神东矿区近30年的浅埋煤层开发实践表明,浅埋采场矿压显现更加强烈,尤其是工作面过上覆集中煤柱、地表沟谷、空巷等特殊条件开采时,易产生顶板事故。国内外学者围绕浅埋工作面覆岩结构及运动特征开展了大量的研究工作,取得了著多有益的结论,指导了生产实践。近年来采高不断增加,2007年国内第一个采高6.3m的浅埋工作面取得成功,从此以后,6m以上综采技术被逐步推广应用,2018年国内最大采高工作面在上湾煤矿试运行,液压支架额定工作阻力由采高6.3m时的10800kN增加至26000KN,支护强度高达1.83MPa。采高增加后,工作面矿压强度大幅增加,单纯提高支架工作阻力能否从根本上解决浅埋煤层采场顶板控制问题,仍有待进一步研究。因此,本文以国内最大采高工作面(上湾12401工作面)为背景,研究采场矿压特征和覆岩结构,研究矿压实时预测方法,为浅埋超大采高工作面支架载荷估算及矿压预警提供依据。论文主要研究成果如下:(1)实测分析了设计采高为7m、8m和8.8m的三个超大采高工作面矿压规律,对比普通埋深和近千米深井,浅埋工作面液压载荷及动载系数更大,来压步距相对较短,矿压显现强烈,工作面处于初采、末采、过上覆集中煤柱、空巷等特殊区域时,矿压显现更加强烈,顶板灾害频繁发生。液压支架载荷与工作面采高呈近似指数方式上升,与埋深及承载比呈类似抛物线关系;当埋深为160~250m时支架载荷达到峰值。浅埋超大采高特殊的矿压规律表明,覆岩结构有其特殊性。(2)浅埋超大采高工作面覆岩具有整体剪切周期性破断特征,破断块体相互夹持并形成“切落体”结构,切落角和块体挤压力对该结构稳定性影响较大,当切落角大于64°或者块体挤压力小于2.62MPa时即有可能产生滑落失稳。神东矿区属于中硬岩层,覆岩切落角较大,易于产生滑移运动并引发整体结构滑落失稳,该地区矿压显现强烈、顶板事故多发的根源。(3)基于“切落体”结构研究提出液压支架载荷估算公式,计算得到12401工作面液压支架合理载荷为25721kN,与按传统方法8倍采高计算结果对比,基于“切落体”结构模型的计算结果与现场实测结果更为接近。(4)应用“切落体”结构模型分析了工作面过集中煤柱引发切顶压事故的机理,认为“覆岩近垂直切落”是引发压架事故的主要原因,提出了采取爆破措施预裂上覆集中煤柱和顶板时的钻孔仰角应不超过64°的设计原则;应用“切落体”结构模型分析了工作面过空巷引发切顶压架事故的机理,提出了等压开采技术应用条件及合理等压时机。(5)基于“切落体”结构模型研究得到了浅埋超大采高工作面液压支架时序增阻函数由3种函数构成:指数、对数和线性,开发了采煤循环内液压支架载荷实时回归预测模型。采用数据挖掘方法构建循环末阻力模板曲线,开发了循环末阻力实时匹配预测模型。以上湾煤矿12401工作面实测数据为例进行测试,初步实现了液压支架载荷、循环末阻力以及顶板来压步距的预测预报,预测精度86%以上。