掘进工作面顶板冒落一直是煤矿安全生产的重大问题之一。据不完全统计，掘进迎头区域顶板冒落导致人员死亡人数占冒顶总死亡人数的20％，掘进迎头区域成为冒顶事故的“重灾区”。造成这一现象的原因多种多样，最根本的还是在于目前煤矿掘进工作面临时支护方式难以适应煤矿安全高效掘进需要。传统临时支护方式诸如窜管前探梁支护等存在被动支护、部分空顶、自动化程度低等先天不足，迫切需要对临时支护方式进行革新。在此背景下，众多临时支护设备、方案被提出并在掘进工作面得到运用。然而，目前国内对巷道临时支架的研究主要侧重于支架结构性能，产品设计偏重于经验设计，没有对支护设备与顶板的耦合力学问题进行系统研究，这就使设备从设计阶段就具有盲目性，设计出的产品是否满足顶板的支护需求要在现场应用一段时间后才能明确。针对这个问题，本文依托国家自然科学基金项目“迈步式超前支护装备与掘进迎头顶板动力耦合机理研究（编号：51304107）”，对超前支护-顶板耦合系统力学问题进行研究，主要研究内容如下。　　(1)建立超前支护-顶板体系静力学耦合分析模型　　依据项目研究所用加载实验台及超前支护设备参数，建立超前支护-顶板体系力学分析模型。超前支护处于支撑状态时其顶梁与顶板相接触，进行静力耦合分析时利用理论力学、材料力学相关理论对超前支护进行静力学建模，利用有限差分理论对顶板(这里假设顶板为薄板)进行静力学建模，并根据掘进迎头实际情况确定顶板边界条件为“三边固支，一边简支”。基于变形协调原理，超前支护与顶板在接触处变形协调一致，这样就将超前支护和顶板静力学模型联系在一起，进而分别求解出超前支护及顶板在顶板受均布载荷、边界条件为“三边固支，一边简支”情况下的变形量。　　(2)建立超前支护-顶板体系动力学耦合分析模型　　基于有限元理论，将超前支护立柱视作杆单元，横纵梁视作梁单元，横纵梁接触处、横梁与立柱接触处及纵梁与顶板接触处视作弹簧阻尼单元，将顶板(薄板)离散成有限个板元。根据复杂动力系统建模优先选用能量理论的理论界共识，将超前支护-顶板视作一个动力学体系，对该体系进行基于能量理论的动力学建模，得到超前支护-顶板体系振动控制方程。　　(3)研究煤矿矿震作用下超前支护-顶板体系的动力响应　　根据超前支护-顶板体系振动控制方程，利用凝聚技术缩减有限元动力模型的自由度数，利用数值近似解法中的Wilson-β法对动力响应进行数值求解。将矿震视作地震荷载施加在超前支护底座，研究超前支护及顶板在矿震作用下的动力响应。　　(4)对超前支护-顶板体系进行静力学仿真　　基于ANSYS有限元分析软件建立超前支护-顶板体系仿真模型，模拟“三边固支，一边简支”顶板受均布载荷时，顶板及超前支护应力状态、变形状态。对于顶板及超前支护而言，单组支撑是最为极端的受载状态，根据顶梁与顶板接触状态不同，研究顶板-超前支护多点分布接触及全接触态单组支撑静力学响应，将仿真结果与理论分析结果进行对比，对理论分析结果进行验证与改进。　　(5)对超前支护-顶板体系进行动力学仿真　　基于ANSYS软件动力学有限元分析模块建立超前支护-顶板体系动力学仿真模型，模拟超前支护底座受矿震荷载时超前支护-顶板体系动态响应。对超前支护、顶板分别进行模态分析，找出固有频率及振型，为超前支护防共振设计提供依据。