适用读者： 煤矿矿长、总工程师、生产副总、地测副总、巷道支护科长、掘进队长、开拓主管
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理｜中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室技术合作支持
一、行业痛点与技术难题：深部软岩巷道“初支即坏、前修后烂、屡修屡垮”
随着我国煤矿开采向千米深部延深，地应力呈线性激增（垂直自重应力 $\sigma_v = 20 \sim 35\text{ MPa}$，构造水平主应力 $\sigma_H = 30 \sim 45\text{ MPa}$）。
在陕西彬长、黄陇、山东巨野、辽宁沈阳以及安徽淮南等深井矿区，软弱破碎围岩（如泥岩、炭质泥岩、泥质砂岩）巷道面临极具破坏性的工程难题：
- 围岩持续强流变与恶性底鼓：巷道开挖后，原本处于高应力平衡状态的软岩迅速发生蠕变与扩容破坏，底板在两帮集中应力向下挤压下发生强力“挤出型底鼓”，底鼓量常达 $600 \sim 1200\text{mm}$，导致机车脱轨、皮带机跑偏；
- 传统强刚性支护频繁爆裂失效：传统普通高强锚杆（最大延伸变形仅 $20 \sim 50\text{mm}$）与 U 型钢支架属于“死抗硬堵”型支护，在软岩数百毫米的大变形挤压下，锚杆发生大面积剪切破断、U 钢支架扭曲翻滚，呈现“前修后烂、反复翻修”的恶性循环；
- 采动压力叠加诱发瞬态冲击地压：相邻采煤工作面回采产生高达 $2.5 \sim 3.5$ 倍的采动超前集中支承压力，悬顶岩梁长距离旋转下沉，极易诱发软岩巷道突发冒顶与动力冲击破坏。
千米深井高地应力（σ_v ≥ 25 MPa） + 软弱破碎泥岩围岩
↓ 巷道开挖暴露，塑性流变破坏向深部剧烈扩展（变形量达 800~1500mm）
传统刚性锚杆断裂、U 型钢支架挤压扭曲失稳（屡修屡垮，维护成本数万元/米）
↓ 实施“定向切顶卸压 + 恒阻大变形锚索（CRLD）”协同控制
顶板施工定向深孔高压水压致裂（压力 30~45 MPa），切断采动侧向应力传递
↓ 安装恒阻大变形锚索（提供恒定阻力 300~350 kN，允许大变形吸能 500mm）
两帮与底板应力转移释放，实现深部软岩巷道全生命周期免修稳定因此，打破传统的“硬抗”支护理念，转向水压致裂定向切顶卸压与恒阻大变形吸能控制，是保障深部软岩矿井安全高效生产的核心变革方向。
二、弹塑性流变力学与卸压模型：切顶卸压与恒阻锚索力学方程
深部软岩巷道围岩变形遵循麦克斯韦-凯尔文（Maxwell-Kelvin）非线性黏弹塑性流变本构模型。
1. 定向水压致裂切顶卸压应力传递阻断方程
上覆厚硬岩梁断裂旋转产生的侧向集中应力 $\sigma_{abutment}$ 向巷道传递。在回风顺槽顶板施工倾角 $\beta = 15^\circ \sim 25^\circ$、深度 $H_{cut}$ 的定向高压水压预裂缝，切断岩梁悬臂效应后，作用在巷道顶帮的垂直应力 $\sigma_{entry}$ 由峰值大幅衰减：
式中：$H_{key}$ 为主关键层底界高度；$\phi_{joint}$ 为水压预裂面的摩擦角；$H_{cut}$ 为切顶孔深度（通常取 $H_{cut} = 12 \sim 18\text{ m}$）。切顶后，侧向集中应力峰值向采空区深部转移 $15 \sim 25\text{m}$，使巷道完全处于低应力应变保护区内。
2. 恒阻大变形锚索（CRLD）吸能与恒阻力平衡方程
恒阻大变形锚索（何满潮院士团队研发）内部包含专用恒阻阻尼滑移套管。当围岩变形施加的拉力达到预设的恒阻力 $P_{const}$（$300 \sim 350\text{ kN}$）时，套管产生恒阻滑移吸能变形，其吸收的围岩塑性应变能 $E_{absorb}$ 为：
式中：$\Delta L$ 为锚索恒阻滑移伸长量（最大可达 $500 \sim 1000\text{ mm}$ 且抗拉力保持恒定不跌落）。
- 工程效果：单根恒阻锚索可吸收超过 $1.5 \times 10^5\text{ J}$ 的围岩变形能，彻底消除了普通锚索因脆性断裂引发的突发冒顶事故。
三、水压切顶与恒阻支护关键参数设计表
依据深部软岩力学特性，中矿天智与中国矿业大学科研团队确立了标准参数设计体系：
| 关键工艺与支护参数 | 极软弱破碎泥岩巷道 (采深 >800m) | 中软高应力泥砂岩巷道 (采深 600~800m) | 动压剧烈影响回采顺槽 | 工程控制与力学意义 |
