过去20年,综放开采在坚硬、高瓦斯、特厚、大倾角和急倾斜等复杂厚煤层回收中均实现成功应用,因其“高产、高效”优势,该方法逐渐成为我国厚煤层开采的主要技术选择。长期以来,综放开采设计广泛采用煤层硬度系数不大于3,埋藏深度不小于200m,采放比不小于1/3的经验性原则,没有系统的方法对顶煤冒放性进行定量评价,导致综放工作面采出率较普通综采面低。本文采用室内试验、理论分析、数值模拟和现场实测等多种研究方法,首先对室内简单应力路径下煤样破坏机理进行了系统分析,在实验结论的基础上借助弹塑性力学理论对综放开采复杂应力路径条件下顶煤破坏机理、顶煤冒放性预测方法、顶煤破坏主导因素、顶煤冒放性控制方法、顶煤冒落块度分布和回收率预测方法进行了详尽的探究,取得了如下主要结论和创新性成果:(1)室内简单应力路径条件下煤体力学特性和破坏机理①裂隙影响下煤体表现出明显的各向异性力学行为特征;煤体弹性模量随着裂隙密度的增大呈负指数形式减小;煤体抗压强度随着裂隙角度度的增加先减小后增大,随着裂隙长度和密度的增大呈负指数形式降低;煤体破坏后裂隙发育程度受初始裂隙产状的明显影响。②完整煤体力学行为受到材料参数和应力路径的明显影响:巴西劈裂实验中,煤体表现为单裂纹劈裂破坏;单轴抗压实验中,软弱煤体表现为剪切破坏,硬煤则表现为劈裂破坏;常规三轴实验中煤体表现为单主裂隙剪切破坏,三轴卸围压实验中煤体破坏后则表现为多裂纹剪切破坏。③后屈服阶段煤体表现出应变硬化/软化和剪张行为,软化模量随着围压的增大而减小;体积膨胀变形受围压的强烈约束,剪张行为随着围压的卸载逐渐增强且受卸载速率的影响,随着塑性变形程度的升高,剪张行为逐渐消失。④煤体变形破坏过程中伴随声发射等细观力学行为,弹性阶段无声发射现象,屈服后声发射信号迅速增多,峰值附近声发射信号最为活跃,峰后阶段声发射信号逐渐减少。声发射信号增长速度随着围压的卸载而升高,由于围压卸荷效应,声发射信号极度活跃期由峰前阶段后移至峰后阶段。⑤构建了非均质煤体宏-细观本构模型和裂隙煤体各向异性损伤模型,采用材料参数随机分布(Weibull)方法和随机离散网格(DFN)技术表征煤体中宏-细观缺陷,将本构和损伤模型嵌入FLAC3D数值计算软件进行数值模拟,模拟结果可准确反应简单应力路径下煤体宏-细观力学行为。(2)复杂应力路径条件下综放采场顶煤破坏机理①构建了煤壁前方顶煤应力路径预测模型,顶煤应力路径受初始地应力、峰值系数、煤体强度参数及开挖卸荷效应的影响;煤壁前方顶煤应力路径为:覆岩载荷传递作用下的垂直应力加载和开挖卸荷作用下的水平应力卸载过程。②定义了顶煤破坏危险性系数,破坏危险性系数小于0,顶煤处于弹性状态,等于0,处于极限平衡状态,大于0进入破坏状态;采动影响起始点至垂直应力峰值点,顶煤破坏危险性系数逐渐增大,在峰值点达到极限平衡状态,之后随着垂直应力加载和水平应力卸载,顶煤破坏。③得到控顶范围内顶煤应力路径:垂直应力为顶板断裂岩块的自重载荷,水平应力在顶煤悬臂作用下转变为拉应力,即水平应力在煤壁附近降低至0水平,在控顶区上方进入反向加载过程;采动影响下,顶煤主应力轴发生旋转。④得到煤壁后方顶煤中破坏危险性系数分布形态:上位顶煤>下位顶煤> 中位顶煤,即上位顶煤冒放性最好,下位顶煤次之,中位顶煤最差;煤体强度、顶板载荷和支架阻力均对该阶段顶煤破坏危险性造成影响;采用能量守恒和动载荷方法得到支架阻力确定方法,增加支架刚度可有效促进顶煤破坏。