煤系地层多以沉积岩为主,其力学性质与采煤工程中的许多进程相关:巷道的支护、顶底板的维护及保护煤岩柱的留设等。且对煤炭开采的安全性极其重要。以煤矿领域常见沉积岩——砂岩为例,研究粒度如何影响岩石的力学性质、破坏过程及破坏形式对工程建设等领域具有重要意义。本文在国家自然科学基金（编号:51474134、编号:51774194）、山东省自然科学基金杰出青年基金项目资助（编号:JQ201612）资助下,针对粒度影响红砂岩力学性质的规律与机制,通过岩石力学试验、微细观试验和数值模拟试验展开了研究。对两种不同粒度的红砂岩进行了单轴拉伸试验、单轴压缩试验和三轴压缩试验,研究分析后发现:与粗粒度试件相比,较细粒度红砂岩试件的单轴抗拉强度、单轴抗压强度与三轴抗压强度相对较高,内部结构致密,失去承载能力时,岩石破碎程度高,内部颗粒之间的胶结程度高,试件的密实性较好。对两种不同粒度的红砂岩进行了单轴压缩试验及单轴循环加卸载声发射信号特性试验,研究分析后发现:单轴压缩过程中,与较粗粒度红砂岩相比,较细粒度红砂岩的峰值强度、弹性模量、峰值应变增幅分别为23.47%、18.01%、-4.7%。循环加卸载过程中,与较粗粒度红砂岩相比,较细粒度红砂岩的峰值强度、弹性模量、峰值应变增幅分别为43.64%、16.40%、-1.81%。对两种不同粒度的红砂岩进行了微细观结构方面的研究,采用光学数码显微镜、SEM电镜扫描设备和X射线衍射仪,研究分析了红砂岩的细观结构与矿物组分特征,发现颗粒的粒度是影响红砂岩内部空间结构及稳定性的主要原因。对两种不同粒度的红砂岩进行了数值模拟方面的研究,利用颗粒流数值模拟软件PFC模拟多种不同粒度下的红砂岩力学响应规律及力学性质。研究发现,随粒度范围的逐级增大,模型试件破坏时的微裂纹数量、应变能指数由急剧下降转变为缓慢下降,最后趋于平缓,峰值强度总体呈现出逐渐降低趋势。细粒度模型试件具有较低的起裂应力,微裂纹萌生、发育的开始阶段较早。

在“三下”压煤开采中,常留设条带煤柱来支撑顶板,控制地表沉陷,煤柱失稳会诱发多种矿山灾害,保持煤柱的长期稳定对于覆岩移动控制及地表沉陷至关重要。煤柱作为“顶板-煤柱-底板”开采系统的一部分,研究煤柱长期稳定性及破坏规律,应将煤柱放在整个开采系统中。本文运用理论分析、力学试验、声发射监测、数值模拟等方法,对不同岩性顶底板下条带煤柱的失稳破坏特征进行了试验研究,取得以下成果:根据条带煤柱与顶底板的相互作用关系,结合复合岩体理论及叠加原理,对层间具有粘结力的煤岩体的应力、应变进行了分析,建立了考虑条带煤柱与顶底板结合力的“顶板-煤柱-底板”系统摩擦效应力学模型。进行了中砂岩、红砂岩、页岩和煤样的单轴拉伸、压缩试验以及三轴压缩试验,试验获得了煤岩试样的基本力学参数;设计研制了条带煤柱渐进破坏试验监测装置,进行了“顶板-煤柱-底板”煤岩系统的长期承载试验,试验发现,随着顶底板岩性的增强,煤岩系统试件的单轴抗压强度和弹性模量呈上升的趋势。条带煤柱的失稳破坏过程可分为初始压密阶段、稳定增长阶段、阶跃变形阶段、快速增长阶段;随着顶底板围岩硬度的增加,煤柱侧向变形呈递减趋势,条带煤柱中部偏上位置最先发生变形,煤柱中部偏上及上部的侧向位移明显大于中下部及下部的侧向位移;试验监测到条带煤柱的侧向变形具有明显的台阶型突增,呈现出阶跃式、突变特征,条带煤柱受力发生弹性变形,将加载系统施加的轴向应力转化为弹性势能,煤体本身积聚的能量引起煤柱裂纹的扩展滑移,导致煤柱侧向变形呈现出阶段性跃升。