多煤层开采矿井,随着上部煤层的逐渐采空,遗留下了各种各样的残留煤柱,在原岩应力场和采动应力场的相互影响下,对底板岩层产生损伤破坏,下部煤层尤其是极近距离和近距离煤层开采面临难题。为此,本论文选取反映岩石材料拉伸破坏和剪破坏的最大主应力和最大剪应力为评价指标,并辅以底板岩层中垂直应力和水平应力的分布状态描述,考虑围岩岩性状况(围岩岩性、煤层倾角和间距)、围岩应力状况(岩层侧压系数和煤层深度)和人为影响因素(煤柱宽度和煤层采高)的影响,采用无量纲化应力的研究手段,通过理论分析、实验室测试、数值模拟和工程验证的方法,结合提出的“应力临界线”和“间深比”概念,研究了多煤层开采煤柱下底板岩层的应力分布规律。研究成果不仅具有重要的理论意义,而且具有重要的工程应用价值。具体成果如下:(1)现场调研了Integra Underground Mine煤矿多煤层开采的地质力学状况,提取了研究底板岩层应力分布特征的相关地质力学资料;取样进行实验室力学性能测试,得到了该矿岩石力学参数。(2)视煤岩体为弹性介质,建立了是否考虑采空区垮落顶板对底板岩层损伤破坏的两种模型,推导了两模型中底板分别为单一岩层和多层岩层时任一点的应力公式;辅以数值模拟对比分析,发现不考虑采空区垮落顶板的模型中,顶板覆岩重量完全由煤柱承担,导致底板应力集中区影响过大,不符合工程实践,因此,采空区垮落顶板对底板岩层的损伤破坏是研究煤柱下底板岩层应力分布不可或缺的影响因素,但采空区垮落顶板对底板岩层的应力集中梯度影响远小于荷载煤柱的影响,因此,煤柱底板应力分布规律研究应以煤柱对底板岩层的损伤破坏为主,以采空区垮落顶板的影响为辅。(3)基于无量纲化的应力集中系数,提出“应力临界线”概念,得到煤柱下垂直应力、水平应力、最大主应力和最大剪应力的应力临界线分布分别呈“纺锤形”、“共轭犄角形”、“双耳鼎形”和“葫芦形”。(4)数值模拟详细研究了煤柱下底板岩层岩性,煤层倾角和岩层侧压系数三个因素对底板应力分布演化的影响,得到了层状岩体的界面效应,用于解释煤层巷道顶底板应力集中现象,指导岩石巷道层位优化选择;发现45°岩层倾角具有特殊性,垂直应力、最大主/剪应力的最大应力集中系数值以45°为界,当倾角增大或者减小时,最大应力集中系数都会增大;侧压系数的变化对岩性较强的岩层产生的影响大于岩性较弱的岩层,高侧压系数会对采动影响产生抑制作用。(5)通过叠加煤柱下底板岩层垂直应力、水平应力、最大主/剪应力的应力集中区,得到底板应力分区模型,分析了各分区的应力集中情况和破坏形式,给出了多煤层开采分类中极近距离煤层开采、近距离煤层开采、单一煤层开采的判据。(6)提出煤层“间深比”概念,以最大主/剪应力临界线为评价指标,得出以-ln(间深比)为判据的多煤层开采分类,与底板岩层分区模型的判据基本吻合;考虑底板岩层为不同岩性,拟合出煤层间深比和煤柱宽高比与下部煤层回采巷道最佳布置位置的函数方程,同时给出函数方程优化巷道位置的步骤,采用数值模拟验证了函数方程准确有效。(7)研究成果成功应用于Integra Underground Mine煤矿多煤层开的Middle Liddell煤层、Lower Liddell煤层和Hebden煤层。