上行开采回采巷道支护设计研究

许 浪，李春香

（贵州工程应用技术学院矿业工程学院，贵州 毕节 551700）

某矿为了解决煤层透气性差、瓦斯难以抽采的问题，提出了以下部赋存条件较好的22号煤层作为下保护层先行开采，从而形成了上行开采的方案。在上行开采中，下伏煤层开采后，会导致上覆煤岩层下沉移动以及应力的重新分布[1]，在采空区边界上方区域形成应力增高区和应力降低区。[2]上行开采对上覆煤层进行卸压的同时，也降低了上覆煤层回采巷道的围岩强度，造成上覆煤层回采巷道维护更加困难[3]，目前，下伏煤层开采对上覆煤层回采巷道的采动影响方面的研究还很少。[4-7]为此，本文结合工程概况，对上行开采回采巷道变形与破坏机理进行分析，确定上覆煤层回采巷道围岩破坏范围，提出锚网索互补性联合支护的支护方案，利用数值模拟分析了该支护方案的支护效果。

1 工作面工程概况

11171工作面走向长约751m，倾向长120 m。工作面运输巷布置标高为+1820m，长751m。工作面实际揭露煤层平均倾角为22°，厚度为0.63 m～8.93 m，采高3.5m。11171工作面顶底板围岩力学性质如表1所示。

表1 煤层顶底板围岩力学性质

2 上行开采回采巷道变形与破坏机理分析

2.1 回采巷道顶板变形与破坏

上行开采过程中，对上部煤层回采巷道开挖时，顶板岩体内部的应力平衡再次被打破，造成岩体内应力重新分布，表现为局部升高或降低。[2]理论和实践研究表明，当重新分布的应力超过岩体承受极限时，势必产生剪切破坏和拉伸破坏，造成巷道顶板岩层产生垮落、离层或弯曲变形等破坏。巷道顶板的破坏范围受应力分布和巷道断面尺寸影响，应力分布越不均衡、巷道跨度越大，顶板越容易发生破坏。在巷道的顶部两角处，因巷道两帮的支撑作用，应力相对集中，易形成剪应力，使顶板发生剪切破坏，产生纵向裂隙，在顶部两角处发生裂隙伸张，造成掉块等现象。巷道开挖后，由于煤层倾角的影响，顶板岩层相互挤压，从而在悬空部位形成拉应力，在其作用下发生原有裂隙扩张、产生次生裂隙或离层剥落等现象，使其破碎更为严重，稳定性更差。

2.2 回采巷道底鼓变形与破坏

在上行开采过程中，回采巷道底鼓的变形与破坏主要表现为：

（1）岩层破断后向上皱曲

某矿煤层顶底板软弱，下煤层开采后，上覆煤层的底板受到一定程度的破坏，在应力重新分布的过程中，使得破碎的底板岩层向上隆起，引起底鼓现象的发生。由于煤层倾角的影响，巷道下帮所受应力较大，其岩体会向巷道内移动，从而产生较大的附加水平应力，作用于底板岩层，使底板岩层发生弯曲破坏，向巷道空间移动而隆起，形成底鼓。

（2）岩体碎胀、离层等引起的扩容

在上行开采过程中，上煤层及其顶底板岩层都遭受不同程度的塑性破坏，在上煤层工作面回采期间，会形成超前支承压力，在巷道两帮底部产生剪应力，造成底板浅部岩体发生破碎，因岩石的碎胀作用，引起了岩体体积的增大，形成底鼓现象。

巷道开挖后，因岩体的膨胀及应力作用，底板岩层向空间释放，加上巷道两帮的挤压作用，应力重新平衡，从而在底板岩层中形成垂直的拉应力，使得层状结构的底板岩层沿弱面发生离层现象，向上隆起，从而形成底鼓变形。

（3）地下水的作用

某矿底板岩层为软弱的泥岩，在受到地下水侵蚀时，岩体的弱面摩擦力会减小，从而导致岩体强度降低。根据某矿钻探资料，煤层顶底板岩层强度较低，为软弱岩层。由于软弱岩体具有极强的崩解性和膨胀性，在地下水的作用下，容易发生崩解膨胀，体积扩容，从而形成底鼓破坏。

2.3 回采巷道两帮变形与破坏

上行开采中，上部煤层会受到不同程度的破坏，较为破碎，其强度和承载能力较低。下部煤层开采后，上覆岩层发生下沉，并伴随着相互挤压的作用，在此过程中，煤层受到挤压会经历弹性变形阶段和塑性软化变形阶段。在多次开采扰动的影响下，煤层的强度会随变形的发展而逐步衰减，但仍具有一定的承载能力，它可简化为塑性应变软化模型，如图1所示，其中角为煤体的塑性软化程度。

图1 煤体塑性应变软化模型

随着煤体的进一步破坏，煤体达到屈服极限，主要体现为塑性软化变形，在这个阶段，可以看作是由垂直应力引起的低围压下的变形。巷道开挖过程中，引起应力重新分布，使得煤层顶底板相对移近挤压煤层，从而引起巷道两帮发生变形和破坏。

