急倾斜煤层开采岩层破坏机理和地表移动理论研究,是矿山开采沉陷理论研究的重要组成部分。由于煤层倾角大于45°,岩层受切向作用力大于法向作用力,急倾斜煤层开采岩层变形破坏机理、岩层移动机制、地表移动规律与水平煤层开采有显著的不同。在以往的研究中,无论是对位移场的几何描述,还是对变形场的力学描述,均没有提出较好的岩层移动理论模型。急倾斜煤层开采沉陷理论研究在岩层破坏机理、岩层移动机制及地表移动计算等方面存在不足,从而使急倾斜煤层开采岩层及地表移动研究落后于水平及缓倾斜煤层开采岩层及地表移动研究。本文针对急倾斜煤层开采的地质采矿特点和岩层受力破坏特征,通过建立急倾斜煤层开采顶底板岩层力学模型、岩层移动理论模型,在理论上对急倾斜煤层开采岩层破坏机理及岩层移动机制进行了深入研究,建立了急倾斜煤层开采岩层弯曲变形和滑移变形共同作用的上覆岩层移动模式,提出了将开采空间转化为滑移空间利用概率积分法进行计算的急倾斜煤层开采地表移动预计方法。利用离散元数值模拟计算模型,研究了煤层倾角、煤层开采厚度、采空区阶段垂高、煤层群开采顺序等因素对岩层受力、变形、破坏的影响。作为应用实例,研究了建筑物下急倾斜煤层群开采设计理论。本文主要进行了以下研究工作。(1)在急倾斜煤层开采岩层破坏机理研究中,考虑了岩层受切向力的作用,建立了急倾斜煤层开采岩层梁-柱理论模型。把采空区顶板岩层视为具有一定支撑形式的梁,则急倾斜煤层开采岩层所受的切向力可以视为梁的轴向作用力,而法向力可以视为梁的横向作用力。与不考虑轴向力作用的梁理论计算结果相比,考虑轴向力作用时岩层挠度大,顶板岩层破坏范围偏向采空区上山方向,更符合急倾斜煤层开采岩层变形破坏的实际。(2)在理论上研究了急倾斜煤层开采底板岩层的变形破坏问题。随着煤层倾角增大,切向力的作用越来越大,底板岩层不可避免地要发生变形破坏。本文建立了急倾斜煤层开采底板岩层力学模型,研究了开采深度、采空区倾斜长度和岩层厚度等因素对底板岩层稳定性的影响,对实际生产中维护急倾斜采空区底板稳定具有重要意义。(3)提出了急倾斜煤层开采岩层弯曲变形和滑移变形共同作用的岩层移动机制,建立了急倾斜开采岩层楔形破坏区理论模型。在楔形破坏区内,岩层以弯曲变形引起的拉张破坏为主,在楔形破坏区的上方,岩层以滑移变形引起的剪切破坏为主。急倾斜煤层采空区上覆岩层楔形破坏区的存在是形成地表非对称下沉盆地的主要原因。(4)在急倾斜煤层开采岩层楔形破坏区理论模型的基础上,提出了将开采空间转化为滑移空间利用概率积分法计算急倾斜煤层开采地表移动变形的新方法。该计算方法能够反映急倾斜煤层开采岩层移动机制,具有应用简便、计算参数易于确定等特点,较好地解决了急倾斜煤层开采地表移动预计问题。(5)为解决建筑物下急倾斜煤层开采问题,提高建筑物下急倾斜煤层开采的采煤效率,提出了利用采区边界煤柱和采空区边界三角煤柱联合控制地表沉陷的开采设计方法,并成功应用于工程实践。采区边界煤柱控制走向方向的上覆岩层破坏范围,采空区边界三角煤柱控制倾斜方向的上覆岩层滑移变形,最终达到控制地表沉陷的目的。