深部复杂应力场巷道变形特征与支护技术研究

深部矿井巷道为何与我们息息相关

我们依赖的大量电力和工业燃料仍来自于深埋地下的煤炭。随着开采向更深处延伸以获取剩余煤层，运送工人、设备和煤炭的巷道必须承受来自围岩的巨大压力。当岩体发生变形或塌落时，会导致昂贵的维修、生产中断甚至致命事故。本研究探讨了在复杂地下布置中为何深部巷道会发生严重变形，并提出了一种保持这些生命通道稳定与安全的新方法。

受极端压力作用的迷宫般巷道

研究者聚焦于一处主巷道埋深超过800米且呈三维迷宫式分布的煤矿。轨道巷、皮带巷、料仓与连通通道以多种角度和规格交叉。这些交叉处，尤其是被称为“牛鼻”段的大型交叉区，会扰动周围岩体的原始应力状态。与直线巷道上简单均匀的挤压不同，交叉处的岩体承受来自多方向的叠加推拉，使得应力分布更为复杂，也更难以预测和控制。

岩体何处、如何开始失稳

为理解这种隐蔽行为，团队建立了矿区巷道网络与岩层的三维精细数值模型。他们模拟了逐段开挖巷道的过程并观察岩体响应。模型揭示了“塑性区”——围绕巷道、岩体被超出强度而发生永久变形的区域。在直线段，这些破坏带厚度为数米；但在复杂交叉处，不同巷道产生的弱化区相互叠加并扩展，向围岩内部延伸可达6.6米。这种“叠加扩展”意味着承载荷载的岩拱变得更厚、松散且难以控制。

驱动巷道变形的应力模式

除了绘制破坏范围外，研究者还分析了巷道周围应力场形态的变化，重点考察了偏应力这一衡量岩体形状畸变（而不仅仅是受压）的指标。在简单直线巷道中，高偏应力在洞口两侧近墙处形成两个新月形高应力区；而在交叉处，这些新月形区变宽、向围岩深处偏移，并出现明显的左右不对称。偏应力峰值上升的部位，塑性（破坏）区也随之增厚。研究量化了这一联系：当该应力超过约12.6兆帕时，破坏带增长到最大6.6米。在实际工程中，巷道交叉处正是岩体最易开裂、变形并威胁支护系统的位置。

用于更安全巷道的三步支护策略

鉴于传统单一支护层难以应对此类工况，作者设计了一套针对深部复杂巷道网络的“协同”支护体系。首先，及时对新出巷岩面进行喷射混凝土封固，配合短锚杆锁紧浅层岩体，然后再补喷混凝土。其次，按错开顺序布置长锚索，使其延伸超出6.6米破坏区，进入更稳固的围岩，形成重叠的受力拱体，促进岩体与支护共同作用。最后，采用高压灌浆将水泥浆注入裂隙，固结破碎岩体并改善岩—锚之间的接触。该分层分期的方案与岩体从浅层裂缝到深部剪切破坏的演化相匹配，使每一层支护相互强化。

工作矿中的实际效果

该新体系在提供案例的同一深部矿井中进行了试验。团队对重点巷道的顶板、底板和边墙在数月内的位移以及锚索受力进行了监测。与原有支护设计相比，顶底板的总变形约减半，边墙收敛量也有类似幅度的下降。巷道达到稳定形态的时间缩短到约45天，锚索内的力值保持在安全极限以下。对普通读者而言，结论是：经精心设计的多层协同支护能将危险且不稳定的深部巷道网络转变为可控、耐久的结构——既提高了矿工的安全，也增强了依赖这些地下通道的能源系统的可靠性。

引用: Li, Sj., Lu, Wy., Ma, Xc. et al. Study on deformation characteristics and support technology of roadway in deep complex stress field. Sci Rep 16, 7373 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38267-3

关键词: 深部地下采矿, 隧道稳定性, 岩体支护系统, 煤巷工程, 地下应力场