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创新点
（1）通过地质雷达探测及反演可知，煤层顶板分层明显，采空区垮落顶板呈现正置三角形区域与倒置三角形区域交替出现的形状，其中正置三角形区域内下位岩块堆砌划一、上位岩块堆砌芜杂，而倒置三角形区域内下位岩块堆砌芜杂、上位岩块完整性好。
（2）采空区垮落顶板形状的出现是基本顶及其控制的上覆岩层周期破断与已破断的关键岩块再次破断共同作用的结果，当各关键岩块的极限抗弯强度小于遭到的最大弯矩时即发生再次破断，且基本顶岩块与上覆岩层发生再次破断的位置不同，2者再次破断位置的差异导致采空区垮落顶板被分为正置三角形与倒置三角形区域。
（3）提出了采空区垮落顶板“正－倒置三角形”形态的概念，当基本顶及其控制的上覆岩层分层明显时，在煤层开采工作面周期来压后，基本顶及其控制的上覆岩层关键岩块在最大弯矩的作用下发生再次破断，周期破断与再次破断位置将采空区垮落顶板呈现正置三角形与倒置三角形区域，构成“正－倒置三角形”的垮落顶板形状。
采空区垮落顶板形状及其演化特征
作者：李杨，任玉琦，王楠，金向阳，欧祥吉，罗军波，梅灿旗
单位：中国矿业大学（北京）能源与矿业学院
背 景
目前，由于原始地层赋存的复杂性与特殊性，我国一些次要生产矿井存在近距离煤层上行开采和含水层下开采的特殊情况。同时，在系统研究废弃矿井煤层气资源开发利用的大背景下，废弃采空区内煤层气资源空间分布研究也成为重点。因而煤层开采后采空区垮落顶板的形状特征研究成为当下采空区研究的重点内容。
总体而言，国内外在对采空区垮落顶板的形状特征研究并不多，且现有研究多采用在类似模仿或数值模仿的方法揭示采空区垮落顶板形状，这与现场实际情况存在差异。针对此，笔者从现场实际探测结果出发，详细分析了采空区垮落顶板形状的特征，结合理论分析的方法，探究了采空区“正－倒置三角形”垮落顶板形状的构成机理，描述了“正－倒置三角形”垮落顶板形状的动态演化特征，给出了“正－倒置三角形”垮落顶板形状概念，并运用UDEC模仿一定程度上验证了“正－倒置三角形”垮落顶板形状的存在性与合理性，进一步丰富了煤层开采覆岩空间结构。
摘 要
揭示采空区垮落顶板形状特征对于近距离煤层上行开采、含水层下开采以及废弃采空区瓦斯分布等具有十分重要的意义。从开滦矿区12-1号煤层开采后垮落顶板的现场地质雷达探测结果出发，综合运用材料力学、矿压理论与UDEC数值模仿的方法，对采空区垮落顶板形状的典型特征、构成机理进行了充分研究，描述了采空区“正-倒置三角形”垮落顶板形状动态演化特征，给出了采空区“正-倒置三角形”垮落顶板形状的概念。研究结果：
①通过地质雷达探测反演结果可知，煤层顶板分层明显，采空区垮落顶板呈现正置三角形区域与倒置三角形区域交替出现的形状，其中正置三角形区域内下位岩块堆砌划一、上位岩块堆砌芜杂，而倒置三角形区域内下位岩块堆砌芜杂、上位岩块完整性好。
②采空区垮落顶板形状的出现是基本顶及其控制的上覆岩层周期破断与已破断的关键岩块再次破断共同作用的结果，当各关键岩块的极限抗弯强度小于遭到的最大弯矩时即发生再次破断，且基本顶岩块与上覆岩层发生再次破断的位置不同，2者再次破断位置的差异导致采空区垮落顶板被分为正置三角形与倒置三角形区域。
③提出了采空区垮落顶板“正-倒置三角形”形状的概念，当基本顶及其控制的上覆岩层分层明显时，在煤层开采工作面周期来压后，基本顶及其控制的上覆岩层关键岩块在最大弯矩的作用下发生再次破断，周期破断与再次破断位置将采空区垮落顶板呈现正置三角形与倒置三角形区域，构成“正-倒置三角形”的垮落顶板形状。
④运用UDCE模仿获得了采空区垮落顶板的形状特征，一定程度上验证了采空区“正-倒置三角形”垮落顶板形状的存在性与合理性。
图 片
煤层赋存情况
煤岩层柱状图
地质雷达探测位置示意
地质雷达探测数据结果处理示意
煤层开采顶板垮落形状地质雷达反演
工作面液压支架载荷实测结果
基本顶关键岩块受力分析
基本顶关键岩块上任意一点弯矩
上覆岩层关键岩块上任意一点弯矩
采空区垮落顶板结构形状示意
采空区垮落顶板形状演化过程
12-1号煤层采空区垮落顶板形状
作者简介
李杨，男，1982年6月生，河北唐山人，现任中国矿业大学（北京）能源与矿业学院资源工程系主任，副教授，博士生导师，美国西弗吉尼亚大学联合培养博士。次要从事煤炭开采方法、矿山压力及岩层控制、多煤层开采及破坏区煤层开采等研究工作。
研究方向
矿山压力及岩层控制、近距离煤层群开采
次要成果
在近距离煤层群开采智能岩层控制、地下水流场影响以及破坏区煤层开采等科研领域开展了大量研究，掌管国家自然科学基金2项、承担并参与美国联邦政府职业安全健康研究院(NIOSH)基金项目、国家重点研发计划项目、国家重点基础研究发展计划（973计划）、“十一五”国家重点攻关等国家级及省部级课题。美国SME开采勘探冶金协会、国际采矿教授协会、国际矿业研究联盟成员。获得2016年全国煤炭青年科技奖，并获国家科技进步二等奖1项、省部级一等奖2项、省部级二等奖6项。出版全英文专著1部、全英文合著1部，发表学术论文30余篇。
来源：
李杨，任玉琦，王楠，等．采空区垮落顶板形状及其演化特征[J]．煤炭学报，2021，46（12）：3771-3780．
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