为研究端面冒顶机理及支架与围岩相互作用关系，采用铁木辛柯梁理论建立了工作面直接顶稳定性力学模型，并开发了新型分布式顶梁荷载监测系统和数字图像覆岩位移监测系统，开展了端面冒顶及覆岩切落大比例相似模拟试验，获得了不同因素影响下的工作面顶板变形变化规律，以及端面顶板冒落全过程、覆岩位移场演化规律和液压支架工作阻力曲线。研究结果表明：提高支架刚度或当直接顶弹性模量较大时，工作面顶板挠度和转角显著降低；随着煤层埋深的增大，工作面顶板挠度和转角变形参量也逐渐增大。直接顶岩层泊松比与直接顶的变形成正比，但对工作面顶板稳定性影响较为有限。根据模型试验中端面顶板(煤)的稳定性将相似模拟工作面的推进过程划分为端面稳定阶段、端面冒顶阶段和覆岩垮落阶段。在端面稳定阶段，顶板逐渐破碎且切顶线前移至支架上方，造成支架低头和接顶不实，支架最大工作阻力由2.5 kN逐渐降低至1.7 kN;在端面冒顶阶段，端面冒顶向上延展并发生3次冒落，冒落形态由“扁梯形”演化为“三角形”,工作阻力进一步降低为1.3 kN;在覆岩垮落阶段，支架上方岩层沿煤壁发生整体切落并向采空区倾倒垮落，模型支架模拟出现场完整的增阻过程，工作阻力增加至1.7 kN。

国家自然科学基金项目(52004010)；北京市属高等学校优秀青年人才培育计划项目(BPHR202203036)；北京市教委科技计划一般项目(KM202010009001)；

1 铁木辛柯梁理论
2 基于铁木辛柯梁的端面冒顶模型
2.1 弹性地基梁上的Timoshenko梁模型
2.2 影响因素敏感度分析
2.2.1 直接顶挠度
2.2.2 直接顶转角
3 端面冒顶模型试验研究
3.1 相似模型试验设计
1) 模型铺设及开挖设计
2) 相似模拟支架
3) 数字图像位移测量系统
3.2 试验结果与分析
3.2.1 端面顶板稳定阶段
3.2.2 端面冒顶阶段
3.2.3 覆岩垮落阶段
3.3 试验结果讨论
4 结 论

宋高峰,魏臻,杨胜利,王兆会,孔德中,安栋.基于铁木辛柯梁理论的端面冒顶机理及相似模拟试验研究[J].采矿与安全工程学报,2023,40(02):304-312+321.DOI:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0680.