1. 引言
煤矿开采诱发的覆岩移动是引起矿井动力灾害(冲击地压、突水)、地面生态破坏的主要原因，随着开采深度增大、煤层赋存条件复杂(如大倾角、急倾斜、多煤层群)，覆岩运动发生非线性多场耦合作用，难以用传统的理论解释。近来国内学者、国外学者针对不同类型采场条件覆盖岩层移动规律开展了系统性研究工作，“理论建模–数值模拟–现场实测”成为当前的主流研究模式，在充填开采、深部开采以及大倾角煤层等特殊场合的研究方面获得了重要进展。本文归纳总结出覆岩移动规律的一般性与特殊性，为煤矿安全高效开采提供理论指导意义。
2. 研究方法体系与技术进展
为清晰呈现本综述的研究证据整合路径，采用PRISMA流程框架对文献筛选与方法分类进行结构化展示，如图1。
通过系统检索中英文数据库，筛选出聚焦覆岩移动机制与工程调控的核心文献，按理论建模、数值模拟、现场实测三类方法归纳关键发现，最终整合多开采条件下的规律及调控策略。
Figure 1. PRISMA flow chart
图1. PRISMA流程图
2.1. 理论建模
弹性地基梁理论：在某些充填开采研究中，得到了充填体弹性地基系数(kg)与直接顶下沉量呈反比变化的关系式，并通过顶板挠度微分方程，说明当充填体弹性地基系数1 GPa/m变为5 GPa/m时，充填区直接顶的下沉量35 mm变31.5 mm。这部分结果对充填体和顶板之间的相互作用起了重要的指导作用，对于煤矿充填开采的设计也具有参考意义[1]。
拱壳结构理论：采动覆岩“拱壳”模型将覆岩的运动分成了松散层拱和基岩拱(应力拱、断裂拱)，同时认为基岩拱的承压特征可以通过拱迹线方程描述，但由于这些方程假设的边界条件过于简单以及岩层整体均质化等原因存在一定缺陷[2]。在此基础上，该模型能够把覆岩运动的过程归纳成不同的阶段，为认识覆岩的结构演变提供了新的思路，但需要对于更加复杂的工程地质情况进行检验。
关键层理论：多煤层开采时中间岩层硬岩比例(0%~100%)确定裂隙带高度，因此，石圪台矿(硬岩70%)裂隙带高度37 m，凯达矿(硬岩0%)裂隙带高度38 m [3]；从岩层理论可知，关键层是多煤层开采过程中上覆岩层移动变形破坏的主要原因，可以作为多煤层开采岩层控制的依据，下一步可以通过探究关键层破断与上覆岩层运动力学变化关系深化上覆岩层移动机理的研究。
2.2. 数值模拟技术
离散元(UDEC)：深部开采研究中利用UDEC计算出采空区边缘处距离煤层底板20~30 cm范围形成的50 MPa超前支撑压力带，其相邻煤柱应力达到120 Mpa (超煤柱抗压强度8.01 MPa)，验证了导水裂隙带高度(85 m)与经验公式的一致性[4]；离散元方法可以较好地描述岩层发生断裂运移的过程，在深部开采的应力分布分析以及灾害预测方面具有重要参考价值。
有限元(FLAC3D)：大倾角大采高工作面模拟表明：低位岩层位移呈向下偏移的趋势，高位岩层位移呈向上偏移趋势；中部偏上部位的垂直位移最大可达0.066 m；支架的载荷随采高的增大而不断增加(3.5 m的采高为5940 kN，4.8 m为7403 kN)。基于三维有限元模型技术，解决了倾斜煤层下覆岩体三维不对称运移问题，更真实地反映了采高、倾角的作用下岩层的变形。
相似模拟实验：急倾斜煤层(倾角60˚)相似材料模型(1:50)试验表明：顶板破断呈“厂”字型结构，基本顶初次破断步距为45.6 m、周期破断步距为11.2 m [5]。相似模拟试验是一种直观验证理论模型的方法，对急倾斜煤层开采的顶板管理具有较强的现实意义，其试验结果和现场监测基本一致。
三种数值模拟技术及弹性地基梁理论对比见表1。
Table 1. Comparative analysis of numerical simulation techniques
表1. 数值模拟技术对比分析
技术类型 |
代表软件 |
核心优势 |
典型应用场景 |
离散元法 |
