深层多层致密顶板动力—静力耦合作用的灾害成因与监测

脚下的隐形地震

在地表之下很深处，远离城镇与耕地，煤矿有时会像小型地震般突然剧烈震动。这样的能量释放称为岩爆，能瞬间压毁设备并威胁矿工生命。本文研究位于中国的一处矿井，旨在理解位于煤层之上的多层强岩如何悄然储能并在某一时刻释放，以及如何在灾难发生前通过探测与管理来降低风险。

为何深部煤矿更危险

随着中国浅层煤层的消耗，开采逐步深入地层更深处，这里的岩石承重更大、地质更复杂。在耿村煤矿，煤层位于地表半公里以外，下覆数层厚且坚硬的岩体，称为“致密顶板”。这些岩层像横跨采空区的刚性梁一样工作，不一定会平缓塌落，而可能在大跨度上悬空。悬空的顶板会挤压采面前方的煤体，导致应力与能量累积。当荷载超过岩体承受限度时，刚性岩层可能突然断裂并位移，将冲击波传入周围岩体与煤层。

静态荷载与突发冲击如何叠加

作者关注两类荷载——缓慢恒定的自重（静态荷载）和突然的位移冲击（动力荷载）——如何联合作用以触发岩爆。基于耿村矿12240工作面的覆盖岩层工程模型，计算了上覆岩体如何将拱形荷载投射到采机前的煤体上。单独的静态荷载会使煤体应力与能量上升，但不足以直接引发岩爆。危险情形出现在上部致密顶板失稳破裂时。破裂会同时释放多层岩体的弯曲能，并向下发出振动脉冲。当该脉冲抵达已被静载预应力的煤体时，总能量可能越过岩爆临界阈值。在该矿的计算中，当下部致密岩层与上方两层致密岩同时破裂时，能向工作面传递约1.22×10^4焦耳的能量——超过了矿山已知的岩爆阈值。

聆听微震并监视顶板位移

为验证上述机理，研究团队结合了两类测量。首先，他们分析了微震记录——岩体破裂与位移时产生的微小地下“地震”。大多数微震事件聚集在下部与中部致密岩层之间的带状区，且许多事件出现在后来发生一次重大岩爆的位置附近。其次，他们从下方巷道向下部致密岩层锚入特制钢索，并在采进过程中连续测量这些锚索的张力。张力上升表明下部致密顶板出现弯曲并承受更多应力。尤其一根钢索在短距离内出现张力的剧增随后骤降——该变化在空间上与计算得到的高能顶板破裂位置以及实际岩爆位置高度一致。

三段式的风险增长与消退区

通过跟踪锚索力随工作面推进的变化，研究者识别出采面前方三段实用的风险区。远端大约120米到20米处，岩体仅经历缓慢且有限的应力上升。中间区大约20米到2.5米处，下部致密顶板应力增长更快，构成强影响区，也是岩爆风险最高的区域。在采面前几米处，随着煤体被切割、顶板开始塌落，应力迅速下降。该三段式模式与中国现行的安全规范相吻合：高风险工作面在大致相同距离范围内要求加强支护与密切监测。

将危险顶板转化为可控风险

对非专业读者而言，关键结论是：岩爆并非地下的随机爆发，而是源于位于煤层上方刚性岩层中储存能量的积累，以及这些岩层的缓慢受压与突然断裂如何叠加。通过将物理模型计算、微震“监听”与对选定目标层的直接应力测量相结合，矿方可以评估顶板何时接近危险状态并及早采取措施——如调整支护、改变采进速度或实施受控削弱技术——以在继续开采深部煤炭资源的同时提高矿工安全性。

引用: Fu, X., Zeng, L., Rong, H. et al. Disaster causing mechanism and monitoring of dynamic and static load coupling of deep multi layer hard roof. Sci Rep 16, 5081 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35315-w

关键词: 岩爆, 深部煤矿开采, 致密顶板, 矿山安全, 微震监测