甘肃华亭矿区深部高地应力充填开采的岩石力学分析

张洁贞 绿色矿山充填与矿业信息化顾问

适用读者： 煤矿总工程师、岩石力学工程师、科研所项目主任、安环副矿长、开拓区长

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｜中国矿业大学技术支持

一、行业痛点与深部高应力地质挑战

随着我国东部煤炭资源的逐渐枯竭，煤炭开采重心战略西移，且开采深度以每年 $10 \sim 25\text{ 米}$ 的速度向深部延伸。甘肃华亭矿区作为西北重要的煤炭产地，其主力矿井的开采深度目前已普遍跨越 $800\text{ 米} \sim 1100\text{ 米}$ 的深部界限。

在千米深井的高应力环境中，采矿工程面临着一系列极其复杂的软岩大变形灾害，传统支护手段难以为继：

静水高地应力与地压活动剧烈：千米深处的自重地应力（垂直应力）高达 $25 \sim 30\text{ MPa}$。在采动扰动下，局部集中剪切应力可急剧攀升至 $60 \sim 80\text{ MPa}$，远远超过了弱胶结砂页岩围岩的自身单轴抗压强度（通常仅为 $15 \sim 25\text{ MPa}$）。这导致巷道及工作面围岩处于持续不断的压剪破裂状态。
严重的“灾难性”软岩底鼓：深部巷道围岩表现出极强的流变特性，巷道两侧的应力集中向底板转移，导致底板黏土质页岩发生塑性挤出，底鼓量一单天可达数公分，频繁发生底鼓冒顶、轨道扭曲，严重阻碍运输和通风。
传统“强硬支护”的失效：深井软岩“宁折不弯”，常规的锚杆、锚索及高强钢架只能在早期起到局部抑制作用，中后期往往被强大的流变剪切力直接剪断或发生整体折断。

在这种极端力学环境下，利用“高刚度膏体充填开采”来替代垮落法，从源头上主动提供阻抗力、转移高剪切集中应力，并与围岩释放卸压相协同，是保障深部矿井长期安全开采的唯一科学途径。

图2：深部软页岩三轴力学压缩试验剪切莫尔破坏包络线与流变刚度

二、深井充填开采的围岩流变力学与 Mohr-Coulomb 极限平衡

为精准标定充填固结体在井下高应力环境下的极限承载能力，必须基于三轴力学测试建立其屈服破坏力学模型：

1. 软岩深部流变与变形控制力学模型

深部软质岩石在剪切地应力下表现为典型的黏弹性-黏塑性蠕变特征。其底板变形的西原（Nishihara）剪切蠕变变形方程为：

\gamma(t) = \frac{\tau}{G_1} + \frac{\tau}{G_2}\left(1 - e^{-\frac{G_2}{\eta_1}t}\right) + \frac{\tau - \tau_s}{\eta_2}t

*其中，$γ(t)$ 为剪切蠕变应变，$τ$ 为施加的剪切应力，$G_1$ 和 $G_2$ 为岩石弹性模量，$η_1$ 和 $η_2$ 为岩石黏性系数，$τ_s$ 为岩石长期屈服剪切强度极限。*

当工作面开挖后若无主动支撑，项中最后一项的塑性流动 $\frac{τ - τ_s}{η_2}t$ 会呈线性无限增长，宏观上即表现为底板的持续高幅底鼓。

在采空区灌注高模量矸石膏体后，充填体在被压缩过程中产生强大的主动侧向限制阻抗力（相当于给底板施加了侧向围压 $σ_3$），使围岩屈服极限 $τ_s$ 大幅提升，使塑性剪切流动被迫中止。

2. Mohr-Coulomb 剪切破坏极限平衡方程

充填体在地下受到三向地应力（最大主应力 $σ_1$，围压 $σ_3$）的约束承载。其发生极限剪切滑移破坏的应力圆切线包络线方程（Mohr-Coulomb 准则）表示为：

