煤层开采后,覆岩形成由高应力束组成的应力拱,研究应力拱对控制矿山压力显现和采场围岩稳定性分析等问题具有重要的科学价值。坚硬顶板具有强度高,厚度大,整体性强等特点,对应力拱具有重大影响。因此,论文针对坚硬顶板对应力拱形态演化影响的问题,基于应力拱理论,开展了坚硬顶板采场应力拱形态特征及演化规律的研究,获得了坚硬顶板采场应力拱形态演化规律,并采用数值模拟和相似模型实验进行验证,得到的结论和认识如下:(1)引入煤岩体界面应力模型计算应力拱拱脚水平推力,优化了应力拱理论模型。分析了坚硬顶板运动破断与应力拱演化的动态关系,采用递推算法建立了坚硬顶板采场应力拱演化模型,获得了坚硬顶板采场应力拱演化规律:煤层采动后,覆岩形成应力拱;应力拱形态受坚硬顶板控制,并随坚硬顶板运动破断动态演化;应力拱扩展至坚硬顶板前,表现为“⌒型”自由扩展;应力拱扩展至坚硬顶板后,坚硬顶板对应力拱纵向扩展存在屏蔽效应,应力拱表现为“︹型”横向扩展;坚硬顶板破断后,应力拱迅速纵向扩展,坚硬顶板对应力拱存在“束缚”作用,应力拱呈现“葫芦型”扩展。随工作面推进,坚硬顶板采场应力拱形态由“⌒型”、“︹型”、“葫芦型”渐次演变。应用数值模拟研究了坚硬顶板采场应力拱形态演化特征,验证了坚硬顶板采场应力拱演化模型的正确性。(2)基于坚硬顶板采场应力拱演化模型,分析了坚硬顶板与其上覆拱形应力集中区(应力拱的一部分)形态特征的关系,选取了对应力拱形态影响较大的坚硬顶板参数(厚度、层位、内聚力)以及采场侧压系数,并应用Flac3D软件模拟研究了参数变化对坚硬顶板上覆拱形应力集中区拱高、跨度、拱脚宽度、应力分布的影响,获得了坚硬顶板参数对应力拱形态特征的影响规律:坚硬顶板力学特征对其上覆拱形应力集中区形态影响较大;随坚硬顶板厚度和层位增加,拱形应力集中区形态逐渐扁平化,坚硬顶板承载作用增强;坚硬顶板内聚力变化对拱形应力集中区形态影响较小,随坚硬顶板内聚力增高,拱脚宽度急剧增大,坚硬顶板内应力增大;随侧压系数增大,拱形应力集中区形态变尖,适当的侧向压力有利于形成稳定的拱形应力集中区。(3)应用相似模型实验分析了坚硬顶板采场应力拱演化与拱形破坏区内岩层运动破断的动态规律。煤层采动后,覆岩形成拱形破坏区,在破坏区外形成应力拱;拱形破坏区位于应力拱下的卸压区内,其运动扩展受应力拱控制,二者均受到坚硬顶板的影响;坚硬顶板破断前,应力拱和拱形破坏区为“⌒型”自由扩展;坚硬顶板破断后,在拱形破坏区内坚硬顶板形成“砌体梁”或“悬臂梁”结构承担卸压区内岩层载荷;在破坏区外,坚硬顶板改变应力拱形态,应力拱形态演变为“葫芦型”,应力拱与坚硬顶板共同承担上覆岩层载荷。