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强冲击大采高工作面关键层周期破断规律研究汇报人：2024-01-28

目录引言强冲击大采高工作面概述关键层周期破断规律理论分析关键层周期破断规律数值模拟研究关键层周期破断规律实验研究关键层周期破断对工作面稳定性影响研究结论与展望CONTENTS

01引言CHAPTER

煤炭是我国主体能源，大采高工作面开采是实现煤炭高效安全开采的重要途径之一。关键层周期破断规律是影响大采高工作面矿压显现、围岩控制及动力灾害防治的重要因素。研究关键层周期破断规律对于揭示大采高工作面矿压显现机理、优化围岩控制技术和预防动力灾害具有重要意义。研究背景和意义

国内外研究现状及发展趋势国内外学者在关键层破断规律方面开展了大量研究，取得了重要进展。目前研究主要集中在关键层破断判据、破断形式、破断步距等方面，但针对强冲击大采高工作面的研究相对较少。未来研究趋势将更加注重多因素耦合作用下关键层破断规律的研究，以及基于大数据和人工智能等技术的预测和预警。

研究内容以强冲击大采高工作面为研究对象，综合运用理论分析、数值模拟、相似模拟和现场实测等方法，系统研究关键层周期破断规律及其影响因素。研究方法采用理论分析揭示关键层周期破断的内在机理；运用数值模拟和相似模拟再现关键层周期破断的动态过程；通过现场实测验证理论分析和数值模拟结果的可靠性。研究内容和方法

02强冲击大采高工作面概述CHAPTER

工作面定义及特点冲击性强受到强烈的矿山压力影响，易发生冲击地压现象。采高大通常采高在3.5米以上，甚至达到5-6米。定义强冲击大采高工作面是指在煤矿开采过程中，采用大采高方法且受到强冲击地压影响的工作区域。地质条件复杂工作面往往处于复杂的地质环境中，如断层、褶曲等构造发育。技术要求高需要采取特殊的技术措施和设备来应对强冲击和大采高的挑战。

定义控制采场矿压显现影响岩层移动维护采场稳定关键层定义及作用关键层是指在采场覆岩结构中，对采场矿压显现和岩层移动起控制作用的岩层。关键层作为覆岩结构中的主承载层，其破断会导致上覆岩层的协同移动和破坏。关键层的存在对采场矿压显现具有重要影响，其破断或失稳会导致采场压力的重新分布和显现。关键层的稳定性对维护采场整体稳定至关重要，其有效控制是防止冲击地压等灾害发生的关键。

现象描述在强冲击大采高工作面中，关键层往往呈现出一种周期性的破断现象。即随着工作面的推进，关键层会周期性地发生破断和失稳，导致采场矿压显现和岩层移动的周期性变化。突发性破断往往发生在短时间内，具有突发性，给采场安全带来严重威胁。联动性关键层的破断往往引起上覆岩层的联动破坏，导致采场矿压显现的复杂化。周期性关键层的破断呈现出明显的周期性特征，与工作面推进速度和开采强度密切相关。周期破断现象描述

03关键层周期破断规律理论分析CHAPTER

03平衡方程与几何方程平衡方程描述物体内部应力分布，几何方程描述应变与位移关系。01弹性力学基本假设物体是连续、均匀、各向同性的，小变形条件下服从胡克定律。02应力与应变关系在弹性范围内，应力与应变成正比，比例常数称为弹性模量。弹性力学基础理论

研究含裂纹体在外力作用下裂纹扩展、失稳断裂的力学规律。断裂力学基本概念裂纹尖端应力场断裂韧性裂纹尖端存在应力集中现象，应力场强度因子K是描述裂纹尖端应力场强弱的物理量。表征材料抵抗裂纹扩展的能力，是材料常数，与裂纹尺寸、形状和加载方式无关。030201断裂力学基础理论

将关键层简化为弹性薄板或梁模型，考虑其自重、上覆岩层压力及采动影响。关键层力学模型基于弹性力学和断裂力学理论，建立关键层周期破断的判据，如应力强度因子达到断裂韧性等。周期破断判据采用数值计算方法如有限元法、边界元法等对关键层力学模型进行求解，得到关键层破断前的应力、应变分布及破断后的形态。数学模型求解关键层周期破断数学模型建立

04关键层周期破断规律数值模拟研究CHAPTER

建立三维数值模型基于FLAC3D等数值模拟软件，构建强冲击大采高工作面的三维模型，包括煤层、顶底板、关键层等结构。设置边界条件根据工作面实际情况，设置模型的边界条件，包括固定边界、自由边界和应力边界等。确定模型参数根据现场地质条件和实验室测试结果，确定模型中各岩层的物理力学参数，如密度、弹性模量、泊松比、抗压强度等。施加开采扰动模拟工作面的开采过程，通过逐步移除煤层单元来施加开采扰动，观察关键层的破断情况。数值模型建立及参数设置

破断形态分析根据模拟结果，分析关键层的破断形态，包括破断位置、破断角、破断块度等特征。应力分布规律研究关键层破断前后的应力分布规律，分析应力集中、应力转移等现象对破断的影响。能量演化规律分析关键层破断过程中的能量演化规律，探讨能量积聚、释放与破断的关系。模拟结果分析与讨论

不同因素对关键层周期破断影响分析采高影响分析开采方式影响分析