浅埋近距煤层重复开采覆岩结构下采掘巷道布置合理性研究：以某矿为例

保持地下巷道安全

在内蒙古草原深处，矿工们在一个必须保持稳定的隧道迷宫中工作，上方有数百万吨岩石不断施加压力。本研究提出了一个看似简单却关系重大甚至生死的问题：在一个已被大量开采的矿区，应将新巷道精确布置在何处才能使其尽可能安全和稳定？

既有采场为何仍然重要

在中国北方的许多煤田，煤层彼此靠得很近，有时相距不到40米。矿井通常从上向下开发，因此当下部煤层准备开采时，上方地层可能已布满采空区（称为采空区或矸窑）和残留的实煤柱。这些煤柱承担了大量覆岩的重量，导致煤柱周围岩体产生极高的应力集中。如果在这样复杂结构下错误地开挖新的巷道——用于通风、运输和人员通行的水平通道——顶部和底板可能会严重变形，支护失效，从而引发严重事故。

岩顶如何破裂与下沉

研究人员以内蒙古石格台煤矿为对象，该处新的3‑2‑2煤层位于老的3‑2‑1已开采煤层之下。他们首先需要了解上部地层在旧采场影响下如何破裂与沉降。基于已有的岩层在采掘时弯曲、断裂和转动的理论，研究团队构建了分步的覆岩结构模型。有些层表现为铰接的石拱，有些像悬臂梁，还有一些成为决定大规模断裂位置的“关键层”。研究组将这一理论框架与现场的岩性和厚度数据结合，描绘出多层近距重复开采后覆岩——即煤层上方一切物质——的断裂与沉降形态。

模拟一个隐藏的应力格局

为了检验和完善结构模型，作者采用了三维数值模拟。在一组模型中，他们再现了该区的开采序列，观察采空区上方岩体块体如何弯曲与崩塌。模拟显示，煤层上方破碎的岩石与完好的煤柱共同形成了复杂的“阶梯状”下沉格局，证实了理论描绘。随后，他们计算了这一结构如何在3‑2‑1残存煤柱中集中应力，以及这种应力如何向下传递到底板岩体中。结果发现，沿煤柱宽度方向的垂直荷载在底板处呈现出“M形”分布：在两侧近边缘处出现两个高压峰，而中间保留一个较小、弹性的核心。向煤柱底部更深处移动时，这一分布逐渐平滑为倒U形，再进一步变为尖锐的倒V形。与此同时，煤柱正下方的压力减小，而相邻采空区下方的压力则逐步上升。

为新巷道寻找最安全位置

凭借这一详尽的隐性应力图谱，团队评估了3‑2‑2新巷道的布置位置。他们在覆岩煤柱下对两种主要方案进行了比较：一种位于煤柱边缘正下方，此处煤柱已有部分损伤并得以释压；另一种位于相对完好的煤柱中部弹性“核心”正下方。通过另一组数值模拟，研究者考察了巷道在掘进过程及其后随新长壁工作面开采时周围岩体的变形情况。结果表明，当巷道位于煤柱弹性核心下方时，两个侧壁出现强烈的应力集中和显著的横向位移；相比之下，当巷道布置在煤柱边缘下方时，位于采空区一侧的侧壁承受的应力要小得多，周围岩体的整体变形明显更小，尤其是在上方煤体完全开采且煤柱大部分失效之后。

从数值模型到实际矿山

基于这些发现，石格台的工程师将3‑2‑2巷道直接布置在上覆3‑2‑1煤柱的边缘下方，并设计了由锚杆、钢绞线和网片组成的强支护体系来加固顶板和边墙。现场测量跟踪了巷道顶底板的闭合量及周边岩体裂隙的扩展情况。顶底板最大闭合约为48厘米，新裂缝大多局限在距巷道表面三米范围内——这些数值与模拟结果一致，并被视为可接受的安全运行水平。

对未来采矿的意义

对非专业读者而言，核心信息很明确：在多层薄煤层近距叠置的矿区，早期采场的“幽灵”深刻影响新巷道的安全。本研究表明，通过精确建模岩层的破裂方式和残存煤柱的应力集中状态，工程师可以选择避开最危险压力区的巷道位置。在本案例中，将新巷道布置于旧煤柱的边缘而非中部，提供了一条切实可行且经验证的更安全、更可靠的地下通道布置方案。

引用: Miao, K., Tu, S., Tu, H. et al. Study on reasonable position of mining roadway under repeated mining overburden structure in shallow buried close distance coal seam: A case study. Sci Rep 16, 6440 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37768-5

关键词: 煤矿开采, 岩石力学, 巷道稳定性, 煤柱应力, 数值模拟