近垂直超厚煤层动力灾害机理与防治技术研究

为何深部采煤会突然变得危险

随着世界对煤炭在能源与工业中的依赖持续存在，采矿企业被迫不断向更深、更复杂的地质条件推进。在中国西部的一些地区，部分超厚煤层几乎直立，像书本竖放在书架上一样。开采这些近垂直煤层导致了剧烈的地下“动力灾害”——突然的岩体破裂和岩爆，会损坏设备并威胁矿工生命。本文研究了新疆五栋煤矿等一处典型矿井，旨在弄清这些灾害发生的原因及其防治方法。

竖立的煤层

大多数人想象中的煤层是近似平卧的。然而在五栋，主煤层厚达28米和40米，倾角约为85–87度，几乎垂直。两层煤之间存在巨大的岩体称为岩柱。随着矿工在不同巷道水平开采煤层，大量空洞（采空区）被留下。在如此陡倾的煤层中，重力不仅向下作用，还产生侧向分量，给顶板、底板和中央岩柱施加了非同寻常的应力。该地区既往事故——数起与岩柱和顶板相关的高能岩爆——表明这些构造能够储存并突然释放大量能量。

岩柱与顶板如何储存隐匿能量

研究者结合数学建模、岩样室内试验、井下测量和缩尺物理模型，追踪随着采进岩体的变形过程。他们发现，一旦煤体在岩柱周围被移除，岩柱会像巨大的悬臂梁一样，缓慢向某一采空区弯曲。这种弯曲与旋转对两侧残余煤体产生挤压与撬动，使岩柱和煤体内累积应变能。计算显示，当暴露长度约为150米时，岩柱开始出现首次开裂；当无支撑高度达到约350米时，会出现大范围失稳。微震监测——相当于在地下“倾听”微小地震——证实在这些深度岩柱存在强烈破坏和高能事件。

顶板倒塌、底板滑动与剧烈崩塌

覆盖煤层上方的岩层同样处于临界状态。由于煤层近乎垂直，顶板并不像常见情况那样被直接向下压，而是倾向于向采空区一侧倾覆。研究团队的数值模型和大型实验模拟表明，即时顶板可以悬垂超过40米而未立即塌落。发生破坏时，上部岩层主要以倾翻方式倒塌——像排列的书本倒下——而下部层位可能发生塌陷或滑移。破碎块体旋转跌入采空区，有时形成临时的三角形支撑体，随后再次塌落。下层煤层底板在采进过程中也会经历加载与突卸，易发生剪切与滑动。弯曲的岩柱、悬垂的顶板和受损的底板共同造成强大的静应力，并在最终破裂时产生剧烈的动力冲击，可能诱发岩爆。

从认识危险到改变岩体

鉴于灾害由高静态应力与突发动力扰动共同引发，作者将精力集中在如何在能量造成危害前排出这些能量。他们的方案是有选择地通过爆破削弱岩体。研究团队在采面前的顶板和底板钻设两组孔——浅孔和深孔——并施放可控炸药，形成三维的破碎“缓冲区”，以重定向和软化来自岩柱及周围地层的水平应力。计算机模拟显示，与不爆破相比，这些措施可使采面前方的水平应力最多降低约五分之一；在他们的情景中，仅浅孔爆破的效果最佳。

如何测量保护措施是否真正有效

为在井下验证该技术，团队采用了两类监测手段。首先监测煤岩开裂时自然发出的电磁辐射。爆破后，处理区的岩石电磁辐射水平下降近30%，煤体下降约13%，表明应力有所释放。其次分析爆破前后一个月的微震资料。爆破刚发生时，随着裂隙张开和储能释放，微震事件的数量和能量上升；随着时间推移，事件频率和能量逐渐下降，表明岩体趋于更稳定、不太可能发生剧烈破坏。

让深部陡倾煤采更安全

对非专业读者而言，主要结论是：在陡倾超厚煤层中，最危险的力量往往是看不见的——巨型岩板的缓慢弯曲和悬垂，悄然积累能量直到突发破裂。该研究表明，通过弄清这些能量主要在何处、如何累积（主要在中央岩柱和悬垂顶板），工程师可以及早介入，在选定的区段有计划地弱化岩体。正确实施的受控破坏相当于一个安全阀，可降低应力、减少突发能量释放规模，从而降低岩爆发生的可能性。这一方法为一些世界上最具挑战性的煤矿提供了切实可行的安全改进途径。

引用: Zhang, Y., Li, Q., Li, L. et al. Study on the mechanism and prevention techniques of dynamic disaster in nearly vertical extra-thick coal seams. Sci Rep 16, 6520 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37461-7

关键词: 顶板冒落与岩爆, 煤矿安全, 陡发煤层, 卸压爆破, 岩柱失稳