煤—岩复合顶板分层注浆加固技术：基于模型试验的处理体系

保障地下巷道安全

随着煤矿开采不断向深部推进，输送人员、风流与设备的巷道必须顶在一层层碎裂的围岩之下。当这些围岩顶板发生下沉或塌落时，会威胁到安全与生产。本文研究了一种分阶段“粘结”薄弱层的方法，通过分层处理使矿顶再次承担荷载并长期保持巷道畅通。

深部矿顶为何难以支撑

在本研究的中国矿区，巷道顶板并非单一整块岩体，而是由多层叠置组成：底部为软弱破裂的煤层，其上为较弱的泥岩，顶部是较强的砂岩。长期作用下和高应力下，下部岩层破碎，无法将上部荷载传递到坚固围岩。传统的锚杆、锚索等支护就只能在松散、崩塌的围岩中发挥作用，顶板仍出现下沉、开裂，甚至塌落块体进入巷道。

一种分层“注入与缝合”思路

研究人员提出了一种将顶板分为两层区段处理的分层注浆方法。首先，在浅层严重破碎的煤岩区布置短锚杆并在其周围注入流动性浆液。浆体硬化后将松散块体黏结成一条更强的带状体，作为巷道上方的初级承载梁。随后，长锚索伸入更深、更完整的砂岩中，并在那里注浆。这样，已增强的浅层带被牢固地“缝合”到上方的稳定围岩，形成叠加协同的结构，而非孤立的局部支护。

在缩尺模型中验证该方法

为了解该方案如何改变顶板行为，研究团队建立了一个按 50 倍缩尺缩小的物理模型。通过精心配比的砂、水泥和石膏来模拟各岩层强度，然后在模型中切出两条相同的巷道。一条采用原有支护方案，另一条增加了分层注浆。在受控加载下，摄像机跟踪顶板和侧壁位移，传感器测量应力，小型振动探测器记录模型受挤压时内部的微裂纹事件。

被加固顶板内部发生的变化

两条巷道的差异显著。在未加处理的情况下，大部分顶板位移发生在浅层，裂缝连接成带，巷道上方顶板破成块体。应力无序上移，并记录到多次较强的破裂事件。采用分层注浆后，模型中顶板沉降从约 8.5 个单位降至仅 2 个单位，裂缝保持分散和微细，而不是形成破碎带。应力分布更均匀，注浆加固的浅层能够与下部砂岩共同分担荷载，同时巷道底板和侧壁位移保持在可接受范围。

在工作矿巷中的现场验证

随后，团队在水连洞煤矿的一处实际巷道中应用了相同的支护理念。他们将原有支护区段与邻近实施分层注浆的区段进行对比。原有区段侧墙向内挤压超过 40 厘米，顶板与底板之间收敛超过 50 厘米，并曾报告顶板掉落与锚杆断裂。在注浆区段，侧墙位移约减半，顶底闭合降至约 12 厘米。被支护的顶板保持完整，锚杆与锚索继续发挥作用，日常维护工作量明显减轻。

对更安全采矿的意义

对非专业读者而言，关键结论是：研究表明通过有针对性、分层注入硬化材料，可以将巷道上方一堆正在崩解的岩层改造为一组协同工作的梁。该方法不是单纯增加更多钢性支护，而是修复薄弱层向强层传递荷载的路径。在本案例中，它显著减少了顶板下沉、开裂与地下变形，使深部煤巷更加安全、维护成本更低，并为在碎裂混合围岩中稳定其他隧道提供了实用参考。

引用: Liao, Z., Li, P., Zhao, X. et al. Layered grouting reinforcement technology for coal–rock composite roof: A treatment system based on model experiments. Sci Rep 16, 15002 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46016-9

关键词: 煤矿巷道, 顶板加固, 注浆, 地下稳定性, 岩石力学