深部煤层大采高开采覆岩超冒时空效应与卸荷裂隙力学特征分析

High cutting height of deep coal mining in domestic is having rapid development trend. For a long time, the mechanical research of mining goaf overburden strata are assumed to be vertiacl layered and collapse orderly, and analyze collapse status according with the instability mechanical structure. However, in practice, level stress also make key action in deep mining.There offten have an ultra-high free space when the thick coal seam caving, that is "hole" structure.Strata pressure behavior such as rib spalling and roof falling have a special relationship to the large "hole" structure.The structure instability may cause huge dynamic load to hydraulic support equipment, but also have space crowding-out effect to make gas emission suddenly, its a serious threat to safe production. Currently, about the goaf overburden study are most carried out based on traditional rock pressure of strata instability character and mechanical model, and most study on small structure of the overburden neighboring coal seam, for stress-release crack how to evolute in high press,the overburden "hole" structure how to formed and finally collapsed,the time-space effect character of overburden rock ultra collapse,the stress-release crack mechanical character under level stress,these research is still blank. Therefore this subject put the stress-release crack and overburden rock ultra structure collapse mechanism to research,and finally get the time-space effect character.

深部煤层大采高开采技术在我国正以迅猛之势发展，长期以来对采空区覆岩的力学理论研究是假设其层状竖直方向有序的垮落，并依据垮落过程中的力学结构分析其失稳状态。然而实践发现，深部开采时水平应力也起关键作用，当深部厚煤层采出后，高地应力平衡状态改变，卸荷裂隙扩展迅速，岩体断裂速度快，采空区覆岩内往往会存在一个超高冒落的空间，形成"空洞"，超冒空间的演化与大采高工作面煤壁片帮、冒顶等矿压显现有着特殊关系，该大结构失稳时对工作面支架造成剧烈动载，而且还会产生空间挤出效应使瓦斯突然急剧涌出，严重威胁工作面的安全生产。目前关于采空区覆岩的力学分析多是研究邻近煤层的上覆岩层小结构，而对于高地应力下卸荷裂隙如何迅速扩展导致超高冒落的大结构如何形成，其时空效应具有哪些特征，以及水平应力影响下卸荷裂隙的力学机制方面的研究尚属空白。因此本课题针对深部开采大采高覆岩卸荷裂隙的力学特征及覆岩超冒空间的时空效应进行研究。

深部大采高开采由于高地应力环境，煤层采出厚度的增加，煤层开采后其上方直接顶、基本顶的冒落高度相对于普通开采而言迅速向高处转移、冒落高度扩大，造成了特厚煤层采出后采空区覆岩内存在超高冒落的空间。如此大的超冒自由空间，上方的顶板岩层垮落并不能将其充满，当厚煤层开采出后，支架后方悬露的超冒自由空间。即“空洞”形态。这一现象在研究大采高开采的多个相似材料模拟试验中也被发现。为此本课题开展了如下主要研究内容：. 1）根据岩体破断时会产生微震事件这一特征，采用微震监测系统，探测了采空区后上方超冒空间的范围，分析了应力卸荷曲线与微震事件之间的关系，初步确定超冒空间的走向长度和倾斜方向宽度。. 2）结合深部开采工作面，分析现场观测的矿压曲线规律，首次采用数值模拟与现场矿压曲线结合的方式，直观的解读了“超冒空间”结构演化破坏过程。分析了每次来压异常时与其对应的覆岩结构形态。即存在“超冒空间”的工作面覆岩呈现“超冒失稳区-超冒承载区-潜在沉降区”的三结构特征，提出了超冒空间结构演化的覆岩破坏层位分析法，对覆岩顶板的破断特征进行分析，并进行了解析计算求解。. 3）针对大采高综采工作面和综放工作面上覆岩层的的卸荷路径不同特点，通过两种卸载应力路径进行相似材料物理模型试验。. 通过课题研究，提出了厚煤层开采后，采空区后上方会存在一个超冒的“空洞”空间，发现超冒空间的演化与大采高工作面矿压显现有着一定关系，该结构失稳时会工作面支架造成剧烈动载；建立了超冒空间岩梁失稳力学模型，给出了超冒失稳区范围的确定方法，分别应用挠度法、断裂步距法和实测法给出了超冒承载区的合理范围，并分析了超冒“空洞”结构的形成-失稳-再形成-再失稳的演化过程；给出了水平应力参与作用下覆岩破坏的力学机制，发现作用在水平应力场上的支承压力是上覆岩层沉降量的函数，通过解析计算给出了水平应力场影响下的超冒失稳区最大压缩量