近年来,随着采煤技术的不断进步,我国煤矿厚煤层开采普遍推广应用综采放顶煤技术。综放开采一次采出厚度大,采动应力集中,影响地层范围大,因此对综放沿空巷道围岩稳定性及支护要求更高。现有的对综放沿空巷道稳定性及支护机理的研究仍停留在牛顿确定论水平,事实上,综放沿空巷道围岩运动具有明显的非线性动力学特征。 本文以南屯煤矿为原型,首先对综放沿空巷道围岩运动进行离散元数值模拟分析,从巷道顶板下沉量、煤柱表面水平位移、顶板水平应力、煤柱垂直应力、煤柱水平应力和围岩破坏区域等方面对不同煤柱尺寸和支护条件下的巷道稳定性进行分析,得到以下结论:煤柱尺寸及支护条件的改变对综放沿空巷道围岩的位移、应力和破坏区域有较大影响;随着煤柱尺寸的增大,巷道所处应力环境由低应力区向支承应力峰值区再向原岩应力区转变;锚杆支护可以有效的减弱巷道围岩应力的波动范围及波动程度;表征巷道稳定性特征的数据是随时间变化的时间序列,该时间序列具有典型的非线性的特征。其次,利用数值模拟采集得到的数据,对各时间序列进行功率谱分析、分数维提取和最大Lyapunov指数计算;极小煤柱尺寸和巷道位于支承应力峰值区域时的功率谱具有连续、噪声背景和宽峰特征;各组数据计算得到的分维数均为分数;利用计算得到的关联维数,确定出描述系统动力学状态的变量个数为3,选取了顶板水平应力、煤柱垂直应力和煤柱水平应力作为描述系统动力学性态的3个变量;通过功率谱分析和最大Lyapunov指数值计算,得到随煤柱尺寸增大和支护条件的改善,综放沿空巷道围岩系统动力学性态将由混沌运动向定常运动转变,煤柱尺寸3m是发生这一转变的拐点这一结论。最后,提出了根据现场实测数据运用功率谱分析和最大Lyapunov指数值的综放沿空巷道稳定性的非线性动力学评价方法。