3 上行开采回采巷道支护设计

3.1 上行开采回采巷道破坏范围的确定

对巷道围岩破坏范围进行确定，是对锚杆支护进行设计的第一步，它关系到锚杆的支护效果和支护参数的合理选取[8]。

（1）巷道两帮破坏深度的确定

根据11171采面工程概况，对巷道两帮破坏深度进行确定时，按式（1）确定巷道两帮的破坏深度。两帮的破坏范围为[9]：

（2）巷道顶板破坏范围的确定

对巷道顶板破坏范围进行确定时，采用极限平衡法[9]计算顶板的破坏范围。将相关参数代入式（2）计算顶板的破坏范围：

3.2 上行开采回采巷道支护方案

在上行开采过程中，按照围岩实际情况，将支护区域分为顶板、底板、两帮三个区，根据上行开采回采巷道的工程情况和所能提供的锚杆产品，通过工程类比及以上理论分析计算，确定巷道的支护方案如下：

（1）顶板支护

顶板采用锚、网、索联合加强支护。根据锚杆支护系统参数的确定并结合现场耗材情况，选用直径为的高强度螺纹锚杆，长度为2.4m，间排距均为800mm，采用3支K2360的树脂药卷进行锚固；木托盘选用厚木板制成，其规格为400mm×100mm×50mm；采用金属网加强锚杆间破碎岩石的防护，金属网规格为1000×2600的钢筋菱形网；钢筋托梁采用的钢筋焊接而成，长度为3.3m，宽度为80mm，以便安装锚杆，在安装锚杆的位置（间距800mm）处间隔80mm，托梁如图2所示。

图2 钢筋托梁示意图

（2）两帮支护

在上行开采过程中，根据两帮的破坏机理分析，两帮比较松软，在对其进行支护时，采用与顶板相同规格的锚杆进行支护，锚杆的间排距均为800mm，每根锚杆采用3支K2360的树脂药卷进行锚固，两帮布置金属网联合支护，金属网规格为10#1000×2600的铁丝网，锚杆配套木托盘和金属托盘。

（3）底板支护

由于17号煤层底板松软，遇水易膨胀，继而发生底鼓现象，根据实践经验，采取巷道底角和底板补打锚杆的方式对底鼓变形进行控制，锚杆规格与顶板锚杆规格一致，底板锚杆间排距为1200mm，每根锚杆采用3支K2360的树脂药卷进行锚固，且布置木托盘和金属托盘。支护方案如图3所示。

在该支护方案下，巷道断面的锚杆、锚索支护平面示意图如图4所示。

图3 巷道支护方案图

图4 巷道断面支护平面示意图

4 支护效果

4.1 锚网索支护围岩应力、围岩位移分布状况

在该锚网索联合支护方案下，巷道围岩应力、围岩位移的分布状况如图5、图6所示。

图5 锚网索支护巷道围岩应力分布状况图

图6 锚网索支护巷道围岩位移分布状况

由图5可知，回采巷道进行锚网索支护后，巷道围岩应力得以大幅减小，应力变化趋于平缓、稳定，不均衡程度较小，表明在该支护方案下，巷道围岩应力得到有效控制，支护效果较好。

由图6可知，巷道进行锚网索支护后，回采巷道附近的围岩位移的变化率逐渐减小，且逐渐趋于平缓，围岩的变形与变化明显降低，说明此时的围岩的位移受到了很好的控制，巷道围岩稳定性得以提高，巷道的变形得以基本控制，效果较好。

4.2 锚网索支护围岩塑性分布状况

在该锚网索联合支护方案下，巷道围岩位移分布状况如图7所示。

图7 锚网索支护巷道围岩塑性分布状况

由图7可以看出，对巷道进行锚网索支护后，回采巷道附近的围岩塑性破坏范围逐渐减小，围岩的破坏程度也逐渐降低，破坏面积显著减小，破坏变化已趋于平缓，说明巷道围岩的锚固状况良好，因此，巷道围岩的稳定性得到成功控制，支护效果较好。

5 结论

本文结合某矿实际情况，运用现场调研、理论分析和数值模拟的方法，对回采巷道支护设计进行了研究和探讨，得出以下几点结论：

（1）上行开采中，某矿上部煤层回采巷道顶底板及两帮破碎、松软，围岩受二次动压影响比较明显，破坏比较严重。

（2）通过理论分析和回采巷道破坏范围的计算，结合现场工程实际情况，提出锚网索互补性联合支护的支护方案。

（3）通过锚网索互补性联合支护方案支护效果的数值模拟分析，结果显示巷道围岩应力变化趋于平缓、稳定，不均衡程度较小，回采巷道附近的围岩位移的变化率逐渐减小，且逐渐趋于平缓，围岩的变形与变化明显降低，回采巷道附近的围岩塑性破坏范围逐渐减小，围岩的破坏程度也逐渐降低，破坏面积显著减小，破坏变化已趋于平缓，表明该支护方案下巷道围岩的稳定性得以成功控制，支护效果较好，对上行开采回采巷道支护提供了一条有效的途径。