UDEC |
可模拟岩层断裂、滑移等不连续变形，精确刻画裂隙发育过程 |
深部开采导水裂隙带演化、急倾斜煤层破断分析 |
有限元法 |
FLAC3D |
擅长分析连续介质应力场分布，支持多物理场耦合计算 |
大倾角大采高工作面应力–位移场模拟 |
相似模拟实验 |
角度可调模型架 |
直观还原覆岩运动过程，验证理论模型可靠性 |
急倾斜煤层“厂”型破断结构验证 |
理论建模 |
弹性地基梁理论 |
数学建模效率高，揭示充填体–顶板相互作用机制 |
部分充填开采顶板下沉量计算 |
2.3. 现场监测与验证
微震监测：对于深部开采来说，随着开采宽度的增大，微震能量趋于稳定，与理论分析相符，同时得到了试验及仿真模拟的验证；微震监测技术可以得到覆岩破断时能量释放的情况，为覆岩稳定性的动态评价提供了依据，有利于预测深部矿井灾害的发生。
地表沉降观测：大采高工作面地表沉降曲线呈现“U”型，模拟值与实际值的最大误差只有8%，最大的下沉量为1.8 m [6]。地表沉降观测为覆岩移动模型的一种验证方式，在数值模拟下可以用来推算地表变形走势，以便于指导矿区土地复垦和矿区生态环境的修复工作。
应力实测：采用模拟方法计算急倾斜煤层支架最大受力为668.47 kPa；当支架位于下部巷道布置在低应力区AB段时，支架受力的垂直压力将降低到727.97 kPa [5]。现场应力实测值能够真实地反映支架受力及巷道围岩压力分布情况，有利于巷道布置、支架选型方案的优化设计及支护成本的降低。
3. 不同开采条件下的覆岩移动规律
3.1. 部分充填开采
核心机制：充填体刚度(2000~4000 MPa)及步距(1~7 m)可以通过改变顶板支撑刚度，进而改变塑性区宽度、覆岩垂向位移等。如充填体刚度增大后，工作面前方塑性区宽度由原来的3.126 m减小到2.798 m，覆岩最大垂向位移也由原来的最大91.05 mm减小为77 mm [1]。由此可以看出提高充填体刚度能有效地提高对顶板的支护能力，防止覆岩过度变形。
工程启示：高宽比(充填体高度/宽度)比及时支护的影响要大一些，且长壁墩柱充填可以提高回采率2.2% [1]。由此可见，在实践中优化完善充填开采工艺，能够通过控制合理的充填体尺寸、布置等达到既保证覆岩稳定又能提高煤炭资源回收率的目的。
3.2. 深部开采
覆岩破坏特征：在埋深270 m条件下，覆岩破坏由大块垮落转为大变形，导水裂隙带高度稳定在85 m，地表下沉曲线呈“U”型，最大沉降量达到1.8 m [4]。在深部高应力环境下，由于覆岩破坏形式发生重大转变，导水裂隙带发育特征为确定矿井突水水源提供参考，在此情况下，结合微震监测与数值模拟开展导水裂隙带发育特征的研究显得尤为必要。
应力分布规律：采空区边缘形成50 MPa超前支撑压力带，相邻煤柱应力超限(120 MPa)，极易诱发冲击地压[4]。由于应力集中是深部开采的一个主要灾害因素，所以通过合理优化开采顺序以及煤柱设计来减轻应力集中，是降低冲击地压发生的可行性方法之一。
急倾斜煤层(倾角 ≥ 45˚)
破断模式：顶板破断表现为“厂”字形，基本顶初次破断步距为45.6 m、周期破断步距为11.2 m，倾斜方向顶部压力从上向下逐渐减小[7]。而不同的煤层倾角，将导致顶板破断形状有所不同，从而造成覆岩应力的分布具有明显的不对称性，也给支架受力及巷道稳定带来不利影响。
巷道布置优化：下部采区巷道布置于低应力区AB段时，围岩垂直压力由1200 kPa降到727.97 kPa，支护费用比原来降低30% [5]。根据应力分布情况对巷道布置进行优化，可以使巷道的围岩压力减小，提高巷道的安全及经济效益，在许多矿区急倾斜煤层矿区中得到了有效的应用。
大倾角大采高(倾角44˚，采高3.5~4.8 m)
