在超厚煤层中，具有坚硬顶板的采矿巷道变形的机制与控制

《Frontiers in Materials》：Mechanism and control of deformation in mining roadways with hard roofs in extra-thick coal seams

针对大同矿区Tashan煤矿硬顶板特厚煤层开采巷道严重变形问题，通过现场调查、理论分析及数值模拟（FLAC3D、UDEC），优化顶板切割高度（36 m）与角度（11°），并采用空心锚索注浆支护技术，确定最佳参数为锚索长5.5 m、间距2个/排、注浆压力3 MPa。工业试验证实该技术有效控制巷道围岩变形，确保安全开采。

　　在Tashan煤矿的Datong矿区，厚煤层（3-5号煤层）的开采过程中，巷道围岩变形问题日益突出，尤其是在硬顶板条件下，这种变形不仅影响巷道的稳定性，还对矿井的安全生产构成威胁。针对这一问题，研究团队采用了一种系统性的方法，结合现场调查、理论分析、数值模拟和工程实践，深入探讨了厚煤层巷道围岩变形的机制，并提出了相应的控制技术，以确保巷道的长期稳定。

### 一、研究背景与问题分析

Tashan煤矿的3-5号煤层厚度范围从7.24米到21.55米，平均厚度约为14.39米，属于超厚煤层的典型代表。这种煤层的开采通常伴随着强烈的地压作用，尤其是在硬顶板条件下，顶板的悬顶现象尤为显著，导致巷道围岩变形加剧。随着矿井开采深度的增加，巷道围岩的应力集中现象更为严重，进而引发顶板下沉、侧壁鼓出等问题，严重影响巷道的结构稳定性和安全作业条件。

此外，厚煤层开采过程中，相邻工作面的采动对巷道围岩的影响不可忽视。当工作面开采完成，其形成的采空区会对其周边巷道产生应力传递效应，导致巷道结构受到破坏。特别是在工作面推进过程中，由于地质条件复杂、顶板岩性坚硬，顶板难以及时垮落，从而形成悬顶区域，加剧巷道围岩的变形和破坏。因此，如何有效控制巷道围岩变形，成为厚煤层开采中的关键问题。

### 二、技术研究与方法论

为解决这一问题，研究团队采取了多学科交叉的方法，从现场调查入手，通过岩体力学测试和钻孔图像分析，获取了巷道围岩的物理力学参数和节理特征。随后，利用FLAC3D数值模拟软件，对不同开采阶段巷道围岩的变形行为进行了系统分析。基于实际开采条件，研究团队构建了一个三维模型，模拟了巷道在不同开采阶段下的应力分布与位移变化。通过这一模拟，可以直观地观察巷道围岩的变形趋势，并为后续的控制技术提供理论依据。

在实际开采过程中，5,230辅助运输巷道的开掘分为四个阶段：首先是在未受开采影响的厚煤层区域进行开掘；其次是在相邻工作面8,228的开采过程中受到其应力扰动；第三是在采空区边缘区域进行巷道开掘；最后是在工作面8,230的开采过程中再次受到扰动。这一系列阶段的分析揭示了巷道围岩在不同阶段下的变形特征，尤其是顶板和侧壁的位移变化。

为了进一步探讨硬顶板的垮落机制，研究团队还建立了节煤柱的力学模型，并结合FLAC3D模拟分析了顶板垮落对巷道围岩的减压作用。通过这一模型，可以评估顶板垮落对巷道围岩的影响，并据此优化顶板切割参数，以实现有效的压力释放。此外，团队还采用UDEC数值模拟对关键参数进行了优化，最终确定了最优的顶板切割高度为36米，切割角度为11度。

### 三、巷道变形特征与压力释放机制

在实际的巷道变形中，顶板和侧壁的位移变化尤为显著。通过对巷道顶板、底板和两侧的位移数据进行分析，研究团队发现，巷道在开掘初期的变形较小，但在相邻工作面的开采过程中，尤其是在8,230工作面的开采阶段，巷道围岩的变形达到峰值。这表明，工作面的开采活动对巷道围岩的影响是动态的，并且随着开采周期的延长，巷道的变形呈现出累积趋势。

