不同采煤面长度下不规则岩石试样变形特性模拟

地下空隙形状为何重要

在采煤过程中，开挖出的空洞上方的岩层会发生下沉、开裂，甚至突然失稳。顶板坍塌不仅威胁井下人员与机械设备，还改变了废弃巷道中的气体迁移和地表的响应。本研究关注一个看似简单但具有重大工程意义的问题：采空区的长度以及残留煤体的形状如何影响上覆岩体的变形与破裂行为？

开挖更长，岩体受力方式不同

作者关注用于支撑顶板的煤柱以及上覆岩层下方不规则的开口形状。他们没有假定规整的几何体，而是构建了模拟泥岩与砂岩覆盖煤层的试块，并切割出不同长度的开口以模拟短采面与长采面。在实验室受控加载下，这些试块从上方受压以模拟上覆岩体的自重。仅改变开口长度即可观察到更长的“缺口”如何改变对煤柱和顶板的应力分布。

聆听岩体断裂并观测其应变

为跟踪试样在压缩过程中的内部演化，研究团队结合了多种现代传感手段。声发射探头“聆听”微小的断裂事件，将每一次弹性能量释放计为一次事件。与此同时，高速光学系统跟踪试样表面数以千计的喷点，重建位移和应变的精细分布——即各部分在加载过程中拉伸、压缩或剪切的程度。通过这些测量，他们绘制了应力—应变曲线，识别峰值强度与残余强度，并将这些力学参数与裂纹产生的时空位置联系起来。

从渐进损伤到突发失稳

结果呈现出明确规律：随着采面长度从短变长，试样所能承受的最大应力下降了超过一半，峰值后的残余强度也随之降低。较短的开口导致更为渐进且分散的破裂。声发射信号积累更缓慢且总量更高，表明损伤在更大范围内分布并逐步演化。表面应变图显示在开口顶板附近存在宽广弯曲的高应变区，裂纹向多方向分叉，使试样在破裂前能够发生一定的塑性变形。

相比之下，较长的开口表现出更脆性且局域化的破坏。强烈声发射的起始出现在更早的加载阶段，但事件总数减少，意味着在较少分散损伤后岩体便失稳。应变沿窄而倾斜的带状区域急剧集中，主要裂纹几乎沿这些破裂带直线发展。不是由许多小裂纹和渐进剥落构成的破坏，而是一两条主裂纹贯穿试块，导致块状突裂和承载能力的迅速下降。作者将这种行为转变描述为随着采面增长从渐进损伤走向突发不稳定。

数值试样验证了这一规律

为检验这些实验观察是否具有普适性，研究者使用工程仿真软件构建了相同分层试样与开口的三维计算模型。他们施加相似的加载条件，跟踪应力分布以及所谓的塑性区——即岩体已屈服、不再弹性响应的区域——的演化。模拟结果与实验高度一致：随着采面长度增加，峰值应力降低，在失稳时塑性区占据试样的比例近似呈直线减小。较大的开口更早进入塑性，但在整体破坏前塑性区并未广泛扩展，支持了“早期损伤、扩展有限、快速崩塌”的结论。

对更安全、更环保采矿的启示

对非专业读者来说，核心结论是：地下开挖在不加支护的情况下延伸多远，会显著且可预测地影响上覆岩体的破裂方式。较短的采面与较宽、较强的煤柱有利于损伤在更广区域内渐进发展，提供更多预警并保留部分承载能力。而较长的采面会促使系统沿少数破裂面发生尖锐、集中的失稳，降低安全余度并改变控制气体迁移与地表稳定性的断裂通道。通过在受控试验与模拟中量化这些效应，该工作为工程师在确定采面长度与煤柱尺寸时提供了有助于平衡资源回收、安全与环境保护的依据。

引用: Zhang, Y., Liu, X., Wei, S. et al. Simulation of deformation characteristics of irregular rock specimens with different mining face lengths. Sci Rep 16, 9463 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38575-8

关键词: 煤炭开采, 顶板稳定性, 煤柱, 岩石破裂, 数值模拟