温薄层缓倾软岩深埋巷道地面隆起机理的物理模型研究

为什么矿井巷道地面会突然隆起

在深部地下，某些矿井巷道的地面会缓慢向上拱起，挤压出轨道和设备，威胁工作人员安全。这种令人不解的“地面隆起”修复成本高且难以预测，尤其发生在煤矿分布广泛的软弱层状岩中。本文所述研究通过大型物理模型与数值模拟揭示：在缓倾薄层岩体内的应力如何导致断裂并抬升巷道底板，提供了有助于设计更安全、更稳定地下巷道的见解。

更近距离观察巷道地面隆起

在中国西部及许多其他采矿区，煤矿开采深度达到数百米，覆盖岩体的自重产生巨大压力。许多巷道穿越的是呈薄层状排列的软岩——泥岩、煤层与粉砂岩——它们呈缓倾角而非水平铺展。工程师长期观察到，在这些条件下，巷道底板会随着时间显著拱起。早期解释多集中于来自顶板的垂直荷载、含水膨胀或岩体缓慢蠕变，但层状结构与岩体侧向挤压的具体作用仍不明确。

在实验室里重建巷道

为厘清这一机理，研究人员基于云南一处约埋深750米、岩层倾角约十度的真实巷道，构建了大型物理模型。他们用精配的粉体按缩尺匹配真实岩石的密度和强度，重现了三种主要岩性。该层状模型约为大型桌面尺寸，在“煤”层中开挖出一个小型巷道。通过液压加载施加相当于深部的等垂直与水平应力，并在可控阶段模拟掘进与追加荷载。

观察岩体的应变与破裂

加载过程中，高分辨率相机系统追踪了细小表面位移，数十个应变计测量块体内部的变形。随着压力增加，最早出现的明显变化出现在巷道底板下方。一个漏斗形的上升应变区直接在巷道下方形成，并随加载持续而增强。最终，巷道下的薄层与下覆层发生分离、开裂并向上抬起，产生清晰的底板隆起。测得的最大变形集中在延伸至底板约半个巷道宽度的区域，该区域等效应变升至高峰值，表明严重损伤。分析显示，软弱薄层的水平挤压是驱动该抬升的主要因素。

巷道周围的隐性拉应力与压应力

研究组还绘制了巷道周围在底板失稳时拉伸与压缩的分布。在与巷道直径可比的距离内，拉应力（拉伸）与压应力（挤压）交替分布于开挖空洞周围。底板隆起后，靠近巷道的岩体出现强烈的拉应力，尤以拐角及顶板与底板处为著，而压应力带则在更远处形成。这一应力模式解释了裂缝为何在特定位置萌生并沿特定路径扩展，最终形成环绕巷道的特征性破坏形态。

用数值模型验证结果

为验证观察到的行为并非单次试验的偶然，研究人员用成熟的岩体力学软件构建了三维数值模型，复现了物理试验的几何形状、层状结构和边界条件。模拟得到的位移模式与物理模型相似：巷道一侧附近的底板急剧上弯并断裂，而顶板略有下沉。模拟中的关键测点位移与实验模型几乎一致，在试验尺度上仅相差几毫米。这种高度一致增强了对所识别机理的信心。

对更安全地下巷道的启示

对非专业读者而言，结论直观明确：在深部、软弱且薄层的岩体中，地体的侧向挤压可与垂直荷载一样，成为驱动巷道底板隆起的重要因素。缓倾的薄层像叠置的弱板，在水平应力作用下在底板下方发生屈曲、开裂与剥离。认识到最关键的损伤集中在巷道正下方呈漏斗形并在大约一倍巷道宽度范围内，有助于工程师制定有针对性的加固措施——例如在特定区域布置底板锚固或改进支护，而非全面过度设计。尽管本研究以某矿为例，其物理图景为全球深部地下巷道的更可靠设计与控制提供了更清晰的指导。

引用: Chen, F., Wang, E., Miao, C. et al. Physical model study on the mechanism of floor heave for the deep-buried roadway excavated in soft rock of gently inclined thin strata. Sci Rep 16, 9557 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-95299-x

关键词: 地面隆起, 软岩巷道, 深部开采, 隧道稳定性, 岩层