通过钻孔图像分析和现场监测，研究团队发现，巷道侧壁的变形尤为严重，尤其是在采空区边缘区域。这主要是由于硬顶板的应力集中作用，导致巷道侧壁承受较大的侧向压力。同时，巷道顶板的变形也呈现出明显的不对称性，尤其是在采空区与未采区交界处，顶板的沉降量显著增加。这种变形模式为巷道的结构设计和支护方案提供了重要的参考依据。

此外，研究团队还分析了顶板切割对巷道围岩压力释放的影响。在顶板切割后，硬顶板的完整性被破坏，其承载能力显著下降。同时，切割区域上方的岩层也会发生破碎，从而降低其强度。这种变化使得顶板能够沿着切割线滑落至采空区，进而减轻对巷道围岩的压力。这一机制表明，顶板切割不仅能够减少采空区上方的应力集中，还能有效降低巷道围岩的变形程度。

### 四、巷道支护技术与参数优化

为了进一步提高巷道围岩的稳定性，研究团队提出了“空心注浆锚杆”支护技术，作为顶板切割和压力释放的补充手段。该技术通过在巷道围岩中注入浆液，增强其整体性，提高其抗变形能力。同时，通过优化锚杆的长度、间距和注浆压力，进一步提高了支护效果。

在实际应用中，研究团队发现，当注浆压力为3 MPa时，巷道围岩的变形控制效果最佳。这表明，适当的注浆压力可以有效增强围岩的强度，提高其稳定性。同时，锚杆的间距也对支护效果产生了显著影响。当锚杆间距为2米时，其支护效果最优，能够有效控制巷道围岩的变形。

锚杆的长度同样对支护效果起到了关键作用。研究团队通过模拟不同长度的锚杆对巷道围岩的影响，发现当锚杆长度为5.5米时，其支护效果最佳。这表明，锚杆的长度需要根据巷道的地质条件进行优化，以确保其能够有效增强围岩的稳定性。

### 五、现场试验与实际应用

为了验证上述技术方案的有效性，研究团队在Tashan煤矿的5,230辅助运输巷道进行了现场试验。通过布置监测点，对巷道围岩的变形和支护结构的应力状态进行了实时监测。试验结果表明，该支护方案能够有效控制巷道围岩的变形，确保巷道的长期稳定。

在实际应用中，监测数据显示，当工作面推进至距离监测点小于20米时，巷道围岩的变形迅速增加，尤其是顶板和侧壁的变形量较大。这表明，支护结构在工作面推进过程中需要持续调整，以适应围岩的变形情况。同时，监测还发现，当工作面推进至距离监测点超过60米时，巷道围岩的变形逐渐趋于稳定，表明支护结构在工作面远离区域的变形控制效果较好。

### 六、研究意义与应用前景

本研究的成果不仅为Tashan煤矿的厚煤层开采提供了重要的技术支持，也为类似地质条件下的矿井开采提供了理论依据和实践指导。通过综合运用顶板切割、压力释放和空心注浆锚杆支护技术，可以有效控制巷道围岩的变形，提高巷道的稳定性，从而保障矿井的安全生产。

此外，研究还发现，不同地质条件下的巷道围岩变形机制存在差异，因此需要根据具体情况进行参数优化。例如，在硬顶板条件下，顶板切割的高度和角度对压力释放效果具有显著影响。而在软岩条件下，支护结构的强度和稳定性则需要更高的注浆压力和更密集的锚杆布置。

综上所述，本研究通过系统的理论分析和数值模拟，提出了针对厚煤层硬顶板条件下巷道围岩变形控制的有效技术方案。这一方案不仅能够提高巷道的稳定性，还能为矿井的安全生产提供保障。未来，随着矿井开采技术的不断进步，类似的技术方案将在更多矿井中得到应用，为厚煤层开采提供更加科学的解决方案。