充填开采无煤柱自成巷与高水材料旁后支护工程指南

适用读者： 煤矿矿长、总工程师、生产副总、开掘科长、充填车间主任、综采队长、地测副总

作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司｜中国矿业大学科研团队技术支持

一、传统留设区段煤柱开采弊端与无煤柱充填自成巷技术革新

长期以来，我国煤矿多采用留设 $15\text{ m} \sim 35\text{ m}$ 区段煤柱的双巷布置模式。这种传统开采方式存在四大难以克服的重大工程隐患：

资源采出率极低：区段煤柱永久滞留井下，造成数千万吨优质煤炭资源白白损失，采区采出率通常仅为 $60\% \sim 70\%$；
应力集中诱发严重动载灾害：煤柱上方承受数倍原岩应力集中，极易在深部开采中诱发恶性片帮、底鼓甚至特大冲击地压事故；
巷道重复掘进工程量大：每个工作面均需重新掘进回风顺槽和运输顺槽，掘进接续极度紧张；
采空区漏风与自燃隐患：煤柱受压破碎后形成漏风微裂隙通道，极易诱发采空区遗煤浮煤大面积自燃火灾。

【传统煤柱留设模式】
[工作面 A 采空区] ───► [15~35m 孤立煤柱 (应力集中区, 冲击地压源)] ───► [工作面 B 顺槽]

【无煤柱充填自成巷创新模式 (110工法 + 高水充填)】
[工作面 A 采空区 (自然垮落或充填)]
         ║
         ▼ [定向双向聚能切缝线 (主动切断悬臂梁应力传递)]
[高水速凝材料巷旁高阻密闭墙 (隔绝漏风 + 承受早期顶板载荷)]
         ║
         ▼ [恒阻大变形锚索悬吊固结]
[原工作面顺槽 自动保留为 下一工作面回风顺槽 (零煤柱开采, 100% 回收)]

煤矿无煤柱自成巷切顶卸压与高水材料巷旁支护力学平衡原理 — 图1：定向切顶卸压短臂梁力学平衡演化、高水材料高阻巷旁充填墙与恒阻锚索支护体系

二、切顶卸压短臂梁力学平衡模型与切顶参数设计

2.1 切顶短臂梁力学平衡方程

通过定向爆破切缝后，采空区侧坚硬顶板沿预裂面定向垮落，改变了传统长悬臂梁结构，在留巷上方形成了自承载的“切顶短臂梁”力学结构。

根据力矩平衡与弹性地基梁理论，切顶后巷旁充填墙承受的极限支承压力 $P_w$ 满足：

$$P_w = \frac{q L_0^2 + 2 M_{max} - 2 T_r h_c}{2 (b_w + x_0)}$$

其中 $q$ 为上覆未垮落岩层均布载荷，$L_0$ 为短臂梁悬臂断裂跨距，$M_{max}$ 为断裂极限弯矩，$T_r$ 为切顶缝面摩擦抗剪力，$h_c$ 为有效切顶高度，$b_w$ 为巷旁充填墙宽度，$x_0$ 为实体煤帮应力极限平衡区宽度。

通过定向预裂，采空区侧上覆岩层重力转化为垮落矸石自重并迅速压实充填采空区，充填墙所受侧向支承应力较未切顶状态降低 $60\% \sim 75\%$。

2.2 定向聚能切缝关键参数精确计算

切顶设计的核心在于精准控制切顶高度 $H_c$、切顶角度 $\theta$ 与 钻孔间距 $L_d$。

#### 1. 切顶高度计算公式：

$$H_c = \frac{M - \Delta h_1 - \Delta h_2}{K_p - 1}$$

式中：

$M$：煤层开采厚度（$\text{m}$）；
$\Delta h_1$：采空区顶板在未垮落前的初始下沉量（$\text{m}$）；
$\Delta h_2$：采空区底板膨胀底鼓量（$\text{m}$）；
$K_p$：垮落矸石的初始碎胀系数（通常取 $1.25 \sim 1.45$）。

#### 2. 切顶角度 $\theta$：

为保证采空区垮落岩石顺畅滑落且不挤压留巷帮部，切顶孔轴线与垂直铅垂方向应向采空区侧偏斜 $\theta = 15^\circ \sim 25^\circ$。

#### 切顶卸压爆破设计参数对照表

切缝参数项	设计标准要求	极硬厚砂岩顶板调整	中硬砂泥岩顶板取值
钻孔直径 $\Phi$	$\Phi 48\text{ mm} \sim \Phi 56\text{ mm}$	推荐 $\Phi 56\text{ mm}$ 钻孔	$\Phi 48\text{ mm}$ 钻孔
聚能管规格	双向聚能专用爆破管（长 $1.5\text{ m}$）	高强度改性聚氯乙烯聚能管	标准双聚能管
装药结构	3-2-2-1 轴向空气间隔装药	增加孔底加强药卷（3-3-2-1）	3-2-1-1 正向连续装药
封孔长度	孔口坚固黄泥+封孔器封堵 $\ge 2.0\text{ m}$	封孔深度 $\ge 2.5\text{ m}$，严禁冲炮	封孔深度 $\ge 2.0\text{ m}$
钻孔间距 $L_d$	$400\text{ mm} \sim 600\text{ mm}$	$400\text{ mm}$（确保裂隙 $100\%$ 贯通）	$500\text{ mm} \sim 600\text{ mm}$

