煤炭资源开发过程所产生的采动应力是影响采场、巷道围岩稳定性的关键因素,以往对采场、巷道围岩稳定性的研究主要以二维为主,通常将问题简化为平面应力或平面应变问题。随着煤炭开采的技术水平不断提高,越来越多的专家学者意识到,煤炭开采过程中的三维采动应力对煤岩的损伤破坏有着重要的作用,尤其是工作面端部。工作面端部是联系采场和巷道的纽带,既有采场顶板周期性破断导致工作面顶板大面积来压的特点,同时还具有巷道围岩变形严重、超前超前支承压力大和采空区底板底鼓严重等特点,使得工作面端部三维采动应力和煤岩动态损伤的研究尤为重要。因此,本文将从理论分析、现场实测、实验室实验和数值模拟等方面研究岩层走向、倾斜方向和法向三个方向上采动应力动态演化规律和煤岩动态损伤特征,论文主要从以下五个方面开展研究:(1)工作面端部顶板破断模型及端部围岩应力特点根据工作面端部顶板的受力、变形和破坏特征建立工作面端部顶板破断模型,获得端部顶板初次破断前和周期破断前的挠度方程;依据弧长定理和胡克定律求解顶板岩层所受的拉应力;同时以最大拉应力强度准则为顶板破坏判据,确定端部顶板初次破断以和周期破断临界尺寸,分析工作面端部围岩所处的应力特点,同时将工作面端部围岩按受力状态可以分为“双向受压”、“双向受拉”和“一拉一压”区。(2)工作面端部三维采动应力与煤岩损伤现场实测和模拟研究通过对唐安煤矿3313工作面前方实体煤和煤柱三维采动应力进行全周期实时现场监测,同时配合3DEC数值模拟获得三维采动应力动态演化特征,研究表明,随着工作面推进,工作面端部三维采动应力均出现先增加后减小的变化趋势,整体变化趋势相近;通过对在采空区和充填墙体内安装的压力传感器实测数据进行分析,可知工作面端部采空区压力和充填墙体压力均存在阶梯状上升的趋势,进一步证明工作面端部顶板存在周期性破断规律;通过对工作面端部围岩地质雷达信号分析,可以获得工作面端部围岩存在分区破坏破坏特征。(3)基于摩尔库伦准则的煤岩加卸载分区破坏特征研究基于摩尔库伦准则进一步分析“双向受压”、“双向受拉”和“一拉一压”状态下煤岩临界破坏状态的应力特点,同时通过引入时间加权平均加(卸)载速率,进一步分析了煤岩材料破坏与时间加权平均加(卸)载速率之间的关系,并以时间加权平均加(卸)载速率为基础对煤岩材料破坏与否进行了分区;采用FLAC3D对7种不同加载路径下常规三轴数值模拟实验,模拟所获得材料发生破坏时最大主应力峰值与理论计算结果吻合度高达98%;同时又进行7种轴向与径向加载速率之比、4种加载速率条件下常规三轴数值模拟试验,得出只有当轴向和径向加载速率之比处于一定范围时,材料才会发生破坏,加载速率与材料破坏时最大主应力峰值正相关,与最大主应力和最小主应力之比负相关。(4)实验室煤岩基本物理力学参数及声发射响应特征研究在唐安煤矿3313工作面端部选取原煤,制作成标准试件。通过超声波测试实验、单轴压缩实验和巴西劈裂实验获得原煤试件的单轴抗压强度、抗拉强度、泊松比、弹性模量和动弹性模量的基本力学参数;通过发射实验获得原煤试件单轴压缩过程中的生发射响应特征,为校核三维重构模型提供一定的依据;通过X射线衍射实验获得原煤试件内部各个矿物成分及其含量,为三维重构过程中阈值分割提供一定依据。(5)基于CT图像三维重构技术煤岩动态损伤演化特征研究使用工业CT对原煤试件进行扫描获得CT图像,采用三维重构技术提取并重构出原煤试件内部裂隙和矿物成分空间网络,将原煤试件内部裂隙和矿物成分空间网络导入到FLAC3D中进行建模,采用盒子覆盖法分别对原始CT图像和重构后的数值模拟模型进行分形维数计算,检验重构模型的准确性;通过对比重构模型和CT试件单轴压缩过程中的应力应变曲线,进行数值模拟模型参数校核;通过对单轴压缩过程中塑性单元所占比变化情况,建立单轴压缩过程中的动态损伤变量方程;通过对三轴压缩过程中塑性单元所占比例变化特征,初步建立了三轴压缩过程中动态损伤变量方程。