含水软岩巷道底板大变形与破坏机理研究

为什么矿巷底板会突然隆起

深部煤矿巷道必须保持稳定以保障人员安全和设备通行。在一些矿区，巷道底板会缓慢向上膨胀，导致轨道弯曲、支架开裂。本研究聚焦于中国一处通过含水弱岩层的巷道，研究者旨在弄清底板为何上升数米以及一种新的支护方法如何阻止这一过程。

深部的受灾巷道

研究队伍关注的是山东红旗煤矿的北翼主巷。该运输巷约四米宽高，贯穿一层软泥岩，底下为充满承压地下水的石灰岩层。现场调查发现巷道交接处有大量水渗出，接近水源的巷道底板抬升达2.5米。钢轨被挤成“S”形，混凝土衬砌开裂，墙体锚杆断裂，表明围岩已无法保持原有构造。

遇水即散的软岩

为弄清底板为何脆弱，研究者对巷道底板的泥岩样品进行了试验。结果显示其含有大量黏土矿物，易吸水膨胀并在湿润时强度下降。显微观察可见岩石多孔且结合松散，颗粒细小且胶结薄弱。在简易浸水试验中，泥岩块在入水仅一分钟后就开始崩解，并随着吸水进一步破坏。这些结果表明该岩体不仅软弱，而且对水敏感，特别容易发生膨胀和失强。

地下水推动底板的数值模拟

接着，研究团队建立了巷道及周围岩层的三维数值模型，模拟底板下方石灰岩层不同承压水头下的情况，从干燥到实测高水压。模型跟踪了巷顶与底板的位移以及围岩超过强度极限的范围。在干燥条件下，底板仅微微上浮，损伤浅表；当水压提高到实测值时，模拟的底板隆起约达2.5米，底板下方的损坏带加深到超过六米，而巷顶几乎无移动。这说明来自下方的承压水对已软化泥岩的作用，是底板破坏的主要驱动力。

底板破坏的简要力学图景

借助土压力理论，研究者绘制了底板运动的力学示意。他们将底板划分为浅部受渗水弱化的层和受承压含水层强烈影响的深部层。在该图景中，巷道底板两侧被软化的岩体块在上覆荷载与向上的水力共同作用下向内挤压并升起。计算表明临界破坏深度约达4.5米。通俗地说，巷底下方一厚层被软化的岩体被向上、向内挤推，引起底板向巷道内部隆起。

分层支护体系阻隔水力

基于上述认识，团队设计了一种针对两层区段的分层支护体系。在浅层，他们布置了较短的注浆锚杆以将松散岩体绑扎并封闭裂隙；在深层，则采用长的注浆索杆锚固至较稳固的深部岩体，限制受水压作用最大的部位位移。巷道底板筑成倒拱混凝土并与沿墙的U形钢支撑连为一体，使整个衬砌形成封闭环，能更好抵抗下方挤压。该方案旨在切断地下水与最薄弱泥岩的直接接触，同时更均匀地分担荷载。

从严重隆起到受控变形

该新支护方案已在一条相邻、具有相同地质水文条件的联络巷中试行。两个月监测期间，巷顶沉降与墙体位移均较小，底板仅上升33毫米后趋于稳定，而非先前观测到的数米级隆起。对非专业读者来说，关键结论是：理解地下水如何削弱围岩并施加向上的水力，结合针对性的分层加固，可以显著减少深部矿山中的危险地表变形。

引用: Li, L., Zhang, Y., Zhou, R. et al. Study on floor large deformation and failure mechanism of water-rich soft rock roadway. Sci Rep 16, 14952 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45877-4

关键词: 底板隆起, 软岩, 地下水, 巷道支护, 煤矿