在紧邻煤层中残留煤柱与相邻采空区叠加下道路位置与断面优化

地下巷道为何与日常生活息息相关

为家庭、工厂和城市供电的大部分电力仍来自深部开采的煤炭。为了安全到达这些煤层，工程师必须在岩石中开凿长距巷道。如果巷道选位不当或断面形状不合适，周围岩体可能发生挤压或破坏，威胁矿工安全并切断资源通道。本研究来自中国某煤矿，探讨在多层煤层相互靠近且上覆煤层部分已采的条件下，如何为巷道选择更安全的位置与更合适的断面形式。

岩层与留置煤体的构造

在许多煤田中，煤不以单一厚层出现，而是像分层蛋糕一样由多层煤层叠置。在梅花井煤矿，主采煤层编号为2号和3号，两者仅相距约12米。上覆的2号煤层在两个大采区已被采空，但在两采区之间保留了一块宽约60米的未采煤体作为支护煤柱。煤柱两侧为已采空并塌陷、充填碎石的采空区（goaf）。该实心煤柱与相对柔软的采空区一同改变了上覆岩体的荷载向下传递至下覆3号煤层的方式，从而影响在下覆煤层布置新巷道的力学环境。

随时间观测岩体行为

研究人员首先检查了上覆煤柱是否发挥了应有的支护作用。他们对2号煤层中一段既有巷道在停止开采后的约两年期间进行了监测。仪器记录了巷道顶底板的离屋拱值与两侧墙体和底板的收敛量。观测到的位移较小：顶板最大离层约一到二厘米，边帮与底板的收敛通常在五到十厘米左右。由于附近没有新的开采活动，这些缓慢且有限的变形反映了在静载下的长期稳定状态，表明60米宽的煤柱足以承担上覆荷载并保持上部结构的大体完整。

勾绘应力在岩体中的传递

接着，团队采用岩体力学中的经典理论，将煤层下方的岩体视为一弹性半空间——一个深厚连续介质，并在其顶面施加荷载以计算深部应力。他们将煤柱与相邻采空区简化为一系列不同强度的荷载段，反映煤柱下的应力集中与采空区中的应力释放。通过数学表达与计算工具，他们绘出了下伏岩体中的垂直应力、水平应力与剪切应力分布。结果呈现出明显规律：在实心煤柱正下方应力集中，而在采空区下方应力下降，形成一个应力降低带。在下伏的3号煤层中，垂直应力在煤柱正下方最大，在距煤柱边缘约13米处接近最低，这一最低点对应于采空区上方；水平应力变化较小但也显示出远离煤柱时更温和的环境，而剪切应力在煤柱边缘处最强。

如何选定新巷道的位置

从工程实用角度出发，目标是在应力较低且相对均衡的地带布置巷道，以降低被挤压或破坏的风险。基于计算得到的应力曲线，作者认为在垂直应力降低带内、略偏向采空区而非直接位于煤柱正下方是新3号煤层巷道的理想带位。垂直应力的绝对最低值约在距煤柱边缘13米处，但该位置会造成更多煤炭无法回采。综合安全与资源回收，他们建议将巷道布置在距煤柱边缘10米处，既位于低应力区，又更靠近剩余煤体，从而在保证良好应力环境的同时减少资源损失。

巷道断面为何影响岩体稳定

位置只是故事的一部分；巷道开挖的形状也决定了岩体的响应。研究者利用三维数值模型（FLAC3D）建立了包含两层煤、煤柱、采空区以及位于首选位置的下伏巷道的矿区模型。他们在相同的宽高条件下测试了四种断面：直壁半圆拱、三圆弧拱（由三段曲线组成的较复杂拱形）、梯形和矩形。对每种断面模拟开挖后，分析了巷道周边应力的再分布以及周围岩体塑性（破坏）区的深度。结果显示，无论哪种断面，开挖后顶板与底板均出现应力减轻，而两侧帮则有不同程度的应力重新集中。

找出既安全又简便的方案

对比表明，拱形断面对荷载的适应性优于平顶或直壁断面。直壁半圆拱在其受力最强的一侧呈现最低的应力集中，且顶板、底板与边帮的破坏深度最浅。三圆弧拱在稳定性方面的表现与之相近，而梯形尤其是矩形的峰值应力更高、破坏深度更大，意味着周围岩体破碎并弱化更多。由于三圆弧拱在几何上更为复杂，地下施工与支护时需精确控制多段半径与连接点，作者认为其在常规施工中不够实用。因此他们推荐采用直壁半圆拱作为首选断面：该断面在煤柱与采空区共同影响下仍能提供良好稳定性，同时施工与支护相对简单。

对更安全、更高效采煤的启示

对非专业读者来说，关键结论是：地下的细微设计选择——巷道具体布置位置与断面轮廓——会对安全与效率产生重大影响。在该矿的案例中，研究显示保留结实的上覆煤柱，并将下层巷道稍微布置在采空区上方而非煤柱正下方，可形成更温和的应力环境。将巷道设计为拱形墙与圆拱顶，有助于周围岩体更平滑地“流动”绕行开挖空洞，从而限制破坏范围。尽管具体距离与尺寸因场地而异，但结合不同煤层间应力传递映射与断面比较的方法，为设计既更安全又更有利于煤炭资源保护的地下巷道提供了可行路径。

引用: Ren, Y., Li, J., Li, Y. et al. Optimizing roadway location and cross section under superposition of residual coal pillars and adjacent goafs in close distance coal seams. Sci Rep 16, 13983 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44345-3

关键词: 煤矿巷道设计, 残留煤柱, 地下巷道稳定性, 数值岩石力学, 多层开采