随着浅埋煤炭资源的逐步枯竭,煤矿开采深度和开采规模逐渐向大埋深、大采高方向发展,随之出现了大量层状顶板巷道。由于层状顶板变形机理的高度复杂性及其难以支护的显著特点,层状顶板的稳定性问题严重制约矿井的安全高效生产,并成为当前岩体工程领域研究的重点和难点问题。本文在总结前人研究成果的基础上,以巷道水平层状顶板为研究对象,通过建立垂直地层荷载和水平构造荷载共同作用下顶板岩梁的力学模型,分析了层状顶板的拉压域分布特征及其中性层偏移规律。考虑巷道帮部稳定性对层状顶板有效跨度的影响,研究了不同片帮模式下的水平坍塌宽度,分析了巷帮不同稳定状态下的层状顶板各岩梁破裂区开展高度及其隐形冒落拱分布特征,进而对层状顶板的支护方案及其参数进行了优化设计,主要结论如下:(1)建立了垂直荷载和水平构造荷载作用下水平层状顶板的力学模型。稳定状态的巷道帮部能够限制顶板岩梁的挠曲位移,顶板岩梁受力状态为固支梁模型;巷道帮部岩体在支承压力作用下变形失稳致使顶板岩梁端部发生挠曲变形,其受力状态由固支梁模型转化为简支梁模型。(2)运用材料力学和结构力学理论推导了顶板岩梁挠度、弯矩及剪力的理论公式,得到了层状顶板任一岩层在固支和简支条件下的跨中极值应力解,水平层状顶板各岩梁跨中极值应力与侧压力系数、垂直地应力、弹性模量及有效跨度密切相关。基于层状顶板等效分析模型探讨了顶板岩梁整体失稳破坏的力学判据,当层状顶板跨中下边缘所受的等效最大拉应力大于其等效极限抗拉强度时,层状顶板将发生整体失稳。(3)分析了层状顶板在巷帮不同稳定条件下的中性层分布规律。通过建立水平层状顶板岩梁在垂直地层荷载和水平构造荷载共同作用下的应力分布模型,研究了层状顶板在固支和简支条件下的受拉域高度及应力中性层位置。同跨度条件下,顶板固支岩梁转化为简支岩梁后,岩梁受拉域高度有所降低,岩梁中性层位置将向下偏移。讨论了岩梁中性层位置的关键性影响因素。结果表明,固支岩梁和简支岩梁的中性层位置随侧压力系数和垂直地应力的增加而增大,随顶板岩体弹性模量和厚跨比的增加而减小。(4)讨论了巷道帮部稳定状态对层状顶板有效跨度的影响。巷道帮部岩体在支承压力作用下由拉裂—滑移式片帮逐渐发展为单斜面剪切式片帮,水平层状顶板岩梁的支座位置由巷帮肩部逐渐向深部转移。考虑巷道帮部岩体稳定性对顶板有效跨度的影响,分析了拉裂—滑移和单斜面剪切两种片帮工况下水平层状顶板的有效跨度。(5)研究了水平层状顶板各破裂区的分布规律。顶板中性层以下拉应力大于零的岩体均可能发生破裂,层状顶板各岩层的中性层以下均可能存在一定高度的破裂区,基于层状顶板的中性层分布特征和自稳隐形拱理论,研究了不同巷帮稳定条件下的层状顶板破裂区开展高度及宽度,分析了层状顶板各岩层的隐形冒落拱的分布及矢高。结果表明,破裂区高度随巷道片帮深度的增大而增加;各岩层中性层的跨中位置即为该岩层隐形冒落拱矢高的极值点。(6)优化了水平层状顶板间隔破裂条件下的支护方案。在理论分析的基础上计算了不同片帮模式下的巷帮破坏深度,进而确定了不同工况下层状顶板的各岩层的受拉域高度和破裂区宽度。根据层状顶板各岩层的受拉域高度及位置确定支护所用锚杆长度,结合层状顶板破裂岩体扩容特性确定注浆量,将原支护设计优化为锚注联合支护。通过对顶板连续的现场监测,优化后的支护方案明显提高了顶板的稳定性。