深孔顶板爆破下巷道顶板与边帮岩体灾变失稳判据——以嵩山煤矿为例

为什么爆破会震动矿道

现代煤矿常用受控爆破来释放巷道上方岩体的应力，以防止危险的岩爆。但每次爆破也会把强烈的冲击波传入地下空间。本研究提出一个事关生死的现实问题：在巷道顶板或边帮突然塌落之前，能够安全使用多少炸药？工程师如何事先预测这一临界点？

受力巷道示意图

研究者聚焦于中国嵩山的一处深部煤矿，该处巷道顶板由厚层砂岩构成、层理明显，而煤侧帮相对较软且强度不足。为缓解采掘引起的极端应力，工程师在工作面前方向顶板钻深孔并装药。引爆后，这些装药有意裂解并削弱强顶板，使之以可控方式破坏，而不是突然猛烈失稳。然而，同样的爆破也会震动巷道本体。强烈振动可能将已受应力的围岩推过临界点，导致突然的“灾变”式变形，而非缓慢、可控的位移。

将岩体运动转为能量平衡

为了判断何时会发生这种突发破坏，作者把巷道上方的层状顶板简化为一个支承在支护上的梁体，建立了该梁体中储存与释放的总能量方程，考虑了岩体弯曲、覆层自重、锚杆等支护的抵抗以及爆破振动的额外作用力。利用称为灾变理论的数学分支，他们将该能量表达式化为标准的“尖点（cusp）”模型，描述系统在条件越过阈值时从平稳状态突然跃迁到另一状态。在这个框架下，装药量与支护强度相当于控制参数，而顶板挠度是系统的响应量。

多少炸药才算过量？

从尖点模型出发，团队推导出临界爆破载荷的公式，并据此给出了顶板的临界装药量。如果实际装药低于该值，顶板可以吸收干扰并保持稳定；超过该值，模型预测会发生突发失稳。对边帮亦采用类似思路——边帮可能通过竖向开裂与沿削弱带的滑动发生失稳。作者建立了一个可能的煤岩滑动体的力学模型，同样写出总能量表达式并应用灾变理论，得到用于评估边帮稳定性的第二个临界装药限值。两种情况下的结果均表明：装药量越大、爆破点距巷道越近、岩体或支护越弱，安全极限就越低。

嵩山矿对模型的验证

研究者利用室内岩石强度试验、现场爆破振动测量以及嵩山矿2205工作面巷道的几何数据，计算出具体的临界装药量。理论上分层顶板每次爆破可承受近100公斤的炸药，而更脆弱的边帮将安全装药限制在约93公斤。为避免破坏，矿方最初每次仅装26公斤，致使工作推进缓慢。按照新判据指导，工程师将装药增加到约79公斤——远低于计算出的临界值但足以提高效率。监测显示爆破后数日内顶板额外下沉仅约5毫米，边帮位移约11毫米，证实巷道保持稳定。

更安全爆破的实用规则

对非专业读者而言，主要结论是：爆破下的危险巷道失稳并非偶然——当振动能量将岩体系统推过数学上可定义的临界点时，灾变就会出现。通过结合岩性参数、巷道几何、支护强度与爆破振动的测量，本研究给出了顶板和边帮最大安全装药的计算公式。研究还指出了明确的安全操控手段：加强支护、将爆破点远离巷道、采用灌浆等措施加固软弱岩体、限制单次装药量。综合采用这些方法，可使矿井在利用深孔爆破控制顶板应力的同时，保障地下巷道及其作业人员的安全完整。

引用: Guo, D., Chen, J., Wang, H. et al. Catastrophic instability criterion for roadway roof and sidewall rock mass under deep-hole roof blasting in Songshan coal mine. Sci Rep 16, 6448 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36794-7

关键词: 深孔爆破, 煤矿巷道, 岩体稳定性, 顶板与边帮支护, 灾变理论