干旱中国西部深部采煤上覆地层运动特征与导水裂隙带高度预测

为什么深挖煤会影响地面与水

在中国西部的干旱腹地，城镇与工业依赖于位于富煤层之上的稀缺地下水。随着矿井向深部开掘，工程师担心将煤层与宝贵含水层隔开的岩层会出现破裂，从而形成隐蔽通道使地下水流失或涌入巷道。本文研究鄂尔多斯盆地深部煤层上方异常柔软且厚实的砂岩在采矿过程中的弯曲、流动与破坏特征，以及这些行为对地面稳定性和地下水安全的影响。

煤层上方的一种特殊软岩

鄂尔多斯盆地煤田被超厚的“弱胶结”砂岩所覆——这种岩石看似坚实，但更像是致密的多孔海绵而非刚性的横梁。与世界上许多煤矿上方的坚硬顶板不同，这些砂岩强度低、孔隙率高，遇力或遇水易受损。随着采掘深度增大，关于顶板破裂和裂隙上升范围的传统经验法则变得不再可靠。作者旨在弄清这种柔软覆盖层的真实运动规律，以便工程师更好地预测地表下沉及新形成裂隙的导水风险。

在实验室里重建地下世界

为了以“慢动作”观察岩层变形，研究组构建了一个大尺度物理模型，按五百分之一的比例用精心配比的砂、石膏和其他材料模拟真实地层。他们模拟了采长壁工作面时单个以及相邻多个工作面的开采过程，并用高精度相机追踪数千个微小标记以捕捉细微位移。当单个宽约300米的工作面被开采时，主顶板起初保持稳定，随着掘进推进到约150米时突发下沉。到全幅开采完成时，模型顶板相当于下降了5.55米，采动影响向上伸展到更高的岩层。

从脆性破裂到缓慢弯曲与流动

随着采掘跨越数个相邻工作面，上覆地层的行为出现了显著变化。靠近煤层的下部坚硬地层断裂成块体与梁体，形成边界清晰的塌陷区。相反，上覆的超厚白垩系砂岩并未粉碎，而是在广泛区域内平滑弯曲并发生塑性变形，中部向下流动并在两侧旋转。位移场可划分为中央的“沉降区”，表现为近垂直下沉，以及两侧的“旋转区”，岩体向开采区方向或远离开采区倾斜。如此大尺度的协调弯曲模式意味着裂隙可以在没有明显整齐破裂的情况下向上延伸得比预期更高。

剖析岩石内部以解释其异常行为

为解释该砂岩为何表现不同，研究者在高压三轴设备上测试了岩心样品，并用扫描电子显微镜对其成像。力学试验显示岩石总体强度低且对围压高度敏感：在低围压下岩石呈裂开和剪切破坏；在较高围压下则更像缓慢流动的材料，剥落颗粒但不形成大规模张口裂缝。显微图像显示石英颗粒磨圆良好，颗粒间存在大量孔隙，弱质的方解石与长石仅以薄弱、局部的薄膜形式充当胶结物。能谱分析证实了这种脆弱的胶结。上述特征共同导致砂岩易于被挤压、弯曲并缓慢碎裂，而不是像刚性梁那样突然断裂。

模拟开采与导水通道的上升

团队随后将分层岩柱转入一个广泛使用的离散元数值模型中。通过数值推进六个长壁工作面，他们追踪了水平与垂直应力的变化、层间分离位置以及岩石在拉伸、剪切或二者混合条件下的失稳位置。模型显示厚弱砂岩底部以及一处下部砂岩单元内存在明显的水平分离，随着每个新工作面的开采，应力在拉伸与挤压之间循环。这些循环逐步削弱岩体并促成一个拱形的高位裂隙带向上生长。数值模拟与钻孔现场资料均表明，当开采工作面宽度超过埋深1.5倍时，导水裂隙带可上升至约186米高度，触及上覆侏罗系单元的基底。

对煤炭、土地与地下水的意义

对普通读者而言，核心信息是：并非所有顶板岩层的行为相同。在鄂尔多斯盆地，一层厚而柔软的砂岩在下方煤层被挖掘时会发生弯曲和流动。这种不同寻常的响应使得能够承载水的裂隙在地表看起来只是缓和下沉而非明显破裂时，仍能意外地向上延伸得很高。通过结合物理模型、实验室试验、显微分析与数值模拟，研究提出了一个实用的估算方法，用以预测给定开采布局下导水裂隙带的增长高度。这些见解可帮助规划者设计工作面宽度、支护系统和地下水保护措施，从而在该地区及其他具有相似地质条件的干旱煤区更好地保障矿工与稀缺地下水资源的安全。

引用: Du, Q., Guo, G., Li, H. et al. Overlying strata movement characteristics and water conducting fracture zone height prediction for deep coal mining in arid Western China. Sci Rep 16, 14156 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46768-4

关键词: 深部采煤, 弱胶结砂岩, 地下水保护, 覆盖层变形, 导水裂隙