1  直接顶的移动

1.1直接顶的破断

采煤工作面准备好后，此时，直接顶两端处于固定梁支撑状态。自开切眼开始向前推进，直接顶岩层通常不会立即垮落，向前推进一段距离后，岩层裸露面积不断增大，直接顶的变形相对于老顶的变形大，容易使得直接顶与老顶间产生离层。

直接顶的挠度小于老顶的挠度时，推出直接顶的厚度与老顶的厚度比值有关，则直接顶与老顶互相分离。当老顶厚度大于直接顶的厚度时，非常容易形成它们之间的离层。回采工作面生产向前推进达到直接顶岩层的极限跨距时，直接顶就会初次垮落。垮落时，它的高度超过1m以上，整个工作面长度超过一半。直接顶初次垮落步距大约20—30m。直接顶初次垮落以后，没有垮落下来的直接顶需要放顶。此时及其以后采煤工作面正常推进过程，直接顶是由采煤工作面的煤壁及支架支撑的悬伸梁。直接顶初次垮落及放顶后，直接顶岩层随采煤工作面的向前采煤推移而冒落。冒落后的直接顶岩层往往不能填满采空区，破碎后，杂乱无章堆放，岩块间并没有水平方向力的联系，因此它们之间没有形成结构。由于破碎后的岩层体积比完好赋存状态的岩层体积大，因此，直接顶跨落后，堆放在采空区里岩层的高度远大于直接顶岩层原来的厚度。在自重及其外载荷作用下逐渐被压实。

1.2  充满采空区的直接顶厚度

若直接顶岩层厚为H，煤的厚度为M。悬空的直接顶岩层自下向上冒落，冒落后堆积在采空区底板上，散落后的岩层体积增大，由此便产生碎胀系数k，则跨落后的岩层高度为K·H。它与没有垮落的老顶岩层之间可能留下空隙。

2  老顶的移动

2.1  老顶的破断

采煤工作面上覆直接顶岩层初次跨落后，工作面向前推移，由于老顶岩层相对坚硬，强度较大，在一定范围内呈悬伸状态，其四周由煤壁及煤柱支撑。采煤工作面上方的老顶在走向方向的尺寸远小于其倾斜方向的尺寸。在走向方向上一端由煤柱支撑、另一端由煤壁支撑；在倾斜方向上则由上下区段平巷的煤柱支撑；此时，形成四边固支的板结构。随着老顶的悬露，弯矩也在增长，弯矩的最大值产生于长边中心部位，因而首先将在倾斜方向的中心处产生裂隙，而后在短边中心部位裂隙，即位于走向方向的中心处，其次是四周这些裂隙会贯通呈扁椭圆形状。随着工作面的煤被采出，顶板岩层的裸露范围增大。板结构的中央弯矩同样也会增大，达到老顶岩层的强度极限时，便有对角裂隙产生。这些裂隙交织融通，老顶岩层初次垮落。

2.2  老顶初次来压

老顶岩层由开始变形，产生裂隙、再到开始破坏，最终垮落。岩层破坏直至垮落通常持续一段时间，在老顶垮落前的2d—3d，会出现老顶岩层板断裂的响声。在垮落前的1h-2h，采空区压力大隆隆巨响；煤壁前方承受强大的超前支承压力，致使煤壁前方形成剪切破坏，表现为煤壁片帮，顶板产生裂隙，甚至掉渣，支撑顶板岩层的煤壁破裂，顶板岩层的下沉量和下沉速度明显增加；支架呈现受力普遍加大。此时老顶初次来压。

老顶岩层达到极限跨距之后并断裂，并不一定垮落，而是不同尺寸的岩块之间嵌合彼此挤压，水平方向上产生挤压力，从而在岩块之间形成巨大的摩擦力，进而使岩块间形成三铰拱式平衡结构。三铰拱结构两端支座处岩块与煤壁的摩擦力大于顶板的剪切力时，便能保持平衡。否则，就会出现顶板的台阶下沉。    

