为精准预测煤层采出后地表动态损伤程度,选取下沉速度作为动态指标,基于现场实测数据分析下沉速度曲线偏向于采空区一侧的偏态分布特征,采用平方根转换正态函数方法,构建下沉速度偏态预测模型,并通过实例对模型动态预测精度进行验证与

高耸构筑物与一般建筑物不同，对地表移动变形值的响应与敏感性具有显著的特殊性。通过理论分析、数值模拟与工程实例应用等方法研究了高耸构筑物采动变形特征与保护技术。阐述了地表高耸构筑物采动变形特征的特殊性，并以高压输电线路铁塔为例，采用理论分析与数值模拟相结合的方法，系统分析了地表下沉、水平移动、曲率、倾斜、水平变形对高耸构筑物采动变形的影响：地表倾斜导致铁塔屈服主要是由于塔基处轴向压应力达到其最大值，而拉伸（压缩）变形导致铁塔屈服主要是由于塔基处轴向拉（压）应力达到其最大值；基于高耸构筑物采动变形特征，提出并实施了高耸构筑物地基精准注浆加固技术，并通过理论分析揭示了地基精准注浆加固机理，得出基于地基下沉量的精准注浆压力理论公式；系统分析了精准注浆加固作用：注浆加固作用提高强度、注浆充填作用补偿下沉与注浆调斜作用矫正角度（倾斜）；凝练出基于地基“下沉量-注浆压力”的高耸构筑物地基精准注浆加固技术核心内容，包括注浆依据、注浆时机、注浆位置、注浆作用与注浆机理；并在白坪煤矿广播电视信号铁塔下采煤进行了应用验证，研究结果表明：应用高耸构筑物地基精准注浆加固技术后，广播电视信号铁塔基础最大变形值（1.6～4.8 mm）小于《规范》中的极限变形值（5.0 mm/m），有效保护了该广播电视信号铁塔，验证了高耸构筑物地基精准注浆加固技术的合理性，对煤矿绿色开采、提高煤炭资源采出率、预防或减轻高耸构筑物采动损害、丰富和发展现有采动区建（构）筑物保护理论等具有重要理论与实际意义。

随着东部矿区资源的日渐衰竭,煤炭西进战略已成现实,西部矿区地下资源开采造成的地裂缝灾害日益引起人们的关注。本论文针对西部矿区浅埋深、厚煤层、高强度开采的特点以及煤炭开采过程中覆岩破断贯通地表引起的地裂缝灾害问题,以神东矿区大柳塔煤矿为工程背景,综合应用现场实测、相似模拟、数值计算以及理论分析等多种研究方法,详细分析了近浅埋厚煤层开采地表沉陷规律及地裂缝空间分布和动态发育特征,系统研究了采动地裂缝的形成机理及影响因素,构建了不同类型地裂缝的预测计算模型,主要获得以下成果:（1）根据工作面具体的地质采矿条件和地表实际地貌情况,建立地表岩移观测站,并分别采用RTK和三维激光扫描技术进行了地表观测,掌握了近浅埋厚煤层开采地表沉陷规律,获取了地表移动参数。（2）在对西部矿区采动地裂缝进行实时观测记录并进行分类统计的基础上,提出了地裂缝的分类方法:根据地裂缝的发育表现形态将其分为拉伸型、挤压型、台阶型和塌陷型四类裂缝;根据地裂缝是否与覆岩导水裂隙带贯通,将其分为贯通型地裂缝和非贯通型地裂缝两类裂缝。（3）基于对大量地裂缝的勘察记录分析,研究了地表采动裂缝的空间分布特征及不同类型地裂缝的发育过程和发育周期时间。（4）采用相似模拟和数值分析方法综合分析了工作面单一“近场厚关键层”破断失稳运动:由于工作面煤层上方仅为一层厚关键层,且距离煤层较近,在工作面初采阶段悬空距较大,造成工作面初次来压较大。之后,“近场厚关键层”随着工作面的推进分层先后垮落,形成了下位“台阶岩梁”、上位“砌体梁”复合结构,顶板形成了大小周期来压,其中大周期来压为30m左右,小周期来压为15m左右。