断层穿越采区中岩层变形分析与RCRM作业的缓解措施

为什么地下岩体运动很重要

在我们脚下深处，煤矿穿行于分层的岩石中，这些岩层既不是坚固的也不是静止的。地壳中的断裂——即断层——在采矿改变地下力平衡时可能发生突发位移。这类运动会压坏巷道、损坏设备，并危及工人安全。本研究考察了一种试图通过让破碎岩石支撑顶板来保持巷道畅通的现代采矿方法，并提出一个关键问题：当这种方法需要穿越大型断层时会发生什么？通过理论、数值模拟与矿山现场试验相结合，作者展示了如何在这些复杂区域抑制危险的岩体运动。

保持巷道畅通的新方法

传统煤矿开采常保留厚大的煤柱来支撑顶板，但这既牺牲了资源，又仍存在突发顶板失稳的风险。采用截割顶板与掘后保留（RCRM）则颠覆了这一思路。矿工预先截割顶板，让矸石塌落并天然膨胀成体，形成自支撑的墙体，为下一采区提供并保护所需的道路。这个利用矿内自身破碎岩石作为支护材料的简单理念，可提高资源回收率、分散围岩应力，并降低维护长巷的成本和风险。

断层如何阻碍这一系统

断层使这一原本优雅的体系复杂化。由于断层两侧岩层性质不同，应力会不均匀集中，地基层可能发生变形或突然滑动。作者以中国祁攀井煤矿的11101工作面为例，那里一条陡倾断层横穿采掘方向。基于既有的岩体结构概念，他们构建了一个三阶段的图景：当采掘前缘从上方向断层靠近、穿越并移出到断层下方时发生的演化。模型表明，采掘前方的应力并非简单平滑地升落。相反，当断层上方的煤体被移除时，断层像一个屏障，导致前方应力出现明显下降，随后随着前缘进入并越过下方岩块又逐步回升。

用模拟窥探岩体内部

为了超越理论，团队搭建了包含断层和采空区（采煤后留下的空隙）的详细三维数值模型。他们特别关注塌落矸石在压力下的压实行为。破碎岩石不像完整岩体：它开始时松散、有许多空隙，随着岩粒破碎与重排而逐渐变刚。研究者用一种专门的“双屈服”数值模型来模拟这种行为，并测试了几种改变巷道截割高度的方案。简单来说，截割越高会产生更多下落岩石，能更充分地填充空间并更紧密地压实。

在破碎岩中找到平衡点

团队通过跟踪覆岩沉降、断层滑移以及围岩的变形和受压程度来评估各方案。他们发现，提高截割高度可以减少采前煤体中存储的“扭曲”能量以及断层附近的挤压应变。大约10米的截割高度被识别为一个实用的最优点：它显著降低了应力与位移强度——将关键应力指标和顶板、断层位移按可观幅度削减——同时避免了更高截割带来的额外成本与有限的附加收益。基于此，他们设计了一种组合措施：在顶板实施更高的槽割，并配合额外的“松散爆破”以进一步破碎并压实矸石，使其发挥更强的支撑作用。

从数值模型到采面现场

这些构想并未止于图纸。在祁攀井矿中，研究者在RCRM采区穿越断层时实施了10米截割与松散爆破方案。现场测量显示，采面液压支架承载的荷载明显减小，采面后方的破碎岩石压实更紧致，表现为较低的膨胀因子。实际效果是断层滑移减少、顶板沉降减小，采空区旁的保留巷道在采面移出超过200米后仍保持稳定。观测到的改善与大部分预测目标相符，增强了该理论与数值方法的可信度。

通过更智能的岩体控制实现更安全的采矿

对于非专业读者而言，核心信息是：断层附近的岩体并非采矿的静态背景——它是一个主动且会移动的系统，可以通过精心设计在一定程度上被引导。通过理解采面越过断层时应力如何被阻挡、重定向与释放，并通过有意管理破碎岩体的压实来支撑顶板，工程师可以在回收更多煤炭的同时保持地下通道安全。针对采面后方矸石提出的“截割更高、粉碎更细”的策略，为希望在有断层地层中采用RCRM的矿山提供了一个将地质风险转化为可控工程问题的实用方案。

引用: Dongshan, Y., Bo, L., Xiaohui, K. et al. Rock layer deformation analysis and mitigation at fault-crossing mining sites in RCRM operations. Sci Rep 16, 11723 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45552-8

关键词: 断层穿越采矿, 掘后保留与截割顶板, 煤矿安全, 岩体变形, 矸石回填