应力叠加下小煤柱巷道的变形特征与预制裂缝释压稳定性控制

地下煤巷为什么重要

世界上大量煤炭通过在地下开掘长隧道的方式开采。在这些隧道之间，会有意保留薄薄的“煤柱”以支撑上方岩层。随着开采强度增加、工程师为回采更多煤炭而尝试保留更小的煤柱，这些残留煤块可能承受危险的超载，使巷道发生挤压、开裂甚至破坏。本文探讨了小煤柱如何以及为何被超载，并提出一种通过预制顶板裂缝使应力在严重损害发生前安全释放的方法。

地下积聚的隐性力

作者关注一条与夹在两个开采工作面之间的小煤柱并行的巷道——主通道。随着每个工作面的开采和采进面移动，围绕煤柱的岩体并不是只承受一次推动，而是经受一系列反复的应力波。通过计算机模型，研究团队模拟了四个关键阶段：开挖第一条巷道、开挖对侧巷道、第一工作面回采（退后采）、然后第二工作面回采。在每一步，煤柱的竖向载荷都在上升，最终达到原始岩体应力的三倍以上，并接近或超过测得的煤体强度。在这些叠加荷载下，煤柱和其旁的巷道易发生压碎和严重变形。

像压缩弹簧一样储存的能量

为更物理地理解失稳，研究不仅跟踪应力变化，还记录煤体内储存的弹性能量——随着煤柱被挤压而积累的“弹簧能”。数值模拟显示，每次开挖步骤中，这种能量在小煤柱中心处逐步聚集。在工作面回采时，能量密度相比开挖巷道阶段翻倍以上，最终超过实验室测试煤样失效时的能量水平。到第二工作面推进时，煤柱中储存的能量足以接近引发剧烈岩爆的条件。换言之，煤柱不仅是过应力状态，而且已被置于可能突然释放能量的临界状态，威胁巷道稳定和矿工安全。

让顶板在我们希望的时间与位置破裂

与其在巷道里简单地增加更多支护——这既会很快变得拥挤且可能仍不足以抵抗荷载，作者测试了一种不同思路：在小煤柱上方不远处有意削弱顶板，使其以可控方式坍塌。通过等比例物理模型，他们比较了两种情况：一种是强而完好的顶板，另一种是在巷道上方用类似定向爆破的手段引入窄的垂直预制裂缝带。在完整顶板情况下，长而刚性的顶板梁悬跨在采空区上方，形成长悬臂，将大量荷载传回煤柱。在预裂顶板情况下，主顶板沿预制裂缝更早破裂，塌落角度更陡，悬臂长度几乎缩短一半。破碎的岩块下落并紧密填充采空区，有助于支承剩余顶板，降低传递到小煤柱的荷载。

观测岩层的移动

团队在模型中使用精密摄影和位移测量来追踪随开采进展岩层的运动。他们发现，预制裂缝使裂缝带正上方的上部岩层出现更大且更早的下沉，从而加快采空区破碎岩体的致密化。同时，下部岩层和相邻工作面的采矸区（巷帮）位移变化仅略有差异，表明扰动主要局限于预期区域。嵌入模型顶板的应力传感器显示，在距煤层几倍裂缝高度范围内，竖向应力较完整顶板下降了超过10%。超出该高度，岩体对裂缝的“记忆”减弱，应力趋于均匀，说明影响范围界限较好。

来自实际煤矿的验证

为验证该方法，作者在中国王庄矿的一条实际巷道顶板实施了深孔定向预裂。由巷道向顶板钻入长孔，装入成形炸药以切割小煤柱上方的垂直破裂带。随工作面回采，安装在煤柱内钻孔中的应力计记录载荷变化。在未裂顶板区，深度3米处应力增加约5.5兆帕。在已预裂区，应力增加不到该值的一半，约2.5兆帕。煤柱更深处也观察到类似减小，证明工程化裂缝显著缓解了巷道和煤柱的压力。

对更安全、更高效采煤的意义

对非专业读者来说，关键观点是：小煤柱在邻近工作面开采过程中可能被反复超载而变得危险。通过有意在这些煤柱上方顶板引入裂缝，工程师可以使顶板以更有利的模式破裂：更早塌落、塌落角度更陡且跨距更短，使破碎岩石成为天然的缓冲与支撑。该研究的数值模拟、实验室尺度模型和现场全尺度试验均指向同一结论：这种受控裂缝方法能降低小煤柱巷道周围的应力集中与变形，帮助保持巷道稳定，同时仍可实现较高的煤炭回采率。

引用: Cheng, S., Ma, Z., Li, Y. et al. The deformation characteristics and the prefabricated crack pressure relief stability control of a small coal pillar roadway under stress superposition. Sci Rep 16, 10850 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44430-7

关键词: 煤柱稳定性, 地下巷道支护, 顶板开裂, 岩爆控制, 长壁采矿