随着大采高综采采煤法的大力推广,部分矿区已开始或将要面临下部煤层大采高综采条件下开采上部煤层的问题。由于大采高综采一次采出空间加大,工作面覆岩结构类型、顶板平衡结构形成条件和形成层位与普通工作面存在较大差异,造成对上部煤层的破坏也会有所不同,因此有必要对下部煤层大采高综采情况下上行开采的基本条件及上部煤层工作面顶底板运动规律进行深入研究,为上行开采上部煤层可行性判别和上部煤层安全高效开采提供理论支持。主要研究内容与结论如下:(1)利用相似模拟和数值模拟实验,研究了下部煤层大采高综采工作面顶板不同岩性组合时的覆岩结构演化规律,提出大采高综采工作面覆岩结构存在两种类型,即“铰接岩梁”结构和“组合悬臂梁-铰接岩梁”,直接顶中硬岩层是“组合悬臂梁”结构的起始层位。(2)在大采高综采工作面中,工作面覆岩结构不同时,基本顶破断块体的受力特征也不相同,以直接顶附加作用力为分界点,把大采高综采工作面覆岩形成的平衡结构状态分为两种类型:(1)基本顶破断块体需要在直接顶附加作用力参与下才能形成平衡结构;(2)基本顶破断块体不需要直接顶附加作用力参与就可形成平衡结构。论文将形成第1种平衡结构的岩层称为“部分平衡结构形成层位”,将形成第2种平衡结构的岩层称为“平衡结构形成层位”。依据文中提出的“三种覆岩结构类型”,分别推导出了下部煤层工作面不同覆岩结构类型条件下“部分平衡结构形成层位”、“平衡结构形成层位”的判别公式。(3)由于“部分平衡结构形成层位”、“平衡结构形成层位”判别公式中的关键参数-采空区矸石刚度的取值缺乏依据,论文利用自主设计和研发的实验装置,测量不同情况下矸石压缩位移与力的曲线关系,结合相似原理,对数据进行转换,拟合出了采空区不同岩性、不同破碎粒径时的刚度取值公式,以此为样本,依据采空区矸石分布规律,给出了整个采空区矸石刚度计算公式。(4)在裂隙带范围内,以“部分平衡结构形成层位”、“平衡结构形成层位”为标志层,将准备判定是否可采用上行开采方法开采的上部煤层分为三种类型:(1)如果上部煤层位于“部分平衡结构形成层位”以下,上部煤层的连续性和完整性受到较大破坏,不可上行开采上部煤层;(2)如果上部煤层位于“部分平衡结构形成层位”以上,“平衡结构形成层位”以下,当台阶错动量满足文中所推导出的关系式时,上部煤层的连续性和完整性在一定程度上受到破坏,采取一定技术措施,可上行开采上部煤层的部分厚度;(3)如果上部煤层位于“平衡结构形成层位”以上,上部煤层的连续性和完整性受到的破坏很小,当达到上行开采合理时间间隔时,可以上行开采上部煤层。(5)在判定上部煤层连续性和完整性受到的破坏在可接受的前提下,上行开采上部煤层还需要一定的时间间隔。上行开采合理间隔的实质是确保下部煤层开采后形成的承载结构不会破坏,“部分平衡结构形成层位”、“平衡结构形成层位”破断块体不发生台阶错动现象。根据上覆岩层运动进入衰退期,岩层移动对上部煤层的开采影响相应减少的特点,结合《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与圧煤开采规程》,以下沉速度50mm/月为分界点,与文中提出的能够描绘任意地层条件下的地表点动态全过程的双因素时间函数结合,推导岩层移动达到稳定所需时间计算公式,即上行开采合理时间间隔的计算公式,从理论上明确了采动影响的时间关系。(6)利用相似模拟和数值模拟,研究了上部煤层工作面“进上行开采区域前”、“位于上行开采区域时”、“出上行开采区域后”开采全过程的顶底板运动规律和支承压力演化规律。研究表明,上部煤层工作面“进上行开采区域前”,工作面覆岩结构演化规律与一般工作面并无实质差别;上部煤层工作面“位于上行开采区域时”,工作面周期来压步距减小,来压强度降低,同时工作面底板下沉呈现动态变化和超前压缩现象;上部煤层工作面“出上行开采区域后”,顶板为“大组合悬臂梁”结构,随着工作面推进,“大组合悬臂梁”结构破断并发生滑落失稳,直至工作面出上行开采区域一定距离后,基本顶破断块体向后回转时能与后方块体及时、充分接触,产生水平推力,不再发生整体切落失稳,上部煤层工作面覆岩结构恢复正常,与一般工作面无差异。基于以上研究结果,提出了上部煤层工作面“进上行开采区域前”、“位于上行开采区域时”、“出上行开采区域后”的安全、高效开采控制措施。最后结合龟兹矿A6-1煤层上行开采实例,对论文研究结果进行了验证。