我国西北部地区富含大量埋深在50~150m的浅埋煤层,其典型特征是浅埋深、薄基岩和上覆厚松散砂层。煤层开采过程中,工作面顶板往往难以形成稳定的“砌体梁”式结构,在大采高、高速推进和长壁工作面的高强度开采过程中顶板易出现台阶下沉,常常造成顶板沿煤壁的全厚切落,矿压显现更加强烈且更加复杂。导致支架“被压死”或形成涌水溃砂通道,给煤矿安全带来诸多隐患。如何确保浅埋煤层开采的安全,减少切顶压架事故,是目前煤炭工业发展亟待解决的难题之一。因此,针对浅埋煤层开采过程中的矿压规律进行深入研究,揭示我国西部煤炭高强度开采下大范围顶板切落压架机理,分析支架工作阻力的适应性,具有重要的理论和实际意义。论文综合采用理论分析、数值模拟、物理试验等手段,针对浅埋煤层高强度开采过程中大面积顶板切落压架灾害发生机理及影响因素,工作面支架与围岩相互作用关系及工作面矿压显现规律等进行了深入研究。首先应用突变理论分析方法研究了浅埋煤层大范围顶板切落压架的形成机理,分析了顶板切落压架发生的条件和主要影响因素,解释了切顶压架形成的一般过程,将由围岩-支架组成的系统的突变失稳看作一个动静荷载联合作用的过程,分析了动静荷载作用下支架的工作阻力的计算方法;根据顶板岩体内的节理、裂隙和小规模断层等决定岩层破断来压的实际情况,应用断裂力学理论,建立了含中心斜裂纹的基本顶岩梁破断的力学模型,推导了顶板岩梁裂纹尖端的应力强度因子表达式及周期来压步距和支架工作阻力计算式,揭示了顶板破断造成切落压架的力学机制,采用薄板理论和断裂力学分析方法解释了高强度开采下长壁工作面顶板垮落所具有的局部、分段和迁移的时空特征;通过数值模拟方法研究了大采高、高速推进条件下浅埋煤层工作面矿压显现的一般规律;结合断裂力学分析结果,采用相似材料模拟方法,再现了浅埋煤层开采过程中含不同倾角的主控裂纹顶板在采动作用下裂纹扩展、贯通直至切落的全过程,分析了工作面推进过程中的支承压力、顶板位移、主控裂纹应力和支架工作阻力变化规律。本文的主要结论具体如下:(1)建立了大面积顶板切落压架机理的力学分析模型,研究了模型失稳的主要条件,揭示了切顶事故发生的一般过程。针对浅埋煤层开采周期来压过程中顶板沿煤壁台阶下沉导致顶板切落压架的实际情况,以直接顶为研究对象,根据直接顶岩体在支承压力作用下破坏失稳的非线性变化特征,建立了由基本顶-直接顶-支架-矸石组成的系统力学模型。利用突变理论研究了荷载作用下系统的失稳机制,导出了系统失稳的充要条件表达式及直接顶岩体的变形突跳量的表达式。指出分叉集方程是导致系统突跳失稳的充分条件,而只有当系统控制变量p≤0,即支架刚度与直接顶岩体应力应变曲线在拐点处的斜率之比K≤1时是系统失稳的必要条件,刚度比K只与系统内部特性相关,因此材料的性质是系统发生突变的必要条件。在直接顶岩体结构材料参数一定时,支架刚度k1对控制系统失稳有决定性作用,因此在合理范围内增加支架刚度对顶板稳定具有重要作用。当支架刚度一定时,直接顶岩体越完整,刚度越大,其弹性模量越大,刚度比K越小,系统越容易失稳;直接顶岩体越破碎,刚度越小,刚度比K越大,系统也越稳定。通过对系统失稳充要条件的分析表明,系统是否失稳除与其内部特性相关,还与所受载荷及基本顶周期来压步距相关。为深入分析系统突变失稳过程中顶板的全位移量a和能量释放量△V的主要影响因素,结合神东矿区大柳塔煤矿1203工作面工程地质情况,对其主要参数进行分析。最后结合工程实例,验证了理论推导的合理性。研究了切顶过程发生时支架所受荷载的确定方法,将由围岩-支架组成的系统的突变失稳看作一个动静荷载联合作用的过程,指出支架受力一个是由静荷载作用到动荷载作用的过程,应用岩石动力学相关分析方法,导出了支架荷载的计算公式。对于揭示浅埋煤层顶板的失稳切落机制、研究切顶时支架荷载的大小具有积极的意义。利用理论分析结果,对具体工作面的切顶压架事故进行了计算分析,计算结果证明支架支护阻力过小,不能满足支护要求,从而造成了切顶压架事故,证明了理论推导的合理性,可为工程实践提供理论指导。应用RFPA数值模拟软件再现了工作面推进过程中顶板沿煤壁切落灾害发生的一般过程。(2)结合浅埋煤层高强度开采下基本顶易形成“悬臂梁”结构破断回转切落的实际情况,根据顶板岩体中的主控裂纹对岩梁的破断起到关键性作用的特征,将顶板岩体视为含中心斜裂纹的悬臂梁,应用断裂力学理论,建立了含中心斜裂纹的顶板岩梁破断的力学模型,揭示了含节理、断层等缺陷的顶板破断造成切落压架的力学机制。