随着煤炭资源开采水平的加深,地质条件愈来愈复杂,井下生产状况愈来愈严峻,需对机械化开采及工作面稳定性状况进行深入细致的了解。首先,采用理论分析、实验室试验相结合的方法,在前人积累的宝贵理论及试验基础上,提出围压下煤岩截割峰值力计算方法,设计并进行在围压下的煤岩截割力学试验,综合理论及试验结果对不同工况下煤岩崩落前裂隙发育、变形破碎及耗能特征进行深入研究;其次,考虑煤炭资源开采过程中顶板增压荷载的多样化,对开采过程中坚硬顶板变形、内力及断裂步距变化特征进行系统研究;最后,依据沿空煤巷底板全场非对称受力状况,阐述底鼓机理,并对巷道底板变形及内力变化规律进行研究。成果如下:(1)结合工作面煤岩承压破碎条件及采掘过程中岩齿相互作用状况,提出基于Evans理论在围压下镐形截齿煤岩截割峰值破坏力等参数的计算方法,并进一步结合截割试验结果对截割峰值力计算方法进行修正。理论研究结果表明:基于曲线型强度准则的理论计算与试验结果具有较强的吻合程度。随着截割围压的增加,截割峰值荷载呈现先增后减的变化规律,崩落角表现出呈对数增加特性,其上限为180°;而当考虑截割围压且保持不变时,随着煤岩抗拉强度的提高,崩落角呈负指数减小,其下限为120°。随着截割厚度及截齿半锥角的增加,截割峰值荷载持续增加。(2)通过相似模拟实验,针对镐形截齿煤岩截割进行了围压、侵入体半锥角、截割厚度、侵入速率、侵入角度、材料普氏系数及截割间距变化对截割力学效应及能耗特征的研究。结果表明:截割要素对于截割峰值荷载、侵入系数、崩落体重量及比能耗等具有重要影响,易造成煤岩侵入难度、块煤率及截齿磨损等的改变。围压的存在虽然增加侵入系数及峰值荷载,但会造成崩落体重量的显著增加,进而降低比能耗。由于截割围压的增加,对于镐形截齿煤岩连续截割,最佳截距比发生增长:当围压为4MPa时,最佳截距比为3;而在无围压时,最佳截距比为2。(3)基于弹性地基梁原理,提出适应于任意增压荷载形式的坚硬顶板变形及内力计算方法,获得了断裂步距变化规律。结果表明:地基刚度由大变小时,顶板跨中挠度明显增大,增压荷载作用下煤壁内顶板弯矩极值增加;支护阻力作用下,煤壁内弯矩极值明显减小,其位置向煤壁靠拢;地基刚度对断裂步距影响较小,峰值荷载位置越靠近煤壁初次断裂步距越小,且地基刚度较小时,采空区跨中易产生初次断裂。(4)采用依据弹性地基梁原理进行坚硬顶板变形及内力研究的方法,结合沿空巷道底板全场受力特征,得到了非对称沿空煤巷底板变形及内力的变化规律。即,随着沿空煤巷埋深的增加,巷内底鼓量及底板弯矩均相应增加,并且煤巷埋深与底鼓极值之间具有明显的线性关系;结合煤炭资源开采率及沿空煤巷底鼓维护因素,宜采用窄煤柱护巷;底板抗弯刚度的增加,引起巷内底鼓量减小,但过大的底板抗弯刚度会提升巷内底板弯矩,造成巷内底板的向巷内断裂。