数值模型尺寸与采空区参数对多煤层开采应力分布的影响机制

地下应力为何关系到采矿安全

现代煤矿越来越多地在深部进行，多层煤层相互叠置。当其中一层被开采时，周围岩体并非静止不动：它会弯曲、破裂并重新分配内部力。如果这些变化的力——应力——未被正确理解，可能导致顶板塌落、煤柱失稳或煤层瓦斯突发释放。本研究提出了一个看似简单但对安全影响重大的问题：我们用计算机描绘的应力场在多大程度上取决于模型边界如何画，以及我们如何表示采矿后留下的空洞（采空区）？

窥视叠层煤层的应力演变

研究者聚焦于一个中国矿区，该处五个可采煤层彼此相对接近。在开采过程中，所留下的空洞——称为采空区——会在垂直方向上叠加，中间仅由强度不同的岩层分隔。为探究这种环境下应力如何转移，团队使用了矿业工程中广泛应用的 FLAC3D 模拟软件。他们构建了两种地下模型：一个窄而薄，仅覆盖单个采区的横向宽度；另一个为大尺寸全宽模型，向侧向延伸得更远。随后模拟了在不同煤层中逐步开采的真实序列，追踪每次新采空形成时，上覆岩体的重力如何转移到剩余的煤及围岩上。

模型尺寸如何改变应力图景

人们或许会预计，侧边边界较近的小模型会扭曲应力分布——事实确实如此，但有其特定表现。窄模型倾向于在新开采工作面边缘显示更强的应力累积，尤其是在仅开采了一两层时更为明显。因为模型侧边不能自由移动，它们像刚性的墙一样，使应力在采空区边缘处被集中。在大模型中，应力更平滑地扩散，等值线模式更接近现实。然而，一旦三层或更多煤层被开采，窄模型与大模型之间的峰值应力差异会减小。关键在于，两种模型几乎在相同的位置出现应力峰——模型尺寸主要影响峰值的大小，而非峰值出现的位置。

采空区内部什么最关键

当研究组改变对采空区的表示方法时，差别变得更大。在一种情况下，采空区被视为真正的空洞——所谓的空模型（Null model）——不提供任何抗力，应力主要在其边缘聚集。另一种是双屈服模型（Double-Yield model），把塌落的岩石视为松散但可压实的材料，能逐步承担一部分荷载。在这种更现实的设置下，应力不仅在采空区边缘聚集；部分应力被压实的瓦砾吸收并向上转移到上覆顶板岩层。随着更多煤层被开采、更多采空区相互叠加，双屈服模型能捕捉到应力在塌落带内恢复并通过这些带移动的过程，而空模型则留下较大不现实的近零应力区。采空区模型的选择显著改变了沿煤层出现应力峰的位置，其影响远大于数值网格外部尺寸的任何变化。

顶板塌落形态的作用

研究还考察了在使用双屈服模型时，顶板岩体塌落入采空区的角度如何影响应力行为。通过测试多种塌落角度，作者发现更陡、更广泛的顶板塌落会导致破碎岩石发生更强的压实并改善碎块之间的接触。因此，塌落带承担了更多的上覆重量，采空区内部应力增加，主要应力集中由工作面边缘向上转移至采区上方的顶板层。这种行为比简单的空洞假设更符合现场观测，强调了用地下塌落岩体压缩的实测数据来校准采空区参数的重要性。

对更安全的多层开采意味着什么

简而言之，研究表明，在多层煤层开采中，在模型中正确表示采空区比画一个非常大的模型箱更为关键。窄模型仍能预测危险应力热点会出现在何处，只要工程师明白其可能高估这些峰值的强度即可。但采用现实的、可压实的采空区模型——并根据场地条件和顶板塌落角度进行调校——对于捕捉应力如何通过叠置的采空区向剩余煤层传递是必需的。这一结论有助于矿山设计者选择既高效又可靠的模拟方法，从而改进煤柱、支护和巷道的布置，在深部煤田中于灾害发生之前管理不可见的力场。

引用: Wang, N., Paneiro, G.A., Li, Y. et al. Mechanisms of stress distribution influenced by numerical model size and goaf parameters in multi-coal seam mining. Sci Rep 16, 11137 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42013-0

关键词: 多层煤层开采, 采空区压实, 数值模拟, 应力再分配, 巷道顶板稳定性