基于基础梁理论的邻近工作面覆土分层注浆采煤关键层与地表变形预测研究

地表在煤矿上方下沉的原因

在许多煤矿区，人们看到房屋墙体出现裂缝扩展、道路下陷成浅沟、小型桥梁出现扭曲等现象。这些变化通常由深处岩层在采煤后发生缓慢弯曲和破裂引起。本文研究了一种通过将岩体隐蔽空隙注浆填充来预测和控制地面下沉的方法，以便在继续采矿的同时减少地表破坏。

地下裂缝与地表损害

当煤层被开采时，上覆的坚硬岩体不再得到完整支撑。其中一些强劲层位称为关键层，它们像刚性梁一样承受着上方所有岩土的重量。随着煤体被移除，这些层发生弯曲甚至断裂，这种运动逐步传到地表。在夏店煤矿，这一过程已导致建筑墙体开裂、道路不平以及新的地裂缝风险。随着煤层开采深度和范围不断扩大，理解关键层的运动对于保护居民、道路和当地生态变得至关重要。

填充隐蔽空隙以支撑顶板

限制地表下沉的一种常用方法称为分层注浆。采掘形成空间后，上覆岩层之间常出现小空隙。工程人员自地表钻孔并向这些隐蔽空隙注入浆液。浆液固化后作为支撑柱，帮助承载荷载并防止岩层过度弯曲。研究聚焦于夏店矿一组采用此注浆措施的长条工作区（工作面）。文中详细考察了两个简单的控制变量：注入–产出比表示的注浆量，以及每个采煤工作面的开采宽度。

将岩层视为埋藏梁

为描述关键层如何弯曲，作者将其视为一根置于弹性基底上的弹性梁。在这一模型中，梁代表刚性岩层，而下方的松软层及注浆体则表现为弹簧床。研究团队采用一种称为初始参数法的数学简化，计算梁在若干区段（固体煤层、松散碎屑和紧密压实的岩石与注浆体）上的挠度。他们将此方法与数值模拟相结合，模拟采动过程中岩体破碎与沉降的行为。通过将解析得到的梁形状与数值结果匹配，团队能够估算各区段的实际刚度，并将该刚度与工作面宽度和注浆量等可控工程变量联系起来。

从地下弯曲到地表下沉

掌握关键层弯曲量只是部分内容。研究人员随后用一种基于概率的方法将地下运动的影响向上传播到地表，并采用“等效高度”方法将复杂曲线替换为简单的矩形块，以此把弯曲与地表形态联系起来。在单个工作面及相邻宽度不同的工作面中，他们推导出地表沉降槽如何增长、侧向移动及坡度变化。对3119工作面的实测监测数据检验表明，预测的最大地表沉降与观测值仅相差约6%，在现场条件下被认为是相当准确的。

找到矿山的安全操作窗

结果展示出矿山规划者可利用的明确趋势。增加注浆量通常能减小关键层及地表的下沉幅度，而扩大工作面宽度则会增加弯曲并加深沉降槽。当邻近工作面宽度不同时，沉降格局会变得不均匀，最大沉降点可能向敏感构筑物方向偏移。然而，通过选择合适的注入–产出比，这种不均匀性可以在很大程度上被平滑。在夏店案例中，对3119工作面约45%的注入–产出比使关键层弯曲近似对称，并导致中等程度的地表运动。

对矿区社区的意义

对于生活在煤矿上方的人们，这项研究提供了一种在开采过程中减少房屋和道路遭受严重损害风险的途径。通过把强劲岩层视为受支撑的梁并将模型直接与可控因素（如工作面宽度和注浆体积）关联，该方法使工程师能够提前数月预测地表何处以及下沉多少，然后在问题出现前调整采矿方案、加固高风险区域的建筑或改变注浆方案。尽管真实工况还受注浆压力和时机等细节影响，这项工作为更可预测、破坏更小的地下煤炭开采迈出了重要一步。

引用: Shibao, L., Yan, L., Huaidong, L. et al. Study on key strata and surface deformation prediction for overburden separation grouting mining in adjacent panel based on foundation beam theory. Sci Rep 16, 14926 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44188-y

关键词: 煤炭开采, 地面沉降, 注浆, 岩层, 地表变形