随着浅部煤炭资源的枯竭,矿井开采逐渐向深部延伸,深部矿井煤岩体的力学行为在高地应力、强采动影响等地质条件下趋于复杂,其开采沉陷规律及留设煤柱的时间效应与浅部矿井开采相比有所差异。论文对深部矿井覆岩采动力学响应机制与高地应力下煤柱稳定性的时间效应进行研究,对完善和发展覆岩采动变形数值模拟方法、对留设煤柱尺寸设计、长期稳定性分析及后期煤柱资源回收,具有理论意义和应用价值。以古城煤矿大采深条带开采为工程背景,采用理论分析、现场实测、数值模拟计算等研究方法,结合弹塑性力学理论对课题进行了研究,建立了顾及覆岩采动力学响应的等效数值模型,为深部开采地表沉陷预测提供了一种精细数值模拟方法;分析了深部开采覆岩与地表移动变形机理与规律;明确了深部开采高地应力下条带煤柱稳定性的时间效应。主要工作及成果如下:(1)基于矿区深部及浅部开采的地表移动变形实测资料,对概率积分法参数进行反演,分析了此矿区地质条件下的深部开采地表移动变形规律:随着开采深度的增大,地表移动变形减小且较为平缓、主要影响角正切增大、下沉系数减小、综合移动角增大、综合边界角先增大后减小等特点,得到了划分矿区深部与浅部矿井的临界开采深度,并建立了地表移动角值、概率积分法参数与开采深度之间的关系,为矿区深部开采地表移动参数的选择提供一定依据。(2)针对FLAC3D数值模拟计算过程中岩层力学参数难以准确选取的问题,基于矿区地质条件及实测地表移动变形资料,采用正交试验方法对地表沉陷数值模拟计算中所需的覆岩层力学参数进行了反演与优化,为后续研究提供了可靠的数值力学参数,提高了覆岩与地表沉陷数值模拟计算分析的可靠性。(3)基于岩体力学性质的非均质特性以及采动影响下的覆岩“三带”结构特征,分析了覆岩弹性模量非均质分布影响宏观力学性质、垮落带岩体在上覆岩体压力作用下的压实过程与裂隙带岩体裂隙发育导致弹性模量弱化的力学机制,并在FLAC3D应变软化模型的基础上进行二次开发,分别增加了遵循Weibull分布的弹性模量非均质赋值算法与裂隙带岩体弹性模量弱化算法、结合反演获得的可以反映垮落带岩体压实过程的双屈服模型力学参数,开发形成了一种顾及采动影响下覆岩力学响应的等效数值模型,实现了覆岩弹性模量非均质分布、垮落带岩体压实力学过程及裂隙带岩体弹性模量弱化的等效数值模拟。采用二次开发的等效数值模型对大采深开采进行了模拟,并与实测沉陷数据进行对比,结果表明等效数值模型的计算结果更接近于实测数据,验证了等效模型的可靠性与正确性,为地表沉陷预测提供了一种更加真实精细的数值模拟方法。(4)采用开发的顾及覆岩采动力学响应的等效数值模型,研究裂隙带岩体的力学性质弱化效应,揭示了裂隙带岩体裂隙发育程度对采动覆岩应力场、塑性区发育及侧向煤柱应力分布的影响规律:随着力学性质弱化程度的增大,工作面前方应力峰值增大、塑性区分布范围扩大、煤柱内应力集中峰值增大但集中范围减小并向煤柱深处推移。本文提出的等效数值模型提供了一种可以反映覆岩采动力学响应的更可靠的数值模拟方法,使基于连续介质的地表沉陷数值模拟过程更加合理严谨,其裂隙弱化程度可根据具体的工程地质条件,通过现场实测或理论经验估算得到,在采动影响模拟中,特别是对破裂程度较高的地质条件下的采动数值模拟具有应用价值。(5)运用建立的等效数值模型,对深部条带开采覆岩及地表动态移动变形规律进行分析,得到了深部开采工作面推进过程中覆岩应力场与位移场的动态变化规律,以及开采深度与采动程度对覆岩及地表的动态移动响规律:包括开采深度、采动程度与概率积分法参数、地表移动变形角值之间的规律;不同深度处覆岩应力分布形态、应力峰值点位置以及覆岩垂直位移传递形态的变化规律等。通过等效数值模型获得的深部条带开采覆岩及地表动态移动变形规律与移动实测资料规律一致,进一步验证了提出的等效数值模型的正确性,这些规律对于深入认识深部条带开采覆岩及地表移动变形机理和规律奠定了基础。(6)基于煤岩体的流变特性及反演得到的改进的Burgers蠕变模型的蠕变参数,研究深部矿井留设条带煤柱稳定性的时间效应,以及高地应力对条带煤柱长期稳定性的影响,通过模拟计算掌握了深部条带煤柱内不同位置处的横向变形及应力分布随时间的变化规律、煤柱内塑性区随时间推移的发育深度,结果表明此矿井地质条件下条带煤柱能够保持长期稳定状态。在高应力的作用下,深部矿井条带煤柱蠕变特性较浅部矿井更明显,随着开采深度的增加,煤柱承载上覆岩体重量增大,煤柱内垂直应力增大、横向变形量增大、塑性区向煤柱更深部延伸,煤岩体承载能力降低,煤柱需要更长的时间才能进入长期稳定状态。在相似地质条件下进行建(构)筑物下深井条带煤柱设计、煤柱稳定性分析以及煤柱资源回收时,高地应力对条带煤柱长期稳定性的影响具有应用价值。