首先将基本顶岩梁视为带中心斜裂纹的有限板模型,根据基本顶岩梁受复杂的复合型荷载特征,将裂纹的应力强度因子分解成拉应力、剪应力和弯矩作用下的简单的荷载模型进行综合考虑,将三种简单应力下的应力强度因子叠加计算得到了岩梁斜裂纹尖端的应力强度因子。指出裂纹间端的应力强度因子主要与裂纹倾角、裂纹的长度和岩梁的厚度有直接关系,裂纹长度越大,顶板越容易破断,随着裂纹倾角β的增大,KI先增大后减小,在与岩梁夹角达到90°时KI达到最大,此后逐渐减小,KII随着裂纹倾角β的增大逐渐增大,当与岩梁夹角达到45°时KI达到最大,此后逐渐减小。进一步推导得到了基本顶的周期来压步距和支架工作阻力的计算式。通过分析基本顶断裂步距l表达式中各参数变化时断裂步距的相应变化的规律可知,裂纹倾角β在0~180°之间变化时,断裂步距l的先减小后增大变化趋势成对称分布;断裂步距l随着断裂韧性Kc、支架工作阻力Q、水平挤压力T的增大而增大;随着上覆岩层荷载q的增大而减小。利用支架工作阻力的表达式计算了具体工作面支架的工作阻力,证明工作面所选用的支架满足支撑要求,可为工程实践提供相应的理论指导。应用弹性力学中的薄板理论和断裂力学分析方法,结合煤层开采过程中的顶板多含节理、裂隙、甚至小规模断层的地质特征,利用弹性力学中的薄板理论建立了裂纹板力学模型,根据周期来压过程中长壁工作面方向上顶板的来压规律,将弹性薄板在工作面推进过程中的失稳破坏过程分为裂纹扩展、塑性铰失效和铰接板失稳三个阶段,对各阶段的发生、发展进行了力学分析,从理论上解释了工作面长度方向上顶板垮落及来压规律,结合工程实践对理论分析结果进行了验证。(3)研究了浅埋煤层高强度开采下工作面矿压显现规律。应用UDEC模拟软件,基于神东矿区大柳塔煤矿1230工作面煤层的赋存条件和开采技术,对工作面不同推进速度和采高条件下的顶板矿压显现及岩层切落时的矿压显现规律进行了数值模拟分析,指出随着工作面采高的增大,上覆岩层难以形成稳定的自承式结构,垮落的岩体不足以支撑上覆岩层,往往以“悬臂梁”结构形式存在,顶板更容易垮落进采空区,来压步距减小,矿压不断增大;随着工作面推进速度的增大,顶板周期来压和初次来压步距增大,垮落的矸石碎涨系数较小,使顶板来压时的矿压增大。采高增大,顶板发生切落的步长不断减小,但是随着工作面推进速度的增大,顶板切顶的步长不断增大,可见,增大采高,不利于顶板稳定容易诱发顶板事故,而增大推进速度,容易使支架迅速通过“高压区”,有利于安全。(4)在中心斜裂纹顶板岩梁破断的力学模型分析的基础上,应用相似材料模拟试验方法,针对实际工程中含主控裂纹顶板在工作面推进过程中,主控裂纹扩展造成切顶灾害的一般规律进行相似材料模拟试验研究。首先总结了试验过程中工作面推进时顶板来压的一般规律,分析了大采高过程中顶板易形成“悬臂梁”结构垮落到采空区的特征,对工作面过主控裂纹顶板来压时裂纹的活化、扩展、贯通、切顶线形成直至覆岩切落的全过程进行了系统的描述,对比了不同倾角顶板覆岩的垮落特征。指出工作面过主控裂纹1时,顶板形成倾覆式切落特征,荷载主要作用在支架后方,覆岩垮落到采空区;工作面过主控裂纹2时,覆岩易沿切顶线形成滑移式切落,覆岩荷载作用在支架前端,易压坏支架。分析顶板监测点的垂直位移量可知,由于采高较大,工作面推进过程中均造成了上覆岩层明显的竖向位移变化;工作面过主控裂纹时,由于上覆岩层的大范围垮落,两主控裂纹附近顶板的下沉量均急剧增大,切顶时主控裂纹1的顶板最大下沉量大于过主控裂纹2的下沉量。由工作面支承压力分析结果可知,主控裂纹2与主控裂纹1相比,其支承应力值偏大,这主要是与裂纹的赋存和失稳情况相关,从试验过程来看主控裂纹2失稳时切落的岩体体积要大于主控裂纹1。使用自制支架监测了工作面来压过程中的支架工作阻力变化,过主控裂纹1时支架工作阻力比正常来压时增大了33%,过主控裂纹2时与周期来压时相比增幅达到了64%。由工作面过两条主控裂纹时的顶板切落的应力特征可知,裂纹的倾角对于切顶线的形成有重要的影响,当主控裂纹倾角增大时,上覆岩层裂隙贯通后形成的垮落岩体量也随之增大,顶板的剪切破坏特征越明显,切顶发生时使支架的荷载值也随之增大。