煤层赋存条件复杂多变,回采过程中经常会遇到坚硬顶板煤层。坚硬顶板整体性较好,强度高,在煤层采出后,采空区顶板岩层大面积悬露,且短时间内不会自然垮落,对工作面的回采造成了严重的威胁。随着工作面不断推进,悬露顶板达到极限会突然垮落,形成冲击气压,对采场及矿井造成严重破坏。同时,采空区侧顶板岩层荷载加载巷道内,容易引起巷道应力集中,巷道变形量大。因此,对坚硬顶板岩层进行预裂爆破切顶处理,改变顶板岩层结构,使其在工作面推采后,沿设计切缝顺利垮落。本文以邱集煤矿1 1层煤试采工作面为研究背景,通过理论分析、数值模拟、现场监测等方法,分析11层煤试采工作面坚硬顶板不同切缝对巷道围岩应力演化的影响及切顶后顶板垮落规律。(1)煤层开采后引起上覆岩层的运动破坏,通过将顶板岩层简化为梁模型,建立了未切顶岩梁力学模型,分析其受力状态,得到其初次断裂步距。建立预裂爆破切顶后岩梁力学结构模型,推导出切顶后岩梁的初次断裂步距,基于悬臂梁理论,得到其周期断裂步距。建立岩梁断裂前力学模型,讨论分析坚硬顶板条件下,岩梁的侧向断裂位置出现在实体煤上方,从而容易引起预留巷道围岩的应力集中,对巷道稳定极为不利。所以需要对坚硬顶板进行预裂爆破处理,切断采空区顶板岩层与预留巷道顶板岩层之间的联系,减小应力集中。(2)利用FLAC3D建立三维数值计算模型,对比分析不同切缝对巷道围岩应力分布的影响。分别模拟了切顶角度为0°时,切顶高度为6m、8m、10m的模型。结果表明,切顶高度6m时,采空区侧顶板与留巷顺槽顶板之间仍一定的联系,巷道附近围岩仍存在较大的应力集中;切顶高度为8m和10m时,切顶卸压效果较好,应力集中区远离巷道,巷道附近有明显的卸压区,围岩应力较低,巷道稳定性较好。(3)通过对比分析切顶高度8m切顶角度为10°、15°、20°与切顶高8m切顶角度为0°模拟结果,得出切缝向采空区侧偏转一定角度后,采空区直接顶弯曲下沉过程中不会与巷道顶板岩层产生较大的挤压摩擦阻力。采空区顶板能够沿预裂切缝面顺利垮落形成巷帮,实现沿空留巷。同时,切顶角度增大,巷道上覆岩层悬臂梁结构长度增大,从而造成应力集中峰值增大,应力集中区域向距离实体煤侧巷帮近的地方转移,预留巷道顶板位移增加,巷道变形量大,稳定性较差。所以综合分析模拟结果,得出顶板预裂切顶高度为8 m,切顶角度为15°效果最好。(4)利用UDEC离散元数值分析软件,建立切顶后计算模型,采用分步开挖方式模拟煤炭开采,研究切顶后,随着工作面不断推进,顶板岩层垮落规律。模拟结果显示,随着工作面推进,顶板岩层初次垮落步距在24～28.8m之间,周期垮落步距在14.4～19.2m之间;垮落高度约为8m。随着煤层不断采出,顶板岩层不断垮落,在垮落带之上的岩层裂隙高度不断发育,上覆岩层裂隙发育高度最大值约为34m。(5)根据1102试采工作面切顶卸压沿空留巷工程实际,对预留巷道及工作面矿压进行动态监测,其中包括工作面液压支架工作阻力监测,巷道顶板变形监测、锚杆(索)应力监测等。通过矿压监测及时掌握采场和巷道顶板运动规律,对采场异常来压进行监测预报。通过现场液压工作阻力监测数据分析,得到采场顶板初次来压步距约为23.6m,周期来压步距约为16.2m。