基于浅埋深采场岩层破坏时间效应的顶板切落演化时空序列研究

The main factors that restrict the safe and efficient exploitation of shallow coal seams are the roof disasters, especially the roof strata cutting off.In view of the current on the roof strata cut fall incidents and the lack of analysis of the process, resulting in the existence of a disaster warning and control for problem to carry on shallow buried deep stope rock failure time effect of roof cutting off the evolution study on spatial and temporal sequence.Buried in shallow mining depth in field conditions under the failure of roof strata of the time effect of based, by using the similar simulation and numerical simulation method, analysis of failure of roof strata of time effect and the roof strata collapse disasters, inverse push roof disaster spatial and temporal evolution of, the master of disaster evolution process model support and roof in the roof cut Fall Disaster in different time and space evolution stage characteristics of stress and displacement characteristics; at the same time, through the reproduction of roof collapse of disaster formation and development of the whole space-time process. Analysis in the sequence space and time series of key stage characteristics.In a typical shallow buried deep mining roof collapse caused by disaster case of field measurement data and mine pressure behavior as the basis, combined with the actual case of mine pressure in time series show the key features, in the sequence of time and space, the corresponding mechanism study. The research results provide theoretical basis for the mechanism of roof disaster and early warning control of shallow buried deep mining field.

采场顶板灾害，尤其是顶板岩层切落灾害是制约浅埋深煤层实现安全高效开采的主要因素。针对目前对顶板岩层切落事件缺乏过程剖析，造成灾害预警和控制缺乏针对性的问题，开展基于浅埋深采场岩层破坏时间效应的顶板切落演化时空序列研究。以浅埋深采场条件下顶板岩层破坏的时间效应特征研究为基础，利用相似模拟和数值模拟方法，分析顶板岩层破坏的时间效应与顶板岩层切落灾害形成的关系，逆推顶板灾害演化时空过程，研究掌握灾害演化过程中模型支架和顶板岩层在顶板切落灾害不同时空演化阶段受力特征和位移特征；同时，通过反演顶板切落灾害形成与发展的全时空过程，分析其在空间序列与时间序列上的关键阶段特征。以典型浅埋深采场顶板切落致灾案例的现场实测数据及矿压显现现象为基础，结合现场实际案例中矿山压力在时间序列上表现出的关键特征，研究其在时间与空间序列的对应机制。研究结果对浅埋深采场顶板灾害发生机理及预警控制提供理论基础。

针对顶板切落事件缺乏过程剖析，造成灾害预警和控制缺乏针对性的问题，开展了浅埋采场顶板岩层破坏的时间效应、顶板切落灾害形成与发生的时空过程、切落灾害演化的时空序列对应机制等研究工作。研究得出：围压改变岩石破坏形态，单轴变为三轴加载时，破坏由“多主裂纹、X型破坏、局部压酥”向“单一主斜裂纹剪切破坏”转变；加载速度、围压与极限强度加载时间、剪切模量与围压分别呈指数、对数、对数函数关系，解释了浅埋采场切顶破坏的时间效应。建立了浅埋采场“悬臂梁-铰接岩梁”组合结构模型，给出了保持该岩层结构稳定的力学判据，提出了切顶致灾机理和防控原则。剖析了基于覆岩破坏、采动应力、支架压力、顶板应变等参量在顶板切落灾害形成与发生的时空过程，认为覆岩破坏在时间上具有周期性、突变性，在空间上具有同步性、非对称性；采动应力随推进度逐步升高，在切顶时达到极值，随后降低；推进速度慢时，来压步距变短，来压强度增大，多发架前切顶；顶板应变在时间上经历“初始应变稳定区-应变剧烈演化区-采空区应变稳定区”、在空间上经历“上拉下压、以压为主-上拉下压、以拉为主-上下受压”3个演化阶段。探究了支架压力、围岩应力、顶板应变（位移）相互时空关系的浅埋深采场顶板切落演化的时空序列，从“推进度-支架工作阻力-裂隙发育高度”联动关系得出了停产和正常开采期间顶板切落的时空序列；认为支架工作阻力与采动应力在时间序列上可相互表征，基本顶破断、基岩层切顶时二者同步达到极大值；初次来压、周期来压时直接顶和基本顶应变曲线变化一致，而上位基岩层应变滞后，应变幅度波动小，切顶时基本顶及上位基岩层应变同步突变，呈“尖峰”状；推进速度慢时应变启动点超前，基本顶应变幅值增大，而上位基岩层的应变幅值较离散；采动应力与顶板应变的时间序列曲线相似，但采动应力的启动点、峰值位置均早于应变。研究结果为浅埋深采场顶板切落灾害发生机理及预警控制提供理论基础。