针对目前充填开采材料不足的问题,从控制开采沉陷的角度出发,以国内的“采选充+X”采煤、结构充填开采,国外的高边坡采煤为基础,提出了切顶充填开采的方法:资源化处理部分采空区（切顶区）顶板作为就地（充填区）充填材料,科学布设切顶区、充填区,依靠成套研发的切顶充填综合采煤设备,实现采空区的部分充填,在充填材料自给自足的基础上达到减沉的目标。为了验证切顶充填开采的效果以及为切顶充填设计提供试验依据,本文选择浅埋煤层为工程背景,采用相似材料模拟试验、数值模拟、破碎矸石压缩试验、理论分析等方法开展研究,得到了切顶充填开采覆岩破坏特征、位移应力演化过程以及采动裂隙分布规律,揭示了切顶充填开采的尺寸效应与平面充填率效应、矸石柱压缩变形特征,分析了切顶充填开采链式失稳特征、载荷响应以及充实率计算公式。通过本文研究取得主要结论如下:（1）开展了切顶充填法与垮落法的相似材料模拟对比试验,发现了切顶充填开采竖直位移为垮落法开采的8.29%,水平位移为垮落法开采的6.67%,切顶充填开采应力集中系数为垮落法开采的56.00%,验证了切顶充填的减沉、减压效果。通过数值模拟对比试验,发现了切顶充填开采顶板不同种类裂隙降低幅度大约在2/3,验证了切顶充填的抑制采动裂隙生成的效果。切顶充填开采可以形成横向连续、纵向协调的覆岩整体形变,从而实现围岩的损伤控制。切顶充填开采可以降低能量释放总量,降低能量积聚以及降低能量释放速率,从而具备防治动力灾害的优势。（2）开展了变参数的切顶充填相似材料模拟试验,得到了在采充体积相等的前提下,充填厚度是决定其开采效果的关键参数。开展了变参数的数值模拟,获得了竖直位移与充填区应力的采厚效应与充宽效应。理论上,煤层厚度越小,切顶高度越大,充填宽度越大,切顶充填效果越好。基于改进的灰色关联度计算方法,通过MATLAB计算得到:切顶区宽度、充填区宽度与顶板位移以及充填区应力之间的关联度都较小,煤层厚度与顶板位移以及充填区应力之间的关联度最大。（3）建立了切顶充填开采顶板初次断裂等效分段弹性地基梁模型,通过MATLAB计算得到不同平面充填率开采时顶板的初次断裂距离、位置以及断裂前后能量分布、能量释放量。根据杨家村矿地质情况,切顶充填条件下顶板不发生破断的临界平面充填率为57%左右,此时的极限破断尺寸为37.8m。对于同一平面充填率,采空区相关能量指标曲线形态与顶板挠度一致;煤壁前方相关能量指标曲线形态呈现指数变化规律。随着平面充填率的增加,采空区与煤壁前方能量释放密度上下限都呈现出降低的趋势。（4）进行了不同侧限约束条件下的破碎矸石压缩试验与无侧限破碎矸石压缩的数值模拟。无侧限约束条件下残高比与高径比呈现出三次函数的变化规律,尤其是当高径比小于0.4的时候,残高比增长迅速。侧向支护作用改变了压缩过程,残留高度及残高比都增加。固定侧限条件下,在载荷突变或者水的影响下,变形稳定的破碎矸石仍会发生变形的突增。不同侧限条件下破碎矸石应力应变更加符合Terzaghi模型。无侧限条件下破碎矸石流变适用于PTh体流变模型。（5）开展了切顶充填开采覆岩链式失稳的相似模拟试验与数值模拟研究,发现了在采空区中部及端部的顶板最容易失稳,切顶充填采场矸石柱的失稳具有多米诺骨牌效应。结合结构力学理论,得到了关键区域的矸石柱失稳,临近矸石柱的载荷响应。提出了切顶充填采场有三种覆岩破坏空间结构,切顶充填开采采场上方覆岩应力呈“复合应力拱”的特征。得到了切顶充填充实率的计算公式,当上覆岩层重力较小（4MPa以内）,平面充填率0.5以上,预压实应力2MPa左右时,充实率可以保证在0.7～0.8。根据本文研究结果,提出了提高切顶充填系统稳定性的措施。