三维非对称运动：低位岩层向下方移动，高位岩层向上方移动，中间位置上下部分出现垂直方向上移动的最大值。支架载荷随着采高的增大呈直线上升(4.8 m时达到7403 kN) [8]。此不对称运动是大倾角大采高工作面特有的运动规律，给支架的稳定性、支护强度提出了更高的要求，需要分段阻力支架适应不同的矿压条件。
承载结构演化：采空区后方形成了“非均匀矸石–弯曲悬臂梁–破断岩块”复合承载结构，此结构为“横、竖O-X”形状，并且岩块之间处于弱铰接状态[8]。这一复合承载结构的影响将直接作用于覆岩运动的动力学平衡当中，结合数值仿真和现场观测的方法可以正确预判结构出现失稳状态的先兆信息，并据此进行超前预警、超前治理。
3.3. 多煤层开采
中间岩层效应：中间岩层硬岩占比(0%~100%)主要控制主裂隙带高度，硬岩破断步距(如：粉砂岩破断步距初破(39.6 m)决定上覆岩层移动，OB/IB (上覆岩层厚度/中间岩层厚度)并非决定性因素，补连塔矿井(OB/IB = 6.2、硬岩80%)，覆岩移动较为正常，凯达煤矿(OB/IB = 7.3、硬岩0%)切顶事故频发[3]。这说明中间岩层岩性占有的比例要远大于中间岩层的厚度占比，对于覆岩移动而言，硬岩可以起到抑制上覆岩层强烈活动的效果。
裂隙带计算模型：从最大挠度、自由空间两者的角度分析得到裂隙带高度计算方法，用于多煤层开采防水煤柱设计以及瓦斯抽采设计。同时考虑到中间岩层性质的影响，改善了传统的基于水文地质学的传统经验公式，具有一定的参考价值。
不同开采条件下覆岩移动特征对比见表2。
Table 2. Comparison of overburden movement characteristics under different mining conditions
表2. 不同开采条件下覆岩移动特征对比
开采条件 |
关键影响因素 |
覆岩破坏模式 |
典型工程数据 |
部分充填开采 |
充填体刚度(2000~4000 MPa)、充填步距(1~7 m) |
塑性区收缩，垂直位移降低 |
刚度4000 MPa时覆岩位移77 mm，比2000 MPa减少15.4% |
深部开采(270 m 埋深) |
埋深、开采宽度 |
大块垮落转为大变形，导水裂隙带稳定在85 m |
采空区边缘50 MPa超前压力带，煤柱应力120 MPa超强度极限 |
急倾斜煤层(倾角60˚) |
倾角、采高 |
“厂”型破断结构，基本顶初次破断步距45.6 m |
下部巷道布置低应力区后围岩压力降低40.8%，支护成本下降30% |
大倾角大采高(44˚倾角 + 4.8 m 采高) |
倾角–采高耦合作用 |
低位岩层下偏、高位岩层上偏的三维非对称运动 |
支架载荷7403 kN (4.8 m采高)，比3.5 m采高增加24.6% |
多煤层开采 |
中间岩层硬岩比例(0%~100%) |
硬岩主导裂隙带高度，OB/IB比值非决定性 |
硬岩80%的补连塔矿裂隙带71 m，比硬岩0%的凯达矿降低9.8% |
4. 工程应用与调控策略
4.1. 充填开采地表沉降控制
技术手段：采用人工压实，表面引导措施(调整充填物表面形状)，补充充填物(增厚充填层)，可减小地表沉降量；如采用振动压实可使充填体后期沉降减少40%，通过改善充填体的密实度和承载能力来实现地表下沉的有效控制，适用于地表环境要求高的矿区。
材料优化：这种建筑垃圾再生骨料膏体充填材料能很好地控制深部开采覆岩运动、抑制冲击地压发生，并且具有优良的力学性能，能在高应力深井使用，所以这种充填材料是绿色环保的一种理念，对于实现绿色开采具有重要意义。
4.2. 深部开采动力灾害防治
应力转移技术：利用高位厚硬岩层下覆岩结构运动模型，按离层带处高压充填方案实施后可将覆岩的应力向深部转移，减少煤柱载荷[9]。此充填法可利用充填体的支撑力改变了原应力传递路径，从源头上减少了应力集中，是一种防治深部冲击地压的方法。
