深部矿山次级采空区护帮保留巷道顶板稳定性的机制与工程实践

保持巷道通畅为何重要

深部地下煤矿依赖一张巷道网络运输人员、空气和设备。通常这些巷道中很多会被弃置，随着开采推进需要掘进新的巷道，这既昂贵又存在风险。本研究探讨了一种在超深矿井中安全重复利用现有巷道的更聪明办法，既能降低成本和减少掘挖量，又能在保护工人免受顶板坍塌和危险地层位移方面提供保障。

重复利用巷道而非弃置

当采出一个采煤工作面后，会留下一个空的、塌落的区域称为采空区（goaf）以及其旁边的一条巷道。传统做法往往在一次使用后弃置该巷道。作者关注一种较新的思路——次级采空区侧留巷道，即将同一条巷道作为下一个工作面的长期巷道再利用。关键步骤是在新采空区边缘构筑第二道由回填材料形成的人工墙，使巷道最终位于两道人工墙之间。这种布局便于在高瓦斯区域采用更灵活的“Y形”通风，并减少新巷道的掘进，从而降低成本和扰动。

巷道上方的大尺度围岩运动

在巷道上方更深处，厚层围岩像巨大的梁一样在采煤过程中弯曲、断裂并下沉。研究将此称为“大构造”，并指出它不会在一次采动后立即平息：顶板上方的关键岩体需经历三轮断裂和重组才能达到稳定。论文中所称的中央块体C是决定性的。如果该块体被周围围岩和回填体支撑，则传至巷道的荷载可控；但若该块体滑入采空区，则可能向巷道施加突发的大量压力，导致支护体系发生剧烈变形甚至失效。

保障人员安全的小尺度体系

更靠近巷道处，作者定义了由巷道上覆近地表顶板、两侧回填体、底板岩和内部钢筋与锚索支护构成的“小构造”。与远处岩层不同，该体系需承受位于采空区邻侧的高度不均匀荷载。团队提出“四位一体”的控制思路：回填体约束侧向并切断上覆岩体传力；锚杆与锚索将顶板层间缝合；底板加固抵抗隆起；内部拱架与支柱分担剩余力。如果任何一部分过弱——甚至在错误位置过强或过窄——随着荷载转移和集中，体系可能失效。作者推导出设计公式，以便选择回填宽度和强度，使两道回填墙能够共享荷载而非相继破坏。

从方程到实际深井工程

研究人员将力学模型转化为对一处深610米工作面的具体设计。基于测得的岩体参数和开采尺寸，他们计算出每道回填墙应有的宽度和强度，以及为降低应力需减小的巷道净宽和悬挑顶板。随后布设密集的锚杆与长锚索、钢拱架、底板治理和特制水泥基回填材料。在第一工作面和相邻第二工作面开采过程中，采用钻孔摄像、压力计和位移测量等手段监测顶板裂纹、回填体应力和巷道变形。测量结果表明，两道回填体分阶段承担上升的荷载并最终稳定，第二道回填承受的比重如预测般较高。巷道两侧与顶板的位移均控制在可接受范围内，但底板仍有隆起需处理。

对未来深部开采的启示

简而言之，研究表明在非常深的煤矿中，在理解上覆围岩行为并将支护体系作为协调整体设计的前提下，可以安全地重用位于两侧采空区之间的巷道。通过调整巷道宽度、回填体尺寸和顶板控制，采空侧煤体与两道人工墙能协同支撑上方围岩。这一方法节省掘进工作、维持长期巷道并减少开采与隧道工程间的冲突。作者指出，该方法仍较为复杂且未必是最省成本的方案，但它提供了一个经验证的框架，未来工作可在此基础上简化并将其改造以适应其他复杂地下条件。

引用: Wu, J., Chen, J. & Xie, F. Mechanism and engineering practice of roof stability for secondary gob-side entry retaining in deep mines. Sci Rep 16, 9518 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39802-y

关键词: 深部煤矿开采, 巷道稳定性, 围岩支护, 回填墙, 采空区侧留巷道