厚熔岩层覆盖工作面下瓦斯突出事故的分析与控制

地下隐蔽岩层为何重要

在深部地下，煤矿工作者并不仅是在切割煤层；他们是在巨大的古老岩层下作业，这些岩层可以储存巨大的应力、气体和水。在中国淮北矿区，厚厚的固化熔岩层像一座巨石拱桥一样位于煤层之上。当采矿扰动到这堆脆弱的层序时，被封闭的气体和水可能会突然涌出，破坏设备并危及生命。本文研究这些巨厚岩层的力学行为，并展示通过工程手段如何驯服现代煤矿中最危险的组合之一：深部采煤、高瓦斯和刚性顶板。

深部地下危险的地质背景

研究者把注意力集中在淮北区104采区的10414工作面，该处煤层埋深超过600米。煤层上方有两层厚实的熔岩—已固化的熔融岩体—形成了刚性的顶板。该区的开采已出现令人担忧的记录：反复发生的极端顶板压力、液压支架受损，以及一次来自地面抽采孔的剧烈喷出，释放了超过16万立方米的瓦斯和数千立方米的水。这些事件表明，覆盖的熔岩并非被动的天花板，而是在集中过应力、驱动瓦斯和涌水方面起关键作用的主体。

识别控制运动的关键岩层

为弄清上覆岩层序中哪些部分真正主导了采动行为，作者首先分析了详细的地质资料。利用力学公式，他们识别出像建筑主梁一样的“关键层”：当这些层发生弯曲或破坏时，上下各层会产生响应。他们在10号煤层上方发现了三处此类关键层：靠近煤层的两层较薄的砂岩和粉砂岩，以及一层位于近90米上方的非常厚的熔岩层。计算显示，下部关键层决定了直接顶板的塌落与破裂模式，而这厚厚的熔岩则控制了从采区一直到地表的整体运动。该熔岩板的任何显著位移都会强烈影响矿压和地表稳定性。

缩尺实验与数值模拟

研究组随后用砂、粉料和胶结剂构建了一个大型物理模型，使强度和重力按比例缩放以反映真实矿山。他们将煤层与熔岩涂以对比色，分步开挖模型，并用高分辨率相机与埋入的压力传感器记录上覆层的位移。随着模型采面的推进，下部关键层分阶段破裂，形成“阶梯状”的塌落结构，并在已塌落的顶板与尚完好的熔岩之间产生越来越大的空腔。只有当采进到一定程度时，厚重的熔岩板才作为整体开始下垂，导致其影响扩展到模型顶端——这与真实矿山中该运动可影响地表的情形相一致。

应力、瓦斯与涌水如何走向灾害

模型中的应力测量显示，随着采进接近熔岩开始弯曲的临界点，煤层与顶板内的压力逐步上升。在弯曲发生之前，煤层应力达到了远高于无厚熔岩顶板情况的峰值。当熔岩板下沉后，煤层应力虽有所下降但仍处于高位。多工作面数值模拟也证实了这一模式：在熔岩覆盖情况下，煤层的垂直峰值应力比软质覆岩提高了20%以上，应力在废弃采空区周围堆积。论文的概念性分析将这种高应力环境与瓦斯和涌水行为联系起来：熔岩下方的裂隙形成了较大的空洞，释放的瓦斯和地层水可在其中聚集。当刚性岩板突然沉降时，它会挤压这些被困流体，将其推向任何连通的钻孔，从而驱动剧烈的喷出事件。

抑制岩体与流体的工程措施

由于厚熔岩位于煤层上方很远，事先通过爆破或水力压裂直接破碎它既困难又不可靠。作者提出改控能让其弯曲的空间的思路。方案分两部分。其一，在采后通过深孔向熔岩层下的分离空隙注入浆体，有效填充本会使岩板下沉并压缩瓦斯与水的空隙。其二，对于将来的采区，建议采用泥浆回填采矿方法，将尾矿、粉煤灰、水泥和水泵入采空区，形成坚固的人造支柱。此法既能支护顶板，又能更平缓地传递应力，降低煤层突发或流体喷出事件的概率。

对更安全煤矿的启示

简言之，论文表明位于煤层之上的厚而刚性的熔岩层像一根巨大的刚性梁，既储存并聚焦应力，又有助于形成隐蔽的瓦斯与蓄水空洞。当这根梁最终发生位移时，储存的能量与被困流体可能以危险的突发形式释放。通过结合缩尺实验、数值模拟与现场数据，作者证明了识别这些关键层并有意识地填充其下空隙，可以将不稳定的地下体系转变为更可控的系统。对于全球那些煤层位于类似熔岩顶板之下的采区，这些发现指明了可行的步骤以减少灾难性瓦斯喷出，保障深部采煤更安全、更高效。

引用: Ma, S., Su, Y., Wang, X. et al. Analysis and control of gas blowout accidents in working faces beneath thick magmatic rock. Sci Rep 16, 10198 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39745-4

关键词: 煤矿安全, 瓦斯突出, 熔岩顶板, 岩体应力, 回填注浆