在超厚煤层驱巷前对厚硬顶板进行钻孔预裂的合理角度与技术应用

让深部采煤更安全

在中国一些大型煤矿中，采空区旁必须保持与巨大的采空空间紧邻的地下通道畅通。这些通道称为采空区边巷，对通风和运输必不可少。但当非常厚且坚硬的顶板悬垂在这些开口上方时，可能会突然断裂坠落，压坏支架并变形巷道。本文研究了一种提前削弱该硬顶的方法，结合合理的钻进角度与基于二氧化碳的裂解技术，使岩体在远离巷道处受控破裂，而不是在其上方发生剧烈坍塌。

为何厚顶板是潜在隐患

在厚度超过20米的超厚煤层开采中，会留下较大的空腔。其上方常有一层薄弱碎层位于一段更厚、更坚硬的顶板之下。由于采空区（采穹）内的崩落碎块并未完全回填，厚顶板可能形成一个向外延伸的刚性悬垂体，深入留作支护的煤体。当该悬挂板最终破裂并旋转时，会把额外荷载瞬间施加到巷道的墙体和底板上，弯曲钢梁、折断锚索、挤压煤柱，有时几乎使巷道闭合。在马道头矿的野外观测中，当未进行预先顶板处理时，记录到了极端的顶板下沉、墙体剥落和底板隆起现象。

把破坏控制在最不危险的地方

作者提出将被动应对转为主动出击：在驱巷前有意对厚硬顶板进行预裂。通过从相邻巷道按选定角度钻长孔并沿孔道诱发裂缝，可促使关键岩块破裂并塌落到已采出的空间中，而不是在新巷道正上方倒塌。采用将覆岩视为梁叠结构的力学模型，研究表明预裂的角度决定了顶板破裂的位置、弯曲形态及侧向力如何传递到煤体。当裂缝方向把岩块引导向采空区时，巷道受到的主要荷载来自更远处较柔和弯曲的岩体，而不是头顶的刚性悬臂。

寻找最佳钻进角度

为将概念转为设计准则，研究团队建立了详尽的数学模型，描述不同裂缝角度下顶板分块的弯曲与对煤壁的推压。随后采用数值模拟（FLAC3D）考察随着钻进角度从无裂（0°）到60°、70°、80°、90°及略超90°时，巷道周围应力与破坏带的变化。考察了两个关键指标：煤体与顶板中的塑性（永久变形）区尺寸，以及表征储存变形能的J2值，后者反映了等待释放的“弹簧能”。随着预裂角从60°增至90°，煤壁的侧向峰值压力下降了约18%，塑性破坏区从约32米缩小到20米，煤体与顶板的J2值明显下降。然而，当角度超过90°时，破碎的块体又趋向直接向巷道施加更大推力，扩大破坏区并严重挤压煤体，致使其无法安全承载。

用超临界二氧化碳裂解顶板

基于这些计算，研究人员选择了能够到达关键顶层（距煤层约45米）的预裂高度，并将近垂直90°钻进角度确定为最佳。在马道头矿2209巷，他们在靠近采空区的一侧布置了成组深孔，并采用超临界二氧化碳诱发顶板裂缝。CO2以致密流体形式装入密封筒中；触发时迅速膨胀为气体，以比炸药更低冲击、更可控的方式撬开岩石裂缝。对钻孔的现场检查和注水试验证实孔间裂缝连通良好，在巷道上方形成了连续的削弱带，促使顶板块随着采面推进向采空区破落。

从剧烈坍塌到受控下沉

将两条其他条件相近的巷道——一条未预裂、一条采用CO2预裂——进行对比，差异明显。未预裂时，开挖过程中顶板下沉接近半米，采掘时超过一米；墙体与底板也发生数百毫米的位移，需反复修复。采用90°预裂后，开挖期间顶板位移降至仅几厘米，采掘期间顶板、煤柱、实煤和底板的变形减少了75%–82%。巷壁保持相对平整，顶板整体性良好，支护失效少见。对非专业读者的结论很直观：通过选定合适的钻进角度并提前对硬顶进行预裂，工程师可以“指挥”岩体在哪里破裂——在巷道远侧而非正上方——将危险的突发坍塌转变为更安全、可控的地面下沉。

引用: He, F., Wu, Y., Wang, D. et al. Reasonable drilling angle and technology application for pre-cracking thick-hard roofs before driving gob-side roadways in ultra-thick seams. Sci Rep 16, 9354 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40014-7

关键词: 煤矿巷道稳定性, 顶板预裂, 采空区边巷, CO2 介质裂岩, 超厚煤层