在煤层开采过程,工作面顶板发生准周期性破断,故顶板属于典型的时变边界结构。由于破断位置事先未知,而且破断后顶板位形的连通性也与初始状态完全不同,故开采过程中顶板破断行为超出了传统固体力学的研究范围。顶板的破断过程伴随着声发射活动,声发射技术是研究采场顶板破断行为的有效手段。由于采矿工程领域中时变边界问题普遍存在,环境保护和矿井灾害防治对时变边界系统的研究提出迫切要求。本文通过物理模拟研究采场顶板的破断过程,并利用声发射技术确定破断面位置和破断时间,深入研究采场顶板的破断规律。通过研究,取得如下创新性成果:(1)通过岩石声发射试验,得到了试验机刚度和加载速率对声发射信号参数影响的规律。(2)在分析采场顶板约束条件、受力条件、边界变化特征和破断过程的基础上,设计了一套岩层破断边界时变声发射试验系统,为研究顶板边界时变破断行为提供了试验手段。(3)利用解除约束的方法实现顶板边界的变化,引入压力变化因子表征顶板底部约束解除的范围。建立了顶板破断位置、破断时间和压力变化因子的关系,得到了煤层原岩应力对破断面形成时间、破断面间距、释放能量的影响规律。(4)通过不同载荷条件下的顶板破断过程的声发射试验,利用声发射图像诊断技术,分析了顶板岩层的破断方式,得到顶板岩层从脆性断裂转换为韧性断裂的规律。(5)将图像诊断技术应用于声发射信号参数分析,提出顶板岩层破断面的声发射图像诊断定位方法。(6)通过顶板岩层的声发射图像诊断定位试验,精确地确定了时变边界岩层的各个破断面区域和破断时间。