条带煤柱失稳过程声发射信号分为声发射初始沉寂阶段、稳定增长阶段、快速增长阶段和非稳定变化阶段;条带煤柱完全破坏失稳前有明显的声发射前兆信号,可将声发射信号的平静期看作煤柱失稳破坏的前兆判据;坚硬顶底板岩层等效施加给煤柱的压应力限制了煤岩交界面的失稳破坏,导致煤体内声发射定位事件向中部集中,声发射事件定位技术可以定性分析煤柱的渐进破坏失稳过程,能够研究不同岩性顶底板下煤柱声发射事件的分布规律。采用FLAC3D数值模拟研究了不同岩性顶底板下条带煤柱的塑性区、垂直应力和水平位移演化规律,模拟表明:顶底板岩层的强度越小,煤柱塑性区扩展越大,承受的最大应力越大,应力峰值出现部位越靠向煤柱边缘,条带煤柱的水平位移量也逐渐增加。

断层是在地壳构造运动中产生和发育的,作为煤系地层中广泛存在的构造形态,断层在形成后周围岩体存在构造应力和残余能量。在工作面开采扰动影响下,可能诱发多种矿山灾害,对井下工作人员的生命安全造成巨大威胁,不利于煤矿经济的可持续发展。因此,研究断层形成过程对采动灾害的影响尤为重要。本文基于断层形成力学机制,运用自主研制的试验系统开展物理模拟试验,并结合数值模拟方法,对逆断层形成过程及其对采动灾害的影响规律进行研究,主要研究成果为:以逆断层形成的力学机制为基础,设计并研制了结构稳定、自动化高、密封性能较好的煤系逆断层形成模拟试验系统RF-2,为煤系断层相关研究提供了新的试验平台,利用该系统进行物理模拟试验,再现了逆断层的形成过程。通过物理模拟和数值模拟的方法对逆断层的形成过程进行分析,研究表明:按照岩层运动变形特征,可将逆断层的形成过程分为四个主要阶段;逆断层形成过程中上盘岩层位移较大,而下盘岩层位移基本未发生变化,水平位移由左至右不断减小,竖向位移由下至上呈增长趋势;形成过程中岩层内部的水平应力呈先增大后降低的趋势,且上盘变化幅度较下盘大,而竖向应力变化量较小,下盘岩层竖向应力呈增大趋势,上盘岩层竖向应力则先增大后减小,最后出现回升;在逆断层停止发育后,岩层内部和断层处仍存在较高的残余构造应力。进行了基于逆断层形成过程的开采试验和预制断层开采试验,对比分析了两种情况下的采动岩层响应特征,结果表明:两次试验的岩层运动破坏规律大致相同,但逆断层形成后岩层内部存在构造应力,在进行煤层开采时,采动应力与构造应力的相互作用导致覆岩运动更加剧烈,岩层垮落高度与裂隙发育高度更大,且岩层破碎程度更大。在应力变化方面,两次试验的顶板竖向应力和水平应力变化规律大致相同,均表现为距离采空区较近的岩层应力先增大后降低,但断层形成后开采试验中顶板应力变化幅度相对较大。应力降低的原因主要是下方煤层采出而导致卸压,距离工作面较远的上盘岩层,应力变化量受采动影响较小。断层影响下采动致灾的主要原因是逆断层形成过程中产生的构造应力场,在近断层区域进行采矿工程时,构造应力与采动应力的叠加作用导致区域岩层响应更为剧烈,容易诱发多种矿山灾害。本文提出相关灾害的预防措施,分别为:断层保护煤柱留设、断层面应力集中区域爆破卸压、断层破碎带注浆加固、断层区域破碎围岩巷道支护技术。

