采空区护帮回采巷道中偏差应力第二不变量的分布规律与控制

为什么这段地下故事很重要

在地下深处，现代煤矿必须开凿并维持在邻近煤层被采走时仍能安全使用的巷道。一种越来越受欢迎的方法称为采空区护帮回采，它让矿工可以重复使用巷道，而不是在其后留下未采的煤形成阻挡而弃置。这种做法节约了宝贵资源，但也使剩余巷道在顶板围岩重力转移时容易受挤压甚至塌陷。这项来自中国深井的研究表明，一种新的岩体应力跟踪方法可以预测最可能发生破坏的位置——并说明更智能的支护如何在开采始至终保持这些生命线的稳定。

在塌落空区旁保持巷道存续

在采空区护帮回采中，矿工在长壁采面沿线采煤的同时，保留一条与采空区（“采空区”或gob）相邻的巷道。与其留下厚大的煤柱作为屏障，不如在巷道与采空区之间构建一堵称为边帮注填体的人工墙。该注填体需要同时完成多重任务：在顶板坍塌时迅速承载荷载、在大压缩下保持不破坏，并隔绝瓦斯与落石。研究团队分析了辛庄煤矿一个深690米的采场，在那里保持了一条矩形巷道，旁侧由一米宽的水泥基注填体以及周围围岩中的锚杆和锚索共同支护。

观测岩体应力如何积聚与迁移

作者没有只看简单的压力大小，而是关注岩体在荷载下形变的方式，使用了偏差应力第二不变量这一量值——在此简化为衡量岩体被扭曲并趋于破坏的总体强度。借助精细的数值模型，他们模拟了巷道的整个寿命阶段：从初期开挖、采面临近时的强烈扰动，到采空区在后期大部分压实后的阶段。他们追踪这一应力量如何在巷道周围形成环状分布、其峰值如何随开采推进向顶板和煤帮深处迁移，以及塑性（永久变形）区域如何增长然后趋于稳定。

巷道周围的三阶段危险演变

在早期，远在采面到达巷道之前，开挖周围的应力形成了一圈不均匀的环带，峰值约位于顶板和完整煤帮内各2.5米处。靠近洞口的浅层应力相对较低，对应已被开挖放松的区带。随着采面接近并经过（中期），岩体遭受更强的扰动：峰值增大并向更深处移动，顶板约至4.5米、煤帮约至3.5米，同时在靠近煤帮一侧的顶角处形成狭窄的高应力带。晚期，当采面远离数十米且采空区的塌落碎石更加压实后，采空区一侧浅层的应力有所缓解，但位于煤帮侧顶角的深部峰值区继续扩大并强化，随后最终趋于平稳。

人工墙如何分担荷载

注填体的行为不同于天然围岩。其内部应力从采空区一侧向巷道侧近乎线性上升，反映出它逐步代替被采走的煤体承载。随着工作面后方距离增加、采空区压实，这种在注填体内部集中的应力趋势减弱，意味着周围的碎石开始参与支承顶板。力学计算表明，考虑到围岩性质和顶板破裂行为，一米宽、强度约20兆帕的注填体能够提供足够的抵抗力，使顶板以可控方式破裂，而不是形成长而沉重的悬挂板块。

把支护设计延伸到隐蔽的高危带

通过绘制应力峰出现的位置及其迁移规律，研究者识别出位于巷道墙外若干米范围内须重点控制的顶板和完整煤帮带。常规的短锚杆主要加固浅部已破碎的围岩，但对这些深部危险带作用有限。因此，团队设计了一套组合支护体系：在浅层顶板和帮帮布密集锚杆与钢网；在注填体处设置柔性水泥板墙并配以内部锚杆以提高其刚度；以及布置长锚索并按斜角穿过由应力不变量揭示的高应力带。现场监测表明，在实际采矿条件下，巷道变形被控制在约30厘米以下，注填体压缩小于10厘米，证实巷道在整个开采周期内保持可用。

对更安全、更高效采矿的启示

该研究表明，观察岩体的剪切与形变——而不仅仅是受压程度——可以更准确地定位围绕重复利用巷道的深部失稳起始位置。通过将长锚索对准这些隐蔽的应力峰，并给予边帮注填体适当的宽度和强度，工程师可以在不浪费煤体用于厚煤柱的情况下维持采空区旁的巷道畅通。实际上，这意味着更高的资源回收率、更少的新开挖以及更安全的工作环境，所有这些均基于对地下岩体随开采演进的更细致理解。

引用: Jiang, D., Guo, J., Sun, G. et al. Distribution law and control of the second invariant of deviatoric stress in gob-side entry retaining. Sci Rep 16, 12803 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37680-y

关键词: 采空区护帮回采, 煤矿巷道稳定性, 岩体应力与破坏, 边帮注填支护, 矿业数值模拟