓦斯.172203下保护层工作面采高为0.8 m时，抽放巷出现一定变形，但并未出现明显冒顶、失稳现象，现场如图16所示.

同时监测了巷帮移近量以及顶板变形情况，发现顶底板最大移近量为0.46 m，平均移近量为0.38 m；巷帮最大移近量为0.85 m，平均移近量为0.38 m.而172105下保护层工作面采高为1.9 m左右时，底板巷变形严重，出现明显冒顶垮落等情况，由于垮落严重，矿井对底板巷进入采空区后的区域及时进行封闭，并禁止人员进入，如图17所示.从侧面印证了下保护层采高为0.8 m时，采空区顶板整体平稳弯曲下沉，未发生垮落破断；下保护层采高为1.9 m左右时，在采动影响下层间灰岩关键层发生了破断.

4.3 被保护层卸压效应

金岭煤业172203保护层工作面采高为0.8 m，矿井跟踪考察了被保护层工作面原始瓦斯压力为0.84~0.96 MPa，残余瓦斯压力为0.12~0.54 MPa，卸压保护效果一般.为提高被保护层卸压保护效果，在172105保护层工作面开展了现场试验，将采高调整为1.9 m左右，目前工作面已回采120 m.从172105下抽放巷等施工穿层钻孔测定了瓦斯参数变化，被保护层原始瓦斯压力为0.45~0.83 MPa，残余瓦斯压力为0.10~0.22 MPa，均小于0.60 MPa，明显低于172203工作面采高为0.8 m时被保护层残余瓦斯压力，膨胀变形量增大至23.30‰，取得了显著的卸压保护效果.

综上所述，通过开展0.8 m和1.9 m采高的物理相似模拟试验，阐明了2种采高下保护层开采覆岩关键层破断规律与卸压效应.在此基础上进一步开展了多个采高的数值模拟试验，进一步明确了采高变化对保护层和被保护层层间关键层破断情况和裂隙发育的影响.进而构建了关键层影响下半煤岩下保护层不同采高卸压效应的理论模型，揭示了采高对半煤岩下保护层开采卸压效应的影响规律，指导了金岭煤业半煤岩保护层合理采高的确定.

5 结　论

1）查明了半煤岩下保护层不同采高条件下覆岩运移规律及卸压效应，发现采高和关键层赋存条件对覆岩破断及卸压变形影响显著.采高0.8 m时，层间关键层未破断，上覆岩层整体弯曲下沉，被保护层卸压不充分.而采高为1.15，1.5，1.9和2.3 m时，层间关键层破断，裂隙带发育至二₁煤层上方大占砂岩底部.随着采高增大，应力降幅增加，被保护层卸压效果愈显著.

2）构建了采高和关键层影响下的半煤岩下保护层开采卸压效应预测方程，明确了被保护层卸压程度与关键层和采高之间的定量关系.发现不同采高和层间关键层共同作用下，顶板破断情况与卸压程度存在明显差异，采高对被保护层卸压有促进作用.金岭煤业顶板存在厚硬灰岩关键层是阻碍半煤岩下保护层卸压效应的关键控制因素.

3）预测得出金岭煤业172105工作面层间灰岩关键层厚度8.0 m和采高1.9 m时，被保护层应力降低了41.6%~70.2%，最大膨胀变形量达到23.8‰，采高为1.15 m满足膨胀变形量大于3.0‰的要求，结合卸压效果、开采效率、破岩能力，经设备选型，金岭煤业半煤岩下保护层采高取1.9 m左右.

4）在金岭煤业进行了现场验证及应用.薄煤层下保护层采高为0.8 m时，层间灰岩关键层未破断，整体平稳弯曲下沉，卸压不充分.而采高为1.9 m左右时，灰岩关键层发生破断，被保护层膨胀变形量增大至23.3‰，取得了显著的卸压保护效果.

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基金资助

国家自然科学基金项目(52174173)

中国博士后科学基金项目(2025M771781)

河南省重点研发与推广专项(科技攻关)(252102321097)