创新点
（1）基于大采高工作面覆岩垮落和来压特征，提出了大采高工作面等效直接顶的定义，建立了等效直接顶短悬臂梁结构，阐明了大采高工作面顶板静载较大的原因。
（2）根据等效直接顶对采空区的充填程度，将顶板结构分为了充分充填型的砌体梁稳定结构和非充分充填型台阶岩梁非稳定结构，为大采高顶板结构的建立和来压的调控指明了控制方向。
（3）提出了大采高工作面覆岩波及范围增大，主要呈现双关键层顶板结构运动的影响，建立了不同等效直接顶（充填程度）条件下的双关键层结构模型，揭示了大采高工作面大小周期来压的机理，给出了支架载荷计算方法，为大采高工作面顶板控制提供了理论依据。

浅埋煤层大采高工作面覆岩结构研究
作者：黄庆享1,2,3, 高锦龙1, 韦业豪1单位：1. 西安科技大学 能源与矿业工程学院; 2. 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室; 3. 陕西省岩层控制重点实验室

研究背景 RESEARCH  BACKGROUND 
我国神东、陕北煤炭基地厚煤层赋存广泛，储量丰富，地质条件简单，开采条件优越，是我国煤炭生产的重要区域。神东、陕北煤炭基地的厚煤层开采主要应用煤炭采出率高、巷道掘进率低、回采工艺简单的大采高综采。随着综采工作面装备水平提升，大采高综采的开采高度不断加大，从7.0、8.2、8.8 m增加到了目前最大开采高度近10 m。随着采高增加，采场矿压显现更为剧烈，覆岩垮落特征及来压机理越显复杂，工作面支架选型和顶板控制存在一定盲目性，大采高综采工作面顶板结构及来压机理亟待厘清。
随着神东、陕北煤炭基地开采实践的发展，专家学者对该区域的煤层开采进行了大量研究。黄庆享对浅埋煤层岩层控制进行了研究，揭示了薄基岩单关键层典型浅埋顶板的切落和台阶下沉特征，建立了采场基本顶初次来压的“非对称三铰拱”结构模型、周期来压的“短砌体梁”和“台阶岩梁”结构模型，揭示了浅埋煤层采场动压强烈的机理是顶板非稳态结构滑落失稳，发现了覆岩厚松散层的载荷传递规律，提出了覆岩厚松散层载荷传递因子和动态载荷确定方法。在此基础上，分析了5～7 m大采高综采工作面的矿压规律和顶板结构，基于大采高工作面下位基本顶存在非铰接垮落层的事实，提出了大采高工作面顶板结构“等效直接顶”的概念，分析了大采高工作面煤壁柱条模型片帮机理，初步建立了大采高工作面单一关键层“高位斜台阶岩梁”，以及双关键层“下位斜台阶岩梁，上位砌体梁”等结构模型，形成了浅埋煤层群顶板岩层控制理论体系。
弓培林等研究了5.5 m内大采高直接顶结构，认为采高加大后部分基本顶可能转化为直接顶，提出了大采高直接顶的3种类型。鞠金峰等、HAN等研究了大采高直接顶关键层“悬臂梁”结构的3种运动形式，即“悬臂梁”直接垮落、“悬臂梁”回转垮落和“悬臂梁−砌体梁”交替垮落。闫少宏等、尹希文研究认为浅埋大采高工作面覆岩周期性破断“切落体”形成“短悬臂梁−铰接岩梁”结构。此后，又研究了大采高采场顶板“组合短悬臂梁−铰接岩梁”结构，提出了影响支架载荷的覆岩范围的边界层概念和判断方法。YUAN等、王继林等根据直接顶中厚硬岩层对覆岩垮落的影响，提出了Ⅰ类无直接顶关键层基本顶单层“砌体梁”结构，Ⅱ类有直接顶关键层与基本顶组成双层“悬臂梁−砌体梁”结构，得出直接顶关键层强度和厚度越大、层位越低，采场支架工作阻力越大。杨俊哲等针对8.8 m大采高工作面的研究表明，工作面具有周期来压步距短、持续时间长、动载强烈等典型特征，来压强度与埋深正相关，存在大小周期来压现象；工作面覆岩存在高位和低位主控岩层，低位岩层呈“切落体”结构滑落失稳状态，与高位岩层形成“切落体+挤压平衡拱”结构。
上述研究促进了大采高工作面顶板结构及岩层控制理论的丰富和发展，指导了生产实践。然而，随着采高增大到8～10 m，大采高采场覆岩结构表现出新的特征。目前研究的一个共同点是普遍将直接顶视为“悬臂梁”结构，有些研究将下位基本顶结构归为直接顶结构，有些研究过于强调直接顶作用，淡化了基本顶作用；大部分研究都基于直接顶充满采高空间条件下形成稳定砌体梁结构来研究，主要关注了直接顶+砌体梁结构，认识极不统一，概念有待厘清，理论有待深入。
早在1993年对神东大柳塔煤矿1203首采工作面4～5 m大采高模拟研究中，发现了浅埋煤层“台阶下沉”现象和“台阶岩梁”结构，后来在活鸡兔煤矿首采面采前模拟中又发现了近浅埋厚基岩双关键层“下台阶岩梁，上砌体梁”结构的大小周期来压现象，并得到了实践证实。神东、陕北煤炭基地30多年的煤层开采研究表明，“台阶岩梁”是浅埋弱胶结地层大采高工作面的常态结构，特定条件下直接顶能够充满采高空间，台阶量很小时将转化为“短砌体梁”，结构稳定性增强，来压强度也将减小。近年来，普遍开始了浅埋近距离煤层群下煤层大采高开采，大采高工作面覆岩可能出现无关键层、单关键层、双关键层条件，下位“台阶岩梁”现象普遍存在，亟待深入研究。笔者在多年研究与实践的基础上，通过大量实测、物理相似模拟和理论分析相结合的方法，对大采高综采工作面“等效直接顶”及基本顶单、双关键层结构进行了系统研究，揭示了大采高工作面来压机理，提出了工作面合理支护阻力的确定方法，为大采高顶板控制提供理论依据。