⑤根据顶煤应力路径将顶煤划分为:原岩应力区、弹性加载区、后继屈服区和反向加载区。弹性加载区,顶煤破坏危险性系数逐渐增大,但始终处于极限承载能力范围内,后继屈服区顶煤发生压剪式破坏,反向加载区顶煤破坏形式由压剪转变为拉剪甚至拉伸破坏形式。煤壁前方顶煤累积的压剪损伤有效促进煤壁后方顶煤拉剪和拉伸破坏形式的出现。(3)综放开采顶煤冒放性指标的构建和确定方法①煤体累积塑性应变同裂隙发育程度呈正比,累积塑性应变在煤体变形破坏过程中单调递增,根据累积塑性应变值可直接判断煤体所处的变形破坏状态,采用累积塑性应变作为表征顶煤破坏程度的冒放性指标。②推导出复杂应力路径条件下顶煤累积塑性应变确定公式:式中:σ3lowoer、σ3upper分别为初始屈服点和煤壁上方顶煤最小主应力;σ1lower、σlupper为对应位置的顶煤最大主应力;Ec/t1和Ec/t1分别为单轴抗压/抗拉条件下顶煤弹性模量和塑性模量;Ψ为煤体剪胀角;η为顶煤最大/最小主应力变化梯度比例系数。顶煤累积塑性应变受应力路径的影响,其值随着主应力变化量(Aσ1和△σ3)的增加和最大、最小主应力变化梯度比值(dσ1/dσ3)的减小而增大。③煤体变形破坏过程中超声波传播速度呈单调递减特征,将顶煤中累计塑性应变同超声波速相联系,构建了超声波速预测模型,实现了顶煤冒放性指标的工程可测性;将预测模型嵌入FLAC3D软件,对室内试验进行模拟,模拟结果可正确反应煤体变形过程中超声波速变化特征。(4)基于煤层裂隙分布特征实测结果,采用煤体宏-细观本构模型、各向异性损伤模型和超声波速预测模型,对顶煤冒放性指标影响因素进行了数值分析。①煤层裂隙间距服从负指数分布,迹长服从对数正态分布,倾角服从负指数分布,倾向服从正态分布;为反映煤壁前方压剪损伤对顶煤抗拉强度的影响,对宏-细观本构模型进行修正,实现了抗拉强度同剪切塑性应变负指数关系的模拟。②在FLAC3D中构建了不同裂隙产状的数值模型,结合建立的裂隙煤体各向异性损伤模型,实现了随机分布裂隙对顶煤冒放性指标影响的数值模拟;实际回采中支架的升柱与降柱工序导致支架阻力为循环载荷,借助Fish语言实现支架循环阻力对顶煤冒放性指标影响的模拟。③通过建立46组数值模型,得到15种因素对顶煤冒放性的影响:水平地应力大小和工作面推进方向对完整顶煤冒放性的影响不明显,其余影响因素均对顶煤冒放性产生明显影响;裂隙的存在导致顶煤冒放性分布的空间变异性;支架循环阻力对顶煤冒放性的影响主要作用于控顶范围内。(5)获得顶煤冒放性控制原理和基于采动裂隙分布的顶煤冒落块度预测方法。①煤体变形破坏过程中剪张效应对围压变化的高敏感性及煤体抗压强度随着围压增加而迅速增大的变化趋势表明:限制煤体体积变形可有效控制煤体破坏。基于该认识提出采用局部约束解除法为顶煤体积剪胀变形提供自由空间从而改善冒放性,冒放性改善效果随着爆破钻孔间距的减小和钻孔长度的增加而增强。②基于采动裂隙分布特征得到顶煤冒落块度和回收率预测方法。顶煤被切割块体的体积随着裂隙密度和长度的增加迅速降低,回收率升高,裂隙倾角对顶煤冒落块度和回收率的影响大于裂隙倾向的影响。由于采动裂隙分布的随机性,顶煤被切割块度沿工作面倾斜方向的分布表现出空间变异性,即使顶煤冒放性良好,在工作面局部仍存在顶煤以大块度冒落并影响放煤工序的可能性。