冲击地压具有突然性、难预测性和巨大破坏性,是矿井典型的煤岩动力灾害之一。近直立煤层是在强烈地壳运动下形成的特殊煤层赋存状态,煤层及顶底板岩层强度高,厚度大,容易积聚大量弹性能,采深较浅时便发生强烈矿压显现。近年来,近直立特厚煤层矿井发生了多起冲击地压灾害事故,严重威胁矿井安全生产。因此,研究近直立特厚煤层冲击地压机理和相应的预警防治技术,是当前类似地质条件矿井亟待解决的重大安全问题。为此,本论文采用实验室试验、数值模拟、理论计算和工程实践等方法,对近直立特厚煤组联合开采岩柱破断致冲机理进行研究。论文取得的主要结论和成果如下:1)分析了近直立特厚煤组联合开采岩柱破断冲击特征。通过近直立特厚煤组水平分段联合开采物理相似模拟试验,得到了近直立特厚煤组中间岩柱应力演化规律、岩层破断特征和煤岩层破裂声发射信号。岩柱应力分布为明显的悬臂梁应力状态,随着采深增加,岩柱应力集中值和集中范围不断增大,并在破断前达到峰值。上、下煤组每一分段开采,均对岩柱产生一定的损伤影响,岩柱损伤位置与上、下煤组开采分段位置一致。岩柱破断前夕,破断位置附近会产生应力集中,并释放大量微破裂能量。岩层破断时将释放强烈的冲击震动,并导致矿井煤岩结构发生大范围破坏。2)研究了近直立特厚煤组联合开采煤岩层应力演化规律。采用3DEC数值模拟软件,建立了65°、70°、75°、80°和85°五个煤层角度的近直立特厚煤组联合开采三维模型,对近直立特厚煤组水平分段联合开采过程中煤岩层应力演化和覆岩破断规律进行了模拟研究。模拟结果表明,上煤组开采过程中,顶板垮冒范围随着采深增加而不断扩大。上煤组顶板岩层的应力变化主要由上煤组回采导致,而煤组中间岩柱的应力变化主要由下煤组回采导致。上煤组顶板岩层和煤组中间岩柱应力随着煤层回采而持续增加,其破断均由局部岩体应力达到抗拉强度破坏所致,但其破断前,上煤组顶板岩层和煤组中间岩柱最大压应力也均达到了抗压强度的80%以上。煤层应力变化表现为上煤组开采后,下煤组垂直应力得到释放,而工作面所在分段煤体和下分段煤体水平应力值增加并产生应力集中,其中煤体水平应力值增长主要由工作面采动影响导致。上、下煤组水平应力升高倾向范围为工作面所在分段和下分段(即工作面上下25 m范围内),上煤组水平应力升高走向范围为工作面前方80 m～115 m,下煤组水平应力升高走向范围为工作面前方70 m～95 m。3)揭示了近直立特厚煤组联合开采岩柱破断致冲机理。煤组中间岩柱大面积悬倾,发生弯曲变形,自身会在开采分段附近形成应力集中区,并分别对上、下煤组产生“撬动”和“挤压”作用,造成煤体水平应力增大。由于煤体已处于高应力状态,岩柱破断时释放高能量冲击震动,将诱发采掘空间围岩冲击破坏。采用弹性理论,推导了岩柱破断条件和破断冲击弹性能量计算公式。岩柱倾角α越大,岩柱破断范围走向长度b也随之增大,岩柱破断时机则越滞后。岩柱破断时释放的冲击弹性能量V_ε随倾角α的增大而降低,且破断发生在第三分段和第四分段开采过程中。第三分段开采时(a=75 m),岩柱破断能量值为1.027×10~9 J×10~9 J～1.385×10~9 J,第四分段开采时(a=100 m),岩柱破断能量为4.698×10~9 J～6.645×10~9 J,能量值均大于1×10~9 J。因此,煤组中间岩柱破断是导致矿井严重冲击破坏最主要诱因。4)依据煤岩体加载过程中声发射能量释放规律,建立了煤岩体能量释放规律预测模型。通过煤岩试件力学加载试验和声发射监测,得到了煤岩试件加载应力与声发射能量释放规律对应关系。根据质点力学理论,确定了煤岩体质点单元“强度-体积密度”计算关系式,建立了煤岩体能量释放规律预测模型。依据声发射能量监测数据,结合能量释放规律预测模型,量化研究了煤岩体能量释放规律。结果表明,煤岩体冲击能量值不仅与材料宏观力学性能有关,也与材料内部质点单元强度分布特性有关。采用能量释放规律预测模型预测了组合煤岩试件的能量释放规律,通过对比组合煤岩试件声发射能量实测值,验证了预测模型的合理性。煤岩体能量释放规律预测模型建立了“加载应力-煤岩体破裂-破裂能量”之间的量化对应关系,揭示了煤岩体破裂能量与载荷之间的动态演化机制,可为近直立煤层组联合开采冲击预警方法的研究和制定提供理论基础。5)提出了近直立特厚煤组联合开采冲击预警方法,预警方法包括煤岩层区域冲击微震监测预警和工作面前方煤体局部冲击地音监测预警。分析了岩体能量释放速率与加载应力之间的对应变化关系,结果表明:相对于加载应力,岩体冲击破坏前夕,能量释放速率增加更显著,破坏预警特征更明显。因此,根据加载能量释放速率,可更加准确的判断煤岩体破坏前应力状态并预警其冲击破坏。基于此思路,根据煤岩体能量释放规律预测模型,建立了煤岩体能量释放速率和加载应力的对应关系式,并进一步分别计算了煤层和岩层的区域微震能量冲击预警值。此外,针对工作面前方煤体在采动影响下发生的局部冲击,通过分析煤体局部冲击破坏的地音信号特征,统计了煤体冲击破坏前高能量地音信号发生频率,进而确定了工作面前方煤体局部冲击地音监测预警条件。6)提出了近直立特厚煤组联合开采冲击地压防治技术,防治技术包括岩层深孔爆破预裂技术和煤层注水弱化技术。岩层深孔爆破预裂防冲技术旨在使岩层形成破碎带,以消除岩层应力集中,并降低冲击动载对巷道和工作面的影响。但由于坚硬岩层(特别是煤组中间岩柱)对覆岩结构稳定起到关键作用,爆破预裂不应破坏坚硬岩层对采掘空间的支撑作用。基于上述考虑,分别设计了上煤组B3-6煤层顶板和煤组中间岩柱的深孔预裂防冲方案。根据煤组中间岩柱破断冲击弹性能量计算公式,验算了岩柱实施预裂方案后的破断冲击弹性能量,计算结果表明,预裂后的岩柱破断时释放冲击弹性能量为2.616×10~5 J,预裂方案有效降低了岩柱能量积聚。煤层注水弱化方案也同样需要在降低煤层强度和应力集中区范围以避免冲击破坏的同时,保证采煤工作面和煤层巷道围岩稳定。为此,制定了煤层局部注水弱化防冲方案,每分段注水弱化范围为开采分段煤体上半部分。上述冲击地压防治技术方案有效降低了煤岩体应力集中和能量积聚,使微震能量和地音能量监测值始终处于较低水平,且巷道围岩完整性较好,巷道变形量并未发生较大变化。因此,岩层深孔爆破预裂技术和煤层注水弱化技术降低了煤岩体冲击地压发生的风险,保证了采掘空间结构稳定。该论文有图112幅,表16个,参考文献167篇。