我国厚煤层长壁开采主要包括放顶煤开采、大采高开采、分层开采和错层位开采。目前各开采方式下采空区与实体围岩尤其采空区边缘附近采动应力分布规律的研究和认识尚显不足,而这些研究对区段巷道布置、设计及支护策略尤为重要,特别是对近年来越来越流行的沿空巷道及采空区内巷道等相关技术来说具有重要理论与实际意义。随着开采深度和开采强度的增加,受高地应力、强采动、煤层倾角等地质条件以及回采率和环境等多方面因素的影响,普通留煤柱区段巷道的布设和支护难度日趋增大,支护要求和成本日益提高,巷道大变形、冒顶、岩爆等安全事故频发,巷道返修量大,严重制约着煤矿安全高效生产。研究各类开采方式下采动应力(尤其采空区边缘附近应力场)分布规律对采空区巷道及沿空巷道围岩控制具有重要的理论意义和实用价值。论文分别以镇城底矿和唐山矿为实际工程背景,通过理论分析、相似模拟、数值模拟和现场实测分别研究了水平煤层和倾斜煤层非充分采动采空区与煤岩体采动应力协同演化机理。主要内容及结论如下:(1)以现有岩层控制理论和开采经验为基础,通过建立采场空间岩层移动模型、理论应力分布模型研究分析得出:采动应力的平衡是采空区与实体煤岩体相互影响、共同作用的结果,一方应力发生改变,必然引起另一方应力的重新调整,二者协调作用,共同完成应力分布的稳定和平衡,采空区与煤岩体采动应力具有协同演化特性;采空区响应对实体煤岩体的应力分布及破坏范围具有重要影响,采空区应力(尤其与煤岩体较近处)增大时,支承压力峰值降低,峰值点前移,反之支承压力峰值升高,峰值点后移。(2)工作面布置不同则工作面构型、采空区形态和煤岩(柱)体形态不同;水平煤层常规放顶煤、大采高及分层开采工作面关于中心线对称,采空区发育、覆岩移动、采动应力分布也关于中心线对称,错层位非对称工作面却产生相应的不对称结果,缓坡段采空区应力较大,支承压力较小;错层位巷顶沿空巷同时不受固定和超前支承压力影响;分层开采第一分层时采空区应力较大,支承压力较小;大采高两端起坡处局部采空区应力较常规方法高,但比分层开采略低;(3)采空区—老顶大结构—煤岩体协同体系决定着采空区边缘岩体结构和采动应力分布;错层位巷顶沿空巷道处于老顶大结构之下的保护区,该巷道上方存在矸石垫层进行能量和应力耗散,避免巷道动压影响,应力被转移至采空区矸石和实体煤前方;一定限度内,老顶回转下沉量小,则其下采空区承重大,围岩支承压力小;得到老顶关键块下沉量及其下采空区矸石压缩量的计算方法。(4)研究中将相似模拟试验与数值模拟试验结合起来,数值模拟参考了相似模拟得到的岩体运移形成的结构,其中垮落角用于数值模拟。数值模拟和开采实践经验证明上覆岩层垮落运移产生垮落线和垮落角;工作面开采宽度一定时,垮落角越大,采空区应力越大,实体围岩中的应力越小,垮落角影响显著;错层位内错式搭接工作面宽度比常规工作面长,采空区应力较大,支承压力则减小;得到水平条件下工作面宽度L、最上部关键层跨度L1与垮落角θ之间的关系式;(5)以极限平衡法为基础,通过建立极限平方程,推理得到错层位采煤法煤(柱)体极限平衡区宽度表达式;分层开采第一分层时采高降低、大采高和错层位开采由于各自起坡均导致煤柱极限平衡区宽度下降;数值模拟显示煤(柱)体塑性区宽度与煤(柱)体某层面在煤(柱)体内所处高度有关,自煤层顶面至煤层底面煤柱塑性区宽度增大,且认为与垮落角影响有关。(6)数值模拟显示不考虑采空区会造成支承压力偏大,岩体破坏范围偏大,应力集中区位置降低;考虑采空区响应,水平煤层开采各开采方式均会在采空区两侧上部实体煤岩层中出现近似竖条状分布的高应力集中带,且应力集中程度上部岩层比煤层大得多,应力最集中区并非当今多数模拟结论得出的位于煤层中的结论;分层开采第一分层时,采空区承载比其它方法大,应力集中区范围小,破坏范围小;采高减小,则煤层上方岩体中的高应力竖条状高应力集中带高度降低;无论何种方法采空区边缘都为整个回采系统应力最低区;垮落线两侧岩体反向剪切造成煤层上方若干岩层及底板“/”形破坏延伸,方向大致与垮落线方向共线,由此造成的应力转移与流向也使错层位巷顶沿空巷道围岩塑性区范围较小。(7)倾斜条件下岩层垮落运移及采空区发育具有非对称性,采动应力分布亦不对称;相似模拟显示常规放顶煤工作面下端形状变化较突然,可能导致关键块下方一定范围内出现应力链断开或局部应力消失(为零)的现象,造成实体围岩或区段煤柱应力大;数值模拟得出常规放顶煤工作面下部岩体应力集中区距煤层较远,上部岩体高应力区却位于煤层中;错层位工作面下端部形状圆滑过渡,采空区矸石均匀平稳分布于水平段,承载面大,应力连续传递,采空区应力较大,围岩支承压力较常规放顶煤低,避免地下空间结构急剧变化可有效避免应力急剧变化;错层位搭接处下方沿空巷道围岩应力大幅低于原岩应力,且围岩也较完整,在该处掘巷对围岩扰动和破环影响小。(8)倾斜条件下采空区上部应力接近于零,下部采空区应力大,单个错层位工作面采空区有所抬高,对减小关键层挠度有利,覆岩易保持稳定;建立了倾斜煤层采空区和覆岩结构模型,通过奇异函数求得采空区矸石体作用下关键层挠曲变形表达式;常规放顶煤受煤柱隔离难以达到充分采动,尤其深部开采条件下采空区应力小,应力集中于煤柱,同时造成地面波浪起伏,对建筑物保护不利;而多个错层位工作面形成的连续采空区有利于形成充分采动,采空区应力较常规放顶煤开采大,实体围岩的应力相应降低,且可形成充分采动,有利于地面平缓均匀下沉;与煤柱相邻的常规放顶煤接续面巷道煤帮应力集中系数高是造成较大采深条件下巷道变形、片帮严重及动压事故频发的重要原因。(9)错层位现场应用及实测证明了采动应力协同演化现象;错层位搭接处巷顶沿空巷道的顶板及两帮应力和巷道变形均不随超前距离变化而变化,应力大幅低于原岩应力,变形保持在较低的稳定水平,不受固定与支承压力的影响,围岩环境与深度无关,现场支护和围岩控制效果好,回采率大幅提升,经济效益好;倾斜煤层条件下采用错层位巷道布置是解决工作面设备防倒防滑、机头三角煤割不透、刮板输送机与转载机搭接远等难题的有效途径;错层位开采将放顶煤和分层开采工艺融入一个回采系统,但实用价值却得到大幅提升,借助分层开采的局部原理却实现了完全无煤柱。