长壁采矿过程中耐水关键层耦合应力—破裂演化的数值模拟

这对煤炭、地下水和安全为何重要

在许多干旱地区，煤层正位于宝贵的地下水之上。开采煤炭存在使通常作为天然挡水层的岩层开裂的风险，从而导致水涌入巷道或从地表排出。本研究提出了一个务实的问题：随着采矿推进，位于煤层与地下水之间的岩石屏障如何变形和破裂，以及在何种条件下它仍能可靠地阻挡水流？

位于煤层之上的隐蔽岩石屏障

在许多煤层之上存在一层相对坚硬的岩层，它阻隔了上方含水层的水。作者将其称为耐水关键层，把它视为地下屏障是现代“保水”采煤的核心。如果该层大体保持完整，地下水位稳定，矿井洪水的可能性就小；如果它破裂成重度破碎带，其封水能力就会丧失。关键因素是该层与煤层之间的距离——覆岩厚度——与采高的比值。这个比值称为相对覆岩厚度，它决定了随着煤体被开采，屏障会进入剧烈塌落区、适度破裂区还是温和弯曲区。

关于采矿与岩体应力的虚拟实验

由于难以实时观测深部岩体，研究团队使用了一个模拟成千上万块独立岩体及其间接缝的计算程序。他们模拟了一个长400米的长壁采场，假定岩性较为均一且无额外构造挤压，以便清晰地看到与煤层距离的影响。测试了三种情形：屏障岩距煤层分别为20米、40米和60米，同时保持采高和岩性不变。对每种情形，他们跟踪了随着采面推进屏障岩中竖向和横向（水平）应力的变化，以及原有节理如何张开成裂缝或再次闭合。

岩石屏障内的应力波和裂缝带

模拟显示，随着采面推进，屏障岩并非简单下沉；沿其长度出现一组重复的应力带模式。从未扰动地段开始，模式依次为：初始应力带，然后是应力聚集带，随后是应力骤降带，接着是应力逐步恢复的中间带，再之后是另一个低应力带，最后在移动采面附近出现另一个高应力带，然后远端恢复到初始状态。随着时间推移，随着上覆破碎岩体压实并开始承载更多荷载，中间的恢复带逐渐扩大。与此同时，靠近采空区的位置会经历非常低的应力，尤其是竖向应力，这有利于裂缝的张开。

裂缝如何生长，然后大多再次闭合

屏障岩中的裂缝网络紧随这一应力格局。应力高的区域，裂缝受挤压倾向闭合；当岩体进入强烈释压带时，裂缝会突然张开并连通，形成可能让水通过的破裂带。随着上覆岩层沉降、应力恢复，许多裂缝逐渐闭合，但仍有少数顽固裂隙保持部分张开。模拟揭示了屏障上固定点的一致时间序列：初始未扰动状态；应力增加；快速卸荷和裂缝扩展；裂缝达到最大期；最终随着应力重建裂缝部分闭合。屏障距煤层越远（即相对覆岩厚度越大），应力波动越弱，破裂带越小且持续时间越短，裂缝越容易闭合。

将岩体力学转化为设计规则

通过将应力路径与破裂演化联系起来，作者给出了一个用于矿山规划的实用指南。如果屏障非常接近煤层，它很可能落入完全破碎的塌落区，无法被信赖来挡水，因此工程师应降低水位或采用强力人工支护。在中等距离时，屏障位于破裂区，若通过调整采速、采场布置和可能的注浆施工以限制并在应力恢复阶段促使裂缝愈合，屏障仍可发挥作用。当屏障远离煤层时，它处于温和弯曲区并保持为稳健的天然封闭体。本质上，屏障距离与采高这一单一几何比值提供了一种快速判定保水采煤可行性以及为保护能源与水资源所需附加措施的简便方法。

引用: Gao, H., Ji, L., Huang, Y. et al. Numerical modeling of coupled stress-fracture evolution in water-resisting key strata during longwall mining. Sci Rep 16, 6585 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36660-6

关键词: 长壁采矿, 地下水保护, 岩石裂隙, 数值模拟, 矿井涌水