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1 大采高综采工作面煤岩组合力学模型的建立
1.1.1大采高采场上覆岩层的平衡结构
依据采场上覆岩层移动的“三带’，理论，长壁工作面煤层开采后，煤层顶板会垮落去充填采空区，这一部分岩层一般称为垮落带岩层（相当于直接顶），在采空区，随着未垮落岩层的沉降，自由空间的高度越来越小，直到不满足跨落的几何条件，此刻下位裂隙岩层就会形成一种平衡结构，该结构的运动对采场矿压有明显的影响，这部分岩层一般称为裂隙带，裂隙带往上直至地表为弯沉带，弯沉带的运动被认为对采场矿压无明显影响。
根据支架工作阻力与顶板下沉量的双曲线关系可知（如图1-1），采场上覆岩层存在一个临界面，临界面以下为可控岩层，临界面以上为不可控岩层。不可
控岩层在运动过程中能够形成力学平衡结构，通过這种力学平衡结构将不可控岩层所产生的矿山压力传递和转嫁到工作面前方的煤体及后方采空区中的研石上，正因为如此，不可控岩层是不能够被支架工作阻力控制的岩层，而且也是不需要用支架工作阻力来控制的岩层。从运动的角度看，由于在同一法线上不可控岩层各点的下沉量基本相同，再则各岩层之间粘接力及它们早已不存在自由运动的空间，所以可以推定不可控岩层基本上采取整体运动的方式。因此，把不可控岩层所对应的“带”称为整体弯沉带。当采场上方某一岩层断块之间能够相互咬合并具有传递和转嫁矿山压力的功能时，就说该岩层在采场上方形成了第一条力学平衡结构—砌体绞接岩梁结构。由于该砌体绞接岩梁具有传递、转嫁和平衡矿山压力的功能，所以该岩梁以下采场上方垮落带岩层的重量必须由支架来支撑，因此把必须由支架支撑的采场上方垮落带岩层定义为必控岩层（对应的带为垮落带）。采场上方第一条砌体绞接岩梁的下层面即成了支架受载下限的分界层面，把它定义为下临界层面。把下临界层面与上临界层面间能够形成砌体绞接岩梁而起到传递、转嫁和平衡矿山压力功能的岩层定义为可控可让岩层（对应的带为裂隙带）。对应的“三带”分布如图1-2所示基本顶平衡结构的形成：随着开采活动的进行，采空区内直接顶板不规则垮落，体积膨胀，充填采空区，上部较稳定的基本顶板将随着直接顶的垮落而弯曲、旋转，有规则地（岩块之间互相咬合）下沉，直至接触、压实不规则垮落的岩石，形成一个处于暂时平衡的岩梁（板），并阻止以上岩层自由垮落，有条件地承担上覆岩层的重量，保护工作空间，使其处于减压带（区）内，从而形成基本顶的平衡结构。
1.1.2模型建立的依据
根据大采高综采工作面矿压显现特征分析可知：
1）大采高综采工作面采场支架载荷大，与普通综采工作面相比，高10～ 30%；
2）大采高综采工作面采场支架初撑力与工作阻力为线性关系，故采场支架以静载为主；
1.1.3大采高综采工作面煤岩组合力学模型
1）大采高工作面的支架阻力与普通综采面的支架阻力对比
根据我国现行《缓倾斜煤层顶板分类方案》中的顶板分类，各类顶板条件下的液压支架所需支护强度参见表1-1，分析大采高工作面的支护强度适应状况。
沙曲矿24101工作面来压时的最大平均载荷为5649kN/架，其支护强度为890kN/ml，相当于III- IV级来压强烈顶板所需支护强度，但实际上由直方图及实际观测可知，动载系数均小于1.4，而且工作面矿压显现不明显，来压无冲击载荷，说明该类顶板来压并不强烈，但如果按照II、III级顶板估算其支护强度，仅650 kN/m，或800 kN/mz，显然E匕实际所需最大平均支护强度890kN/m2低27%和10%，即按照表中II，III级顶板设计，其支护安全可靠性大大降低，说明24101大采高综采面的支架承受的载荷比普通综采高。
