煤田地质与勘探

作者：武博强, 王晓东, 朱世彬, 许刚刚, 张跃宏,

关键词：复合关键层, 协同破断, 重力势能, 应变能, 聚集与释放,

目的探究复合关键层协同破断的响应特性及其能量演变机制，为煤层围岩灾变事故的防控提供理论支撑，对保障井下安全开采具有关键意义。方法采用物理相似模拟、数值计算与理论分析相结合的研究方法，在分析复合关键层破断失稳特征基础之上，研究采动作用下覆岩应变能、重力势能的聚集与释放规律，揭示关键层破断激励作用下覆岩能量的演变机理。结果在复合关键层工作面开采中，低位、高位关键层之间的破断运动存在相互制约、相互影响的作用关系，是造成该类煤层矿压显现剧烈的内在原因。工作面开采后，低位关键层的瞬时破断，会对上覆高位关键层形成瞬时卸荷效应；而高位关键层的瞬时破断，则会对低位关键层形成动载冲击作用，导致采动作用下单一关键层形成切落、回转失稳，复合关键层形成协同回转失稳与整体切落两种破断模式，造成对应情况下覆岩能量的聚集与释放特征存在显著差异。当低位关键层发生回转或切落失稳时，采场覆岩释放的弹性应变能基本一致，但重力势能呈现后者大于前者的分布特征，促使覆岩产生“低频次−高能量”微震事件；低位、高位关键层协同破断后，采场煤岩消耗的能量为两者释放能量叠加之和，且覆岩释放的重力势能大于弹性应变能。当采场低位、高位关键层发生整体切落失稳后，采场覆岩释放的重力势能是煤岩消耗能量的主要来源，其对工作面的动力扰动强度显著高于单一关键层破断情况，造成复合关键层工作面形成大、小周期来压现象。结论复合关键层工作面矿压剧烈显现的本质是高低位关键层互馈破断作用，煤矿井下防控核心应切断低位与高位关键层的能量叠加路径，通过微震监测、支架工作阻力监测等分析预判破断模式，采取差异化、前置性干预措施，变被动支护为主动能量管控，阻断复合关键层巨量重力势能及应变能叠加的集中释放，从根源上缓解大、小周期来压引发的剧烈动力扰动。

来源：2026年第2期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

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