我国南方存在大面积的岩溶地区煤层开采情况,既有赋存于煤层顶板的长兴灰岩,也有位于底板的茅口灰岩。底板岩溶水对矿井安全生产构成威胁,而在煤层开采条件下顶板岩溶裂隙发育容易破坏岩溶地区生态环境。目前有关岩溶地区煤层开采研究多集中在岩溶水对矿井安全生产的影响方面。然而,岩溶地区地表生态环境脆弱,煤层开采对岩溶地区浅表生态环境有着明显影响,有关顶板赋存岩溶时的煤层采动裂隙发育及其对浅埋岩溶地表变形的影响方面的研究相对较少。有鉴于此,本文从浅埋岩溶地区生态环境保护的角度出发,依托国家自然科学基金《基于浅表水环境保护的南方岩溶煤矿开采基础理论研究》(51474104),采用理论分析、相似模拟试验以及数值模拟相结合的研究方法着重对顶板赋存岩溶时的煤层开采工作面矿压显现特征、岩层移动规律、采动裂隙发育高度以及浅埋岩溶洞地表塌陷进行了深入研究和讨论,主要工作及成果如下:1)采用弹性地基梁理论、塑性铰理论对采场覆岩破断位置以及岩层竖向破断裂隙扩展进行了分析,通过数值模拟对导水裂隙带的发育规律进行了研究,研究结果表明:导水裂隙带的发育应充分考虑覆岩的结构差异。有鉴于关键层对岩层移动的控制作用,可采用塑性铰理论对处于断裂带上部的关键层竖向贯通裂隙进行分析,从而确定其导气导水能力,进而对其是否为导水裂隙带的上边界进行判断。在采动覆岩断裂以及导水裂隙发育规律的基础上,结合岩溶洞与开采工作面的相对位置关系,建立了采动作用下岩溶洞塌陷分析模型。2)通过岩溶地区煤层开采岩层移动相似模拟试验分析了岩溶洞对采动裂隙发育的影响,研究结果表明,采动覆岩导水裂隙带中存在岩溶洞时,岩溶洞对采动裂隙的发育具有一定的导向和吸引作用;由于缺少足够支撑,岩溶洞顶板岩层下沉值在岩溶洞处有异常增大现象,最终导致采动裂隙发育在岩溶洞顶板处达到最大;在水平方向上,岩溶洞对采动影响有明显的阻碍作用,当工作面开采只在岩溶洞一侧推进时,采动侧岩层受采动影响强烈,实体煤帮侧采动岩层受采动影响不明显,靠近采动侧的岩层弯曲下沉值明显大于靠近实体煤帮侧的岩层弯曲下沉值,致使岩溶洞两帮出现不协调变形。3)采用离散元数值模拟软件对岩溶地区煤层开采工作面矿压显现特征、采动裂隙发育规律进行了模拟分析,分析结果表明,岩溶矿区工作面开采过程中来压步距相较于非岩溶矿区更小,其来压更加频繁;当岩溶洞距离导水裂隙带上边界一定距离时,岩溶洞隙吸引采动裂隙向岩溶洞发育,且采动裂隙发育高度在岩溶洞顶板正上方容易激增,并形成“突刺”状。同时,在受到开采影响等强烈的力学扰动条件下,采动岩体裂隙的发育主要受岩体力学行为的影响,岩溶水对采动裂隙发育影响相对较小。在较强的开采扰动下,岩溶洞裂隙与采动裂隙扩展造成岩溶水流失速度远远大于岩溶水补给速度;当岩溶洞处于浅埋状态或水补给少时,开采扰动极易造成岩溶洞内部形成负压,加速岩溶洞的塌陷。4)当有采动影响和岩溶水压的共同作用时,岩溶裂隙发育程度更高,更加容易促使采动裂隙与岩溶裂隙贯通。在开采扰动下,不同的岩溶水压导致不同的岩溶水流失速度,且存在一定的安全水头值。即当岩溶洞内水压力值小于安全水头值时,岩溶水漏失速度处于较低水平并较稳定,一旦岩溶洞内水压力值超过安全水头值,岩溶水漏失速度会出现激增,影响矿井安全生产以及浅表水生态平衡,并据此提出了“疏水抗压开采”和“局部注浆,降压开采”的开采方式。5)采用数值模拟再现了开采扰动下浅埋岩溶洞塌陷的过程,其过程大致可分为四个阶段:岩溶洞潜伏阶段、岩溶洞裂隙扩展形成开口岩溶洞阶段、土洞发展阶段、岩溶地面塌陷阶段。对开采扰动下的开口岩溶洞的形成条件、土洞极限发育高度及其影响因素以及地裂缝的极限发育深度进行了理论分析,提出开采扰动下浅埋岩溶洞塌陷不发育至地表的条件是,覆盖层厚度大于土洞极限平衡高度与地裂缝极限发育深度之和。6)根据坪湖岩溶矿区覆盖层厚度、浅埋岩溶洞分布以及工作面的布置方式,对浅埋岩溶塌陷倾向较大的区域进行了预判,与实际生产过程中地表破坏严重的区域较为吻合;根据实际开采情况并结合论文前文研究成果,对坪湖矿浅埋岩溶区域下方工作面进行了优化,提高了工作面的回采率。结合以往开采经验,设计了短壁间隔条带充填开采方案,解决了坪湖矿岩溶层下方近距离煤层的安全回采问题。