高效膏体充填工作面覆岩控制研究是一项复杂的系统工程,其涉及到开采、充填、支护、沉陷、安全等方面,目前尚无一套完整的从理论设计到生产实践一整套关联度较高的解决方案。本文在前人研究的基础上,采用实地调研、实验室实验、理论分析、MATLAB计算机编程分析、数值模拟和工程实践相结合的综合研究手段,针对当前煤矿膏体充填产能偏低、充填成本偏高问题,以潞安地区建筑物下3#煤层开采为研究对象,对膏体充填工作面覆岩控制展开了一系列研究,是实现煤矿生产可持续发展的重要方向,取得的主要成果如下:(1)高效膏体充填工作面岩层控制研究。目前我国部分煤矿已经开展了取消隔离班和凝固班的大采高高效膏体充填的工业性实践,但是对其理论研究还没有跟上生产实践的步伐。针对膏体充填采煤面支架、充填体与直接顶和下位基本顶相互作用机理,分别建立开采前阶段、试采试充阶段、开采充填阶段膏体充填工作面岩层控制力学模型,通过Matlab编程分析,将复杂载荷作用下超静定梁弯曲变形问题转化为分段独立一体化积分法进行求解并推导,得出相关参数的解析表达式,同时建立充填体单元强度随时间变化的顶板岩梁破坏的失稳判别分析程序方法,膏体充填工作面岩层控制理论是支架选型、充填体性能、充填工艺、地表沉陷等的理论基础和依据。(2)算例分析与数值模拟优化研究。根据膏体充填工作面岩层控制理论,通过算例分析,研究了不同充填步距、液压支架载荷对开采充填设计的影响;在理论建立充填体单元强度随时间变化的顶板岩梁破坏的失稳判别分析程序方法的基础上,通过模拟研究,建立了考虑充填体强度变化过程的数值计算模型,对不同采高、不同充采循环、不同充填率进行了优化分析,为数值计算奠定了基础。(3)膏体充填工作面复合支撑系统研究。在“充填体+承重岩层+煤柱”协作支撑系统基础上,提出了“充填体+承重岩层+巷道+煤柱”复合支撑系统概念;针对切眼沿顶掘进巷道,提出了大断面桁架锚杆支护方案设计,并进行了理论推导、模拟实验,表明巷道能够有效控制顶板下沉量,维护巷道的稳定;对“充填体+承重岩层+巷道+煤柱”复合支撑系统稳定性进行分析表明,要保证控制充填前顶板下沉量在100mm以内,充填率在90%以上、压实度大于0.8才能有效的维护复合支撑系统的稳定和减小地表沉陷现象的发生。(4)膏体充填开采地表沉陷关键因素的影响研究。将开采引起的采空区空隙的再扩散问题利用空隙量守恒定律去解决,总结了膏体充填的空隙量守恒定律相关公式;通过构建膏体充填开采地表沉陷稳定性的模糊可拓模型,得到了覆岩结构、充填前顶板下沉量、欠接顶量、充填体强度、充填工艺这5类是控制地表沉陷的关键因素,并给出了优化措施;根据关键因素的失效程度建立了非稳定、稳定状态下膏体充填开采地表沉陷模型并进行了分析验证;针对高河能源展开了膏体充填地表沉陷预计和分析,结果表明,地表建筑物可以在开采充填期间及以后正常使用,不会有不安全因素的产生。(5)工程应用。展开了对膏体充填试验区上覆岩层组合结构调查取样和实验分析,膏体充填试验区地表建构筑物分布及其抗变形性能调查与分析等充填开采系统基本条件调研等工作;通过经济成本核算,膏体充填开采每年可给高河能源创造约6180万元利润并可产生较大的社会效益,在整个山西都有重要的示范效应。该论文有图100幅,表21个,参考文献165篇。