大倾角煤层长壁开采“关键层”转换与岩体结构变异致灾理论研究

大倾角煤层是指埋藏倾角为35o~55o的煤层，在我国占有约15%的储量，开采产效低，安全事故频发，是国际采矿界公认的难采煤层。大倾角煤层长壁开采过程中采场围岩中"关键层"的非确定性和"岩体结构"的"变异"是形成这类煤层开采岩层运动异常复杂且难以控制的关键所在。采用"理论分析-实验研究-现场测试-工程实践"四位一体的综合研究方法，研究多因素（倾角、构造、开采方式等）交互影响下大倾角煤层长壁采场围岩三维非规则应力场形成与演化规律、非对称约束和多循环"卸-加载"环境中围岩"关键层"区域迁移、转化与岩体结构形成与平衡机制；建立非对称约束与"卸-加载"环境中大倾角煤层长壁采场围岩"关键层"判定准则，确定岩体结构三维（空间）模型及其基本表征模式；建立大倾角煤层长壁采场"关键层"岩体结构稳定性判别准则，提出结构"变异"致灾机理及其控制途径，为大倾角煤层基本实现无灾化开采奠定科学技术基础。

大倾角煤层走向长壁工作面开采方法和岩层控制技术由于围岩破断活动的复杂性而进展缓慢，研究开采过程中采场围岩“关键层”转换机理与“岩体结构”变异致灾机制，奠定安全高效开采理论基础，对丰富复杂埋藏条件煤层开采理论与技术具有重要意义。. 利用理论分析、物理相似模拟实验、数值实验和现场观测等综合研究手段，通过对典型条件下大倾角煤层走向长壁工作面开采过程的研究，揭示了工作面覆岩变形、破坏、运移、充填规律；围岩应力场形成与演化机制；围岩应力拱壳范围内“关键层”区域迁移转化特征；“关键层”岩体结构形成与变异机制以及“关键层”岩体结构变异致灾机理。. 研究发现：大倾角煤层长壁开采工作面垮落矸石沿倾斜滑移充填呈现下部充填压实、中部完全充填、上部部分充填的分区特征，形成对围岩破断运移的非对称约束效应，导致在工作面推进的多循环“卸-加载”过程中，围岩破断运移具有明显的时序性和不均衡性；在多因素交互影响下，大倾角煤层长壁开采覆岩应力呈三维非对称拱壳形态，该应力拱壳是开采扰动破坏原岩应力平衡后，围岩在自组织作用下形成的起主要承载作用的高应力形态，是在某一强度准则下强度包络线的空间展布形态，具有几何形态和应力形态双非对称性；在沿工作面倾向充填矸石对覆岩的非对称约束下，覆岩“关键层”形成区域（层位）沿工作面倾斜方向发生迁移转化，不同区域内“关键层”形成层位不同；覆岩“关键层”沿工作面倾斜方向形成“梯阶”结构，并以倾向堆砌和反倾向堆砌两种形式运移和平衡；不同区域内“关键层”岩体与拱壳结构的相对位置不同；“关键层”岩体结构失稳模式主要有工作面下部区域的壳基复合失稳，工作面中部区域的壳肩剪切失稳和工作面下部区域的壳顶拉伸失稳，“关键层”拱壳关键部位的失稳是导致岩体结构失稳致灾的核心；“关键层”岩体结构变异致灾导致工作面上部区域出现的高位失稳产生冲击性来压，工作面中下部区域低位失稳则出现推垮型事故。. 基于上述研究成果，提出了工作面大范围岩层控制和非线性布置方法、支护系统工作阻力分区域控制技术、“支架-围岩”完整性保障技术，指导研制了工作面成套装备，奠定了大倾角煤层的无灾化开采基础。. 研究成果获国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步二等奖1项，获国家发明专利4项、实用新型专利3项，发表论文10篇（EI收录5篇），获省级优秀博士学位论文1篇，国家自然科学基金1项。