三、高水速凝充填材料早强阻抗机理与旁后密闭充填墙构筑工艺

无煤柱自成巷成功与否，关键在于采空区侧巷旁支护挡墙能否在顶板剧烈下沉期（工作面后方 $10 \sim 50\text{ m}$ 动压区）提供足够高的“早期阻抗”与“可缩变形能力”，并阻断采空区有毒有害气体与漏风。

井下高水充填双液大流量搅拌注浆泵与充填模板系统 — 图2：井下高水速凝充填双液专用注浆泵站、快速拼装可缩金属模板与高强充填密闭袋

3.1 高水速凝材料水化强化微观机理

高水速凝材料由甲料（硫铝酸盐水泥熟料、缓凝剂、分散剂）与乙料（石膏、生石灰、早强促凝剂）按等体积混合组成。在水灰比高达 $1.5:1 \sim 2.5:1$ 时，两种单液浆在混合器内汇合后，瞬间发生强烈水化反应生成大量的针棒状钙矾石（Ettringite, $3\text{CaO}\cdot\text{Al}_2\text{O}_3\cdot 3\text{CaSO}_4\cdot 32\text{H}_2\text{O}$）晶体。

晶体迅速交织成三维网状骨架，将大量游离水包裹在晶格中，具有以下独特的力学性能：

凝固时间极快可控：初凝时间 $5 \sim 20\text{ min}$ 任意可调，终凝时间 $< 30\text{ min}$；
早期强度极高：2h 强度可达 $1.5 \sim 2.5\text{ MPa}$，24h 强度 $> 8.0\text{ MPa}$，能瞬间接顶承载；
体积微膨胀不收缩：膨胀率 $0.5\% \sim 1.2\%$，确保密闭挡墙与巷道顶板 $100\%$ 严密贴合，杜绝离层。

【甲料浆液 (大水灰比悬浮液)】 ──┐
                              ├─► [管式静态双液混合器 (混合时间 < 3s)]
【乙料浆液 (活化激发体系)】   ──┘
                                        │
                                        ▼ (泵入巷旁柔性充填袋或拼装模板)
                             [针棒状钙矾石晶体爆发式生长]
                                        │
                                        ▼
                             [2h 快速硬化接顶 (强度 > 2.0MPa)]
                                        │
                                        ▼
                             [28d 稳定高强高阻承载体 (强度 > 18.0MPa)]

#### 高水充填材料水灰比与力学性能对账表

水灰比 (水:固重比)	初凝时间 (min)	2h 抗压强度 (MPa)	24h 抗压强度 (MPa)	28d 极限抗压强度 (MPa)	推荐适用场景
$1.0:1$ (特高强型)	$6 \sim 10$	$3.8$	$12.5$	$26.8$	深部特高地应力、顶板极软破碎带
$1.5:1$ (标准高强型)	$10 \sim 15$	$2.4$	$8.6$	$18.5$	中硬坚硬顶板常规综采留巷主选
$2.0:1$ (经济适用型)	$15 \sim 20$	$1.6$	$5.4$	$12.2$	薄及中厚煤层、动压影响平缓工作面
$2.5:1$ (封堵隔气型)	$20 \sim 30$	$1.1$	$3.8$	$8.5$	采空区后部永久防灭火隔绝密闭墙

3.2 巷旁密闭充填挡墙抗暴抗压结构设计

充填墙宽度设计依据极限承载力与防瓦斯漏风标准确定，一般为采高的 $0.8 \sim 1.2$ 倍（常用宽度 $1.5\text{ m} \sim 2.5\text{ m}$）。挡墙外侧采用“可缩工字钢支柱 + 双层钢筋网 + 防撕裂高强土工充填袋”组合包覆，兼具高刚度与延性变形能力，即使在回采动压剧烈压屈阶段也不会发生整体碎裂失稳。

