近距煤层采空区与巷道开挖扰动对围岩影响的应力缓解研究

地下应力为何重要

现代矿山为了开采剩余煤炭储量，必须不断向更深处延伸，深部岩体的力学行为复杂且有时难以预测。当一条大型巷道在上方已采尽的煤层下方开挖时，随层间应力的重分布，围岩可能发生塌落或保持稳定。本研究以中国东部的一个实际工程为例，探讨先前采空形成的空洞区如何反而为下方超宽巷道提供保护，以及何种支护措施能在保障工人安全的同时保持巷顶稳定。

超宽巷道上方的岩层分布

研究者关注的是一种称为开阔掘进的超宽巷道，其宽度约为典型矿井巷道的两倍，位于距上部已采煤层下方12到18米处。煤层之间夹有砂岩、粉砂岩和泥岩等地层，各自强度不同。通过钻芯和地质等级评定，研究团队发现部分顶板岩体强度适中，而靠近旧煤层底板处的岩层则非常薄弱且破碎严重。明确哪些层段强健、哪些层段脆弱至关重要，因为这些层段共同构成必须跨越新洞室的岩梁结构。

旧采空区如何改变荷载

作者利用数值模拟再现了先采上部煤层再开挖下部巷道的全过程。上部煤层采空后，形成了采空区——一个部分被塌落顶板岩填充的空腔。该采空区并未增大对下部巷道的压力；相反，它成为了一个应力缓解带。位于采空区底板与新巷道顶板之间的岩体应力显著降低，通常仅为几兆帕，与两侧承载较高的岩体形成鲜明对比。两次开挖之间约三米厚的岩带保持未破裂状态，贯穿巷道上方的长锚索锚固在受压、稳定的岩体内，而较短的锚栓则主要作用于靠近洞口的拉应力区。

模型巷道与缓慢的巷顶塌落过程

为对这些结论进行物理验证，研究团队用以砂为基础的材料制作了米尺尺度的缩尺岩层与煤层模型。首先在模型中采空上部煤层，然后逐步增加来自上方的加载以模拟埋深增加。随着荷载增大，上部顶板由连续梁状破裂为铰接块体，进而形成由崩落碎块构成的拱状结构。当荷载超过某一阈值时，上部顶板完全坍塌，形成稳定的堆积体，其侧坡约为60至65度。埋置在未来巷道位置附近的传感器显示，采空区下方地层的应力最终从压应力转为拉应力，随后趋于稳定值，从而证实旧采空区已在很大程度上卸荷。

随巷道扩展而增长的应力观测

随后，研究者按地面开挖的分步方式在模型中模拟超宽巷道的开挖过程。模型顶板中的应力计显示，每一步加宽都引发一轮新的扰动，压应力和拉应力交替出现并逐渐稳定。位于巷道正上方的屋顶中心承受最大的拉应力，当上方额外荷载施加时，这些拉应力进一步增大。然而，这一区域的高拉应力主要分布在较短锚栓的作用范围内，而长锚索则锚固于更深处的受压岩体，形成坚实的后背。现场在实矿中使用钻孔摄像的观察也支持这一结论：巷顶仅观测到少数圆形裂缝，洞口周围的大部分岩体保持完整。

对更安全深部采矿的启示

对非专业读者来说，关键结论是：上方存在的老采空区并不总是威胁；如果能正确理解其力学行为，它反而能释放压力并保护下方巷道。在本案例中，超宽巷道上方的采空区形成了一个低应力缓冲区，同时通过合理配置锚栓和锚索将薄弱、破碎的近洞层与上部更强的岩体连接在一起。结合钻芯、数值模拟、缩尺模型试验与现场摄像检查，本研究表明：当充分绘制出岩层与应力传递路径并据此定制支护方案时，即使是非常宽的地下巷道在深部条件下也可以保持稳定。

引用: Liu, Z., Chen, M. Study on the influence of stress relief in close-distance coal seam Goaf and roadway excavation disturbance on surrounding rock. Sci Rep 16, 12291 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40469-8

关键词: 地下煤炭开采, 岩体稳定性, 巷道支护, 采空区应力缓解, 深部隧洞