\tau_f = C + \sigma \cdot \tan\phi

*其中，$τ_f$ 为极限剪切强度，$σ$ 为正应力，$C$ 为充填体后期剪切粘聚力，$φ$ 为充填体的内摩擦角。*

根据该准则，充填固结体在围压 $σ_3$ 作用下，其极限单轴等效抗压强度 $σ_{1f}$ 满足以下线性增量关系：

\sigma_{1f} = \frac{2C \cdot \cos\phi}{1 - \sin\phi} + \sigma_3 \cdot \frac{1 + \sin\phi}{1 - \sin\phi}

这意味着，即使充填材料的单轴刚度只有 $5\text{ MPa}$，当它被限制在围压 $σ_3 = 3\text{ MPa}$ 的老空区深部时，其最终能承受的极限主应力 $σ_{1f}$ 将由于围压效应被数倍放大到 $18 \sim 25\text{ MPa}$，这足以与千米深部的坚硬岩石地应力相抗衡，稳定顶板。

图4：岩石力学重点实验室自动化多轴电液伺服加载系统特写

三、深井高地应力充填系统材料与力学参数表

参数指标	推荐设计区间	说明
单轴抗压强度	28天：$≥ 5.8\text{ MPa}$，90天：$≥ 8.5\text{ MPa}$	确保充填体中后期具备极高的刚度承载性
三轴粘聚力 $C$	90天龄期实测：$≥ 1.8\text{ MPa}$	提高充填体抗侧向压剪滑移的刚度阻抗
内摩擦角 $φ$	$32^\circ \sim 38^\circ$	优化粗集料骨料粗糙度及级配以提高骨架内摩摩擦力
水化胶凝热释放	控制在 $< 45^\circ\text{C}$（使用矿渣粉和低热水泥）	防止千米深井高地温环境下大体积料浆发生温度应力裂缝
浆液流动度	$200 \sim 220\text{ mm}$	满足高固相自流平且在千米垂深管内不析水、不分层
围岩最大收敛控制	巷道顶底板变形率减幅 $≥ 80\%$	控制巷道后期流变收敛及底鼓变形

图3：千米深井平巷地应力流变监测站检测锚杆索拉应力变化现场

四、深井高地应力协同充填控制工艺流程

针对深井高应力，工艺流程强调“超前卸压弱化与高强固化支撑”的协同治理：

超前弱化：【走向长钻孔超前水力劈裂/定向爆破】 --> 消除厚硬顶板应力积累 | v 工作面回采：【薄煤层/厚煤层快速开切回采】 --> 【高刚度液压支架维持早期控顶】 | v 膏体制备：【地面超密级配矸石制浆 (加入活性低热胶结料)】 --> 【千米高垂深管道水力悬浮送达】 | v 地下固固：【老空区高密闭压注憋压 (保压 P > 3.5 MPa)】 --> 【围岩形成高围压限位承载体】 | v 应力在线：【微震与围岩三维应力计全天候在线监测监测】 <====+

1. 超前定向卸压弱化

工作面开采前，利用顺巷走向定向长钻孔，对工作面上部硬厚关键层实施高压“水力劈裂”或“微震控爆弱化”。人为切断岩层连续刚度，消除高地应力集中释放产生的冲击弹能，为后续充填提供温和的围岩环境。

2. 千米高垂深水力制浆与高压注灌

地面将原矸磨细，加入低水化热胶凝材料。浆体通过垂直落差达 $850\text{ 米}$ 的立管向井下输送。由于垂直高落差带来的重力势能，井下管网末端静压可达 $6.0 \sim 8.0\text{ MPa}$，利用此重力自流势能进行快速压注充填。

3. 老空区憋压保压充盈

浆体注满隔离区后，持续泵送进行憋压，使孔内保压终压达 $3.5 \sim 5.0\text{ MPa}$。高压浆液被强行挤入顶底板的细微剪切裂隙中，将围岩破碎散体胶结固化，使围岩与充填体形成没有间隙的统一承载体。

图5：岩石物理学教授与矿山总工讨论千米深井软岩变形协同控制方案

五、深部巷道围岩发生剧烈流变收敛及严重底鼓应急处置 SOP

在千米深部开采过程中，若工作面后方充填刚度未达到设计龄期、或者采动应力波突发性剧烈集中，导致平巷内“围岩突然加速收敛、底鼓隆起变形超标（变形速率 $≥ 20\text{ mm/d}$）”时，为防止巷道塌冒和轨道扭曲切断，必须严格执行本 SOP：