康家滩矿88101工作面来压时的最大平均载荷为7591kN/架，其支护强度为1012kN/mz，相当于W级来压极强烈顶板所需支护强度，但实际上由直方图可知，该工作面并无冲击载荷，而且动载系数均小于1. 4，说明该类顶板来压并不强烈，但如果按照II级或III级顶板估算其支护强度，仅650 kN/mz或800 kN/m'，显然比实际所需最大平均支护强度1012 kN/mL低36%和21%，即按照表中II ， III级顶板设计，其支护安全可靠性大大降低，说明88101大采高综采面的支架承受的载荷比普通综采高。
2）大采高综采工作面顶板控制的力学模型
根据上述矿压显现规律分析，对于大采高综采工作面我们建立一个以静载计算为主的力学模型，参见图1-3。
图中L为控顶距，为需控制岩层总厚度，为所控制岩层平均破断角。故支架载荷P为需控制岩层的重力Q；与控制岩层的悬顶重力Q：之和，即： 式中：B为支架支护宽度。
2 大采高综采工作面煤岩组合力学模型计算实例
1）沙曲矿24101工作面支架工作阻力的确定
沙曲矿24101工作面顶板为砂岩，砂岩基本顶岩层的破断角一般取600，因基本顶上位岩层及直接顶也均为一砂岩，.为计算方便，取整个要垮落的岩层破断角为60°，依据工作面综合柱状图可知，需控制的岩层为3. 7m厚的中砂岩、3. 8m厚的粗砂岩及其上部5. 65m的中砂岩，总计要控制的岩层厚度为14m，约3. 5倍采高。
砂岩基本顶岩层的破断角一般取600，康家滩矿88010工作面因有部分基本顶岩层可视为直接顶，为计算方便，取整个要垮落的岩层破断角为600，依据工作面综合柱状图可知，需控制的岩层为14. 88m厚的粗砂岩及其上部3. 17m的泥岩，总计要控制的岩层厚度约为19m，约4倍采高。
即P=1845kN/m2。显然满足实际工作面所需的支架支护强度1012kN/m'。所选支架工作阻力8638kN/架是可靠的。
由上计算可知：对于缓倾斜厚煤层，采用大采高综采回采工艺，采场支架受力以静载为主，对于现行基本顶板分类条件来说，按约4倍采高控制岩层，加上采空区的悬顶重力，以静载计算支架所需的工作阻力是可以满足大采高工作面顶板控制要求的，这与现场观测与数值模拟计算的结果是相吻合的。
1.1.1大采高采场上覆岩层的平衡结构
依据采场上覆岩层移动的“三带’，理论，长壁工作面煤层开采后，煤层顶板会垮落去充填采空区，这一部分岩层一般称为垮落带岩层（相当于直接顶），在采空区，随着未垮落岩层的沉降，自由空间的高度越来越小，直到不满足跨落的几何条件，此刻下位裂隙岩层就会形成一种平衡结构，该结构的运动对采场矿压有明显的影响，这部分岩层一般称为裂隙带，裂隙带往上直至地表为弯沉带，弯沉带的运动被认为对采场矿压无明显影响。
根据支架工作阻力与顶板下沉量的双曲线关系可知（如图1-1），采场上覆岩层存在一个临界面，临界面以下为可控岩层，临界面以上为不可控岩层。不可
控岩层在运动过程中能够形成力学平衡结构，通过這种力学平衡结构将不可控岩层所产生的矿山压力传递和转嫁到工作面前方的煤体及后方采空区中的研石上，正因为如此，不可控岩层是不能够被支架工作阻力控制的岩层，而且也是不需要用支架工作阻力来控制的岩层。从运动的角度看，由于在同一法线上不可控岩层各点的下沉量基本相同，再则各岩层之间粘接力及它们早已不存在自由运动的空间，所以可以推定不可控岩层基本上采取整体运动的方式。因此，把不可控岩层所对应的“带”称为整体弯沉带。当采场上方某一岩层断块之间能够相互咬合并具有传递和转嫁矿山压力的功能时，就说该岩层在采场上方形成了第一条力学平衡结构—砌体绞接岩梁结构。由于该砌体绞接岩梁具有传递、转嫁和平衡矿山压力的功能，所以该岩梁以下采场上方垮落带岩层的重量必须由支架来支撑，因此把必须由支架支撑的采场上方垮落带岩层定义为必控岩层（对应的带为垮落带）。采场上方第一条砌体绞接岩梁的下层面即成了支架受载下限的分界层面，把它定义为下临界层面。把下临界层面与上临界层面间能够形成砌体绞接岩梁而起到传递、转嫁和平衡矿山压力功能的岩层定义为可控可让岩层（对应的带为裂隙带）。对应的“三带”分布如图1-2所示基本顶平衡结构的形成：随着开采活动的进行，采空区内直接顶板不规则垮落，体积膨胀，充填采空区，上部较稳定的基本顶板将随着直接顶的垮落而弯曲、旋转，有规则地（岩块之间互相咬合）下沉，直至接触、压实不规则垮落的岩石，形成一个处于暂时平衡的岩梁（板），并阻止以上岩层自由垮落，有条件地承担上覆岩层的重量，保护工作空间，使其处于减压带（区）内，从而形成基本顶的平衡结构。
