大型开采高度工作面的边帮回采巷道留设顶板切割与卸压围岩控制技术研究

保持地下巷道畅通与安全

深部地下煤矿依赖纵深巷道来运输人员、设备与煤炭。但当煤被开采后，上覆岩体会发生位移并挤压这些巷道，带来重大的安全隐患和经济损失。本研究以某中国煤矿为对象，提出一个务实的问题：工程师如何设计回采区与支护，使得关键巷道能够在下一轮开采时安全保留，而不是被放弃后重新开挖？

为何保留一条巷道很重要

现代煤矿常采用超厚开采工作面，一次回采较厚的煤层以提高产量，但这也极大扰动了周围岩体。传统上，矿工会留下较厚的煤柱来保护邻近巷道，然而该煤柱会锁住有价值的煤炭并需要额外的掘进工作。所谓的边帮回采巷道留设技术提供了更聪明的选择：在塌陷的回采区（“矸巷”）旁保留一条巷道，用人工构筑的路边墙体代替煤柱。如果这条巷道能保持稳定，矿山可以回收更多煤炭、减少掘进成本并提升总体效率。

当岩体与墙体应对不了时

作者分析了仅依靠路边墙体时会出现的问题。在高大巷面中，上覆层在更大跨距上发生弯曲和破裂，产生强烈且变化的应力。狭窄的墙体必须承受大量荷载。如果墙体很强但过于刚硬，内部会积聚极端应力，导致开裂或劈裂；如果较弱，墙体会隆起并压缩巷道，挤迫顶板与侧帮。另一些情况下，强墙体与薄弱的顶板共同作用，会使巷道上方岩体发生剪切坠落，引发局部顶板垮塌。简言之，仅在矸帮旁修建墙体不足以应对厚煤层开采后剧烈的岩体运动。

切割顶板以驯服荷载

为解决该问题，研究者提出了“强化支护＋顶板切割卸压”的综合方案。思路是在巷道矸帮侧主动切割一条向斜的裂缝或缝隙，穿透巷道上方的坚硬岩层。该切缝削弱了巷道顶板与关键岩层之间的连接，引导上覆岩体向回采区方向破裂和坍落，而不是像巨大的刚性梁那样悬挂在巷道上方。同时，巷道本身通过密集的锚杆、钢索、液压支架及可承载且允许受控变形的混凝土路边墙进行加固。

用虚拟试验寻找最佳方案

研究组基于实际矿区（2507工作面）进行了三维数值模拟，改变了三个设计参数：顶板切割的高度、切割角度以及路边墙体的宽度。他们跟踪了所谓的偏应力（deviatoric stress）——一个反映岩体变形强度的综合量，以识别岩体最易失稳的位置。模拟结果表明，约15米的顶板切割高度，达到主层顶约70%的位置，能显著降低巷道周围的应力。15度的切割角度使煤体侧与路边墙之间的荷载分配较为均衡，促使岩体有序向矸帮方向塌落而非形成危险的悬挂大块。对于墙体，0.5–1.0米的宽度太弱，导致严重变形，而约1.5米的宽度在强度与适应性间取得了最佳平衡。

来自现场监测的验证

优化后的设计在矿山进行了试验。随工作面推进并在矸帮侧留下巷道，仪器监测了顶板位移、支护钢索中的受力以及混凝土墙体上的压力。切割侧的顶板下沉保持在约120毫米以下，钢索荷载和墙体压力先升高后趋于稳定并低于设计极限值。该表现表明顶板切割有效减小了直接由巷道承载的荷载，强化的支护体系在协同工作，而非被过载或发生突发性失效。

对更安全、更高效采矿的启示

对非专业读者而言，结论是：通过对巷道上方坚硬岩体进行有控制的“预劈裂”，并配以既有强度又具柔性的支护，可以在邻近大规模回采的情况下保持重要地下通道的可用性。通过合理选择切割高度、切割角度和墙体宽度，工程师能够引导岩体如何破裂以及荷载如何分担。在本案例中，15米高、15度角的顶板切割和约1.5米的路边墙构筑出了一条稳定且可重复利用的矸帮旁巷道，从而回收更多煤炭、减少新掘进并为深部作业的矿工提供更安全的工作环境。

引用: Weiyong, L., Shengjun, L., Yaohui, S. et al. Research on surrounding rock control technology of roof cutting and pressure relieving for roadside filling in gob-side entry retaining of large mining height panel. Sci Rep 16, 6698 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37916-x

关键词: 煤炭开采, 岩体支护, 顶板切割, 边帮回采巷道, 地下稳定性