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。

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。

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。

西北矿区厚煤层高强度开采与传统地质采矿条件下的长壁开采覆岩层移动破坏形成垮落带、裂缝带、弯曲下沉带等“三带”模式不同,开采引起的裂缝带有时直通地表,或者覆岩裂缝带与地表裂缝直接贯通,上覆岩层内只形成垮落带、裂缝带的“两带”破坏特征。本文基于典型厚煤层高强度工作面采矿地质特征,采用相似模拟、数值模拟、理论分析及现场实测等方法,对厚煤层高强度开采覆岩“两带”破坏特征及形成机制进行了系统的研究,获得以下研究成果:1、通过物理实验分析得到工作面覆岩低位关键层“悬臂梁”的破断会引起上覆“砌体梁”结构的失稳,引起覆岩破坏高度增大;厚煤层高强度开采覆岩“两带”演化过程共经历4个阶段:孕育阶段、形成阶段、转化阶段、稳定阶段;其中转化阶段断裂带转化为垮落带,垮落带高度“跳跃”增大。2、提出了覆岩压力拱结构模型并分析了其结构特性;研究发现采场覆岩关键层对压力拱的发育有抑制作用,关键层不破断时,拱顶位于关键层附近;反之,则在关键层断裂位置处重新起拱。3、基于厚煤层高强度开采特征,分析了采高、推进速度、采深及覆岩结构对覆岩“两带”的影响,并采用正交试验分析了其主控因素敏感性从大到小依次为采高、覆岩结构、采深和工作面推进速度。4、根据大量的工程实践将厚煤层高强度开采工作面覆岩“两带”破坏类型分为覆岩切落型、裂缝贯通型、“两带”未与地裂缝贯通3种破坏类型;基于关键层理论、砌体梁理论、软硬岩层破断规律等提出了导水裂隙带高度计算方法,并进一步提出了覆岩破坏类型的预测模型。5、分析了覆岩“两带”破坏模式的形成条件,建立了覆岩切落塌陷的力学及尖点突变模型,悬臂梁—砌体梁系统的突变失稳导致悬臂梁切落,引起砌体梁结构失稳,覆岩切落塌陷灾害发生形成覆岩“两带”直通地表破坏类型。6、覆岩关键层形成承载结构且不发生滑落失稳,基岩裂隙与地表裂缝贯通,形成覆岩“两带”裂隙与地裂缝贯通破坏类型;工作面开采后,地表拉伸裂缝,与基岩裂缝贯通形成“两带”和地裂缝贯通破坏类型。7、基于葛泉矿东井11915工作面,详细描述了采用井下钻孔法探测“两带”高度时的方案设计方法、探测设备组成、探测方法和探测过程中易发生的问题及其解决办法,为“两带”现场探测提供了详细参考。