近距煤层孤立煤柱下方围岩应力场分布规律及巷道合理布置研究

为什么地下应力形态很重要

在深部矿井中，煤矿依赖狭窄的巷道来运输人员、设备和空气。在许多中国煤田，多个煤层相互靠近，因此当上部煤层被采出时，上下围岩都会受到扰动。本研究考察了上部煤层中残留的“孤岛”状煤柱下方的情况，并提出了一个关乎安全与生命的问题：在下部煤层中应将下一条巷道布置在哪里，以便长期保持稳定与安全？

岩层与残留煤体

研究对象为中国贵州省某矿区，该处上部（1号）煤层已开采，留下了位于两个塌陷、压实的采空区（采空柱）之间的厚孤立煤柱。下方约12米处为较薄的下部（3号）煤层，需要在其中掘进新的巷道。由于煤层间距小且采深大，上部采动产生的应力不会迅速消失——它们在孤立煤柱边缘聚集并向下通过围岩传递，改变下部煤层的力学响应。理解这种应力分布对于决定巷道布置位置至关重要，以便围岩发生缓和的变形而非剧烈失稳。

描绘围岩中的无形力场

为追踪煤柱下方应力如何传递，研究团队采用了三种方法的结合。首先建立了一个解析力学模型，将上部煤层下方的围岩视为受上覆地层重力、煤柱及采空区压实岩屑加载的弹性介质，推导出水平、竖向和剪切应力随深度变化的解析表达式。其次，他们利用常用的三维数值模拟软件FLAC3D构建了包含上部煤柱、采空区和下部煤层的三维数字矿山模型。最后，将理论与数值结果与现场观测和实测数据进行了对比。两种方法吻合良好，显示了孤立煤柱边缘的强烈应力集中以及巷道底板呈鞍形的典型应力分布特征。

在煤柱下方寻找“安静区”

模拟结果表明，来自孤立煤柱的应力并非简单垂直向下传递，而是以倾斜方式在底板岩体中发散并随深度逐步衰减。在靠近上部煤层处，主应力差值较大，并在煤柱中心线两侧出现双峰分布；向下深入，这种双峰逐渐合并为单一、扁平的峰值。值得注意的是，在直接位于煤柱中部下方的下部3号煤层层位处，主应力差较小——显著低于煤柱边缘或接近采空区边界处的应力差。这意味着该处岩体不易发生强烈剪切与破裂，呈现出一个天然的“安静区”，适合布置巷道。

巷道位置如何改变围岩损伤

为检验巷道位置对损伤的影响，作者模拟了在煤柱下方不同横向偏移处掘进巷道，考察了两个相关量：驱动形变的偏应力（偏差应力）和已发生塑性破坏的塑性区。巷道直接位于煤柱中心线下方时，周围偏应力分布近似对称，塑性区形成以巷道顶板和两侧为主的紧凑椭圆状包裹体。随着巷道逐步向任一侧偏移，应力分布发生旋转与拉伸，塑性区由规整的椭圆演变为向邻近采空区延伸的畸变“蝶形”区域。在这些偏心位置，损伤区与上方弱化区相互连通，大大增加了不均匀大变形的风险，并使支护更难以实施。

选择最安全的巷道区

基于上述认识，研究人员采用“蝶形破坏”框架，依据两个指标——主应力比与主应力差——将潜在巷道区划分为三类区域。一类由高应力比主导，易发生不稳定的蝶形失稳；另一类在两个指标上都受强烈影响，是布置巷道的最差选择。第三类称为R‑III，对应主应力比和主应力差都相对较小的位置。在该实例中，最优区位于孤立煤柱正下方。在该位置掘进并配以长锚索和锚杆支护的巷道，其现场监测显示变形在可控范围内：顶底移和两侧收敛在40天观测期内均保持在允许限度内。对非专业读者而言，关键结论是：通过将巷道“藏”在复杂应力场中最平静的部分——正位于煤柱下方而不是旁侧——工程师可以显著提高深部近距煤层的安全性并降低维护问题。

引用: Shu, S., Wang, W., Liu, C. et al. Study on the mining stress field distribution law beneath isolated coal pillar in close coal seam and reasonable location of the roadway. Sci Rep 16, 12281 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40452-3

关键词: 煤柱, 地下巷道, 岩体应力, 矿山稳定性, 数值模拟