煤炭资源的高浪费率、矿井的高事故率以及工人的高死亡率是伴随着煤炭生产的主要问题。采用巷帮充填体代替煤柱的传统沿空留巷虽然取消了煤柱,降低了巷道的掘进率,避免了资源高浪费率,但巷帮充填体存在施工成本高、影响回采速率和应力集中的问题。基于切顶短臂梁理论提出的切顶卸压无煤柱自成巷技术是能够有效解决传统填充式沿空留巷所存在的问题,该技术通过顶板预断裂技术人为设置了直接顶的厚度并切断待留巷道预设断裂面高度范围内顶板与采空区顶板之间的联系,通过恒阻大变形锚索支护有效控制巷道变形,煤层回采后在采动矿山压力的作用下采空区预设断裂面高度范围的直接顶能够自动垮落形成巷帮,并在岩石自身碎胀的作用下及时充满采空区并对顶板形成有效的支撑。切顶卸压无煤柱自成巷技术真正实现了沿空留巷过程中的无煤无柱开采,目前在国内得到广泛的推广和应用。本文在现有切顶卸压无煤柱自成巷技术理论基础上,以成煤地层中层状岩体为研究背景,以待留巷道上部的直接顶“短臂梁”为主要研究对象,采用理论分析、数值计算、模型实验和现场试验相结合的方法研究强弱直接顶条件下”短臂梁”工作原理、直接顶”短臂梁”和上部基本顶叠加共同承载和运动规律以及层状顶板运动中对待留巷道实体帮和矸石帮侧围岩的影响规律。系统分析了切顶成巷“短臂梁”效应的原理、控制技术和应用方式。首先通过分析长壁开采过程中顶板运动规律,研究了不同的直接顶、基本顶和煤层开采厚度对顶板运动规律的影响。从顶板预断裂技术能够人为设置直接顶厚度,促使直接顶垮落后在碎胀性作用下有效填充采空区限制基本顶下沉,在切顶附近卸载压力减少动压影响的角度分析切顶”短臂梁”效应;介绍了利用切顶”短臂梁”效应切顶留巷和切顶护巷两种工程应用形式;系统分析了形成切顶”短臂梁”效应的顶板预断裂关键技术和切顶留巷中利用”短臂梁”效应维护待留巷道稳定的围岩控制关键技术。建立了叠加简支梁铰接结构和叠合短臂梁铰接结构模型,并对两模型的稳定性进行了分析。基于低强度弱连接直接顶不能与基本顶协同工作状态建立了叠加简支梁铰接结构模型,基于高强度强连接直接顶能够与基本顶协同工作状态建立了叠合短臂梁铰接结构模型,并对两种结构模型的受力和稳定性进行了分析;基于结构力学变形协调的力法原理,利用两个广义位移梁的Timoshenko梁理论变形计算方法,分析了直接顶”短臂梁”的稳定性,建立了考虑变形协调的恒阻锚索的支护力确定方法;建立了不同实体煤帮破坏形式下顶板的断裂破坏位置确定方法;分析了不同直接顶强度下矸石帮的挤压下沉力学模型和挡矸结构的稳定性分析方法。采用相似材料物理模型实验的方法开展了层状岩体坚硬顶板切顶成巷顶板运动规律研究。以五轮山煤矿1809工作面为工程背景,进行了岩体、锚杆（索）、单体临时支护以及挡矸支护的相似材料设计,研究从巷道开挖至留巷成功的切顶留巷的整个过程中顶板运动和应力分布规律;通过改变模型的采出厚度研究了强弱直接顶条件下顶板下沉量下对留巷围岩运动的影响,通过改变顶板断裂面的高度研究不同切缝高度对留巷围岩运动的影响。实验中采用的监测方式有图像采集、位移监测和压力监测;监测结果表明:坚硬顶板中能够形成明显的叠合短臂梁铰接结构,采空区的垮落单元体分为明显的垮落压密区和垮落非压密区。变形和压力分布随着荷载和采出厚度等条件的变化而产生规律性变化。以层状顶板为研究对象通过数值模拟研究了顶板预裂对强弱直接顶巷道围岩运动规律影响。结果表明:强弱直接顶条件在顶板预断裂状态均表现出明显的切顶卸压效应。以不同采厚控制基本顶的下沉量角度对坚硬和软弱直接顶条件下不同采厚对顶板断裂和运动规律影响进行了数值模拟研究。结果表明:坚硬直接顶条件下形成了叠合短臂梁铰接承载结构,而软弱直接顶条件下形成了叠加简支梁铰接模型;软弱直接顶形成的组合结构对上覆岩层的断裂垮落基本没有影响,上覆岩层的断裂区形状成对称分布;而坚硬直接顶形成的承载结构对上覆岩层的垮落有明显影响,在预断裂面的外侧形成了明显的顶板预断裂影响区。通过等效压缩模量方法对不同矸石压缩量层状岩体围岩运动特征进行数值模拟研究。结果表明:坚硬和软弱直接顶条件的上覆岩层均在采空区上部形成承载拱结构对采空区的矸石具有一定的卸压作用,而在实体帮侧上部会产生应力集中效应。在相同矸石压缩模量条件下坚硬直接顶的卸压作用要优于软弱直接顶,而应力集中系数要小于软弱直接顶,但应力集中区的分布范围要大于软弱直接顶。选取埋深大致相同的坚硬和软弱两种直接顶形式工程进行切顶留巷现场工业试验。试验结果表明:利用考虑变形协调条件设计的恒阻锚索能够有效控制两种顶板结构条件下直接顶的变形;坚硬直接顶巷道上部直接顶和基本顶之间基本不产生离层,以整体协同承载的方式整体变形,顶板的旋转变形量和下沉变形量较小,而软弱直接顶巷道上部直接顶和基本顶之间在留巷过程中产生较大的离层,巷道上部基本顶产生较大的刚体旋转变形,与直接顶短臂梁不能协同承载,顶板的旋转变形量和下沉变形量相对较大;坚硬直接顶巷道帮部向巷内的移进变形较小,而软弱直接顶巷道帮部变形量较大;坚硬直接顶的巷道矸石帮的移近变形量和挡矸的压力均小于软弱直接顶的相应值。