四、高预应力恒阻大变形锚索全断面补强支护体系

在留巷顶板剧烈沉降运动过程中，传统钢绞线锚索（极限延伸率仅 $3\% \sim 5\%$）常因无法承受大变形而发生大面积破断失效。

煤矿无煤柱自成巷高水充填挡墙与恒阻大变形锚索留巷现场 — 图3：沿空留巷高水速凝材料承载挡墙成型、高预应力恒阻大变形锚索群全断面支护现场

4.1 恒阻大变形锚索（NPR 锚索）力学特性

恒阻大变形锚索内置特殊的滑动恒阻套管套件，其力学响应特征为：

高初始预紧力：初始施加预紧力 $\ge 250\text{ kN}$，牢固锁死主关键层微裂隙；
恒阻屈服恒力让压：当围岩变形压力超过恒阻值（$P_{const} = 300 \pm 20\text{ kN}$）时，锚索内部机械摩擦套发生相对滑移让位，提供高达 $1.0\text{ m} \sim 1.5\text{ m}$ 的延伸变形量；
持续高阻控压：在全变形过程中抗拉承载力恒定不衰减，彻底杜绝拉断崩脱风险。

                       【无煤柱自成巷支护横断面】
   ═══════════════════════════════════════════════════════════════
   ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
   │ 定向聚能切缝线       高预应力恒阻大变形锚索 (L=10.5m, 间距1.0m)│
   │      │                  │                 │                 │
   │      ▼                  ▼                 ▼                 ▼
   │  ／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／ │
   │ ▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓                                               │
   │ ▓ 高水充填 ▓   【保留回用巷道断面 (下区段工作面顺槽)】      │
   │ ▓ 密闭挡墙 ▓                                               │
   │ ▓ (宽2.0m) ▓        实体煤帮高强螺纹钢锚杆支护              │
   │ ▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓  ───────────────────────────────────────────  │
   │ 采空区侧底板                     巷道水平底板               │
   └─────────────────────────────────────────────────────────────┘

五、典型厚煤层综采工作面充填自成巷工程实践与效益对账

5.1 工程概况与地质条件

某现代化特大型矿井 1308 综采工作面，煤层平均厚度 $4.2\text{ m}$，埋深 $580\text{ m}$，顶板为 $8.5\text{ m}$ 厚坚硬细砂岩（单轴抗压强度 $68\text{ MPa}$）。原设计留设 $25\text{ m}$ 区段隔离煤柱。

为盘活煤柱资源并根治采动应力集中，工作面试点应用“定向聚能切顶 + 高水速凝材料巷旁充填（水灰比 1.5:1，墙宽 $2.0\text{ m}$）+ 恒阻大变形锚索”成套自成巷工艺。

矿井总工程师与采矿专家组现场核查沿空留巷断面与力学对账 — 图4：矿井总工程师会同国家重点实验室专家组深入留巷现场进行断面收敛与抗压对账

5.2 实施成效与定量效益对账

#### 无煤柱自成巷工程实施前后指标对比表

核心考核指标	传统煤柱开采方案	充填自成巷设计目标	实际工程实测验收值	综合技术与经济评价
煤柱回收率	永久损失 25m 煤柱	零煤柱全回收	多回收原煤 16.8 万吨	单个工作面采出率提升 14.5%
巷道掘进工程量	掘进 2200m 顺槽	减少一条顺槽掘进	省去顺槽掘进 2200m	节省掘进直接费用 1320 万元
充填墙 24h 强度	传统水泥砂浆 $< 3\text{ MPa}$	$\ge 6.0\text{ MPa}$	$8.8\text{ MPa}$	早强承载，快速接顶控沉
留巷断面保持率	变形报废需大幅扩修	断面利用率 $\ge 80\%$	$86.4\%$	无需二次扩修，满足通风运输
采空区漏风率	$12.5\text{ m}^3/\text{min}$（微漏）	$< 2.0\text{ m}^3/\text{min}$	$0.35\text{ m}^3/\text{min}$	密闭性极佳，彻底杜绝自燃
顶板最大下沉量	动压区下沉 $> 1200\text{ mm}$	$< 400\text{ mm}$	$280\text{ mm}$	短臂梁力学平衡稳定成形
综合净经济效益	0	效益突破千万	净增效益 6850 万元	技术经济效益极为显著

六、无煤柱充填留巷施工验收清单与迎检台账

6.1 专项工程技术与施工资料清单

《综采工作面无煤柱自成巷与巷旁高水充填专项工程设计方案》（集团公司总工批复）
定向双向聚能切割爆破安全技术规程与火工品现场精细化领用审批单
聚能管孔内窥视全景录像（切缝裂隙沿设计方向贯通率 $\ge 90\%$ 抽检记录）
高水充填材料甲乙料原材料合格证、放射性及环保无毒化验检测报告
井下高水充填逐班注浆台账（记录水灰比、双液流量比、充填长度与立模时间）
充填结石体标准试块 2h、24h、28d 单轴抗压强度第三方实测报告单
恒阻大变形锚索张拉预紧力检测记录表与顶板多点离层位移连续监测台账

