煤矿开采引起岩层移动造成地面沉陷与采动覆岩结构的变形破坏密切相关,认清采场上覆岩层的结构及变形垮落特征是预测覆岩运动规律及沉陷发展过程的基础。以往采动覆岩结构研究主要基于结构承载方式的覆岩结构假说和承压层材料特征的板梁结构理论,第一种结构假说重点集中于采空区两侧结构承载形式的分析,对承载区的量化等问题分析较少;第二种板梁结构研究重点集中于采空区上部具有较强承载能力的岩层变形垮落特征,对工作面前方采动影响范围内的结构承载机制及承载方式的分析尚不够明晰,对覆岩结构之间的相互作用关系分析较少,在分析覆岩结构破坏时,未考虑结构支撑体破坏与岩梁垮落时序对覆岩垮落发展趋势的影响。上述问题的研究对矿山压力灾害区及沉陷范围预测具有重要意义。为解决上述问题,建立一种考虑采动影响范围的、特别是能够满足对工作面前方结构状态进行分析的、为覆岩结构承载方式、覆岩结构承载机制、承载区划分等问题提供研究基础的力学结构形式是必要的。因此,本文将“外伸梁”结构理论作为基础力学模型引入到煤矿的覆岩结构分析中,结合矿山实际,以覆岩结构的“关键层理论”和“传递岩梁理论”为基础,分析了回采过程中局部覆岩结构采动影响范围内的结构形式,提出了岩梁翘曲结构。岩梁翘曲结构适用于近水平、构造简单的煤层赋存条件,将岩梁翘曲结构进行分类,分析了岩梁翘曲结构的基本特征,本文从岩梁翘曲结构的承载方式入手,采用理论分析、数值模拟实验、现场实测和煤岩物理力学实验等方法,开展了岩梁翘曲结构承载机制及覆岩变形垮落特征研究。本文论述了岩梁翘曲结构的承载方式以及上下覆岩结构的相互作用关系。通过弹性损伤传递系数建立了岩梁损伤破坏过程和承载作用变化的数量关系,量化了承载区范围,以铁法晓南矿SW4102工作面为实例,进行采动过程的承载区范围计算,并结合现场离层实测数据进行验证。针对覆岩变形问题,分析了岩梁翘曲结构变形特征及作用,结合组合梁理论,分析了岩梁翘曲结构对局部覆岩变形控制机理。通过FLAC3D三维数值模拟分析了典型岩梁翘曲结构和非典型岩梁翘曲结构的承载方式及覆岩变形特征。针对覆岩破坏垮落问题,利用RFPA数值模拟软件模拟了采动覆岩垮落过程,并以岩梁翘曲结构损伤为基础分析了覆岩垮落特征及发展规律;建立了局部覆岩控制层梯形垮落特征方程,并对局部覆岩结构中岩层的垮落时序进行判定;分析了岩梁翘曲结构全梁阶段后部支撑体破坏对覆岩垮落特征的影响,通过承压梁和煤壁塑性软化特征之间的失稳破坏时序,推导了覆岩垮落扩展过程的理论计算公式,揭示了覆岩垮落的扩展过程与各层位全梁阶段岩梁翘曲结构后部支撑体破坏有关。进行了煤岩物理力学实验,获得了覆岩垮落扩展过程的理论计算参数,同样以SW4102工作面为实例进行了覆岩垮落扩展过程的理论计算,通过地表岩移监测数据分析了覆岩运动特征,结合岩移数据对实例计算结果进行分析验证。