《International Journal of Mining Science and Technology》：Zonal failure mechanisms and monitoring–control methods of surrounding rock in gradient offset roadways
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在近距煤层（CDCS）开采条件下，梯度错距巷道的围岩破坏表现出显著的分区异质性和复杂的演化行为。然而，现有研究缺乏对分区破坏机制的系统理解以及有效的全长定量识别方法，限制了支护策略与围岩破坏特征之间的精确匹配。为解决该问题，本研究建立了采场底板主应力分布的力学
在近距煤层（CDCS）开采条件下，梯度错距巷道的围岩破坏表现出显著的分区异质性和复杂的演化行为。然而，现有研究缺乏对分区破坏机制的系统理解以及有效的全长定量识别方法，限制了支护策略与围岩破坏特征之间的精确匹配。为解决该问题，本研究建立了采场底板主应力分布的力学模型，阐明了不同错距下主应力的空间变化规律，并为塑性区分析提供了明确的边界条件。鉴于塑性区边界方程的隐式性质及解析积分的困难，提出了一种结合极坐标离散化与数值积分的定量计算框架，以确定塑性区面积和最大破坏深度。基于此框架，定量揭示了主应力比（η）和最大主应力方向（α）对分区破坏演化的耦合控制机制。结果表明，错距的连续变化诱导了η和α的耦合演化，进而控制了塑性区的扩展规模、破坏深度和偏转特征。此外，提出了一种地球物理-钻孔联合反演方法（GBJIM），用于围岩破坏区的精细化识别。该方法实现了0.59%–3.37%的相对反演误差，满足工程精度要求，并实现了巷道围岩破坏的全长连续表征。反演结果显示，破坏深度随错距变化表现出显著的时空变异性，经历了快速下降、随后上升、逐渐减少并最终稳定的过程，且与数值模拟结果吻合良好。基于精确的分区结果，开发了全长巷道的分区支护优化策略，并通过现场应用进行了验证。
随着煤炭资源开采深度和强度的增加，近距煤层（CDCS）开采已成为中国主要煤炭产区的主导开采方式。然而，CDCS开采面临设计最优煤柱尺寸困难、应力叠加耦合残余煤柱扰动、层间相互作用机制理解不足以及采场布置复杂等一系列挑战。特别是厚度不同的煤层联合开采进一步增加了开采复杂性。在复杂的CDCS条件下，巷道围岩受到采空区多重叠加卸荷、残余煤柱集中应力以及层间错距变化等多重耦合因素的影响，导致围岩应力环境表现出显著的空间异质性和明显的分区特征。主应力的方向和大小沿巷道发生连续的旋转和演化，导致不同错距段的围岩破坏模式显著不同。这种复杂的力学行为对传统统一支护系统在实现全区域稳定性和经济性方面构成了重大挑战。尽管关于塑性响应的研究表明，在非静水地应力场下，塑性区的规模和形态表现出明显的方向演化和强不对称分布，且最大主应力比（η）和最大主应力取向角（α）是控制塑性区发展空间和偏转趋势的关键参数，但现有研究多局限于定性描述，缺乏对连续变化错距条件下η-α耦合时空演化及塑性区范围的定量表征。此外，传统的离散检测方法无法捕获全长巷道的整体“全球轮廓”，而现有的地球物理方法在强采矿扰动、非均质介质和可变错距的巷道应用中受限于噪声敏感性和分辨率，缺乏整合钻孔和地球物理数据的多源反演技术。因此，系统理解梯度错距巷道的分区差异化机制及围岩破坏的定量表征显得尤为迫切。研究人员开展了以下研究：首先，建立了采场底板主应力分布的力学模型，并基于该模型提出了塑性区面积和最大破坏深度的定量计算方法，揭示了η和α共同控制围岩分区破坏的力学机制；其次，提出了一种新的地球物理-钻孔联合反演方法（GBJIM），实现了巷道围岩破坏的全长连续和定量表征；最后，基于精确的分区结果，制定了优化全长巷道分区支护方案并进行了现场应用验证。该研究不仅为复杂地质条件下精确巷道支护提供了新的理论基础和技术途径，还有效降低了后续加固支护的不确定性和成本。该论文发表在《International Journal of Mining Science and Technology》。
为开展研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：基于弹性力学理论和半无限平面体理论建立采场底板主应力分布解析模型；利用极坐标离散化与梯形数值积分法求解隐式塑性区边界方程，计算塑性区面积及最大破坏深度；构建包含双屈服模型的三维数值模拟模型以模拟采空区矸石压实变形；开发基于钻孔成像灰度识别技术的围岩内部破坏特征提取算法；建立地球物理-钻孔联合反演方法（GBJIM），通过最小二乘法反演校准探地雷达（GPR）的介电常数等关键参数，实现围岩破坏区的精确反演。样本队列来源为柳家矿EIN56-7盘口运输巷，该巷道位于EIN56-5采空区下方，涉及内错距和外错距两种空间关系，最大外错距31m，最大内错距18m。
3.1 采空区底板应力分析理论模型的建立