断层是在地壳构造运动中产生和发育的,作为煤系地层中广泛存在的构造形态,断层在形成后周围岩体存在构造应力和残余能量。在工作面开采扰动影响下,可能诱发多种矿山灾害,对井下工作人员的生命安全造成巨大威胁,不利于煤矿经济的可持续发展。因此,研究断层形成过程对采动灾害的影响尤为重要。本文基于断层形成力学机制,运用自主研制的试验系统开展物理模拟试验,并结合数值模拟方法,对逆断层形成过程及其对采动灾害的影响规律进行研究,主要研究成果为:以逆断层形成的力学机制为基础,设计并研制了结构稳定、自动化高、密封性能较好的煤系逆断层形成模拟试验系统RF-2,为煤系断层相关研究提供了新的试验平台,利用该系统进行物理模拟试验,再现了逆断层的形成过程。通过物理模拟和数值模拟的方法对逆断层的形成过程进行分析,研究表明:按照岩层运动变形特征,可将逆断层的形成过程分为四个主要阶段;逆断层形成过程中上盘岩层位移较大,而下盘岩层位移基本未发生变化,水平位移由左至右不断减小,竖向位移由下至上呈增长趋势;形成过程中岩层内部的水平应力呈先增大后降低的趋势,且上盘变化幅度较下盘大,而竖向应力变化量较小,下盘岩层竖向应力呈增大趋势,上盘岩层竖向应力则先增大后减小,最后出现回升;在逆断层停止发育后,岩层内部和断层处仍存在较高的残余构造应力。进行了基于逆断层形成过程的开采试验和预制断层开采试验,对比分析了两种情况下的采动岩层响应特征,结果表明:两次试验的岩层运动破坏规律大致相同,但逆断层形成后岩层内部存在构造应力,在进行煤层开采时,采动应力与构造应力的相互作用导致覆岩运动更加剧烈,岩层垮落高度与裂隙发育高度更大,且岩层破碎程度更大。在应力变化方面,两次试验的顶板竖向应力和水平应力变化规律大致相同,均表现为距离采空区较近的岩层应力先增大后降低,但断层形成后开采试验中顶板应力变化幅度相对较大。应力降低的原因主要是下方煤层采出而导致卸压,距离工作面较远的上盘岩层,应力变化量受采动影响较小。断层影响下采动致灾的主要原因是逆断层形成过程中产生的构造应力场,在近断层区域进行采矿工程时,构造应力与采动应力的叠加作用导致区域岩层响应更为剧烈,容易诱发多种矿山灾害。本文提出相关灾害的预防措施,分别为:断层保护煤柱留设、断层面应力集中区域爆破卸压、断层破碎带注浆加固、断层区域破碎围岩巷道支护技术。

断层作为煤炭开采中大量存在的一种主要地质构造,切割地层而破坏了其连续性和完整性,尤其逆断层周围岩体存在较大构造应力和残余能量;在逆断层附近进行煤炭开采时,采动与断层相互作用导致断层周围岩体应力场再次发生变化、岩层再次运动并破坏,进而引发突水、冲击地压等矿井灾害。因此,研究逆断层形成后对煤层开采的影响规律显得尤为重要。本文从逆断层形成地质力学机制入手,研制了逆断层形成地质力学试验系统,模拟了逆断层形成过程,能够准确控制逆断层起裂位置。利用逆断层形成地质力学试验系统进行了逆断层形成试验,获得了逆断层形成过程中岩层运动破坏特征及应力变化规律。研究发现逆断层形成过程中可分为岩层压缩变形、局部起裂、逆断层贯通、上下盘错动滑移四个阶段;断层倾角主要与岩层力学性质有关,落差主要取决于水平推力;逆断层形成过程中,岩层水平应力先升高,逆断层起裂后陡降,且距断层越远应力降低越小;上下盘滑动后,水平应力缓慢降低;岩层稳定后,断层附近水平应力大于初始应力,距断层越近应力越大。此外,逆断层形成对煤层底板竖向应力影响较小。逆断层形成后,进行了下盘煤层开采试验,获得了下盘开采过程岩层响应规律。下盘煤层开采过程中,断层附近构造应力与超前支承压力叠加造成了下盘靠近断层岩层应力持续增长,最终导致断层活化;工作面靠近断层时,上盘岩层竖向应力出现小幅应力集中,上盘水平应力由于下盘岩层断裂而下降,且距断层越近降低程度越大。进行了预制断层下盘开采试验,并将其与逆断层形成后下盘开采试验结果进行了对比分析,结果表明:与预制断层下盘开采试验相比,断层形成后周围明显存在较高构造应力;在下盘开采过程中,覆岩运动及破坏较剧烈、裂隙带更高,水平和竖向应力集中程度均比预制断层开采试验大,而且上盘靠近断层处应力出现集中,断层活化后其附近岩层水平应力陡降。

