最新成果丨余伟健教授：厚硬顶板采场诱发逆断层失稳的力学机制研究

厚硬顶板采场诱发逆断层失稳的力学机制研究

作者

余伟健^1,2,3, 郭涵潇¹, 李可¹, 廖泽⁴, 吴根水¹, 潘豹¹

单位

1. 湖南科技大学资源环境与安全工程学院；
2. 湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室；
3. 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室；
4. 贵州理工学院矿业工程学院

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摘要

为了研究厚硬顶板条件下工作面逆断层的失稳力学机制，通过断层边界煤柱尺寸、断层倾角及岩层移动角三者关系，确立了采场覆岩移动区与断层面之间的空间关系模型。通过采场覆岩各岩层移动角建立了覆岩岩层移动线方程，结合断层倾角得出了不同层位岩层移动线与断层面之间的距离函数公式，精确划定了断层面与岩层移动线的边界过渡区范围。基于岩层抗拉强度建立了断层边界岩块的极限平衡方程，给出了断层倾角小于岩层移动角情况下，边界岩块力学失稳判据，并通过力矩平衡方程建立边界岩块的偏转失稳判据。以现场案例为基础，采用双判据确定了断层倾角小于岩层移动角情况下的逆断层的活化岩层区域，确定了断层面的活化规律与离层空间分布情况。理论分析了逆断层边界条件的围岩变形破坏机理，试验模拟了断层区域采场岩层的整体运移规律，全面计算探究了厚硬顶板条件下逆断层区域采场围岩的力学与位移变化模式。结果表明：逆断层在厚硬顶板破断前发生活化；断层小于岩层倾角情况下，断层面离层空间主要分布在厚硬顶板区域的弯曲下沉带；与断层面产生离层空间的岩层竖向裂隙空间显著减少；与断层面产生离层空间的岩层对采空区空间的向上传递效率显著提高；可以通过优化断层保护煤柱尺寸来维持断层围岩的稳定；双判据模型从理论层面给出了断层边界保护煤柱的尺寸取值依据，为现场的保护煤柱宽度提供最优解。

文章目录

0 引言

1 断层影响下岩层移动特征

2 断层空间存在性分析

2.1 关键层滑移失稳力学判定

2.2 关键层偏转失稳力学判定

3 厚硬顶板条件下断层面离层分析

3.1 工程背景

3.2 断层活化数值模拟分析

4 断层保护煤柱尺寸优化分析

5 结论

部分附图

图1 厚硬顶板断层面与岩层移动线示意

图2 逆断层区关键层支撑模块滑移失稳模型

图3 逆断层区关键层支撑模块偏转失稳模型

作者简介

余伟健

教授

博士生导师

余伟健，1978年生，江西都昌人，二级教授，博士生导师，入选湖南省科技创新领军人才、湖南省121创新人才工程，等。现任湖南科技大学教务处处长，兼任煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室主任，湖南省岩石力学与工程学会副理事长，中国岩石力学与工程学会采矿岩石力学分会常务理事，《采矿与安全工程学报》、《有色金属科学与工程》、《采矿与岩层控制工程学报》、《矿业安全与环保》、《湖南科技大学学报（自然科学版）》等杂志编委。

研究方向

主要从事深部岩石力学与围岩控制等方面的理论与技术研究。

主要成果

一直从事采矿工程、深部岩体力学及围岩控制领域的研究工作，尤其针对南方复杂地质条件下煤矿开采及围岩控制等方面，提出了薄煤层半煤岩体巷道不均匀变形机制与控制原理，开发了以“桁架锚索”为核心的综合支护体系；揭示了正对称失稳和角对称失稳两种典型失稳模式，构建了大变形损伤本构模型与数值计算方法，提出了高应力软岩大变形巷道稳定性控制与返修方法；结合含瓦斯煤岩体回采巷道围岩的逾渗破坏机制，探讨了破碎煤岩体压实二次成岩过程和机理，应用了破碎围岩巷道的可控注浆加固与刚性U型钢反底拱支护技术；分析了采场覆岩移动区与断层面之间的空间关系模型，构建了双判据的关键层破断前的断层力学失稳模型。
主持国家级项目5项，省部级、企业合作及成果转化项目等课题20余项。成果已在国内外重要刊物上发表论文180余篇，出版专著2部，编写教材2部。获省部级科技进步一等奖、二等奖等奖励10余项，已授权国内外发明专利30余件。

引用格式

余伟健，郭涵潇，李可，等.厚硬顶板采场诱发逆断层失稳的力学机制研究[J].煤炭科学技术，2025，53（2）：1−11.
YU Weijian，GUO Hanxiao，LI Ke，et al. Mechanism of reverse fault activation when mining under the condition of thick and hard roof[J]. Coal Science and Technology，2025，53（2）：1−11.

策划：朱恩光

责编：宫在芹

编辑：李莎

审核：常琛