坚硬顶板临空巷道变形破坏严重是煤矿最为常见的强矿压问题之一,定向造缝切顶卸压是有效的控制手段。目前对切顶工作面覆岩三维破断特征的研究尚属空白,更缺乏一种揭示采场覆岩三维破断运移及应力场演化规律的研究方法,因此难以准确掌握覆岩三维破断运移与采场矿压规律的内在联系。此外,现有造缝切顶技术难以实现裂缝面的定向和连续。为此,论文提出了一种基于泰森随机多边体单元理论的三维岩层垮落数值模拟新方法,并结合弹性薄板小挠度理论,分析了造缝切顶对采空区覆岩三维破断特征、结构特征以及采场应力分布特征的影响,揭示了切顶工作面应力场演化规律及机制,研发了坚硬顶板定向精准造缝卸压技术,优化了造缝工艺流程及参数,并在塔山矿8311工作面成功进行了工业试验,论文取得如下结论及创新点:（1）针对采场三维岩层破断运移过程和应力场演化规律难以掌握问题,结合采场覆岩结构、三维板结构和岩石破断机理,提出了基于泰森随机多边体单元理论的三维岩层垮落数值模拟新思路,开发了三维岩层垮落新程序,并从多个层面验证了其可靠性,为研究覆岩三维破断运移规律提供一种新的方法。（2）基于弹性薄板小挠度理论,建立了固支、简支和自由9种组合边界条件下坚硬岩层三维破断力学模型,探明了切顶方式对基本顶初次破断和周期破断规律的影响,揭示了切顶改变基本顶破断特征控制采场强矿压的机理。（3）基于开发的三维岩层垮落新程序,掌握了基本顶破断与采场矿压强的关系,获得了“边界悬板+中部不规则堆积+上部铰接板”的采空区覆岩三维结构特征及采场矿压分布规律,揭示了切顶改变覆岩破断特征诱发采场应力场演化的规律。（4）揭示了坚硬顶板定向造缝切顶煤柱卸压机理,确定了岩层切割范围,优化了造缝工艺流程及参数,首次成功实施了链臂锯及复合爆破定向连续造缝切顶,有效的降低了煤柱应力。（5）提出了采空区稳定距离的确定方法,探明了增加切顶深度可以加快采空区稳定的规律,揭示了采空区侧煤柱应力“双峰值”显现机理,为坚硬顶板小煤柱开采的掘进时机和巷道布置以及无煤柱开采临时支护设备回撤距离的确定提供了理论依据。论文有图132幅,表22个,参考文献216篇。