基于相似物理模拟与PFC3D的远距离下护层开采释压效应与保护范围研究

为何更安全的煤炭开采很重要

煤炭仍为中国大部分电力提供动力，但开采过程可能诱发突发的瓦斯与岩石冲击，威胁矿工安全。本研究考察了在地下开采一条较深的煤层如何温和地缓解其上方煤层的压力，从而利于瓦斯抽排并降低下一轮开采的风险。通过将实验室物理模型与先进的计算机模拟相结合，研究人员绘制了随开采推进，两个煤层之间岩体如何发生开裂、弯曲与沉降的演化图景。

两条煤层的相互作用

研究以河南某矿的6号煤层为对象，该处较深的乌8煤层距上部丁5.6煤层约72米。思路是先开采下部煤层作为“保护层”。当该层被采空后，覆岩的重力分布发生转移，改变上部煤层的应力，打开微小通道使被困瓦斯逸出。如果工程师能够预判释压效应的范围与程度，就可以更科学地布置抽采钻孔，并在上部煤层的后续开采中提高安全性和效率。

实验室中的缩尺矿山

为了观察地下不可见的过程，研究团队搭建了一个约三米长、一米半高的大型物理模型，模拟乌8煤层上方的真实地层。研究者用沙子、石膏、碳酸钙和云母代表不同的岩性，重建了层状地层，并逐步“开采”下部煤层。随着模型工作面推进，他们观测到覆岩的塌落位置与裂缝张开规律。所形成的断裂呈宽阔的梯形，向上和向外扩展，经历了起裂、生长和在破碎岩体压实后部分闭合的阶段。

虚拟岩体与看不见的力

实验模型无法捕捉所有细节，因此研究人员还采用了基于三维颗粒的计算机模拟PFC3D，以追踪整个岩体的应力与裂缝模式。在这个虚拟矿山中，岩石与煤以成千上万微小粘结颗粒表示，其相互作用遵循运动规律。随着模拟工作面的推进，程序记录了不同高度处的垂直与水平应力变化、裂缝如何连接成网络以及上部煤层的位移。结果显示，采空区附近的垂直应力一度达到水平应力的约四倍，随后又下降，形成一个随高度逐渐收窄、在采空区上方呈梯形平台状的释压区。

上部煤层如何弯曲与拉伸

模拟还揭示了被保护的丁5.6煤层如何变形。其位移格局逐步演变为位于采空区上方的碗状下沉。早期，当工作面推进不到一半时，下沉较小且呈椭圆形。随着开采继续，凹陷加深并扩大，最大沉降出现在采空区中心正上方。最终，随着覆岩压实与附加沉降速率减缓，“碗底”趋于平坦。通过追踪被保护煤层厚度的变化，研究组计算出膨胀变形率；当该率超过某阈值时，可认为煤层已充分释压，发生剧烈失稳的可能性显著降低。

绘制地下安全区

结合变形与应力结果，作者勾勒出有效释压保护区的三维形态。他们发现上部煤层的松弛区并不完全位于采区正上方，而是沿工作面的长度和宽度均向内偏移。在纵向上，保护区在实际采边界内侧约35–40米开始与结束；在横向上，则后退约11–14米。在这个偏移区域内，垂直应力降至约16.9兆帕的临界值以下，膨胀变形率超过中国安全规范所用的标准。实务上，该研究为矿山规划者提供了明确的角度与距离指标，标示出可以进行瓦斯抽采与上部煤层后续开采、同时降低煤与瓦斯突出风险的区域。

引用: Zhan, K., Liu, Z., Wei, D. et al. Study on pressure-relief effect and protection scope of long-distance lower protective seam mining based on similar physical simulation and PFC^3D. Sci Rep 16, 15927 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47414-9

关键词: 煤层开采, 瓦斯抽采, 岩体裂缝, 矿井安全, 数值模拟