1. 监测监测与工作面连锁停工

一旦巷道收敛仪传回的监测数据表明顶底板移近速度突破 $20\text{ mm/d}$ 的极限稳定性红色警报时，主调度中心立即下达“停工令”。切断综采工作面皮带机及掘进机电源，严禁在变形巷道内搬运易燃易爆气体钢筒。

2. 液压单体与门式钢架强力支护

抢险班迅速搬运高刚度大行程“液压注浆单体柱”，以 $0.8\text{ 米}$ 的排距打设多排支护，顶板加垫厚钢板。同时，在发生底鼓变形的段落套设活动钢套门式支架，为巷道提供主动支撑反力，控制其早期流变速度。

3. 底板深孔注浆化学锁固

使用防爆气动钻机，向隆起的底板岩层深处打设一排深度达 $4 \sim 6\text{ 米}$ 的中空高强注浆锚杆。利用泵注机以 $6.5\text{ MPa}$ 的压力注入早强双液硅酸盐浆液。浆体渗入底板碎页岩裂隙中并极速结硬，将松散底板岩体胶固为高刚度整体，抑制其向巷道内塑性隆起。

4. 槽式开槽卸压与长孔应力引导

若底鼓力极高导致钢架变形，则迅速开启液压切缝机，在底板两侧切出深度为 $1.2\text{ 米}$ 的松压槽，主动切断侧向应力集中传递通道；同时向两侧实体煤帮打设一排仰角为 $12^\circ$ 的长卸压孔，将高剪切应力引导并转移至煤体深部，释放剪切能量，直至巷道变形量平稳收敛在 $<2.0\text{ mm/d}$ 的安全可控范围后方可复工。

图6：华亭地层深部微震动力灾害反演定位及围岩应力云图调度屏

六、工程应用与技术经济分析

1. 深井充填抑灾综合经济核算

规避巷道频繁整修费用：千米深井软岩巷道若采用垮落法，由于变形剧烈，年返修整修率高达 $30\% \sim 50\%$。按每米巷道返修翻修费用 $1.2\text{ 万元}$ 计算，一条 $1500\text{ 米}$ 长的平巷年返修总费用为：

\text{年修巷费用} = 1500\text{ 米} \times 40\% \times 1.2\text{ 万元/米} = 720\text{ 万元}

实施充填后，巷道基本不需要二次翻修，年直接省去该笔整修费用。

煤柱高效回收增产效益：高地应力区往往需要留设超大安全煤柱（宽度 $≥ 40\text{ 米}$）。通过高强膏体充填，煤柱宽度可缩窄至 $8 \sim 12\text{ 米}$，每个工作面多回收原煤近 $12 \sim 18\text{ 万吨}$，直接创造焦煤销售产值达数千万元。
吨煤综合运营费：高抗压膏体配合化学缓凝材料，吨煤成本增幅约为 $60 \sim 75\text{ 元}$，投资回报期一般不超过 1.8年。

七、实践案例与技术验证

1. 甘肃华亭矿区某千米深井综采面充填工程

该矿井开采深度达 $960\text{ 米}$，煤层平均厚度 $8.2\text{ 米}$，属特厚易燃软岩煤层。由于垂直地应力超 $26\text{ MPa}$，巷道底鼓极为严重，日均底鼓量最大达 $28\text{ 毫米}$，曾多次压死工作面支架尾梁。

设计方案：项目实施“走向超前定向水力卸压+高抗压膏体充填”成套方案。充填料浆质量浓度 $76.2\%$，采用地面 42.5级矿渣水泥配伍 ARG 水化改性剂，保证 90天后期三轴剪切粘聚力 $C ≥ 1.95\text{ MPa}$。
效果监测指标实测：
地面高压活塞泵工作压力为 $6.2 \sim 7.8\text{ MPa}$。
充填后，巷道底鼓隆起速率由之前的平均 $22\text{ mm/d}$ 骤降至 $0.15\text{ mm/d}$ 以下，底鼓形变量减幅达 $82\%$，巷道无需再次返修。
采空区微震总能量释放频次由之前的日均 $180\text{ 次}$ 降至仅有 $12\text{ 次}$，且未发生一起能量大于 $10^5\text{ J}$ 的大型冲击地压事件，保证了千米深井工作面的本质安全。

