基于色连煤矿1号矿井2-2上煤层边角煤回收的工程背景,综合运用了现场采样测试,理论计算与分析,数值模拟与分析,现场工业试验等研究方法,对连续采煤机块段式开采残留煤柱稳定性、覆岩运移及关键层破断规律、顶板控制技术进行了系统的研究,主要研究成果如下:(1)运用突变理论方法,建立了区段隔离煤柱的力学模型,并推导出其发生突变失稳的力学条件为:煤柱的弹性核区宽度占其总宽度的百分比低于14%时,外界若有轻微扰动,煤柱将发生突变型失稳破坏;反之,煤柱发生的是逐步破坏,积聚的能量缓慢释放。运用数值模拟和现场试验的方法对结果进行了验证,结论与理论计算基本相符,揭示了区段隔离煤柱失稳机理研究的合理性。(2)根据色连一号矿井2-2上煤层开采的地质条件,结合岩层柱状图及关键层判别软件得出了2-2上煤层属于多层关键层顶板结构,据此建立了多层关键层破断的力学模型,运用弹性薄板理论对关键层的初次断裂及周期断裂步距进行了理论计算,并针对特定情况对理论计算值进行了修正,为块段式开采顶板岩层控制提供了理论依据。(3)运用FLAC3D数值模拟软件对2-2上煤层块段式开采过程进行计算建模,通过监测模型开采过程中煤柱及关键层的应力、位移和塑形区变化来分析了保护煤柱稳定性与关键层破断的相关性、上覆岩层的运移及关键层的破断规律。得到煤柱及关键层的变形破坏之间存在一定相关性,二者可视为一个“煤柱—亚关键层—主关键层”的系统;亚关键层随着工作面的推进,发生弯曲下沉,在岩板中部下边缘首先出现拉破坏区,随后岩板周围出现剪切破坏,中部拉破坏区最终贯穿岩板,亚关键层在推进到20m左右发生初次破断,推进到26m左右发生第一次周期破断,此后大约7m左右有一次周期破断;主关键层的破坏主要为剪切破坏,在亚关键层发生第3次周期破断之前,主关键层发生初次破断,引起上覆岩层及保护煤柱发生较大的变形和破坏。(4)分析了留设保护煤柱及注浆充填技术在块段式开采顶板控制中所起的作用,通过数值模拟对注浆充填技术的机理和效果进行了分析研究。得到适合该现场情况的区段隔离煤柱合理宽度为12~15m;注浆充填技术一方面可以对区段隔离煤柱形成保护,降低其屈服区的发育程度,从而可以在开采过程中充分发挥其对上覆岩层的支撑作用;另外一方面,可以有效控制上覆岩层,尤其是主、亚关键层的弯曲下沉,同时也对开采前方待采煤房的偏帮起到一定抑制作用。