2.3  老顶周期来压

老顶初次垮落以后，采煤工作面仍需向前推进，工作面上方的老顶岩层继续悬伸，裂隙体梁形成的结构将发生变化。工作面的煤壁和支架支撑悬伸的老顶岩层，挡负着它们的重量。悬伸的老顶岩层正下方是工作面的回采空间，已经垮落的矸石支撑着悬伸老顶岩层的另一端。此时，老顶岩层已经部分变形、扭转，开始产生裂隙，向断裂的程度发育，但没有完全断裂。

3  直接顶岩层与老顶岩层的转化

直接顶岩层与老顶岩层的转化条件：

3.1  采用上行式开采顺序。当煤层及其上覆岩层顶板坚硬，回采困难或者不经济时，采用上行式开采顺序。上行式开采，煤层及其上覆坚硬的顶板岩层受到采动引起的支承压力影响，会使它们变形、扭曲，产生裂隙，甚至破坏。同时，可消除和减轻煤层开采时发生的冲击地压和周期性来压的强度。这种条件下采用上行式开采顺序，则可能使上部分层的直接顶转变为有预先裂隙的老顶。

3.2  地质条件。大的断层构造，可切断煤层和上覆顶板岩层，使煤层和顶板岩层比较破碎，大范围内老顶转化为直接顶；煤层上覆岩层非常厚，部分直接顶便会转化为老顶。

4  采煤工作面上覆岩层的移动规律

4.1  采煤工作面上覆岩层的分带

在采煤工作面的煤层中先掘进区段平巷，再准备开切眼进行回采。煤层中的原始应力被侵扰，便向工作面的四周扩散，从而引起岩层的变形、移动和破坏。采空区采用全部垮落法为例，根据岩层的破坏程度不同，可以分为以下“三带”。

垮落带。煤层开采后，直接顶与煤层最近，最先破裂呈不规则跨断，排列紊乱，堆放于采空区里，支撑未垮落的老顶岩层。

裂隙带。在垮落带之上的岩层。这部分岩层产生垂直或者倾斜于层面的裂隙或断开，但仍排列整齐，碎胀系数较小。

弯曲下沉带。裂隙带之上的、向上可发展到地表的岩层。此带内的岩层厚度大，移动不明显，移动保持整体性。

4.2  采煤工作面上覆岩层的移动特征

4.2.1  采煤工作面纵向岩层移动

煤层及煤层上方的岩层在采动的影响下，工作面四周的支承压力增高，尤其是超前支承压力增高更多，一般在煤壁前方40m左右已经被扰动，由于岩层四周有围岩，所以垂直移动轻微，水平运动较为剧烈。当工作面经过此处时，垂直运动才会剧烈。

回采工作面空间范围内，垂直移动加剧，而且各岩层的移动速度不尽相同，越靠近煤层垂直移动速度越快，顶板距离煤层越远，垂直移动速度越慢。岩层发生离层，最终会断裂成岩块垮落。

在采空区，临近煤层的垂直移动速度小于其上覆岩层的移动速度，已断裂的岩层受到已冒落矸石的支撑，各岩层在采空区内压实。

4.2.2  采煤工作面横向岩层移动

采煤工作面从起始点开始推进，至终采线结束，这是工作面的推进长度。不论是后退式开采从采区边界煤柱开始到上山保护煤柱线结束，还是前进式开采从上山保护煤柱线开始到采区边界煤柱结束。工作面上方起始点、终采点的移动轨迹始终指向采空区中央，在工作面上部岩层取一点，当工作面向该点推进时，该点的岩层移动方向与工作面推进的方向相反；当工作面通过该点后，该点的岩层移动方向与工作面推进的方向相同。

结论        

采煤工作面顶板岩层从开切眼时认为的由煤壁和煤柱四周支撑的板结构或者是由走向方向的煤壁和煤柱支撑的梁结构，再到顶板初次来压或者周期来压之后形成的三铰拱结构。正是顶板岩层中存在的这些结构，才使采煤工作面处于横三区中的减压区，工作面的支架受力小于顶板岩层重量的原因所在。但是，工作面支架的工作阻力必须能平衡破断顶板岩层压在其上的压力。

【参考文献】

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［3］张德良.大同煤田石炭系特厚煤层综放开采适应性分析【J】.煤炭与化工，2016,39（4）：15-16,20.