大倾角煤层是指倾角为35°～55°的煤层,约占我国煤炭探明储量的20%,且其半数以上为优质焦煤和无烟煤。在大倾角工作面开采时,工作面“支架-围岩”系统复杂,易产生灾变,影响工作面安全高效生产。研究大倾角煤层长壁工作面多区段开采围岩活动规律、可改善“顶板(Roof)-支架(Support)-底板(Floor)”(R-S-F)系统的稳定性的大范围岩层控制技术(large-scale ground control betweensections,LGCS)及技术中的核心问题——区段煤柱的稳定性,对于控制大倾角长壁多区段开采围岩活动,保障工作面安全高效开采,具有重要意义。本文以新疆焦煤集团2130煤矿5#煤层为工程背景,设计了大倾角煤层多区段开采的典型工况,综合运用物理模拟、数值模拟、理论分析等方法,研究了大倾角长壁工作面多区段开采覆岩活动规律和区段煤柱的失稳机理,主要成果如下:(1)大倾角煤层走向长壁开采中,顶板破断运移具有时序性和不均衡性,采场覆岩的变形破坏运移具有非对称的特征,沿工作面倾向形成倾斜堆砌砌体结构、具有分区域充填特征。围岩存在“空间壳体”结构与宏观应力拱壳,“空间壳体”结构与倾斜堆砌砌体结构导致了大倾角采场结构与矿压显现的复杂性,并影响了宏观应力拱壳的形态;应力拱壳是采场主要的承载力系,可将上覆岩层载荷分配传递至采场四周煤岩体。(2)在大倾角长壁工作面多区段开采中,区段煤柱区域围岩破坏以剪切破坏为主,煤柱上部及底板岩层先于煤柱发生破坏;当区段煤柱的尺寸较小时,煤柱失稳破坏后,区段间围岩会发生整体垮落;区段采场围岩活动可根据区段煤柱的状态,分为煤柱稳定阶段与围岩整体运移阶段。(3)在隔离煤柱稳定阶段中,上下区段依次回采垮落,两区段采场覆岩运移范围不同(上区段运移高度大于下区段);但因煤柱的隔离作用,区段围岩未发生整体运移,各区段覆岩荷载均由各自应力拱壳分配至采场边界;故煤柱处的支承压力剧烈增长,且增长幅度随煤柱尺寸的减小而增大。在围岩整体运移阶段中,煤柱失稳,区段围岩整体垮落运移,煤柱上方岩层与区段采场上层位覆岩运移挤压下区段采场,下区段倾斜堆砌结构受压内部挤压铰接更为密实;煤柱处支承压力降低,两侧边界支承压力增长(其中上区段回风巷侧煤壁支承压力峰值大于下区段运输巷侧);下区段工作面倾斜上部“空区”面积缩小、采空区倾斜中上部区域的支承压力增大、完全充填区延长,破断岩块及上覆岩层对R(支架上方顶板)结构的约束被加强,有利于工作面“R-S-F”系统的完整性与稳定性。(4)大倾角多区段采场煤柱失稳后,覆岩垮落运移范围扩大,围岩会以“挤压-弯垮”模式或“压垮-倾倒”模式进行运移联通。此时煤柱上方岩层做空间非均衡倾倒运动,挤压下区段采场覆岩及采空区垮落岩体倾斜砌体结构,下区段工作面上部“R-S-F”系统所受约束被加强,有利于“R-S-F”系统的稳定性。经对比分析,“压垮-倾倒”模式下围岩破坏运移的三维空间形态,更有利于改善工作面上部区域“R-S-F”系统的稳定性,故应以此为基础,进行大倾角多区段大范围岩层控制。(5)大倾角煤层多区段开采“压垮-倾倒”联通运移模式中,覆岩结构会经历以“梁-拱组合梁”、“双拱连续梁”两种结构状态,覆岩结构以“梁-拱组合梁”形式存在时,区段煤柱强度决定了区段采空区的联通运移模式,以“双拱连续梁”形式存在时,区段煤柱尺寸决定了“压垮-倾倒”联通运移模式的矿压显现特征及变形破坏后的采空区.三维空间形态。故在大范围岩层控制技术,区段煤柱必须在满足σZHmax<σZH条件的同时满σSKmax>σSK,而区段煤柱的留设宽度必须大于kZH、同时小于KSK。本文研究的大倾角工作面多区段开采围岩活动规律、大范围岩层控制技术理论及其区段煤柱合理宽度计算方法,具有重要的参考价值和工程实践意义。