1.1.2模型建立的依据
根据大采高综采工作面矿压显现特征分析可知：
1）大采高综采工作面采场支架载荷大，与普通综采工作面相比，高10～ 30%；
2）大采高综采工作面采场支架初撑力与工作阻力为线性关系，故采场支架以静载为主；
1.1.3大采高综采工作面煤岩组合力学模型
1）大采高工作面的支架阻力与普通综采面的支架阻力对比
根据我国现行《缓倾斜煤层顶板分类方案》中的顶板分类，各类顶板条件下的液压支架所需支护强度参见表1-1，分析大采高工作面的支护强度适应状况。
沙曲矿24101工作面来压时的最大平均载荷为5649kN/架，其支护强度为890kN/ml，相当于III- IV级来压强烈顶板所需支护强度，但实际上由直方图及实际观测可知，动载系数均小于1.4，而且工作面矿压显现不明显，来压无冲击载荷，说明该类顶板来压并不强烈，但如果按照II、III级顶板估算其支护强度，仅650 kN/m，或800 kN/mz，显然E匕实际所需最大平均支护强度890kN/m2低27%和10%，即按照表中II，III级顶板设计，其支护安全可靠性大大降低，说明24101大采高综采面的支架承受的载荷比普通综采高。
康家滩矿88101工作面来压时的最大平均载荷为7591kN/架，其支护强度为1012kN/mz，相当于W级来压极强烈顶板所需支护强度，但实际上由直方图可知，该工作面并无冲击载荷，而且动载系数均小于1. 4，说明该类顶板来压并不强烈，但如果按照II级或III级顶板估算其支护强度，仅650 kN/mz或800 kN/m'，显然比实际所需最大平均支护强度1012 kN/mL低36%和21%，即按照表中II ， III级顶板设计，其支护安全可靠性大大降低，说明88101大采高综采面的支架承受的载荷比普通综采高。
2）大采高综采工作面顶板控制的力学模型
根据上述矿压显现规律分析，对于大采高综采工作面我们建立一个以静载计算为主的力学模型，参见图1-3。
图中L为控顶距，为需控制岩层总厚度，为所控制岩层平均破断角。故支架载荷P为需控制岩层的重力Q；与控制岩层的悬顶重力Q：之和，即： 式中：B为支架支护宽度。
2 大采高综采工作面煤岩组合力学模型计算实例
1）沙曲矿24101工作面支架工作阻力的确定
沙曲矿24101工作面顶板为砂岩，砂岩基本顶岩层的破断角一般取600，因基本顶上位岩层及直接顶也均为一砂岩，.为计算方便，取整个要垮落的岩层破断角为60°，依据工作面综合柱状图可知，需控制的岩层为3. 7m厚的中砂岩、3. 8m厚的粗砂岩及其上部5. 65m的中砂岩，总计要控制的岩层厚度为14m，约3. 5倍采高。
砂岩基本顶岩层的破断角一般取600，康家滩矿88010工作面因有部分基本顶岩层可视为直接顶，为计算方便，取整个要垮落的岩层破断角为600，依据工作面综合柱状图可知，需控制的岩层为14. 88m厚的粗砂岩及其上部3. 17m的泥岩，总计要控制的岩层厚度约为19m，约4倍采高。
即P=1845kN/m2。显然满足实际工作面所需的支架支护强度1012kN/m'。所选支架工作阻力8638kN/架是可靠的。
由上计算可知：对于缓倾斜厚煤层，采用大采高综采回采工艺，采场支架受力以静载为主，对于现行基本顶板分类条件来说，按约4倍采高控制岩层，加上采空区的悬顶重力，以静载计算支架所需的工作阻力是可以满足大采高工作面顶板控制要求的，这与现场观测与数值模拟计算的结果是相吻合的。