厚硬顶板下超厚煤层综采采场的地面控制策略

为何驯服煤层上方岩体至关重要

深部煤矿面临的不仅是煤体的开采问题，还有位于煤层之上的岩顶。在一些中国矿井中，顶板岩体极厚且强度高，形成横跨在长巷道上的巨型悬板。当这些巨大岩板最终断裂时，会释放出类似爆炸规模的能量，破坏设备、压毁支护并威胁矿工安全。本研究探讨了为何这些失稳如此剧烈，并检验了一种提前温和削弱顶板的方法，使其以较小、较可控的步骤崩落，而非一次性灾难性坍塌。

采场前缘之上的隐患

研究者聚焦于新疆某矿区，该处超厚煤层上方覆有多层坚硬的砂岩和泥岩。随着综采设备前进，紧贴煤层的软顶板迅速塌落并填充空隙。但上部较厚且较坚硬的砂岩则像一座固体桥梁，随着下方煤体不断被切除而悬空。随着跨度增大，这座桥梁发生弯曲并储存大量应变能，类似于一个巨型石质弹簧。当跨距过大时，顶板会突然断裂，向周围岩体释放冲击波，导致巷道的底板和边墙发生剧烈变形。在所研究的巷道中，巷帮曾向内挤压超过一米，支护系统频繁受损。

测定岩体可释放的能量

为理解和控制这些剧烈事件，作者建立了将硬顶板视为弯曲岩梁的力学模型。基于材料力学和弹性力学原理，他们计算了顶板在首次重大断裂前及随采动过程中后续断裂时的力学行为。模型将总释放能量与若干关键因素联系起来：煤层厚度、硬顶板的厚度与强度、下覆较软即刻顶板的厚度以及覆盖岩体的荷载。计算结果表明：开采越深、硬顶板越厚越强、采煤厚度越大，储存的能量及失稳释放的剧烈程度越高。相反，较厚的即刻顶板会将断裂位置推远出工作面，并衰减传到巷道的应力波。关键的是，主顶板的首次大断裂释放的能量是后续周期的两倍以上，突出了其作为最危险阶段的地位。

有意削弱顶板

研究团队提出，不应被动等待硬顶板自行失稳，而应通过水力压裂以受控方式有意削弱顶板。

方法在矿井中的应用效果

该方法在新疆矿区的15,311南综采工作面得到应用，采用了具体的钻孔间距、深度与压裂区间布置。尾巷内的传感器监测工作面推进时巷道周围岩体的位移。水力压裂后，矸石侧煤柱向内移动约236毫米，完整煤侧约135毫米，而顶板与底板收敛约287毫米——这些变形仍在安全可控范围内。更重要的是，首次顶板强烈压顶事件发生前的推进距离由45米缩短至18米，后续压顶事件的典型间距相比未压裂时减少约35%。这些变化表明顶板在更早阶段、以更小的增量破裂，而不是发展成大型危险悬板。

将突发冲击转化为可控位移

通俗地说，研究表明，覆盖在煤层上的厚而硬的岩顶可像一座被加载的巨型弹簧，突然断裂会威胁矿工与设备。通过量化岩体能储存多少能量以及哪些因素控制该能量，工程师可以设计出逐步释放的策略。此处试验的定向水力压裂方法将一次性的大破裂转变为一系列更早、更小的塌落，缩小了危险的悬板并减轻了地压冲击。这使在厚顶硬覆盖下开采超厚煤层变得更安全、更高效，为类似深部矿井提供了可行的工程范例。

引用: Wang, R., Zhang, Wg., Wang, Hs. et al. Ground control strategies for longwall top-coal caving panel in extra-thick coal seams with thick-hard roof. Sci Rep 16, 13919 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44269-y

关键词: 综采采煤, 顶板断裂, 定向水力压裂, 岩爆控制, 煤矿安全