鉴于煤炭市场的大量需求,煤矿生产趋向于更加复杂的地质条件,坚硬顶板岩层由于其自身高强度岩性所引发的采场骤发式、高强度来压显现严重制约工作面的安全、高效生产。本文以青东煤矿828特厚煤层坚硬顶板采场煤炭开采为背景,针对坚硬顶板对采场煤炭开采呈现出的矿压显现及破坏机理进行研究,采用室内试验、理论分析、数值模拟、相似模拟试验、现场监测等多种手段相结合的方法对采场煤岩体力学性质;坚硬顶板采场矿压显现规律;坚硬顶板断裂步距、破断结构及失稳判据;采场来压支架载荷确定;采场覆岩破坏结构形态及其影响因素;采场矿压显现影响因素;区段煤杜合理留设布置;预采顶分层可行性;预裂爆破基本顶的有效性;工作面基本参数确定;采场煤机装备配套及适应性等进行分析,研究得出如下成果:(1)通过现场基本地质条件分析,认为坚硬顶板是影响828采场高效生:产的关键。对采场煤岩体力学参数进行室内试验,测试发现坚硬顶板岩层自身抗压强度平均值为113.24MPa,弹性模量平均值为30.12GPa,泊松比为0.293:通过点荷载试验对现场坚硬顶板岩石进行试验,试验表明坚硬顶板岩块抗压强度为54.6MPa,抗拉强度为2.75MPa。坚硬顶板岩层可累积承载上覆岩层较大载荷,岩体内部储存较高能量,其破断失稳势必给采场带来强烈的矿压显现。(2)采用相似模拟试验对828采场进行试验性开采,研究发现采场来压时整体呈现出来压步距大、来压强度高、来压突发性强、来压破坏范围广的特点。采场正常推进期间,采动影响支承应力可达到34MPa左右,影响范围达60m,应力集中系数最大可达2.4;采场初次来压步距高达60m,周期来压步距达30m;冒落带高度达30m,裂隙带高度达90m。采场覆岩运动位移史是受坚硬顶板影响呈现大规模突发式、大面积阶段式下沉。(3)确定了基本顶初次破断及周期破断时极限垮落步距;根据基本顶破断结构建立了岩块受载力学结构模型;推异出顶板下沉位移公式及岩块回转角并进一少建立顶板失稳判椐;根据破断岩块回转失稳是否触矸建立了岩块失稳方式判据。采用弹性地基梁理论对基本顶断裂步距进行计算,确定采场初次来压以距为52m,周期来压步距为25m。根椐基本顶破断岩块铰接结构认为基本顶初次破断形成“砌体梁”式结构,周期来压时形成“悬臂式”结构。采场初次来压时破断岩块回转下沉位移值达到1.65m,此时岩块回转29°,而采空区允许最大回转角度为14°,认为初次来压破断岩块以滑落失稳形式垮落。根据岩石最大抗压强度及自身受载应变确定采场周期来压时“悬臂式”结构回转0.3°时受载达到极限形成破碎垮落,即周期来压时顶板以回转失稳形式垮落且最大下沉位移为0.57m。(4)根据基本顶初次破断“砌体梁”结构计算出采场支架载荷为29447kN。给出基本顶周期破断支架载荷计算公式F2=Q支+[q.(3L2-2L)-6h·a.εmax·σmax]/6△max,确定坚硬顶板采场在不采取处理措施下支架载荷达到25997kN,采场务必采取有效措施减缓来压显现强度。(5)使用Udec软件对坚硬顶板采场覆岩破坏形态的采场推进度、顶板岩性、保护层及采高效应进行研究,得出采场推进至100m时,采场覆岩破坏结构形态达到稳定,主要表现为采场初次来压步距为60m,周期来压步距为40m,垮落带高度达35m,裂隙带高度达95m。确定了坚硬基本顶自身高强度及高厚度岩性是导致采场强烈矿压显现的主要因素。当采高小于9m时,采场矿压显现强度与采高近似呈线性增长,当采高大于9m时,采场矿压显现强度呈阶梯式增长。直接顶的存在提前释放了采场覆岩累积载荷,有效缓解了强烈的矿压显现强度。(6)使用Flac3d软件对采场矿压显现规律受采场推进度、采高、有无直接顶、有无预采顶分层、坚硬顶板强度及坚硬顶板厚度等影响因素进行分析。研究发现:受采动影响,采动应力影响范围约为50m左右;采动应力峰值最大为34MPa;采空区顶板最大位移达到8.3m;采场四周煤体受载进入塑性区宽度10～20m。采高增大会进一步增大采场应力集中区域面积及强度,导致位移、塑性区破坏范围增大。直接顶对于减缓采场矿压显现强度有一定的缓冲作用。坚硬顶板厚度对采场矿压显现的影响存在一个临界值,小于该临界值时随顶板厚度增大矿压显现强度增大,大于该临界值时随采高增大矿压显现强度减弱,认为此时坚硬顶板厚度较大扰动了采场的正常矿压显现规律。普通强度岩性顶板采场呈现的矿压显现强度明显低于坚硬顶板,采场处于较好的作业条件。预采保护层(7#煤层)预先扰动了采场原岩应力,置8#煤层采场煤岩体处于无限接近静载状态。预采7#煤层以降低8#煤层坚硬顶板强度或厚度可提供8#煤层采场优越的工作条件。(7)建立了采场侧向区段煤柱受载应力分布图,根据理论计算确定使用窄煤柱护巷时区段煤柱留设宽度的最佳距离为8～18m。根据数值模拟对巷道掘进、采场回采及采空区三种状态下区段煤柱不同留设宽度时采场矿压显现规律进行分析,给出巷道稳定性与区段煤柱留设宽度对比图,综合考虑设计采场使用15m宽度留设区段煤柱。(8)理论分析确定了预采顶分层致使8#煤层坚硬顶板仅有5.6m厚度保持完整结构,并采用相似模拟试验进行了验证;确定此时采场来压显现强度较低,主要表现为采场初次、周期来压步距仅为18.8m、10.6m。对有无预采保护层时8#煤层开采矿压显现进行对比分析验证了预采顶分层对降低8#煤层采场来压显现强度的有效性。针对不含顶分层的8#煤层部分区域采场,设计使用预裂爆破法以降低坚硬顶板强度及强度,对比分析确定了预裂爆破坚硬顶板对降低8#煤层采场高强度矿压显现具有较高的实用性。(9)为确保采场高效生产,考虑现场实际情况设计了可有效适应坚硬顶板采场的基本参数(采高、放煤方式、采场倾向及走向长度),根据年产量设计了可有效适应坚硬顶板采场的煤机装备配套及供电装备图。通过现场采用顶板钻孔窥视、支架阻力监测确定采场处于优越的作业条件,采场矿压显现强度得到较好的控制。