厚煤层顶煤巷道高危区承载构造重建与支护控制一体化技术研究

为何更安全的煤巷至关重要

在厚煤层深处，工人通过长距离地下巷道通行并运输煤炭。在某些路段，巷道出现顶板下沉、边帮崩塌和突发煤岩落体，既危及矿工安全又影响生产。该研究考察了为何某些高危区问题尤为严重，并验证了一种增强围岩的方法，以期使巷道随时间保持更安全、更稳定。

问题从何而起

研究聚焦于中国某矿井的一条穿越厚煤层的大型巷道。此处巷道穿行的是煤体而非坚硬岩石，巷道上方和两侧的煤体弱碎。地质断层及上覆岩层巨大的荷载使巷道周围应力集中，导致顶板离层、顶板落石、侧帮凸出并需频繁维修。以往的支护措施，如简单灌浆与套管棚常常失败，因为浆液难以渗入致密或裂隙受限的煤体，无法形成强有力的整体支承体。

巷道如何移动与变形

为了理解这种行为，团队结合了现场测量、室内试验和力学建模。他们将巷道上方的煤体视作受载梁，证明随着巷宽增大和煤体变弱，顶板下沉会迅速加剧。他们还发现顶板与侧帮并非孤立变形：当侧帮煤体软化并向内推挤时，等于增大了开口宽度，进而加剧顶板下沉；反过来，顶板额外的移动又进一步挤压侧帮。这种顶部与侧部联动的变形机制解释了为何在厚煤层中局部、分段的支护常常失效。

数值巷道的模拟试验

研究者利用三维数值模拟，改变了两个关键因素：巷道上方残留煤层的厚度和该煤层的强度。上覆煤层变厚会增加顶板下沉但减小底板隆起，而侧帮位移变化不大；提高上覆煤体强度则能显著减少顶板下沉和侧帮向内的移动，即便总体应力分布的变化很小。计算显示，裂隙与塑性区域首先在顶板附近形成并向下扩展，侧帮附近出现典型的“蝴蝶形”破坏区，强调需要加固较宽的区域而非仅仅加固薄壳。

一种新的薄弱区加固方法

在此认识的指导下，作者设计了一种先注浆套管与锚杆锚索相结合的支护体系。在进入高危区前，施工队在巷道前方钻入成排钢管并注入快硬型浆液。浆液在管内及周围迅速固结，缝合裂隙，使破碎煤体成为更为整体的块体。随着掘进推进，锚杆与锚索将加固后的顶板与侧帮连结成一个整体承载框架。不同布置的数值模型表明，中等间距的管柱布局在降低变形方面几乎能达到致密布局的效果，但成本更低。

来自生产现场的验证

随后，团队在实际巷道中实施了该方案，并监测顶板下沉、边帮收敛、底板隆起、层间离层以及锚杆锚索内力。掘进与新支护完成后，顶板下沉保持在约110 mm，边帮位移约80 mm，底板隆起极小。顶板上方的层间离层远低于预警值，锚杆锚索内力趋于稳定，且低于旧设计。由于浆液在数分钟内即可获得强度，施工队能在保证安全距离的同时实现比以往更快的推进速度。

对矿工意味着什么

简而言之，研究表明通过使巷道周围的薄弱煤体成为一个整体、紧密连接的拱顶与侧帮结构，可以大幅减少危险的顶板落石和坍塌。通过事先用注浆套管加固煤体，再用锚杆锚索将顶板与侧帮相连接，巷道能以更小的变形和更低的支护力承载上部重荷。作者认为，这一一体化方法为类似地质条件下的厚煤层掘进提供了切实可行的安全高效指导，能降低事故风险并减少维护工作量。

引用: Xiaokang, S., Bacha, S., Heng, Z. et al. Research on the integrated technology of bearing structure reconstruction and support control in high risk area of top coal roadway in thick coal seam. Sci Rep 16, 14822 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44215-y

关键词: 煤巷稳定性, 顶板支护, 灌浆加固, 锚杆与锚索, 地下采矿安全