结构钢-煤岩界面中介观尺度力链演化及宏观力学响应特征

在地下让重型机械保持稳定

在深部煤矿中，巨大的液压支架支撑顶板以保障人员安全。这些钢制结构在采煤推进时必须平稳前移，但实际上它们是通过一层薄薄的煤粉覆盖在岩石上而承载的。本研究探讨了一个看似简单却极具安全意义的问题：煤粉中的含水量如何改变钢、粉和岩石之间的受力传递——兼且少量水分如何使支架更为稳固？

钢底座下的隐蔽层

在真实矿井中，液压支架的钢底座并非直接压在裸露岩石上。相反，金属与煤岩地面之间通常夹有一层薄且不均匀的煤粉垫层。这把表面上的两体接触（钢对岩）变成了三体系统：钢、煤粉与岩石。该薄层中的微小颗粒承担并重分配来自支架的巨大荷载。颗粒的行为强烈受其干湿程度影响，而这又反过来决定载荷在钢底下是集中还是扩散。

研究者如何构建数字化的巷道地面

为研究这一复杂界面，作者结合了两种强有力的数值方法。他们用有限元模型表征钢底座与下部煤岩，捕捉这些实体在载荷下的变形；同时用离散元模型把每一粒煤粉视为可粘结、可移动、甚至可破碎的单独颗粒。他们重建了钢与岩石的真实粗糙表面，然后以不同含水率填充间隙。一个专门的接触模型描述了微湿颗粒通过细小液桥相互吸引的行为，而另一个断裂模型允许颗粒在受压时破碎并产生更细的碎屑。

力链：从少数长路径到众多短路径

在煤粉层内部，来自钢板的载荷并非均匀地在颗粒间传递。相反，颗粒会排列成一束束相互受压的链状结构，称为力链，它们承担了大部分载荷。模拟显示，力链的数量和长度随时间及含水率而变化。力链总数先增加后趋于平稳；平均长度经历增长、收缩并最终稳定。在非常干燥的煤粉（约2%含水率）中，仅形成少数长而脆弱的力链，容易破坏和重排，使得力传递不稳定。随着含水率上升到6%再到12%，液桥增强了颗粒间的黏聚力。网络从“少而长”的跨域力链转变为“多而短”的局部协同链，形成更致密、更有弹性的承载网络。

含水量对钢材应力的影响

团队还跟踪了在钢板受压过程中煤粉如何存储、释放和耗散能量。煤粒发生弹性压缩、重排，有时破碎，把冲击能转化为一系列能量储存与释放事件。在中等含水率（约6%）的煤粉中，能量耗散呈现两个明显阶段：先以颗粒破裂为主，随后在湿度和细碎颗粒的作用下以重排和平滑滑动为主。这种行为带来更渐进且均匀的载荷传递。模拟与试验表明，干燥煤粉会在钢表面引起最高的峰值应力，随后随着松散颗粒的塌陷迅速下降。在非常高的含水率（12%）下，强黏结与变形又可能抬高局部应力。值得注意的是，当含水率约为6%时，钢表面经历最低且分布最均匀的峰值应力，模型预测与实验结果的误差约为10.7%。

为更安全的支护找到“合适湿度”

对非专业读者而言，关键结论是：重型支架下方那层薄薄的煤粉像一种会引导力流的活体结构。调整粉层的含水率即可调节这一隐蔽结构。研究表明，将煤粉含水率维持在约6%能使颗粒形成稳定的网络，均匀分散载荷，降低钢底座上的危险应力峰值。在实际应用中，这一发现可为矿井操作者管理地面条件与支架移动提供指导，帮助大型液压支架更平稳地运作并减少地下失稳风险。

引用: Chen, H., Tao, P., Liu, J. et al. Evolution of mesoscale force chains at the structural steel-coal rock interface and macro-scale mechanical response characteristics. Sci Rep 16, 10686 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46363-7

关键词: 液压支架, 煤矿安全, 颗粒力链, 三体接触, 潮湿煤粉