基于折叠突变理论的大采高工作面煤壁剥落机理研究

为何突然的煤壁失稳至关重要

在现代地下煤矿中，越来越高的采高使得一次掘进能采出更多煤炭，提高产量的同时也增加了发生突发侧壁坍塌（即巷帮剥落）的风险。这类突发性失稳会将煤块抛入作业区，损坏大型设备，并威胁矿工生命安全。本研究深入探讨了这些失稳为何会如此突然发生，综合了数学建模、能量分析与数值仿真，展示了煤壁如何在不显眼的情况下蓄积能量，直至达到临界点而无预警地破裂。

围绕巷道的隐性包壳

作者提出，位于大采高工作面侧边的煤体并非像实体块体那样行为，而更像包裹在开口周围的薄壳。随着顶板和底板对裸露煤壁的挤压，这个包壳逐渐向巷道凸起，尤以煤层中部高度处为甚。中国某矿的现场观测表明，裂缝与剥落常聚集在该中部区域，支持了煤体以近球形模式而非平板模式失稳的观点。将煤体视为包壳，有助于解释来自各方向的应力如何聚焦到有限区域，使其成为潜在的不稳定区。

破裂前的能量积累

研究并非仅关注外力多大，而是追踪不同形式的能量如何在煤壳内积累。部分煤体呈弹性变形，类似被压缩的弹簧，可释放能量；而另一部分呈塑性变形，发生不可逆形变并耗散能量。随着微裂纹形成并扩展，越来越多的壳体进入吸收能量的塑性区，而周围的弹性区则储存愈加增长的应变能。研究者通过数学推导表明，一旦弹性区中储存的能量达到某一阈值，它会突然向裂缝区释放。在那一瞬间，包壳无法维持原有形状，巷帮剥落以迅速的破裂形式发生。

由折叠模型描述的临界点

为捕捉这一突变过程，团队采用了称为折叠灾变（folding catastrophe）的数学框架。通俗地说，煤壁的行为可被描述为一个有两条路径的系统：一条是稳定路径，变形缓慢增长；另一条是不稳定路径，只需微小额外作用就会跃迁到严重变形的新状态。控制性因子是由采动应力和瓦斯压力向煤体持续输入能量的速率。在外界仍需额外供能的状态下，煤壁呈逐步变形。但当弹性部分释放的能量足以自驱裂纹扩展时，系统达到临界平衡。此时，哪怕是切割机的一次新切割等轻微扰动，也可能触发从稳定到突然坍塌的跃迁。

数值试验的支持

研究者用详尽的计算机仿真验证了他们的观点，模拟对象为含有薄弱夹层的厚煤层长壁工作面。他们采用离散元模型，模拟分步采动过程并追踪工作面前方煤体的位移及应力集中位置。结果显示，水平位移和破坏主要集中在煤层中部，形成向外膨胀的鼓起区，该膨胀区大致呈半球形扩展。这一模式与理论中的包壳和球形失稳概念一致，表明煤壁确实在中部区域累积变形与能量，直至失稳。薄弱夹层的存在会移动并强化该失稳区，凸显薄弱层如何聚中破坏。

对更安全采矿的启示

通过将巷帮剥落与能量阈值联系起来，本研究从事后描述可见损伤，转向预测煤壁何时接近危险状态。模型提示，通过监测能量积累的指标——如采动应力与瓦斯压力——可以识别系统接近临界点的迹象。在工程实践中，可通过调整支护刚度、改变采高或采取降压释能措施来降低输入能量，使煤壁远离临界区域。简言之，该工作表明，突发的煤壁坍塌并非毫无征兆的随机事件，而是脆弱包壳内能量悄然堆积的结果，这一过程可以且应当被监测与控制。

引用: Li, G., Zhang, H., Li, M. et al. Study on coal wall spalling mechanism of large mining height working face based on folding mutation theory. Sci Rep 16, 15277 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46075-y

关键词: 煤壁剥落, 巷帮剥落, 能量释放, 长壁采煤, 煤矿安全