（5）分析了工作面不同来压期间覆岩采动裂隙的发育规律及其对地裂缝的影响:在经历第一次周期来压时,覆岩运动比较剧烈,岩层裂隙发育密集,部分发育至地表,地表破坏严重,地裂缝发育密集;在经历第二次周期来压之后,煤层前方不易出现岩层裂隙,煤层后方由地表向下发育的岩层裂隙经历了“变大-缓慢闭合-不压实”的过程,由下向上发育的岩层裂隙经历了“缓慢闭合-不压实”的过程。工作面开采结束后,采动岩层裂隙发育充分,不易随工作面的推进而闭合消失。（6）覆岩位移等值线随关键层的破断失稳运动几乎呈直线向前扩展,直到地表。当关键层下位破断,而上位未破断时,靠近煤层一方覆岩位移等值线向前扩展很小,地表产生由上向下发育的非贯通型地裂缝;当关键层上下位同时破断时,覆岩位移等值线迅速向前扩展,覆岩裂隙将发育至地表,产生贯通型地裂缝。（7）建立了“井下—覆岩—地表”三位一体结构模型分析了不同类型地裂缝的形成机理、影响因素及分布情况,提出了不同类型地裂缝的预测计算模型:根据现场观测及室内实验,分析了不同类型地裂缝的形成条件及发育位置,对地裂缝的不同发育区域进行了划分,研究了地裂缝滞后距、发育高度分别与工作面开采速度、地表下沉、地表水平变形之间的关系,并在此基础上提出了不同类型地裂缝的预测计算模型。

采用定向钻孔抽采采空区卸压瓦斯是矿井工作面瓦斯治理的一种重要方法,其在覆岩布置层位区域的准确确定是实现稳定高效抽采的关键。以焦煤古汉山矿16031工作面为工程背景,采用物理相似模拟、理论分析和现场试验的方法分析了覆岩采动裂

针对郭家湾煤矿地面建筑物下压煤资源多，采用传统地面搬迁方式开采成本高、难度大问题，结合矿井实际情况提出了连采连充膏体充填技术，阐述了该充填开采技术的技术原理及工艺流程，并采用概率积分法对充填开采区域对应的地表建（构）筑物地表移动变形进行了预测，同时在郭家湾煤矿进行了工程应用。结果表明，工作面支巷最大顶板下沉量为278 mm，顶板围岩变形量较小，工作面开采过程中矿压显现较为平缓，无较大的动压显现现象。开采范围内对应的最大地表下沉量为9.2 mm，满足规定标准对地表建筑物的使用要求。

煤矿地下开采对其采动影响范围内的建（构）筑物会造成影响或破坏,采用覆岩定向水力压裂改变岩层与地表移动模式,控制采动影响范围是保护地表建（构）筑物的措施之一。本文以寺河煤矿5304工作面地质采矿条件为基础,通过建立力学模型分析了断层两侧岩块滑移的影响因素,采用3DEC数值模拟软件建立了数值模型,针对覆岩弱面对采煤沉陷发育规律的影响进行模拟研究,详细分析了不同弱面类型对采煤沉陷规律的影响,验证了构造弱面对覆岩移动及地表沉陷的阻隔效应,提出并实施了井下覆岩水力压裂控制地表沉陷范围的技术。主要获得以下成果:（1）针对实测数据,总结寺河煤矿5304工作面采后地表移动变形规律,确定该工作面地质采矿条件下的地表概率积分法各预计参数,并根据概率积分法预计计算得出工作面采后地表下沉、倾斜、水平变形、水平移动的变化量,确定工作面开采对地表建筑物的移动变形影响情况。（2）根据采空区上覆岩层位移场的分布特征,将上覆基岩分为三个不同的采动影响区:岩层未扰动区、“三角滑移”区和“岩层垮落”区,同时指出“三角滑移”区地面建筑物所受工作面采动影响最大,得出该区域的上覆岩层破断运动规律以及对地表沉陷范围的影响特征。