对于充填法治理采空区,国内外主要就全部充填和部分充填等两个方面来展开研究,部分充填法根据充填位置的不同又可细分为采空区膏体条带充填、覆岩离层分区隔离注浆充填、条带开采冒落区注浆充填等三种。全充式采空区治理法虽然充填工艺简单、效果显著,但存在吨煤充填成本高、充填材料消耗严重等问题难以大面积推广;而上述部分充填法又因工艺复杂、充填效果不佳而饱受诟病。本论文提出“墩式连拱”充填支护结构,即:通过在地表打钻孔向采空区注射充填注浆材料,使采空区碎矸石胶结凝固在一起,并充满离层(离层注浆),形成两个或多个类“墩”状结构,该结构由于一直充填至关键层处,与关键层共同组成“墩式连拱”稳定结构,维护地表层不再发生新的沉降作用。首先在现场观测和相似材料模拟试验的基础上,深入分析采空区覆岩破断演化机理;其次,针对目前采空区充填的盲目性、不精确性的特点,提出“采用采空区地表打孔注浆,形成充填墩柱,墩柱与采空区覆岩关键层之间形成‘墩式连拱’稳定结构,共同维护地表稳定”的思想,从力学角度分析“墩式连拱”充填支护结构作用机理,推导支护载荷计算公式。最后,基于FLAC3D数值模拟对所提出的“墩式连拱”充填法进行模拟验证,主要得出以下结论:(1)结合现场矿压监测数据,并根据高家梁矿井煤层地质条件,设计相似材料模拟试验,对工作面推采过后采空区覆岩运动规律及顶板破断特征进行研究,提出浅埋煤层覆岩断裂线呈“上曲下直”形态,揭示采空区覆岩破断演化机理。(2)针对传统全部充填式和部分充填式两种采空区治理方法存在的缺陷,提出一种全新的充填治理采空区方式,建立充填墩柱与关键层之间形成的“墩式连拱”充填支护模型,并对其展开力学分析,计算墩柱支护载荷,探求墩柱尺寸与强度之间关系。(3)通过数值模拟对“墩式连拱”充填支护模型进行验证,得到充填效果与充填密度之间关系,结合相似材料模拟试验,通过模型监测地表沉降量对“墩式连拱”结构的减沉效果展开评价。(4)根据现场工业性试验,充填前后工作面覆岩裂隙带发育规律及关键层下离层区沉降情况,结合理论计算及现场地表观测,进一步说明“墩式连拱”充填效果。