|---|---|---|---|---|
| 水压预裂切顶孔深 | $15 \sim 18\text{ m}$ | $12 \sim 15\text{ m}$ | $14 \sim 18\text{ m}$ | 必须完全切断直接顶及基本顶下伏厚层 |
| 切顶孔外倾角 ($\beta$) | $15^\circ \sim 20^\circ$（偏向采空区） | $15^\circ \sim 25^\circ$ | $18^\circ \sim 22^\circ$ | 形成导向滑移面，阻断侧向应力向巷内传递 |
| 水压致裂注水压力 | $35 \sim 45\text{ MPa}$ | $30 \sim 40\text{ MPa}$ | $35 \sim 48\text{ MPa}$ | 克服岩石抗拉强度与三向主应力，压开主裂缝 |
| 恒阻大变形锚索规格 | $\Phi 21.8\text{mm} \times 9300\text{mm}$ | $\Phi 21.8\text{mm} \times 8300\text{mm}$ | $\Phi 21.8\text{mm} \times 10300\text{mm}$ | 恒阻力 $300\text{ kN} \pm 20\text{ kN}$，延伸量 $\ge 500\text{mm}$ |
| 顶板锚索排间距 | $1.0\text{m} \times 1.0\text{m}$ (双列对称) | $1.2\text{m} \times 1.2\text{m}$ | $1.0\text{m} \times 1.2\text{m}$ | 锚入深部未破坏稳定基岩深度 $\ge 3.0\text{m}$ |
| 帮部恒阻锚索规格 | $\Phi 21.8\text{mm} \times 4300\text{mm}$ | $\Phi 21.8\text{mm} \times 3800\text{mm}$ | $\Phi 21.8\text{mm} \times 4300\text{mm}$ | 控制两帮塑性滑移流变向巷内挤出 |
| 底板反拱注浆梁厚度 | 浇筑 $300 \sim 450\text{mm}$ 早强混凝土 | 浇筑 $250 \sim 350\text{mm}$ 混凝土 | 配备底角恒阻锚索（下倾 $45^\circ$） | 构建封闭环形支撑结构，根治底鼓 |
四、核心装备与专用支护材料配置
| 装备系统名称 | 规格型号 | 核心功能与技术指标 | 性能与安全标准 |
|---|---|---|---|
| 恒阻大变形锚索组件 (CRLD) | CRLD-300 型恒阻滑移锚索 | 在高应力大变形下恒阻力 $300\text{ kN}$ 稳定滑移吸能 | 极限延伸率 $\ge 25\%$，耐冲击动力动载载荷 |
| 矿用超高压水压切顶泵组 | 3ZB-50/50 变频注水泵 | 产生微秒级脉冲高压水驱动岩层定向开裂 | 最大工作压力 $50.0\text{ MPa}$，排量 $50\text{ L/min}$ |
| 深孔定向水力切缝钻头 | $\Phi 75\text{mm}$ 双向高压切槽器 | 在钻孔孔壁预先预制两条对称微米级定向导向槽 | 导向槽深度 $\ge 15\text{ mm}$，确保裂缝沿设计角度扩展 |
| 矿用锚索张拉与位移监测仪 | ML-400 数字张拉计与测力计 | 施加 $150 \sim 250\text{ kN}$ 初始预紧力并连续监测受力 | 张拉吨位 $400\text{ kN}$，读数精度 $\pm 1.0\text{ kN}$ |
五、工程案例复盘与经济造价：彬长矿区某千米深井软岩大巷治理项目
以下结合陕西彬长矿区某年产 500 万吨深井（主运大巷埋深 860m，围岩为极软弱炭质泥岩与膨胀泥岩）软岩大巷支护改造项目进行深度对账。
1. 工程痛点与传统支护困局
- 原支护方案：采用高强螺纹钢锚杆 + 锚索 + 36U 型钢全断面封闭支架；
- 失效灾况：大巷掘出 3 个月内，顶板剧烈下沉达 $650\text{mm}$，两帮内挤 $850\text{mm}$，底鼓高达 $1100\text{ mm}$，U 型钢支架大面积压弯扭曲、发生脆性破断，每公里大巷年均翻修达 3 次，年翻修维护费用超 1200 万元，严重影响主运皮带机运行。
2. 治理技术方案与施工对账（合同金额：85.0 万元）
彬长某矿软岩大巷水压切顶与恒阻锚索成套治理工程（合同总额：850,000 元）