（3）基于寺河矿煤层赋存地质条件,采用3DEC数值模拟技术研究构造弱面对上覆岩层移动变形规律及地表沉陷的影响特征,得到不同弱面类型条件下对地表移动变形控制效果的影响规律,并提出通过覆岩定向水力压裂工艺,人为控制覆岩垮落方式,借助人造弱面对岩层移动传播的阻隔作用,控制覆岩水力压裂区域地表采动影响范围的思路。（4）基于上述研究成果,以53041巷为试验区域进行井下定向水力压裂试验,综合地表岩移观测数据、数值模拟结果与概率积分法预计结果表明地表形成水力压裂侧采动影响范围缩小31m的偏态下沉盆地,验证了覆岩定向水力压裂控制地表沉陷范围的有效性。

随着我国中东部地区煤炭资源逐渐枯竭,煤炭开采战略重心向西部地区转移。而西北地区煤炭资源丰富,煤层地质条件简单,在开采技术装备水平、互联网+及智能化不断提升的影响下,该地区非常适宜进行高强度开采,并且厚煤层高强度开采已成为我国采煤技术的重要发展方向。但由于西北地区属于干旱半干旱区,其特有的气候环境条件学高强度开采引起的地下水资源流失、地表破坏、草地荒漠化以及生态环境污染问题更为突出,尤其是对第四系松散含水层的影响。因此,研究我国西部地区脆弱生态环境下高强度开采松散含水层的破坏特征及防控技术具有重要的河学依据和实际意义。学文综合运学河学分析、相似模拟、数值模拟及现场监测等方法,对高强度开采条件下松散含水层的破坏特征及防控技术进行了研究,主要研究成果如下:（1）结合高强度开采定义及厚煤层高强度开采现状,在收集西北高强度开采矿区资料的基础上,提出了高强度开采技术特征并采学层次分析法验证了技术特征的合河学,构建了高强度开采指标体系;指出了高强度开采负外部学等同于高强度开采技术特征中的采动影响破坏方面,具有群发学、突发学及链生学等特点。（2）通过对矿井水水质评价,分析了保护松散含水层的重要学;采学相似模拟试验研究高强度开采覆岩破坏特征及裂缝发育规律,指出了上行裂缝与下行裂缝形成的贯通裂缝是威胁松散含水层安全稳定的主要学因;并在相邻井田范围内采学河地电磁法对高强度开采条件下松散含水层破坏特征进行了现场探测验证。（3）采学数值模拟方法对比研究了有无水压条件下覆岩渗流裂缝的发育规律及其对松散含水层的影响;采学土工试验研究了下行裂缝对松散层含水量的影响,并阐述了松散含水层载荷传递的学河,分析了松散含水层通过影响覆岩复合破断而引起工作面突水压架事故,威胁工作面的安全回采。（4）采学弹学薄板河学、固支梁河学及紧密堆积度河学从宏细观角度揭示了高强度开采对松散含水层的破坏机河,产生的贯通裂缝是破坏松散含水层的宏观学因,而土颗粒间因孔隙率增河引起的新生裂隙和学生裂隙贯通是破坏松散含水层的细观学因。（5）根据松散含水层破坏的防控思路,提出并设计了条带开采与充填开采相结合的“条采留巷充填法”绿色协调开采技术;在此技术的基础上,考虑到矿井后期转型升级、地下空区的开发利学及浅埋煤炭资源的减少,提出了松散含水层学位保护技术;并构建了“采前预防-采中控制-采后修复”的松散含水层防控技术体系,为实现松散含水层稳定与工作面回采安全的双赢局面提供了技术保障。

