上覆巨厚坚硬岩层结构失稳与动力致灾机理研究

In coal mines, large-area suspension and migration of overlying high position great-thickness hard strata leads to strong dynamic phenomenon or even dynamic disasters like mine earthquake, rock burst, water and gas sudden-emission and hydraulic support pressed. With the methods of dynamic response multi-parameter monitoring comprehensive measurement, theoretical analysis，simulation test and numerical simulation, systematic and further studying structure effect and mechanism of fracture and disaster-causing of hard thick strata. The main contents are: coupling relationship between hard thick strata migration and dynamic response; considering the fracture mechanism and limit instable form of hard thick key strata foundation deformation effect and boundary support effect, a calculate and predict system of fracture parameter will be established; evolution and variation characteristics of strata structure, stress distribution and separation layer space, computing method of abutment pressure which pre and post the strata fracture; based on the theories of energy conservation, impact dynamics, catastrophe theory, fluid-solid coupling, multi-material fluid dynamics and structural dynamics, studying dynamic disaster-causing mechanism of hard thick key strata fracture; based on structure evolution laws, control technique which contains mining parameter, goaf compound treatment etc. will be studied. Task group will preliminarily establish great-thickness hard strata dynamics, which can provide theoretical support for safety mining under hard thick strata condition, moreover, has significant theoretical value and comprehensive application prospect.

煤矿上覆巨厚坚硬高位岩层的大面积悬空和运移，形成强烈的动力现象，甚至导致矿震、冲击地压、压架、离层水-瓦斯突涌等动力灾害，给安全生产造成了严重威胁。采用动力响应多参数综合实测、理论分析、模拟试验及数值模拟等方法，深入系统地研究坚硬巨厚岩层的结构效应、破断失稳及动力致灾机理。主要内容有：硬厚关键层运移与动力响应的耦合关系；考虑硬厚关键层基础变形效应和边界支承效应的破断机制、极限失稳形式，建立破断参数的计算预测体系；硬厚关键层条件下覆岩结构、应力分布和离层空间的演化规律及变异特征，硬厚关键层失稳前后支承压力和最大离层空间的计算方法；基于能量守恒、冲击动力学、突变论、流固耦合、多物质流体动力学及结构动力学等理论，研究硬厚关键层失稳的动力致灾机理；基于结构演化规律的开采参数与采空区复合处理等控制技术。初步创建巨厚坚硬岩层动力学，为硬厚岩层下安全开采提供理论支撑，具有重要的理论价值及广泛的应用前景。

本项目按照计划任务书的要求，采用理论分析、相似模拟、数值模拟以及现场实测相结合的方法，深入系统地研究了高位硬厚岩层破断规律、覆岩结构演化特征、裂隙发育规律、采动应力演化规律以及变异特征、硬厚岩层失稳致灾规律及防治，取得如下创新性研究成果：（1）采用瑞利-里兹法、极限屈服分析法、Winker弹性基础正交梁分析法和符拉索夫厚板理论，建立了不同边界条件高位硬厚岩层力学模型，得到了不同边界条件的硬厚岩层弯曲挠度方程及初次破断跨度计算式；将硬厚关键层分为双向固支岩板和单向固支岩板，分别得到硬厚岩板初次破断前的双悬跨系数λ和单悬跨系数η，揭示了不同边界条件硬厚岩层初次破断过程以及破断形式；（2）建立了硬厚岩层底部离层裂隙发育空间模型，揭示了硬厚关键层底部离层裂隙走向形态发育过程，分别基于弹性薄板和弹性基础梁两种方法，推导出了不同边界条件离层空间计算表达式；（3）基于薄板理论，建立硬厚岩层弯曲变形力学模型，推导出了不同边界条件硬厚岩层弯曲变形能计算公式，揭示了高位硬厚岩层破断能量释放、传播及微震活动规律；（4）分析了不同边界条件、不同侧压系数、不同赋存条件等高位硬厚岩层下开采采动应力分布特征及能量聚积规律，揭示了高位硬厚岩层失稳运移致灾机理及其耦合效应，提出了高位硬厚岩层下开采动力灾害防控技术。. 发表相关论文43篇，其中SCI收录5篇，EI收录17篇，中文核心论文21篇；授权专利共6项，其中发明专利3项，实用新型专利3项；出版学术专著1部；参加国内外学术会议5次；获得省部级科技奖励2项，其中安徽省科技进步三等奖1项，中国煤炭工业协会科技进步三等奖1项；培养研究生共11名，其中博士研究生4名（含在读1名），硕士研究生7名（含在读1名）。研究成果推动了矿山压力与岩层控制理论以及采矿工程学科的发展，为高位硬厚岩层下开采动力灾害防治提供了理论依据和技术手段，具有重要的理论意义和实际应用价值。