采矿扰动下厚煤层中正断层带的矿压行为规律及断层活化响应

深部位移为何会影响地表

现代社会仍高度依赖煤炭，但矿井上方的岩层并不总是配合工作。当工程师在被地质断层切割的超厚煤层中掘进时，地层可能会发生移动、垮塌甚至突发，危及矿工和设备。本研究深入中国的一个此类地下环境，提出了一个简单而重要的问题：当工作面向一条陡倾正断层推进时，岩石如何弯曲、开裂和位移——以及断层何时会被唤醒？

隐藏在岩体中的断裂

研究的对象位于鄂尔多斯盆地的一处煤矿，那里一条厚度为14至20米的煤层被一条倾角约70度的正断层切穿。在正断层中，一侧岩体相对于另一侧下移，形成一个倾斜的断裂面，深部可表现为被锁定但随时可能滑动的“潜在滑坡”。当采长壁工作面切割煤层时，会在后方留下大体积空洞，上覆岩层出现下沉和破裂，这种运动会加载并触发邻近断层。由于厚煤层产生的空洞更大，上覆岩体的响应比薄煤层更剧烈，使该类地段尤其危险。

在实验室里重建缩小版地层

为了安全地观察这些过程，研究组建立了一个大型物理模型来模拟真实矿区。他们在钢制框架内堆叠沙、石膏、石灰等材料层，按比例匹配实际矿区各层的相对厚度、重量和强度。一层云母片作为断层的薄弱倾斜面。液压系统向模型顶部施压，以再现数百米覆土的重荷。然后他们通过逐步移除煤层条带来“采煤”，用摄像机和传感器跟踪岩层的破裂方式、顶板下沉距离以及断层附近应力的积聚情况。

顶板下沉与底板的响应方式

随着工作面向断层推进，被采煤体上方的顶板以大约20米为步距反复破裂和塌落。在远离断层的区域，这种行为较为规律；临近断层时，模式变得更剧烈且不对称。整体顶板沉降呈宽广的U形曲线，但靠近断层处出现局部的M形凹凸，伴随岩块旋转和碰撞。最大沉降——折合全尺寸超过13米——出现在断层下盘约30米处。煤层下方的底板则以尖锐的应力脉动回应：顶板坠落时，应力读数骤升随后回落，邻近断层处记录到的峰值约为20兆帕。这些突变说明为什么断层附近的设备和巷道更容易遭受突发性破坏。

断层何时开始滑动

在描述观测现象之外，作者还用一个简化的力学模型解释了断层为何会被激活。本质上，采矿改变了断层周围竖向与横向应力的平衡。随着煤体被移除，来自上方的竖向载荷增大，而横向的侧向约束被释放。计算显示，当竖向应力变为横向应力的三到四倍时，断层处于易滑动状态。实验结果支持该结论：应力传感器表明竖向力在工作面到达断层前数十米就开始上升，但真正的失稳——突发滑动与塌落——只有在横向约束足够削弱后才发生。这表明关键触发因素不仅是上方的重量，而是横向支撑的丧失。

将认识转化为更安全的采矿

基于这些发现，作者提出了针对必须穿越类似断层和厚煤层矿区的实用建议。支护系统——如锚杆、钢网与拉索的组合——应在工作面接近断层时在更宽的范围内加强。顶板支护推进速度应严格控制，避免顶板悬挂过远。最后，巷道设计应允许一定的可控变形并预留应力释放空间，而不是试图使岩体保持完全刚性。简而言之，研究表明在陡倾断层附近，厚煤层开采会因竖向加载而同时削弱横向约束，从而大幅增加突发顶板与底板失稳的概率。认识这一规律有助于工程师预测危险集中区并设计出能让矿山以更大安全余量开采深部煤炭的支护方案。

引用: Xin, T., Ji, Y., Wang, J. et al. Mine pressure behavior law and fault activation response of normal fault zones in thick coal seams under mining disturbance. Sci Rep 16, 9491 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40000-z

关键词: 煤炭开采, 断层滑动, 地压, 顶板坍塌, 矿山安全