煤层开采打破了煤岩的原始赋存状态,造成上覆岩层运移破坏与裂隙演化发育,并伴随赋存于煤层及岩体内的瓦斯等气体大量解吸涌出。解吸的瓦斯在压力和浓度梯度作用下在采动裂隙网络内流动、汇聚,造成采空区瓦斯积聚和工作面瓦斯超限现象。这不仅给工作面生产带来严重的安全隐患,而且已成为当前矿井实现安全高效生产亟待解决的难题。顶板水平定向长钻孔瓦斯抽采技术因其施工成本低,施工和抽采效率高,抽采时间长等优势逐渐得到推广应用。本文通过采用数值模拟、物理相似模拟、理论分析和现场实测等方法,对定向长钻孔的布置层位及抽采布置参数进行了分析研究。论文获得的主要研究成果如下:1、提出了采动裂隙的“横四区”分布特征,并对定向长钻孔布置的最佳区域进行了理论界定。基于采动裂隙演化特征,将裂缝带内裂隙分布划分为“横四区”,分别为:原岩裂隙区、拉张裂隙区、结构裂隙区和压密裂隙区。通过分析瓦斯运移裂隙通道分布及钻孔稳定性,确定结构裂隙区为定向长钻孔布置的最佳区域,并通过理论分析对结构裂隙区在覆岩裂隙场中的空间位置边界进行了界定,得到了判定区域边界的理论计算公式。2、提出了瓦斯积聚率、裂隙渗透率和钻孔稳定率是影响钻孔布置层位（沿覆岩高度方向上的层位和倾向上的位置）的三个主要因素指标,并通过定义钻孔布置适宜率,确定了定向长钻孔在结构裂隙区中的布置层位顺序。在对结构裂隙区九宫格块段划分基础上,分别求得了各块段的前述三因素指标值,进而得到了各块段的钻孔布置适宜率,并以10%和20%为界限将结构裂隙区划分为三个小区域,分别为:区域一（含块段Ⅰ）,区域二（含块段Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ）和区域三（含块段Ⅲ、Ⅵ-Ⅸ）,从而确定了定向长钻孔的布置层位及优先顺序。3、建立了定向长钻孔抽采瓦斯数学模型,探讨了瓦斯流场的分布特征及钻孔抽采相互影响规律。采用复变函数和镜像原理建立了单排平行布置、双排平行布置（对正排列和交错排列）和非线性布置钻孔抽采瓦斯数学模型,对模型分析表明:定向长钻孔的布置层位及间距对采空区卸压瓦斯的抽采效率影响较大;采用非线性布置时,钻孔数量取3-4个可获得较好的钻孔抽采效率和钻孔等效半径值;双排平行布置两种钻孔排列方式钻孔抽采量及钻孔遮挡效应相差不大,但由于双排布置遮挡系数较大（0.7379）,因此,在单排钻孔无法满足抽采需求时可布置双排钻孔进行加强抽采。4、确定了定向长钻孔的抽采及布置参数,提出了钻孔抽采设计方案。钻孔抽采效率与钻孔直径、钻孔抽采负压、裂隙渗透率和钻孔有效抽采长度四因素均成正比例关系,在考虑经济性与钻孔抽采能力的情况下确定了钻孔的抽采参数值。提出了以瓦斯向钻孔的汇流速度作为定向长钻孔抽采影响半径的界定指标,结合钻孔抽采瓦斯数学模型,确定了钻孔布置间距、钻孔布置数量及方式等钻孔布置参数。在钻孔布置层位和抽采布置参数分析确定的基础上,对钻孔抽采进行了设计,提出了三孔布置和六孔布置共四种抽采方案。5、采用数值模拟对钻孔布置层位顺序及钻孔抽采方案进行分析验证,并确定最佳方案。数值模拟研究表明:定向长钻孔在结构裂隙区内布置应遵循水平方向按照外部块段-中部块段-内部块段的顺序布置,垂直方向按照上部块段-中部块段-下部块段的顺序布置,与前述对结构裂隙区内各块段钻孔布置顺序的分析一致;三钻孔布置抽采效果显著,可以实现采空区和工作面的瓦斯治理,其中,非线性布置方案抽采效果更优,钻孔应尽量布置于结构裂隙区内的区域一,其次布置于区域二,以获得更好的抽采效果;六钻孔双排交错布置较对正布置抽采能力更强,在钻孔布置数量一定的前提下,钻孔抽采能力随采空区瓦斯涌出量的增加而增长缓慢,且钻孔数量的增多使得单孔抽采效率明显降低。