最新成果丨解盘石教授：大倾角工作面覆岩三维破断运移演化规律

大倾角工作面覆岩三维破断运移演化规律

作者

解盘石^1,2,3,4, 黄宝发^1,2,3,4, 伍永平^1,2,3, 罗生虎^1,2,3, 朱明建⁵, 易磊磊⁵, 徐辉⁵, 陈建杰⁶

单位

1. 西安科技大学能源学院；
2. 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室；
3. 陕西省岩层控制重点实验室；
4. 煤矿智能安全技术与装备应急管理部重点实验室；
5. 四川川煤华荣能源有限责任公司；
6. 新疆焦煤(集团)有限责任公司

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摘要

大倾角煤层安全高效开采的关键是对采场围岩与装备的多维耦合控制，定量化表征大倾角采场覆岩空间结构破断特征、采动裂隙发育和空隙分布特征是实现该类煤层精准岩层控制的前提。以大倾角长壁大采高工作面为工程背景，采用数值计算、现场实测与理论分析相结合的研究方法，在厘定覆岩空间移动变形规律的基础上，引入三维曲率、岩体空隙率及分形几何理论定量描述了采场不同区域破断岩块的运移–堆砌–铰接特征及岩体裂隙分布规律，实现了大倾角大采高工作面开采过程中三维结构组成及采动裂隙场空间占位的动态精细定量表征。研究表明，大倾角大采高破断顶板在采场空间发生了多维度耦合的非均衡运动，中、上部顶板以垂直岩层运动为主，下部顶板演变为倾向下滑。顶板破坏形式沿倾向、走向、垂向呈现三维区域异化，上部破断岩块错层、跨层迁移形成倾斜砌体结构，采空区后方存在“非均匀矸石–弯曲悬臂梁–破断岩块”承载结构形成非均匀空顶区域，承载结构相互约束，随倾向位置、覆岩层位不同发生动态演化。支架阻力分区波动性分布，中部阻力>上、下部，走向非同步来压。曲率分布呈“横、竖 O–X”形态，“O”型内部垮落岩块非平行同步下沉，倾向、反倾向堆砌结构并存，正负曲率不一，岩块间形成弱铰接结构。随覆岩层位升高，离层破坏区域向中下部和采空区中部偏移，岩体空隙率和分形维数呈现先增大后减小的现象。研究结果揭示了采空区内部覆岩三维破断运移规律，丰富了大倾角煤层岩层控制理论，也为顶板岩层运移规律的精细定量分析提供了新方法。

文章目录

0 引言

1 工程背景

2 采场覆岩垮落特征分析

2.1 数值模型建立

2.2 覆岩变形破坏垮落特征

2.2.1 覆岩空间破坏特征

2.2.2 覆岩承载结构动态演化

3 采场覆岩三维运移规律分析

3.1 覆岩位移分布基本特征

3.2 覆岩运移方向特征

3.3 顶板曲率分布特征

3.4 覆岩空隙率分布特征

3.5 覆岩分形维数演化特征

4 现场监测

4.1 工作面矿压显现分区特征

4.2 采场围岩与装备协同分区控制

5 结论

部分附图

图1 覆岩空间破坏特征

图2 覆岩承载结构演化

图3 顶板空隙率分布特征

作者简介

解盘石

教授

博士生导师

解盘石，男，1981年1月生，工学博士，教授，博士生导师，美国西弗吉尼亚大学（West Virginia University）公派访问学者，陕西高校青年创新团队（稀缺难采煤炭资源智能开采创新团）带头人、西安科技大学矿业工程学术方向带头人。兼任中国煤炭工业协会井工开采与设计专家委员会委员、中国岩石力学与工程学会煤矿智能开采与岩层控制分会常务理事、美国采矿冶金勘探学会（SME）成员，《西安科技大学学报》编委，《煤炭学报》《煤炭科学技术》《煤矿安全》《煤炭工程》青年编委。曾获全国煤炭青年科技奖、陕西省青年科技新星、陕西青年科技奖、陕西省优秀博士论文、中国煤炭工业科技创新领军先进个人。

研究方向

难采煤炭资源安全高效开采理论与技术

主要成果

致力于难采煤炭资源安全高效开采的研究与实践，主持“基于倾角效应的支架（群）与围岩多维载荷传递及耦合控制机理”等国家自然科学基金项目3项，陕西省杰出青年基金等项目10余项，参与国家自然科学基金重点项目等30余项。获国家科技进步二等奖1项（第8），省部级科技进步一等奖2项（第1、第2）、二等奖5项。发表论文160余篇，出版专著6部，授权国内外发明专利20余项。指导学生获国家级、省部级学科竞赛奖励10余项。

引用格式

解盘石，黄宝发，伍永平，等.大倾角工作面覆岩三维破断运移演化规律[J].煤炭科学技术，2025，53（2）：12−26.
XIE Panshi，HUANG Baofa，WU Yongping，et al. Three-dimensional fracture migration evolution law of overburden rock in steeply dipping working face[J]. Coal Science and Technology，2025，53（2）：12−26.

策划：朱恩光

责编：钱小静

编辑：李莎

审核：常琛