近距离煤层组下层巷道围岩失稳机理与强支护—强释压协同控制

为什么更安全的煤巷很重要

在地下深处，矿工依靠狭窄的巷道到达煤层。当围岩突然位移或破裂时，会引发危险的岩爆、塌方和停产。本研究关注中国某矿井的一个复杂情形：两层煤层相距较近，下层巷道位于上层采空区和残留煤块之下。作者解释了为何巷道的一侧更容易失稳，并检验了一种既加固巷道围岩又温和释放周围应力的组合治理方法。

来自既有采掘的隐性应力

在焦坪采区，上覆的一层煤已被开采，留下了采空区（回采棚）和承担顶板的刚性煤柱。现在正在下方开采第二层较深的煤。覆盖岩体与刚性煤柱对下层巷道的作用不是均匀的，导致应力在煤柱下方集中，而另一侧处于部分松弛的区带。渗入采空区的水也会软化煤与围岩，随着时间推移增加巷道底板和边帮失稳的风险。计算与地质测量表明，上覆采层的破坏向下延伸约10~15米，这足以影响下层巷道的选位和布置。

选择更优的巷道走向

研究组运用岩体力学理论估算了上覆采层与残留煤柱对下覆地层地面下破坏的深度，并比较了下层巷道相对于既有工作面的不同布置。如果下层巷道与煤柱下方高应力区重合，就会承受强烈且不均匀的荷载；若向外偏移仍可能落入该区。最有利的方案是向内错开，靠近先前采空区，即布置在已部分释压的区带内。这种内向错位布局避开了最重载的岩体，减少了巷道双侧不对称变形的自然趋势。

强支护与释压并用

可靠的巷道支护仍是基础。矿方采用了“强支护”方案——密集的钢筋锚固、钢带、钢丝网与锚索等，将破碎岩体夹束在一起，使开挖浅层围岩形成整体承载外壳。为进一步降低深部应力，研究者增设了“强释压”措施：从巷道钻出长而倾斜的钻孔，进入上部煤与围岩，注入高压水裂缝并受控延伸。通过分析流体压力与原始应力场的相互作用，选择合适的钻孔倾角，使裂缝能在较低注水压力下起裂并扩展，从而为应力与能量重新分布开辟通道，减轻巷道周围的集中应力。

监测围岩的响应

团队采用数值模拟与地下现场监测，观察围岩在慢速荷载与突发冲击（模拟小震事件）下的响应。在静载条件下，加固后的巷道变形很小，位移远低于安全限值，但煤柱一侧的应力与锚杆力明显偏高。加入冲击荷载的模型显示两种破坏模式：当冲击主要作用于顶板上方时，易在顶板中部产生拉裂；当冲击发生在顶帮拐角处时，会导致边帮强烈横向挤压和整体顶板下沉，属于更严重的破坏形式。水力压裂后，电法勘测出现宽广的低电阻带，表明水充裂缝已形成，围岩被削弱且应力已被转移。现场计测表明锚杆与锚索的受力在安全范围内，“松动”区虽然有扩展，但仍在支护体系的控制之下。

对矿山安全的意义

对该矿的研究表明，残留煤柱导致的受力不均是下层巷道一侧更易失稳的主要原因。通过将巷道布置在已释压区、牢固锚固邻近岩体，以及采用有针对性的水力压裂释放深部应力，工程上可以在围岩遭遇小规模冲击时仍将变形控制在安全范围内。作者认为，经严格监测支持的“强支护+强释压”组合策略，为其他存在叠层煤层与复杂应力条件的矿井提供了一条切实可行的更安全、更高效的开采路径。

引用: Yu, S., Suo, Y., Cai, C. et al. Failure mechanism of surrounding rock and synergistic control of strong support-strong pressure relief for lower-seam roadways in close-distance coal seam groups. Sci Rep 16, 15843 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46700-w

关键词: 煤矿开采, 巷道稳定, 岩爆, 水力压裂, 数值模拟