陡倾煤层中顶煤极限平衡区边界空间形态的演化与倾角效应

为什么顶板煤对安全开采至关重要

在深部地下，矿工常在一层顶煤下方工作，机器在其下方掘进煤层。在陡倾煤层中，覆盖在上方的“顶煤”可能以复杂的方式破裂和滑动，威胁到支撑屋顶的钢结构的稳定。本文围绕一个具有重要安全和经济意义的现实问题展开：随着掘进推进，破碎的顶煤区形状如何演化，煤层倾角又如何改变这种行为？

坡向开采的难题

大多数关于综采的研究假定煤层近乎水平，此时围岩应力倾向于在设备周围较为均匀地分布。在陡倾煤层中，重力沿煤层坡向作用，应力从巷帮向上帮不均匀地集中。支护上方的顶煤并非简单地对称弯曲和开裂；相反，它在随工作面推进而迁移和扩展的失稳带中发生破坏。由于这部分顶煤是连接支护与上覆围岩的唯一整体介质，预测其何处以及如何失稳对于防止顶板坍塌、支架倾覆和煤资源损失至关重要。

构建一个虚拟矿井

研究者基于中国西部常山子煤矿建立了一个详细的三维数值模型，重现了一处倾角约35度的陡倾综采工作面。他们用符合实际的强度和刚度参数描述围岩和煤层，在顶煤附近细化计算网格，并模拟工作面每次推进一米的过程。随着底部煤体被采出，上覆顶煤被允许破裂、坍落并在支护后方被抽卸，同时用塌落物回填以模拟真实作业。设置在顶煤内部的虚拟测量面记录了主应力分量随时间和空间的变化。

隐蔽破裂带如何成形

基于这些应力分布，团队重建了他们所谓的顶煤极限平衡区的三维边界——即煤体接近失稳、不能再作为整体块体行为的区域。起初，该边界表现为近工作面的一条不规则带状体。随着开采推进，它演变为“一种不对称弧形带状曲面”，即向一侧倾斜的轻曲壳状体，最终达到相对稳定的形态。演化并不均匀：沿坡向（倾向）方向，边界先在工作面下部形成，随后是下中部、上部，最后为上中部；沿巷帮方向（走向），则由上向下扩展。即使工作面前方的应力场进入稳态，这一弯曲的破坏壳仍保留了煤体逐步劣化的“记忆”。

煤层更陡时会发生什么

为研究“倾角效应”，研究者对倾角45度和55度的情形重复了模拟。随着倾角增大，顶煤中的最大和最小主应力均有所下降，但分布变得更加不均：最强的应力区向工作面下帮偏移，应力场呈现更强的不对称性。极限平衡壳更早形成且规模更大，最深失稳深度在较缓情形约为4.5米，而在最陡情形可达约7.5米。该弯曲壳的高点沿煤层上移，反映出顶煤上部更易发生破碎、滑动与碎裂的趋势增强。

将煤体破碎与支护稳定性关联

研究组进一步把这种隐蔽几何形态与矿工实地观测联系起来。通过一个简化的力学模型，他们表明当支护上方的煤体高度碎裂时，它传递的荷载和对支护顶拱的摩擦都减少，容易导致支架沿坡向滑移和倾覆。常山子工作面的现场测量验证了数值结果：当极限平衡区下界离工作面较远时，顶煤外泄事件更频繁，测得的支护阻力更低；当边界靠近时，煤体保持较完整，外泄罕见，支护承载更大且更稳定。

对更安全、智能开采的启示

简而言之，本研究表明：随着陡倾煤层倾角增大，工作面上方近失稳的顶煤区会变得更大、更偏向一侧，并对支护构成更高风险。通过绘制这一看不见的破坏壳如何形成与移动，矿山工程师可以预见煤体最易碎裂的区域以及支护最可能失稳的位置。这一认识可用于指导支护设计、工作面布置和开采策略，从而在技术难度大的矿床中提升矿工安全并改善煤炭回采率。

引用: Wu, X., Chi, X., Lang, D. et al. Evolution and dip effect of boundary spatial morphology of top-coal limit equilibrium zone in steeply dipping coal seam. Sci Rep 16, 12268 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43091-w

关键词: 陡倾煤层, 顶煤采动, 围岩应力, 采空区支护稳定性, 数值矿山建模