高应力下超厚煤层巷道不对称性地连翘（地板隆起）的机理与控制策略

为什么矿井地面有时会突然上抬

在深部地下，煤矿依赖长距离巷道输送人员、空气和煤炭。在中国的一些超厚煤层中，这些巷道的岩性地板有时会突然向上膨胀半米左右，挤压设备并威胁工人安全。本研究在曹家滩煤矿的一个实际工作面上，把现场作为大型自然实验室，考察了这种不均匀“地板抬升”在极高应力下为何发生以及如何防止。

厚煤层下方发生了什么

在研究的矿区，煤层厚度超过十米，埋深数百米。当如此巨厚的一层被开采后，上方会留下一个宽广的采空区（矸帮）。紧贴煤层上方的薄弱岩层崩塌，但并未完全填充该空洞。更高、更厚的岩层破碎成大块，发生弯曲、旋转并不规则堆叠。在留有支撑顶板的护帮一侧，这些岩块形成台阶状、倾斜的结构；而在对侧的实煤一侧，上方岩层保持相对规整。由此产生的不对称顶板结构成为巷道周边极不平衡受力的源头。

巷道地板被不均匀挤压

作者结合地下观测、数值模拟与力学建模，追踪了随采进展的巷道变形。他们发现地板上抬远大于顶板下沉，并且这一抬升明显呈单侧性：裂缝与鼓起始于实煤一侧并向护帮一侧扩展。布设在巷壁的仪器显示，随着采面通过，护帮一侧旁边的围岩受到的挤压远大于实煤侧。在采后约60米处，靠护帮侧的应力高出20%以上。同时，地板最大隆起约达47厘米，且最高点明显向巷道的实煤一侧偏移。

倾斜的力如何重塑围岩

为解释该现象，研究者建立了破碎顶板梁体如何将荷载传递到煤体与地板的力学图像。在护帮上方，低位岩块形成台阶化的梁体，向下施加强烈压力，而更高的岩块则像铰接的拱体一样，将更多荷载传递到该台阶结构上。该“低位台阶+高位铰接”体系将额外重量汇聚到护帮并最终传入其下方地板。相比之下，巷道中部在开挖后成为一个低压区。结果是在地板跨越方向上形成陡峭的应力梯度——像一个倾斜的能量坡，护帮下方压力高，而巷道下方压力低。

从高压到单侧地板上抬

在这种倾斜应力场作用下，地板围岩表现得有点像非常刚硬、缓慢流动的糊状物。在护帮深部，围岩沿着一条斜向通道被压碎并发生剪切，朝巷道方向倾斜延伸。受护帮高应力与巷道中部卸载间的压差驱动，损毁的岩体逐步被挤压至巷道下方的自由空间。然而护帮侧仍受上覆厚重大岩体的紧约束，因而大多数可见的上抬出现在受约束较少的实煤一侧。结果呈现出典型格局：护帮旁的下沉与严重裂缝、以及向对侧墙偏移的地板拱形隆起。

如何控制地板变形

基于此认识，作者提出了三步预防策略。首先，建议在护帮侧提前切割并预裂部分顶板，促使其在自发失稳前缩短梁体长度，降低能传递的力。第二，建议在靠近巷帮的地板上开设隔断槽，尤其是护帮一侧，用以切断从护帮向巷道地板的主要应力通道。第三，设计更强且刻意不对称的地板加固，在实煤一侧使用更长更强的锚杆，将破碎的表层与更深、更稳定的岩体锚固在一起。这些措施共同旨在降低驱动压力、截断传力路径，并在最易抬升处增强地板强度。

对更安全采矿的意义

研究表明，超厚煤层中极端的单侧地板隆起并非仅由弱岩层引起，而是由护帮上方破碎顶板层将应力聚焦到地板的方式所致。通过揭示这一隐蔽的荷载传递路径并将其与现场观测联系起来，本文为矿山工程师提供了更清晰的巷道保持方案：治理顶板结构、切断应力链路、并进行不对称加固。采用这种“源—路径—结构”方法，可帮助在高应力下开采超厚煤层的矿井保持更安全、更稳定的巷道。

引用: Zhang, J., Sun, J., Wang, B. et al. Mechanism and control strategies for asymmetric floor heave in extra-thick coal seam roadways under high stress. Sci Rep 16, 14515 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45203-y

关键词: 煤矿巷道, 地板隆起, 岩石力学, 地层控制, 厚煤层