6.2 迎检现场自查与质量控制标准表

检查项目	规程与设计红线	现场常见施工缺陷	现场整改纠偏措施
切缝连续性	切缝孔间距偏差 $\le 50\text{ mm}$，孔深达标	钻孔偏斜导致相隔孔裂隙未贯通	补打加密预裂孔，采用小药量复爆成缝
充填墙接顶率	充填墙顶部与顶板必须 $100\%$ 密贴接顶	浆液凝固收缩或立模未封顶形成空顶	采用顶部补浆管压注微膨胀高水浓浆二次接顶
挡墙密闭漏风	挡墙外表面喷涂高分子防渗阻化涂层	挡墙局部裂隙微漏风，CO 传感器微动	挂网复喷 $50\text{ mm}$ 厚抗裂柔性水泥砂浆阻气层
留巷支护强度	临时单体支柱必须待充填体达 28d 强度后回撤	提前回撤支柱导致顶板早期快速下沉	严格执行至少 $150\text{ m}$ 动压稳定区外方可退档回柱

七、常见问题 FAQ

Q1：无煤柱自成巷切顶爆破会不会破坏保留巷道的顶板完整性？

答：不会。关键在于采用双向聚能定向爆破技术。普通爆破应力波向四周均匀发散，易粉碎孔周岩石并震裂巷道顶板；而双向聚能管将炸药能量汇聚为对称的“高能聚能射流”，仅在设定的切缝平面内产生聚能拉伸裂隙，在垂直于聚能方向的应力衰减超过 $80\%$，配合高预应力恒阻锚索对留巷侧顶板的锁固强化，巷内顶板依然保持完整如初。

Q2：高水充填材料水灰比高达 2:1，材料凝固后内部水分会不会蒸发导致挡墙大幅收缩收敛？

答：不会。高水材料的固化机理与普通水泥完全不同。普通混凝土中多余水分会形成毛细孔蒸发析出，而高水材料通过化学反应将大量水分子以结晶水的形式直接锁固在钙矾石（Ettringite）矿物晶格内（单个钙矾石分子结合 32 个结晶水），其固化过程是体积微膨胀的化学结晶过程，因此在井下恒温恒湿环境下体积极其稳定，绝不产生收缩缝。

Q3：留下的巷道在下一工作面回采时，作为回风顺槽使用会不会产生二次采动大变形？

答：经历过初次回采后，切顶侧采空区垮落矸石已经完全压实固结，覆岩主关键层已形成稳定的铰接砌体梁或固支结构，二次回采时围岩承受的仅为本工作面前方侧向支承压力，其应力集中系数远小于实体煤柱开采。现场实测表明，二次采动影响下留巷断面收敛量通常不足初次回采期的 $30\%$，配合超前单体支柱加强支护即可保障通风与运输绝对通畅。

Q4：高水速凝充填注浆施工时，如何防止双液浆在输送管路中提前凝固堵管？

答：采用“双管独立输送、孔口动态汇合”工艺：甲料与乙料在地面或井下制浆站分别制浆，通过两条完全独立的耐高压胶管平行长距离输送至回采工作面留巷端头，仅在注入充填模板前端的“微型管式静态混合器”内才进行 $2 \sim 3\text{ 秒}$ 的高速螺旋交汇。单管停泵时仅需清水冲洗混合器即可，彻底消除了输浆主管路堵管风险。

Q5：什么样的矿井地质条件不适合做切顶充填无煤柱自成巷？

答：以下特殊地质条件需慎重评估或禁止直接实施：

顶板极软极薄复合泥岩且无坚硬关键层（无法形成自承载短臂梁结构）；
煤层倾角超过 $35^\circ$ 的急倾斜煤层（采空区矸石无法有效充填堆积）；
顶板赋存特大富水含水层且切缝导水裂隙带会直接沟通水源（存在严重突水淹巷风险）。

参考依据

《煤矿安全规程》（国家矿山安全监察局 2024 年最新版）
GB/T 50942-2014《盐渍土及充填开采工程技术规范》
T/MT 001-2022《切顶留巷无煤柱开采技术规范》
何满潮，等. 切顶卸压沿空留巷力学机理及工程应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2018.
MT/T 1188-2020《煤矿用高水充填材料技术条件》

关于作者

张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司，绿色充填开采与矿山压力控制高级解决方案顾问。深耕陕北榆林、神木、山西吕梁及内蒙古鄂尔多斯煤炭矿区，主导多项 110 工法切顶自成巷、膏体及高水充填材料配比优化、三下压煤绿色开采与冲击地压综合防治项目。方案设计依托中国矿业大学矿业工程国家一流学科科研团队支持。

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声明：文中工程数据及案例参数经脱敏处理，具体矿井工程实施需结合矿井实测地质力学与矿压数据进行专项设计。

煤矿充填开采无煤柱自成巷与高水充填材料旁后支护：切顶短臂梁力学平衡、密闭墙抗暴抗压设计与覆岩运移控制指南