含裂隙岩体巷道围岩稳定性：布置优化的机制与影响

为何深部地下的裂隙岩重要

在地表深处，煤矿依赖于穿过坚硬岩体的长隧道或巷道。这些通道必须保持稳定，才能让工人安全通行并保证设备运行。但岩体很少是完美的：天然裂隙和节理会在应力作用下扩展并相互连通，有时会导致坍塌。本研究提出了一个关系生命安全的实用问题：随着开采深入，这些隐蔽裂隙如何演化？通过怎样优化巷道布置才能防止围岩失稳？

科学家如何重现破碎岩体

为在可控条件下研究这一问题，研究者先在实验室制作了类岩石试样。与难以精确制裂的天然岩石不同，他们浇铸了带有单条人工裂缝的混凝土块，裂缝角度从水平到竖直各不相同。通过超声波检查确认每个试样中只有中心区域存在明显裂缝，其余材料保持均匀。随后将这些试样放入试验机受压，观察新裂缝在哪里开始、如何扩展以及试样最终如何破坏。

从台面试件到数值岩体

仅靠实验室测试无法囊括实际矿山的全部复杂性，因此团队使用一种称为离散元的方法构建了裂隙试样的精细数值模型。在这个虚拟岩体中，材料被划分为许多小的多边形块体，它们可以发生滑移、分离或压碎——类似真实的岩粒。通过细致调整模型参数，使其强度和破坏模式与物理试验相一致，研究者得以信任该模型用于探索更多情形，包括不同大小的围压（类似更大埋深）如何影响裂缝扩展。

受压时裂缝会发生什么

数值模拟与实验共同表明，原始裂缝的倾角强烈控制了损伤的扩散，尤以裂缝倾角在约30至60度之间时最为显著。在该范围内，新裂缝倾向于从现有裂缝附近起始，并沿逐渐与原裂缝对齐的方向生长。随着外部压力增加——类似于深入地下的情况——裂缝活动更局限于原裂缝的近邻，而不再广泛扩散到整个岩体。总体上，试样强度随裂缝角度呈明显的V形趋势：当裂缝接近水平或竖直时岩体相对较强，但在中间角度处较弱，裂缝更易相互连通。

为更安全的巷道布置提供设计依据

以对小尺度机理的理解为基础，团队将研究对象扩展到具有多个彼此相近巷道的实际矿山布置。利用已验证的模型，他们模拟了覆岩自重和采煤引起的应力如何在各巷道周围形成塑性区——即已发生屈服和开裂的区域。结果显示，随着整体应力水平上升，变形迅速增大且塑性区加深。当两条巷道相距过近时，这些损伤区可能相互汇合，形成一大片弱化区，威胁到两条通道。来自在役煤矿的井筒成像资料验证了模型结果：间距较小巷道上方的浅层顶板岩体严重破碎，而较深处的岩体则相对完整。

对煤矿安全的意义

研究得出的实用经验是：将主要巷道间距保持在大约巷道半径的五倍以上（在其研究案例中约大于15米）能有效防止破裂区相互重叠并提高长期稳定性。研究还强调，高天然地应力与采矿额外应力共同驱动裂缝扩展与损伤加深。通俗地说，这项工作表明，通过基于实验与真实感模拟的周密巷道定位规划，可以显著降低围岩失稳风险，保护工人安全并减少深部煤矿及类似地下工程的维护成本。

引用: Hao, H., Tian, B., Li, G. et al. Stability of surrounding rock in roadways with fractured rock mass: mechanisms and effects of layout optimization. Sci Rep 16, 6999 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38202-6

关键词: 煤矿巷道, 破裂岩石, 地下稳定性, 巷道间距, 离散元建模