为保障煤炭资源的安全、高效开采,采场周围留设了大量煤柱,这些煤柱及其上覆岩层组合系统体的稳定性决定了整个采场及覆岩乃至地表的安全,一旦组合系统体发生整体性破坏失稳,将导致许多灾难性后果。同时,大量采矿工程实践表明:采动影响下组合系统体的破坏失稳是冲击地压、煤与瓦斯突出等矿山灾害的诱因。此外,随着矿业城市转型、基础设施建设的迅猛发展,相关矿业城市建设用地日趋紧张,这成为限制矿业城市发展的瓶颈。为缓解建设用地供应不足的局面和解决城市发展瓶颈,我国许多矿业城市开始探索采煤塌陷地的工程建设利用,组合系统体上方地表也将转化为工程建设用地,尤其是条带煤柱及其上覆岩层组合系统体上方的地表,但尚缺乏相应的理论基础。因此,研究煤柱及其上覆岩层组合系统体的稳定性能对认识、防控其失稳灾变,实现组合系统体上方地表的工程建设利用等具有重要意义。本文以紧密粘结的顶板-煤柱（R-C）结构体稳定性能为研究对象,采用理论分析、室内试验、数值模拟等多种手段,对结构体强度特性及宏观破坏起裂特征、不同影响因素下结构体力学行为、结构体蠕变特性及其蠕变损伤演化规律、充填墙加固提升煤柱稳定性可行性等进行了较为系统的研究,主要成果如下:（1）建立了相对大刚度、相对小刚度顶板下结构体试样轴向压缩力学模型,分析了岩煤交界面处以及远离交界面顶板岩石、煤样应力状态,分别推导了其强度条件;基于顶板岩石与煤样相互作用理论,探讨了结构体试样强度特性,并分别试验和模拟研究了煤样内原生宏观缺陷及单一节理特性对结构体试样强度的影响规律。研究结果表明结构体试样的整体强度是远离交界面顶板岩石、煤样强度以及交界面处顶板岩石、煤样强度的综合体现,受顶板岩石与煤样相互作用以及主要承载体-煤样内原生缺陷的影响。（2）基于结构体试样的压缩宏观渐进破坏特征,提出了宏观破坏起裂（MFI）概念,其表征着结构体试样宏观破坏的开始,对应的应力曲线呈“阶梯状”波动,AE信号出现峰值;MFI模式受煤样内原生缺陷以及顶板岩石和煤样之间相互作用的影响,主要包括煤样内微裂纹、裂纹等细、宏观缺陷发育演化或起裂扩展形成宏观裂纹以及交界面处顶板岩石或煤样拉伸断裂。同时,当结构体试样发生MFI时,储存在煤样内原生缺陷周边实体承载结构体的弹性能可通过宏观破裂面等薄弱面而迅速释放,导致煤样出现片帮剥落或弹射破坏,形成了宏观裂纹与不同程度的局部弹射破坏或片帮剥落组合的MFI模式。（3）进行了不同岩煤高比、不同加载速率以及不同岩性顶板下结构体试样单轴压缩试验,结合声发射系统（AE）、数码摄像机录像（DVC）系统,明确了不同影响因素下结构体试样力学行为,分析了岩煤高比、加载速率以及顶板岩性对结构体试样整体强度、MFI特性以及破坏特征的影响,并采用扫描电镜（SEM）系统从细观角度研究了不同加载速率下结构体试样破裂断口形貌特征。（4）进行了不同应力水平加载时长下结构体试样分级加载蠕变试验,结合AE、DVC系统,研究了其蠕变强度、变形及破坏特征;分析了结构体试样的蠕变强度与单一煤样蠕变强度内在关系,探讨了顶板岩石与煤样相互作用对其蠕变强度的影响;结合AE监测数据,定义了蠕变损伤系数δ,分析了结构体试样蠕变损伤演化规律。（5）提出了一种小尺寸充填墙加固提升煤柱稳定性的方法,理论和模拟研究了其加固机制及可行性,其加固作用主要体现在对煤柱侧向约束和分担煤柱承载载荷上;建立了充填墙支承压力及尺寸计算简化模型,推导了充填墙有效加固提升煤柱稳定性的合理强度及尺寸条件;最后设计了一种充填墙加固提升煤柱稳定性的施工方法。