倾斜超厚煤层小煤柱采掘过程中覆盖层裂缝扩展规律研究

为何矿井上方的裂缝重要

现代煤矿开采不仅仅是取出煤层；它还重塑了上覆围岩以及地下瓦斯的流动方式。在中国西部的新疆地区，煤层异常厚且倾角较大，采矿时常仅留狭窄煤柱支撑顶板。本研究提出了一个具有重大安全意义的实用问题：在这种条件下，上方围岩的裂缝究竟如何产生与扩展，如何利用这些认知来控制瓦斯并保障开采安全？

倾斜超厚煤层的挑战

以往对煤层上方围岩破裂的研究多集中于近乎平坦的煤层，而在新疆，主煤层既厚又明显倾斜。当采矿并留下小煤柱时，上覆围岩会发生复杂扰动。裂缝随时间张开与闭合，形成曲折的气体通道，既可能使瓦斯逸散也可能在某些位置聚集。如果工程师无法预测这些高渗透区的位置，抽采瓦斯的钻孔可能无法命中目标，导致危险的瓦斯包积聚在采区上方。

在实验室与计算机中“重建”矿井

研究者结合了缩尺物理模型与先进的数值模拟来模拟实际工作面——腾达煤矿11,002工作面的开采过程。在实验室中，他们以1:200的比例构建了二维倾斜煤层及其上覆地层模型，按步采进，从一侧向另一侧开采，同时增撤木块以模拟地下的活动支护。并行地，他们使用3DEC软件进行了三维数值模拟，该软件将岩体视为多个相互作用的块体，能够追踪随采进而演化的应力与裂缝发展。

顶板如何破碎与裂缝化

两种方法都表明，顶板并非一次性整体垮塌。相反，上覆岩体经历三阶段过程：先是微小裂缝萌生，随后层间开始分离，最终形成大尺度可见裂缝。随采进，靠近煤层的底部岩块坠落形成充填的坍塌区，而上部岩层则发育为断裂区，块体破裂但未完全坠落。在腾达案例中，坍塌区稳定高度约为煤层上方25米左右，断裂区延伸至约80米。由于煤层倾斜，破碎的岩块趋于沿坡面下滑，导致坍塌格局明显不对称：工作面下坡侧堆积更紧密，而小煤柱上方呈楔形、相对未扰动的区域。

多种观测的测量与整合

为了更可靠地确定坍塌带与断裂带高度，团队比较了三类估算：简化工程公式、物理模型和数值模拟。每种方法给出的数值略有不同，因此作者采用加权平均方案，对误差较小的方法赋予更大权重。由于物理模型对实际采掘过程的再现最为逼真，它获得了最高权重。最终汇总结果将坍塌带高度确定为约24.98米，断裂带高度为81.67米。他们还表明，应力在小煤柱周围显著集中，岩体运动与裂缝化速率自煤层向上逐渐减弱。

将岩体裂缝研究转化为更安全的瓦斯控制

在明确了采空区上方破碎与高渗透岩体的分布后，团队为11,002工作面设计了有针对性的瓦斯抽采体系。他们布置了高位置钻孔和排采巷道，使其穿过预测的高渗透断裂区。数月的现场运行数据表明，瓦斯被有效抽采，同时主要巷道内的瓦斯浓度保持在1%安全限值以下，即使在产出数十万吨煤的情况下亦如此。简言之，该研究表明：通过精确描绘倾斜超厚煤层伴随小煤柱时顶板的破碎规律，工程师可以把瓦斯排采设施布置在最有效的位置，从而降低事故风险，支持更安全、更高效的煤矿开采。

引用: Lu, W., Zhao, P., Jin, Q. et al. Study on crack propagation law of overlying strata in the process of small coal pillar mining in inclined extra-thick coal seam. Sci Rep 16, 8536 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-32844-8

关键词: 煤炭开采, 岩石破裂, 瓦斯排采, 数值模拟, 矿山安全