在超厚煤层巷道顶部采场侧巷中，原始煤帮相比煤柱帮变形反增的机制

为什么地下巷道会突然被挤闭

随着煤矿开采越来越深、采厚煤层越来越多，工程师在采空区旁开凿长距离巷道。这些通道必须保持畅通以供通风、人员和设备通行，但它们所处的岩体承受着巨大的地压。本研究调查了中国一座矿井中一个令人困惑且危险的现象：并非面对采空区一侧的巷帮（通常被认为较弱）出现最大破坏，反而看似更坚固的原始煤帮发生了更大的变形。弄清这一现象的成因对提高地下采矿的安全性和效率至关重要。

一种新的巷道挤压形态

在中国现代化煤矿中，厚度超过15米的特厚煤层常采用全机械顶煤放顶抽采法。面板煤被采出后，覆岩塌落进采空区，形成称为采空区塌落体（矸石）的碎块层。随后在接近该采空区的位置开挖新巷道，称为采空区侧巷，仅剩窄煤柱作为缓冲。传统上，工程师预期面向采空区的一侧（即煤柱侧）变形会大于面向未采动岩体的一侧（原始煤侧）。然而，在一个厚度15.1米的工作面（8211工作面）的监测显示了相反的情况：约50天后，原始煤帮向巷道内部的位移超过了煤柱一侧，作者将此类现象称为“反向变形增大”(RDI)。

记录岩体缓慢破坏的过程

研究小组首先记录了地下的实际演变。他们随时间测量了两侧巷帮的向心收敛，检查锚杆、锚索和支架的破坏情况，并使用井下摄像通过钻孔观测煤体破碎的深度。两侧均表现出严重损伤，但整个8米厚的煤柱被贯穿破裂，而原始煤侧则存在约4.3米深的严重破碎外层和相对完整的内芯。应力计测得煤柱中部承载的应力很低，表明该部位已严重削弱，而深处的原始煤仍承受接近原始原位应力的负载。这一组合——两侧近表层均严重破碎但原始煤深部仍较坚固——为意外位移的发生创造了条件。

对埋藏谜团的数值试验

为理清机理，研究者建立了一个详细的三维数值模型，采用实际岩体参数和分采工序。模型中主要变化三项因素：采空区塌落体对煤柱的侧向支撑高度、煤柱宽度，以及侧巷开挖的时序。模拟结果显示，RDI仅在塌落体高度足够大时出现——即塌落体与煤柱接触高度必须超过约20米。在这种情况下，采空区的破碎岩体像一个刚性的侧向支撑，支撑住煤柱，使其向巷道方向的变形减小。与此同时，上覆相对完整的岩层向下弯曲并向巷道方向施加最大推力，集中作用于原始煤帮。结果是原始煤帮承受更高的水平和垂向应力，从而比煤柱侧更向巷道内部挤压。

煤柱尺寸与开挖时序的真实影响

煤柱宽度和巷道开挖时序会影响RDI的强弱，但不决定其能否发生。当塌落体接触高度较高时，窄煤柱（例如5–8米）易被采空区侧支撑有效撑住，向巷道的位移相对较小，而原始煤侧则表现出更大变形。随着煤柱变宽（约30米或更大），两侧的应力和损伤趋于均衡，两个巷帮的位移变得相近。开挖时序也很关键：如果在上方工作面采动后不久就掘进侧巷——在覆岩仍在持续沉降时——煤柱倾向于向采空区移动，这进一步减少了其向巷道的内移并放大了RDI。一旦上覆地层稳定，RDI会减弱，但只要塌落体支撑高度仍然大，RDI不会完全消失。

工程上如何保持巷道畅通

基于这些认识，作者在模型中并在现场试验了多种加固方案。仅仅增加更多较短的锚杆无法阻止原始煤帮出现更大变形。最有效的策略是对两侧同时采用更长的锚杆配合大承载力的锚索，使受损的外层煤体能够“锁定”到更深、更坚固的岩体中，从而把荷载在煤柱与原始煤之间更均匀地分配。在现场安装这种组合支护后，观测到巷道变形在约一个月内趋于稳定，两侧最终的内移都明显减小并趋于相近，满足了安全和运营要求。

对深部厚煤开采的意义

对非专业读者来说，关键结论是：在极厚且埋藏较深的煤层中，纸面上看似更安全的一侧巷帮实际上可能首先失稳。采空区内的碎块体并非单纯的被动产物，它可能把煤柱支撑得很好，以致在覆岩弯曲作用下，原始完整的煤帮反而成为薄弱环节。通过识别塌落体支撑高度为触发因子，并展示煤柱尺寸、开挖时序与加固措施如何相互作用，本研究为设计能保持地下重要通道畅通并提高矿工安全的支护方案提供了更清晰的指导。

引用: He, W., Chen, D. & Zhu, H. Mechanism of reverse deformation increase in the virgin coal rib compared to the pillar rib of the gob-side entry in an extra-thick coal seam. Sci Rep 16, 5724 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35947-y

关键词: 地下煤矿开采, 岩体变形, 地压控制, 煤柱设计, 采空区侧巷