底层孤岛工作面巷道稳定性分析与控制技术研究

地下巷道为何重要

在中国北部的深部矿区，煤矿工人依赖地下巷道输送人员、空气和设备。如果这些通道发生变形或坍塌，矿井不得不停产或限产，威胁到工人安全并影响重要能源供应。本文考察了一种特别复杂的情形：位于已采空区和残余煤柱之下、像“孤岛”一样的工作面。作者展示了旧工作面如何使围岩应力集中，并据此设计出使新巷道保持稳定和安全的支护体系。

新旧工作面的层列关系

研究聚焦于陕西省杨火盘煤矿，一处狭长的煤层——称为30,119工作面——位于已采出的上覆煤层之下。上方存在采空区（矸帮）与留置的煤柱。这样的构造在三侧被采空区包围，形成“孤岛”式工作面。所关注的回风巷道需穿过低应力的采空区和高应力的残余煤柱下方。尽管顶板和底板岩性为相对坚硬的砂岩与粉砂岩，但应力场极不均匀，因此采用单一通用的支护方案既不安全也可能造成浪费。

残余煤柱如何向下施压

研究者首先应用岩体力学理论，分析上部煤柱荷载如何向下传递。他们将煤柱视为施加在更厚地层上的条状荷载，并计算该集中荷载在深度方向上如何展开。分析表明，在残余煤柱正下方，下覆煤层所承受的垂向应力约为天然背景应力的1.6倍，并且这种影响在下覆煤层中沿水平方向可延伸超过60米。换言之，即便上覆煤层已被开采，残留的煤柱仍将重量集中传递到下方岩体与巷道，形成明显的应力增大区与应力缓解区。

应力、损伤与变形的数值模拟

为观察这些力如何在巷道周围演化，团队建立了三维数值模型，模拟地层与开采序列。他们先“开采”上覆煤层以形成采空区和煤柱，然后模拟下部3–1煤层的掘进以及30,119工作面的分阶段前进。模型揭示了上部工作面下方的五个清晰区域：两个位于采空区下方的低应力区、两个分别位于第一和第二残余煤柱下方的高应力集中区，以及位于未采煤体下方的常应力区。随着下部工作面的推进，前方峰值超载始终出现在工作面前方约八米处，但其幅值随位置剧烈变化：第一残余煤柱下方应力最大，第二残余煤柱下方则相对较小。

巷道受损最严重的位置

模拟还跟踪了巷道周围岩体发生屈服或开裂的范围（即“塑性区”）以及顶板与边帮的收敛量。当巷道位于应力缓解区时，周围损伤带较浅，变形也较小。然而在第一残余煤柱下方，集中荷载与前方工作面压力叠加，使顶板与边帮的破裂带加深，并引起更大的顶板下垂和边帮收敛。在第二煤柱下方，响应仍然显著但较为温和：顶板变形约为第一煤柱下方的一半，且实煤边帮的位移减少超过四分之三。这些对比证实，巷道行为不仅受岩性影响，还受过去采矿活动造成的复杂应力历史控制。

在最需要处设计支护

基于这些发现，作者将巷道划分为两类控制区。在位于采空区和接近常规应力的路段，采用常规的锚杆、锚索与钢网支护。对于受残余煤柱影响的高应力区，则加强设计：增密的顶板锚杆、按加固模式布置的长锚索以及加装的边帮锚杆以“缝合”煤柱与边帮。随后他们在地下通过观测顶板沉降、边帮收敛以及若干测站上锚杆与锚索的受力随工作面推进进行验证。测得的顶板下沉维持在约一厘米以内，边帮闭合为数毫米级，且支护构件的受力远低于其承载能力，表明具有较为宽裕的安全余量。

对更安全采矿的意义

从应用角度看，本研究表明：在孤岛式工作面下的巷道可以保持稳定，前提是工程人员先绘制出旧煤柱与采空区如何重塑应力场，然后针对各区制定分区支护。与其在所有位置一律过度加固或在潜在的“热点”冒险，否则不如把强支护集中在应力最高处，在应力得到缓解的地方采用较轻的体系。杨火盘的结果是，一个随着采进仍能保持畅通和可用的巷道，为其他需在复杂旧工作面网络下开采的新煤层提供了可借鉴的方案。

引用: Gao, X., Wang, Y. & Li, YM. Research on stability analysis and control technology of roadways in the underlying isolated island working face. Sci Rep 16, 9903 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40307-x

关键词: 煤矿巷道稳定性, 孤岛工作面, 残余煤柱应力, 数值采矿模拟, 地下面支护设计