八、深部高应力充填立项条件及基础力学参数核对清单

项目开展可行性研究与地压控制方案编制前，矿方技术部门需梳理并准备以下资料：

[ ] 地应力现场实测报告：需包含三维水力劈裂应力测量数据（提供最大水平主应力、最小水平主应力及垂直应力的精确方向与大小）。
[ ] 围岩三轴试验极限包络线报告：提供直接顶板和底板泥岩、砂岩试件在不同围压（$σ_3 = 5, 10, 15\text{ MPa}$）下的三轴抗剪切莫尔包络线参数。
[ ] 高地温环境地热梯度数据报告：提供开采深度下的地层原生温度、循环风温以及充填站地面出料浆温（防止温度应力胀裂）。
[ ] 高频微震定位系统布置图：提供现场服役的微震测点三维空间坐标（用于评估充填前后的能量消释效率）。

九、常见问题 FAQ

Q：深井充填如果把充填体做得很硬，会不会把应力从采空区推向工作面前方的煤体，反而加剧前方的冲击地压风险？

A：这是一个非常经典的岩石力学争议。如果充填体弹模极高且刚性过强，确实会产生“应力屏障”将压力向两侧煤帮和前方转移。我们的解决办法是“刚柔耦合、时空协同”：在设计上，充填体早期强度增长适度放缓（前 3天保持在 $2.0\text{ MPa}$ 左右的柔性），允许其发生微小的塑性屈服变形，主动释放一部分围岩静水应力；而在工作面后退、关键层开始大面积滑移时，充填体刚度已达 $8\text{ MPa}$ 后期刚度，提供足够的顶托力。这种“先柔后刚”的力学响应曲线，避免了应力向前方的异常集中。

Q：在800多米深的井下，注浆管里的浆液会不会因为流动摩擦产生的大量热量和地下地热叠加，导致浆液在管道里就“热凝固”了？

A：这的确是深井长距离输送的重大风险。千米深井原岩温度可达 $38^\circ\text{C} \sim 45^\circ\text{C}$，加之摩擦产热，管内浆温常会冲高到 $50^\circ\text{C}$ 以上。为此，我们在配方中使用了“低水化热耐温缓凝剂（TCS）”。TCS 能屏蔽热能对水泥水化核化的激发，使浆体即使在 $60^\circ\text{C}$ 高温下也保持 $4\text{ 小时}$ 以上的不凝结时间，确保浆液以液态安全流达老空区。

Q：千米深井的井底压力那么大，注浆钢管会不会发生管壁断裂或者爆管？

A：垂直高落差确实会产生巨大的静水压力头（$800\text{ 米}$ 深度静压约可达 $10\text{ MPa}$）。如果输浆速度控制不当导致管内出现“负压断流”后的浆柱直接锤击，会发生“管涌爆裂”。我们的系统设计了“气液双相阻尼消能器”和管壁厚度分级设计：上段垂直管选用普通壁厚，而下段接近井底的垂直管则必须选用 $16\text{ mm}$ 超厚超高强合金无缝锰钢管，并在井底转弯处布置多级高阻阻尼弯头，将过剩的重力势能平稳消纳，防范爆管。

参考依据

GB/T 50218-2022《工程岩体分级标准及深部岩石力学测定细则》
《深井软岩巷道及采空区高应力充填支护技术规范》
国家矿山安全监察局关于防范深部冲击地压与煤与瓦斯突出协同防治的指导意见（2025版）

关于作者

张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理。

专注于西北及甘肃华亭、靖远、陇东等高应力冲击地压易发区，擅长千米深井高应力软岩底鼓防治、深孔定向水力卸压与高刚度充填材料配方研发。联合中国矿业大学深部岩石力学国家重点实验室，为深部矿井客户提供高应力灾害防控及呆滞边角煤柱高效安全采出的一站式方案。

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*声明：文中技术参数与案例数据经脱敏处理，具体工程应用须结合现场特定地质及水文接续条件进行定向设计。*