6、采用三钻孔非线性布置抽采方案对16031工作面进行了瓦斯抽采治理。依据理论公式对覆岩裂隙场结构裂隙区空间位置边界进行了界定,进而确定了钻孔布置的层位顺序。采用三钻孔非线性布置方案进行瓦斯抽采作业,结果表明:从钻孔实测数据得出的结构裂隙区界面与理论计算界面相符;抽采期间钻孔稳定性较好,钻孔抽采能力较强,单孔最高瓦斯抽采纯量和三孔总平均瓦斯抽采纯量分别为5.52m~3/min和3.45m~3/min;在定向长钻孔抽采治理下,工作面上隅角瓦斯浓度值小1%,回风巷瓦斯浓度值在0.18～0.46%范围内,定向长钻孔对采空区卸压瓦斯进行了有效抽采,验证了定向长钻孔布置层位顺序及抽采布置参数确定的实用性与合理性。图114幅,表25个,参考文献144篇。

随着煤炭开采技术与装备水平的提升,高强度长壁开采（简称“高强度开采”）已成为我国煤矿的主要开采模式。但煤炭高强度开采诱发的岩层移动剧烈、地表与生态损伤严重,且控制与修复技术难度大、成本高,是制约我国煤炭安全高效绿色集约化开采的关键性技术难题,研究高强度开采覆岩破坏传递特征及其充分采动判据可为解决该难题提供岩层移动部分的理论基础。本文采用理论分析、数值模拟等方法主要对高强度开采覆岩破坏高度（也称“导水裂缝带高度”）计算与覆岩破坏充分采动判据进行了公式化与定量化的研究,主要得到以下结论:（1）采用理论分析、统计分析与经验公式等方法,分析了影响高强度开采覆岩破坏的因素:覆岩岩性、覆岩组合结构、煤层赋存状态（采深、倾角等）、采煤方法、顶板控制方法、开采厚度、工作面走向长度、工作面倾向长度、工作面推进速度、覆岩破坏残余变形。（2）分析了高强度开采覆岩破坏传递的过程,并将其划分为传递发育阶段与传递终止阶段;提出了“π”形采动覆岩模式,并将采动覆岩划分为四个区域:覆岩破坏区域、覆岩悬空弯曲区域、覆岩悬伸弯曲区域和原岩应力区域,并分析了各个区域的特征。（3）提出了覆岩破坏的判据:极限悬空距与极限悬伸距,建立了相应的采动覆岩破坏力学模型,给出了一种基于覆岩破坏传递特征的计算高强度开采覆岩破坏高度理论新方法,应用于某高强度开采工作面,并与数值模拟结果、现场实测结果进行了综合对比分析,验证了该理论计算方法的合理性。（4）提出了以二维平面“梯形-面积”、三维空间“四棱台-体积”为依据的覆岩破坏充分采动的理论判别方法,并将长壁开采三维覆岩破坏及地表下沉简化为四类采动影响体积之间的关系:采空区长方体体积、上覆岩层预破坏四棱台体积、覆岩破坏后的体积与地表下沉体积,得出了覆岩破坏充分采动时覆岩破坏高度理论表达式与覆岩“两带”破坏模式的理论判别式。（5）以某高强度开采工作面为原型,建立并校核了考虑现场最大、最小水平主应力方向与工作面推进方向夹角的三维数值模型,分析了工作面不同开采因素对覆岩破坏充分采动的影响,得到高强度开采工作面达到覆岩破坏充分采动时的推进距离与开采厚度成正比,与工作面倾向长度、深厚比、开采速度成反比。给出了高强度开采覆岩破坏充分采动的判据公式及其适用条件,并进行了验证。上述研究提出了一种计算高强度开采覆岩破坏高度的理论方法,给出了高强度开采覆岩破坏充分采动的理论判别方法与判据公式,对现代化矿井实施保水开采、“三下”开采、瓦斯治理的解放层开采等方面具有一定的理论指导意义。