摘要ABSTRACT
基于神东和陕北煤炭基地的覆岩条件，通过对大采高工作面实测来压特征和覆岩垮落高度统计分析，结合物理相似模拟，研究了大采高工作面覆岩垮落特征，提出了大采高工作面等效直接顶的定义。根据等效直接顶对采空区的充填程度，将顶板结构分为充分充填型和非充分充填型，分析了等效直接顶短悬臂梁结构对工作面支架的静载。研究得出：大采高工作面覆岩单一关键层一般形成“高位斜台阶岩梁”结构，该结构滑落失稳是工作面强来压的主要原因。大采高工作面覆岩双关键层下组关键层破断后可以形成稳定的“砌体梁”结构或易发生滑落失稳的“斜台阶岩梁”结构，上组关键层一般形成“砌体梁”结构，即覆岩双关键层形成“双砌体梁”结构或“斜台阶岩梁−砌体梁”结构，常见的是来压较强烈的“斜台阶岩梁−砌体梁”结构。上、下2组关键层关键块的同步与异步失稳是工作面大小周期来压的原因。根据大采高工作面“斜台阶岩梁−砌体梁”顶板结构模型，给出了工作面支架工作阻力理论计算方法，并通过了实例验证，可为大采高工作面顶板控制和支架选型提供理论依据。
简介

黄庆享（1966—），新疆沙湾人，《西安科技大学学报》主编，西安科技大学能源与矿业工程学院二级教授，博士生导师，全国优秀教师，国家百千万人才，国家有突出贡献中青年专家，享受国务院政府特殊津贴专家，全国煤矿支护优秀专家，《矿山压力与岩层控制》国家一流课程负责人。兼任中国煤炭工业技术委员会委员，中国煤炭学会专业委员会委员，《采矿与安全工程学报》和《采矿与岩层控制工程学报》等核心期刊编委。曾任西安科技大学能源学院副院长，矿业工程博士后科研流动站站长。西安科技大学采矿工程学士、硕士，中国矿业大学采矿工程博士，美国西弗吉尼亚大学访问学者。长期从事采矿工程与岩层控制领域的教学与研究，是我国浅埋煤层岩层控制理论的开拓者，该理论编入《矿山压力与岩层控制》教科书和《全国煤矿总工程师技术手册》，得到广泛传播与普遍应用。先后主持完成国家级、省部级和企业项目80余项，培养博硕士研究生100余名，包括陕西省优秀博士论文和陕西省优秀博士毕业生各1名。出版《浅埋煤层长壁开采顶板结构与岩层控制研究》等专著7部，其中2部被我国钱鸣高院士和美国Syd S.Peng院士评价为填补空白。发表学术论文200余篇，SCI和EI收录80余篇，入选《煤炭学报》创刊50和60周年百篇论文，被JST全文翻译转载1篇，获得陕西省自然科学优秀论文一等奖1篇。授权国内外专利60余项，获陕西省职工发明金奖1项。研究成果获得国家科技进步二等奖1项，获教育部、陕西省、河南省和中国煤炭工业协会、中国安全生产协会科学技术一等奖8项，研究成果和事迹先后被《科技日报》和《科学中国人》报道，荣登2021年第1期《陕西人才》封面人物，入选2024年陕西省科技创新人物，2022—2025年连续入选“材料科学、能源技术等领域”全球前2%顶尖科学家“年度榜”和“终身榜”。

来源：
黄庆享，高锦龙，韦业豪. 浅埋煤层大采高工作面覆岩结构研究[J]. 煤炭学报，2026，51(1): 224-238. 
HUANG Qingxiang，GAO Jinlong，WEI Yehao. Research on overburden structure of large mining height working face in shallow seam[J]. Journal of China Coal Society，2026，51(1): 224-238.