我国西部采矿区弱胶结覆盖层的变形特征

为何煤矿上方地层移动至关重要

当煤炭在地下深部开采时，覆盖其上的岩层并不会保持静止。在中国西部，这些覆盖层异常松软且易碎，使地表更容易下沉，并可能威胁宝贵的地下水资源。本研究考察了伊犁4号煤矿随采掘推进时这些弱覆岩的变形行为，并表明了解其力学响应有助于提高对矿工和区域水源的保护。

易碎且遇水变弱的软岩

研究地段覆盖煤层之上的岩性主要为暗色泥岩和粉砂岩。室内试验表明，这些岩石即便在干燥时强度也较低，遇水饱和后强度会显著下降。饱和后抗压强度急剧降低，易产生裂缝、沿层理剥离并碎裂成块。与中国东部许多煤田不同，该区缺乏可以起到坚固桥梁作用的厚实强岩层。相反，岩体更像一叠潮湿且脆弱的饼干：一旦扰动，便迅速变形且恢复缓慢。低强度与高含水敏感性相结合，使该地区在开采过程中尤其容易出现大范围地表变动和与水相关的危险。

模拟地层下沉与开裂的过程

为观测随采掘推进岩层的响应，研究人员采用广泛用于岩土工程的数值程序 FLAC3D 建立了三维计算模型。模型表示了采空区上方百米级的分层岩体，煤层采厚约10米，并模拟了工作面逐步前进的采煤过程。随着煤量被移除，模型显示出独特的垂直位移模式：先是一个持续增长的沉降阶段，随后出现一个平台期，此时进一步推进主要使受影响区域横向扩大而非继续显著上升。覆盖层的最大向下位移在工作面推进约260米时达到约2米，形成了采空区上方典型的拱形沉陷带。

三层叠置：塌落带、破裂带与缓弯带

在模型中，覆盖层自然分为三层带状区域。最接近采空区的是塌落带，岩体破碎成块并塌落，部分充填采空。其上为导水破裂带，尽管岩层总体仍在位，但被大量互相连通的裂隙和分离面切割。更高处则是柔性弯曲的缓弯带，岩体整体完整性未丧失但发生弯曲下沉。随着采掘推进，塌落带和破裂带逐渐增高，直至工作面推进到约260米时趋于稳定。此时，塌落带高度约为30米，而破裂带延伸至距煤层上方约52米——仍略低于一重要含水层，这为防止突水提供了一个重要的安全裕度。

用地下“雷达”倾听岩体

为了检验模拟是否吻合实际，团队采用了高精度瞬变电磁法，这是一种可跟踪岩体在开裂和干化过程中电性变化的地球物理技术。他们在地表布设了一个大型固定线圈，多次测量工作面前方上方的电阻率变化。塌落区和张开裂隙区在资料中表现为明显的电阻率升高。通过分析这些异常体随时间的增厚情况，可以估算塌落带与破裂带的实际高度。野外观测资料表明，对于采高9.5米的工况，破裂带上升到距煤层约45–50米， 与模型预估的52米结果非常接近。

更安全采矿和保护水源的实用准则

通过将精细的数值模拟与敏感的现场测量相结合，本研究提出了在弱胶结高含水敏感岩体中采矿的简明设计规则。研究表明，在该类条件下，采空区上方的破裂带高度约为采高的五倍。这意味着，为了将含水层与采掘裂隙隔离，任何保留的保护煤柱高度必须至少不低于最大破裂高度——在本例中需超过52米。该工作还强调，与东部类似煤层相比，西部弱胶结岩体的地表与岩体变形更为剧烈，凸显了在这些脆弱地带制定专门支护与防水措施的必要性。

引用: Zhang, G., Zhang, H., Li, G. et al. Deformation characteristics of weakly cemented overburden in Western mining areas in China. Sci Rep 16, 14211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44166-4

关键词: 煤矿开采, 地面沉降, 岩石破裂, 地下水保护, 地球物理监测