├── 顶板深孔定向双向水压致裂切顶卸压施工（深度 16m，间距 3m，总延米 1800m）：320,000 元
├── 全断面高预应力恒阻大变形锚索（CRLD）安装与张拉（共打设 420 套）：350,000 元
└── 底板深孔反拱锚固注浆加固、全断面连续围岩位移监测与出具 CMA 验收报告：180,000 元3. 治理成效与经济效益
- 围岩变形全面收敛：实施水压切顶与恒阻支护后，大巷顶板最大下沉量控制在 $65\text{ mm}$，两帮内挤量 $\le 80\text{ mm}$，底鼓量由 $1100\text{mm}$ 骤降至 $45\text{ mm}$ 以内；
- 彻底实现免修维护：大巷服务 2 年以上未发生任何一次翻修，单公里节约巷道翻修维护资金超 800 万元/年，保障了矿井主运输大动脉的长期安全畅通。
六、矿长与总工软岩支护迎检自查清单
总工程师在组织巷道支护专项安全大检查与安监局迎检时，必须核验以下 6 项核心指标：
- 深部软岩巷道支护专项安全技术措施：包含水压切顶参数设计书、恒阻锚索布置图及集团公司总工批准文件。
- 恒阻大变形锚索力学性能检测报告：具备国家 CMA 资质机构出具的恒阻力（$300\text{ kN}$）与极限滑移伸长量检测单。
- 水压切顶施工记录与压力曲线台账：各钻孔切缝深度、起裂压力（$\text{MPa}$）、注水量与裂缝连通性记录。
- 巷道全断面围岩变形连续监测日报表：包含“顶底板移近量”、“两帮内挤量”与“锚索受力轴力计”每日监测数据。
- 锚索锚固力与预紧力抽检记录单：每班按 $10\%$ 比例抽检的锚索初始预紧力（$\ge 180\text{ kN}$）实测台账。
- 巷道断面有效使用率核定文件：巷道净宽、净高完全满足《煤矿安全规程》通风、运输与行人最小安全间隙要求。
- GB 50215-2015《煤炭工业矿井设计规范》
- 煤矿安全规程（2025版），国家矿山安全监察局
- GB/T 35056-2018《煤矿充填开采技术规范》
- 矿安〔2026〕81号《国家矿山安全监察局关于进一步加强煤矿重大灾害精准治理与安全风险辨识评估的指导意见》
- GB/T 25217-2010《冲击地压测定、监测与防治方法》
- AQ 1020-2006《煤矿井下自燃火灾防治技术规范》
- 深部高地应力软岩巷道水压致裂定向切顶卸压成套工程总承包；
- 恒阻大变形锚索（CRLD）支护设计、全套材料供应与现场施工指导；
- 巷道底鼓综合治理、反拱梁浇筑与围岩大变形流变数值反演；
- 矿井瓦斯等级鉴定、通风阻力测定与重大灾害综合风险评估。
七、常见问题深度解答 (FAQ)
答： 千米深部高地应力软岩巷道蕴含着巨大的弹性应变能和持续的流变变形势能（变形量通常在数百毫米甚至上米）。传统刚性锚杆最大延伸率仅 $2\% \sim 5\%$（延伸十几毫米即达到抗拉极限而脆断），U 型钢卡缆也极易在高摩擦阻力下卡死失效。刚性支护相当于用有限的结构强度去强行阻挡无限的深部板块地应力，必然导致支护体被瞬间剪切压碎。
答： CRLD 锚索内部创新设计了具有特定倾角与摩擦阻尼的恒阻套管。当围岩拉力未达到恒阻值时，它表现为高刚度弹性支护（提供 $180 \sim 250\text{ kN}$ 初始高预紧力，抑制围岩早期离层）；当围岩压力持续激增达到恒阻值（$300\text{ kN}$）时，阻尼套管产生可控的摩擦滑移拉伸，在维持恒定 $300\text{ kN}$ 高支撑阻力的同时，允许巷道围岩发生数百毫米的大变形并消耗释放数万焦耳能量，从而实现围岩自承载平衡。
答： 采用高压水压切顶钻机，施工一组深度 16m 的切顶孔（含双向预制槽与高压压裂）仅需 40~60 分钟；在掘进迎头后方实施连续切顶施工，单班可完成 4~6 个切顶孔，与巷道正常掘进完全平行作业，不影响掘进推进进度。
参考依据与标准规范
关于作者与中矿天智服务承接
张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理，长期服务陕北榆林、神木、彬长，山西及内蒙古各大煤矿企业。
支护工程与深部岩石力学技术深度依托 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，具备国家法定资质认证。
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声明：文中技术参数与案例数据已依法进行脱敏处理，具体矿井支护工程需结合巷道地质赋存与地应力实测数据专项设计。