监测预警：建立微震–应力–形变多参量耦合监测系统，准确判断冲击地压前兆信息，通过对采集数据的实时分析来识别矿山开采过程中覆岩破坏和应力异常变化，并及时发出预警信号，保障矿井安全生产。
4.3. 大倾角煤层岩层控制
支架优化：采用分段阻力支架(中部阻力大于上、下部)，适应非对称矿压，支架阻力波动范围控制在±10%以内[8]。不同的支架可以在相同的空间范围内发挥更好的支护作用，提高了支架稳定性及支护效果，大大降低了顶板事故的发生几率。
开采参数匹配：经过采高和倾角耦合作用的数值模拟后，得到最优采高为4.8 m、推进速度为5 m/d时可以有效避免顶板端面发生冒落。合理的开采参数可控制覆岩运动过程，有利于降低顶板管理难度，是保证大倾角大采高工作面安全生产的一个重要环节。
4.4. 多煤层开采协同设计
岩层调控：在中间选择厚硬岩层(>20 m)予以保全，并通过预裂爆破方法控制破断硬岩步距，防止上覆岩层剧烈移动[3]。同时利用预裂爆破技术，可以主动控制硬岩破断位置和破断形状，从而形成更加有利的承载结构，减小下伏煤层开采受扰动范围。
巷道层位选择：下组煤巷道位于中间岩层下部的1/3区域，在这里利用硬岩压力减小围岩变形[3]，因此，根据中间岩层的力学特性确定巷道的层位是充分利用硬岩的承载优势、降低巷道支护成本、提高巷道长期稳定性的有效途径。
5. 挑战与未来方向
5.1. 理论模型的局限性
现今拱壳理论没有考虑到岩层的非均质性以及开采后的动态演变过程，需引入能量守恒定律建立采动损伤模型并量化应变能和势能的耗损关系[10]。以后的工作可以结合岩石力学试验及数值模拟技术进一步分析不同岩性组合条件下的覆岩能量转移规律，进一步完善理论模型。
多煤层开采中间岩层—上覆岩层耦合作用机理不清楚，应开展三维物理模拟试验[7]。通过三维相似模拟试验能够形象地反映多煤层开采中岩层间相互作用机理，并提供建立精准耦合模型试验依据。
5.2. 技术手段的优化
开发高精度相似模拟系统(如角度可调大倾角模型架)，解决大倾角煤层相似材料铺设困难问题[11]。高精度模拟系统的使用更加符合实际情况，提高了模拟结果的可靠度，有利于大倾角煤层开采技术研发。
结合人工智能和微震监测数据，建立覆岩移动智能预测模型，实行动态风险预警[6]；用机器学习的方法对大量的监测数据进行分析可以找到覆岩移动的内在联系，提高预测精度，进一步推动矿井监测技术的发展。
5.3. 绿色开采技术创新
推广煤矸石–粉煤灰胶结充填技术，实现资源利用最大化、减少地表下沉。不仅可以实现矿井区固体废弃物的处理，而且对覆岩移动有较好的抑制作用，绿色矿山建设的重要组成部分之一，兼具良好的环境和经济效益。
对于深部开采覆岩拱壳结构开展主动调控研究，包括源头预设拱壳(源控源)，过程调控拱壳(源控流) [12]，通过对覆岩结构控制，实现覆岩移动的精确调控，主动调控是未来深部开采岩层控制的关键方向之一。
6. 结论
探究煤矿覆岩移动的规律具有多学科交叉和多尺度耦合的特点。通过分析对比现有研究成果可知，煤矿覆岩移动受开采条件(倾角、采高、充填方式)、地质参数(岩性、埋深)以及工程措施(支护强度、开采顺序)等综合作用的影响，具体表现为不同范围内的变化特征及其共同规律。
充填开采：充填体刚度与步距通过改变顶板支撑刚度调控覆岩变形[1]；
深部开采：高应力环境下覆岩破坏以大变形为主，导水裂隙带发育稳定[4]；
急倾斜煤层：顶板破断呈非对称“厂”型结构，倾斜方向应力梯度显著[5]；
大倾角大采高：覆岩三维非对称运动导致支架载荷分区波动[8]；
多煤层开采：中间岩层硬岩比例是主导裂隙带高度的主要因素，而OB/IB比值不是主要影响因素[3]。
未来应在复杂条件下的覆岩运动机理、智能监控预警技术以及绿色开采技术方面开展相关研究工作，为我国煤矿安全高效开采提供理论和技术支撑；经过不断地加强对基础理论的研究、创新性地进行监测和控制技术等，可以使煤矿开采由经验性决策转变为科学决策，并使我国煤矿开采朝着安全、高效、绿色的方向发展。