综放开采是我国厚及特厚煤层的主要采煤方法,采出厚度较大,上覆岩层活动空间大,更易于发生顶板事故。目前研究人员对坚硬顶板大面积突然垮落及压架开展了较多研究,坚硬顶板灾害得到了有效控制。但对非坚硬顶板切顶压架机制的研究尚很鲜见,大面积切顶压架事故频繁发生,因此研究非坚硬顶板综放工作面覆岩运动破断规律、切顶压架机理及防治技术具有重要的工程和科学价值。本文在国家重点科技研发项目(2017YFC0804301)和国家自然科学基金项目(51504136)资助下,对综放开采工作面推进过程中顶板及上覆岩层的运动和破断规律开展相似材料模型和数值模拟试验,研究综放开采切顶压架的力学机理,建立顶板岩层运动力学模型;基于实测矿压数据,分析支架工作阻力演化模式和规律,提出顶板活动支架增阻模型和切顶压架预测方法,反演顶板活动规律;结合工程实例和上述研究,提出综放工作面大面积压架事故的综合防治技术。本文通过研究,主要取得了如下结论:(1)分析发现崔木煤矿3号煤层顶板为非坚硬顶板,301和302综放工作面大面积切顶压架是一个相对缓慢过程,在压架过程中没有“气浪”产生、支架没有受到动载冲击,这与坚硬顶板大面积顶板灾害有本质区别。正常生产期间F-T曲线符合对数函数和指数函数,检修期间和长时间停产期间F-T曲线全部符合对数函数。同时,正常生产期间符合对数函数的F-T曲线以及检修期间和长时间停产期间F-T曲线满足广义开尔文模型,表明崔木煤矿综放工作面F-T曲线受时间影响较大,具有很强的时间效应。分析认为采用支架均化F-T曲线可以评价工作面顶板活动状态和支架工作阻力特征,且可以实现对工作面压架原因量化分析和评价。(2)通过相似材料和数值模拟发现,非坚硬顶板综放工作面顶板不易在煤壁前方断裂,断裂更易发生在煤壁上方和支架后方。若顶板断裂发生在支架后方,一般不会发生切顶压架;顶板在煤壁处断裂可能引起切顶压架,支架刚度较低的工作面,顶板更易在煤壁处断裂。(3)理论分析认为支架刚度对顶板弯矩和下沉量有较大影响,支架刚度越大,顶板弯矩和下沉量越小,越不易发生大面积切顶压架事故。试验分析得出4个支架平均线刚度为137.8~538kN/mm,平均刚度为20.3~68.5MPa/m,推断认为,目前支架线刚度范围约为100~600 kN/mm,刚度范围约为10~80MPa/m。(4)基于弹性地基模型和悬臂梁模型,分析了断裂(煤壁前方或煤壁处)的力学判据和断裂顶板的失稳(滑落失稳和回转失稳)判据,提出了相应临界支护强度计算公式。理论分析认为对于非坚硬顶板,由于抗拉强度和抗剪强度不高、基本顶随动层厚度大,顶板更易断裂;抗压强度小、摩擦系数小、随动层厚度大,断裂后的顶板更易发生失稳,这是引起非坚硬顶板发生大面积切顶压架的主要原因。(5)分析认为302综放工作面基本顶易在煤壁上方发生拉破坏(拉断临界支护强度为0.69MPa大于实际初撑力支护强度);易发生滑落失稳(滑落失稳临界支护强度为2.58MPa大于支架的极限支护强度1.13MPa),这表明若顶板断裂,断裂后的顶板将发生滑落失稳,进而引起安全阀开启和切顶压架。(6)针对崔木煤矿303工作面实际条件,提出了选用合理的支架,施加足够的初撑力,确保前后柱均衡和立柱保压,合理的工作面推进速度,准确的切顶压架预警指标,合理的应急预案,形成了综放工作面切顶压架灾害防治的成套技术措施,并在303工作面进行了应用,保证了工作面安全回采。