研究人员首先建立了采场底板正交坐标系，将煤层简化为水平层，根据非均匀分布载荷的支撑应力表达式，结合半无限平面体理论和弹性力学理论，推导了底板岩层中任意一点的水平应力、垂直应力和剪应力表达式，进而得到最大主应力（σ1）、最小主应力（σ3）及其方向角（α）的计算公式。通过计算不同区域的宽度参数，利用MATLAB进行数值计算，分析了底板主应力及相关参数的分布特征。结果显示，在采空区底板，外错距区（煤柱下方）应力集中程度最大，内错距区应力显著卸压。随着错距变化，σ1、σ3、主应力差（Δσ）和主应力比（η）均呈现先增后减的趋势，峰值集中在煤柱边缘附近（错距约0m）。最大主应力方向在外错距区趋于垂直，而在内错距区随错距增加逐渐趋向水平。
3.2 梯度错距巷道围岩的分区破坏机制
为揭示围岩弹性-塑性区的分布规律，研究人员结合岩石力学模型和Mohr圆模型，建立了非等压应力场下圆形巷道塑性区边界的极坐标隐式方程。由于方程为隐式，直接解析积分困难，研究提出了一种结合极坐标离散化和数值积分的定量计算框架。通过将角度区间[0, 2π]离散化，利用MATLAB编程获取塑性区边界在不同离散角度下的径向函数值，采用梯形积分法进行数值积分，从而计算出塑性区面积和最大破坏深度。计算结果显示，随着错距从-30m变化到0m，塑性区面积和最大破坏深度显著增加，表明围岩损伤加剧。在此过程中，η从1.51增至2.90，α从30°增至54°，两者的同步增加显著促进了塑性区的扩展和形态偏转。特别是在-5m至0m错距范围内，塑性区面积和最大破坏深度保持高位，反映该段围岩处于最不利的应力环境。当错距从0m变化到15m时，塑性区面积和最大破坏深度逐渐减小，应力场由强非均匀状态向相对稳定状态过渡。研究表明，η主要控制塑性区扩展范围和最大破坏深度，而α控制塑性区的偏转方向。煤柱边缘（错距约0m）虽然最大主应力幅值不是最高，但η和塑性区规模达到最大值，表明该区域应力状态最不利。
3.3 采空区底板主应力分区分布特征及巷道围岩分区变形破坏分析
研究人员构建了三维数值模拟模型，采用Mohr-Coulomb本构模型模拟巷道围岩，并使用双屈服模型模拟采空区矸石。模拟结果显示，外错距区存在明显的应力集中，而内错距区主要位于应力卸压区。数值模拟得出的主应力参数变化趋势与理论分析高度一致。在变形破坏方面，数值模拟显示巷道顶底板和两帮位移随错距变化呈先增后减趋势，峰值出现在错距约0m处。塑性区分布同样呈现先增后减规律，且顶板塑性区发展最为显著。理论分析与数值模拟在关键特征参数变化趋势上高度一致，相对误差在可接受范围内（η相对误差0.6%-9.0%，塑性区面积相对误差2.0%-9.5%），验证了理论分析方法的可靠性。
4. 巷道围岩破坏区的识别与探测方法
鉴于理论和数值模拟的理想化假设，研究人员提出了地球物理-钻孔联合反演方法（GBJIM），以实现围岩破坏区的全长连续精细表征。该方法首先利用钻孔成像技术，通过开发基于灰度共生矩阵的像素提取和灰度计算程序，识别岩体内部裂隙和破坏深度，将岩体完整性分为完整、较完整、含微观裂隙和含宏观裂隙四类。随后，利用钻孔成像确定的真实破坏深度作为先验约束信息，对探地雷达（GPR）检测参数进行反演校准。通过构建目标函数，采用最小二乘法反演校准GPR的关键参数（主要是相对介电常数）。应用校准后的参数进行全长GPR扫描，实现围岩破坏范围的连续精细表征。结果显示，GBJIM相对反演误差为0.59%–3.37%，满足工程精度要求。反演结果表明，围岩破坏深度随错距变化表现出显著的空间变异性，总体呈现快速下降、随后上升、逐渐减少并最终稳定的规律。GBJIM结果与数值模拟结果对比，相对误差主要控制在10%以内，进一步验证了方法的有效性。
6. 基于综合反演结果的巷道分区支护优化
基于GBJIM反演结果，研究人员对原支护方案进行了可行性分析。分析发现，原支护方案中锚索控制面积超过计算允许值，无法满足顶板支护强度要求，且部分区段锚杆长度小于破坏深度，存在支护失效风险。据此，提出了分区加固支护方案：在外错距区（Zone A和B，20-270m）采用方案1，即在顶板每隔两排锚杆增加6根加强锚索，在两帮增加8根加强锚索；在内错距区（Zone C和D，270-570m）采用方案2，即在顶板每隔两排锚杆增加4根加强锚索。此外，在工作面前方安装高强度单体液压支柱作为超前支护。现场应用结果表明，分区加固支护后，巷道表面位移随时间逐渐衰减并稳定，最终顶底板和两帮收敛量控制在6-29mm，显著降低了变形。锚杆和锚索载荷均在安全阈值内，表明该方案有效控制了围岩变形，提高了结构稳定性，并相比统一支护方案显著节省了材料成本（方案2比方案1节省约71%的锚索用量）。
讨论部分总结了研究的核心贡献与应用前景。研究人员指出，本研究通过理论分析、数值模拟和新型检测方法的改进，系统研究了近距煤层开采条件下梯度错距巷道的分区差异化破坏机制和特征。提出的GBJIM方法实现了从局部离散识别向连续全长表征的转变，其误差低且可靠。基于精确分区的分区支护概念不仅提高了支护设计的科学性和针对性，避免了“一刀切”造成的资源浪费，还显著降低了支护的随机性和成本。该研究 bridging 了理论分析与工程实践，提出的GBJIM框架具有广泛的工程适用性，可扩展到其他地下工程（如隧道、公路基础设施）的结构损伤识别中。研究结论强调，主应力比（η）和主应力取向（α）的耦合演化是梯度错距巷道围岩分区破坏的根本原因；GBJIM方法能有效捕捉围岩破坏的空间变异性；分区优化支护方案在保障安全的前提下实现了经济效益最大化。
