采煤影响下深埋煤层地层底板的不稳定机理与采出巷道布置优化

更安全的矿井巷道为何重要

深部地下煤矿不仅仅是燃料的来源，它们还在周围岩体中造成复杂的应力分布模式。如果这些应力失衡，底板可能开裂、涌水、瓦斯逸出，矿工依赖的巷道也可能变形或塌陷。本研究考察了在采煤后埋藏很深的煤层下方岩体的响应，并探讨矿井设计者如何布置排气巷道以提升人员与基础设施的安全性。

采掘如何挤压岩体

当一段长煤柱被采出后，会留下一个称为采空区的空腔，顶板最终会塌落。覆岩的重力并未消失，而是向剩余的煤柱和下方底板重新分配。研究者用一个将底板视为连续半空间的简化物理模型，计算了采空区下方垂向、横向和剪切应力的分布。他们发现垂直应力在煤柱正下方最高，随深度迅速衰减：前五米下降明显，随后衰减速率变缓。在更深处，应力逐渐回到采掘前的自然水准。

独特的地下应力格局

以中国山西某实际矿区为例，团队将当地岩性和约730米的埋深代入解析公式，并用数值模拟进行交叉校验。两种方法均表明：在采空区下方的垂直应力沿横向呈现典型的“M形”特征——在两个煤柱正下方形成两个高峰，而采空区中心下方为较低的谷。当向底板更深处移动时，这些高峰逐渐减弱，应力场整体趋于均匀。计算还指出，附加应力降幅最快的区域约在底板下方10米处；超过该深度，采掘导致的扰动逐步消退，岩体表现得更像未扰动的地层。

选择最佳深度与位置

由于排气巷道必须位于煤层下方的底板内，其相对于这一动态应力场的位置至关重要。研究者利用常用的岩体破坏准则估算出采掘可能破坏底板的深度约为16.5米。为避开该破碎带但又保持有效的排气距离，他们选择将巷道设置在距煤层下方17米处。随后在数值模型中测试了四种不同的横向位置：位于采场中心正下方、略内置于煤柱内、正位于煤柱边缘下方、以及距煤柱外侧30米。对每一种情况，他们考察了垂直和水平峰值应力，以及巷道周围塑性（永久损伤）岩体带的尺寸和形态。

寻找地下最“安静”的位置

模拟结果显示，不同巷道位置所处的应力环境差异显著。直接位于工作面正下方的巷道承受较高的垂向和横向荷载，周围岩体形成大的蝶形损伤区。将巷道内移至煤柱下方可降低垂直应力，但上下方向仍可能存在显著的损伤。巷道位于煤柱边缘正下方会造成两侧应力的不对称，增加不均匀变形的风险。相比之下，巷道偏置30米、位于煤柱外侧的那种布置则处于相对平稳的区域：垂向和横向峰值应力更低，受损岩体包壳约2米厚，是四种方案中最薄的。

工作矿区的实地验证

为检验该设计在实际中的可行性，研究人员在山西矿区监测了一个按上述方案布置的排气巷道：巷道距煤层下方17米、并偏置煤柱外侧30米。通过超声探头和井中摄像，他们测量了裂隙向周围岩体的延伸距离，并跟踪巷道墙体、顶板和底板随时间的位移。检测到的破碎带最大深度约为1.9米，与模拟预测的2米非常接近；巷道变形在数周后趋缓并稳定，保持在可接受范围内。理论、数值与现场数据的良好一致性表明，该布置在兼顾排气需求的同时，能稳固深部采出巷道。

对未来采矿的启示

通俗地讲，本研究表明，在煤层下方放置巷道的位置，可能决定了通道是缓慢沉降还是严重损伤。通过理解采掘如何重塑底板中隐藏的“应力地形”，工程师可以有意将巷道布置在最强压缩与破裂区之外。对于类似山西这样深埋、高应力的煤层，将采出巷道设置在底板下约17米、并距煤柱约30米处，似乎在瓦斯控制与结构稳定之间提供了更安全且更经济的折衷方案。

引用: Chen, X., Ma, R., Zhou, Y. et al. Instability mechanism of deeply buried coal seam floor under mining effects and optimization of extraction roadway layout. Sci Rep 16, 8558 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39341-6

关键词: 深部煤矿采掘, 岩层底板稳定性, 排气巷道, 应力重分布, 矿山安全