許 浪，李春香

（貴州工程應用技術學院礦業(yè)工程學院，貴州 畢節(jié) 551700）

某礦為了解決煤層透氣性差、瓦斯難以抽采的問題，提出了以下部賦存條件較好的22號煤層作為下保護層先行開采，從而形成了上行開采的方案。在上行開采中，下伏煤層開采后，會導致上覆煤巖層下沉移動以及應力的重新分布[1]，在采空區(qū)邊界上方區(qū)域形成應力增高區(qū)和應力降低區(qū)。[2]上行開采對上覆煤層進行卸壓的同時，也降低了上覆煤層回采巷道的圍巖強度，造成上覆煤層回采巷道維護更加困難[3]，目前，下伏煤層開采對上覆煤層回采巷道的采動影響方面的研究還很少。[4-7]為此，本文結合工程概況，對上行開采回采巷道變形與破壞機理進行分析，確定上覆煤層回采巷道圍巖破壞范圍，提出錨網(wǎng)索互補性聯(lián)合支護的支護方案，利用數(shù)值模擬分析了該支護方案的支護效果。

1 工作面工程概況

11171工作面走向長約751m，傾向長120 m。工作面運輸巷布置標高為+1820m，長751m。工作面實際揭露煤層平均傾角為22°，厚度為0.63 m～8.93 m，采高3.5m。11171工作面頂?shù)装鍑鷰r力學性質如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍑鷰r力學性質

2 上行開采回采巷道變形與破壞機理分析

2.1 回采巷道頂板變形與破壞

上行開采過程中，對上部煤層回采巷道開挖時，頂板巖體內(nèi)部的應力平衡再次被打破，造成巖體內(nèi)應力重新分布，表現(xiàn)為局部升高或降低。[2]理論和實踐研究表明，當重新分布的應力超過巖體承受極限時，勢必產(chǎn)生剪切破壞和拉伸破壞，造成巷道頂板巖層產(chǎn)生垮落、離層或彎曲變形等破壞。巷道頂板的破壞范圍受應力分布和巷道斷面尺寸影響，應力分布越不均衡、巷道跨度越大，頂板越容易發(fā)生破壞。在巷道的頂部兩角處，因巷道兩幫的支撐作用，應力相對集中，易形成剪應力，使頂板發(fā)生剪切破壞，產(chǎn)生縱向裂隙，在頂部兩角處發(fā)生裂隙伸張，造成掉塊等現(xiàn)象。巷道開挖后，由于煤層傾角的影響，頂板巖層相互擠壓，從而在懸空部位形成拉應力，在其作用下發(fā)生原有裂隙擴張、產(chǎn)生次生裂隙或離層剝落等現(xiàn)象，使其破碎更為嚴重，穩(wěn)定性更差。

2.2 回采巷道底鼓變形與破壞

在上行開采過程中，回采巷道底鼓的變形與破壞主要表現(xiàn)為：

（1）巖層破斷后向上皺曲

某礦煤層頂?shù)装遘浫酰旅簩娱_采后，上覆煤層的底板受到一定程度的破壞，在應力重新分布的過程中，使得破碎的底板巖層向上隆起，引起底鼓現(xiàn)象的發(fā)生。由于煤層傾角的影響，巷道下幫所受應力較大，其巖體會向巷道內(nèi)移動，從而產(chǎn)生較大的附加水平應力，作用于底板巖層，使底板巖層發(fā)生彎曲破壞，向巷道空間移動而隆起，形成底鼓。

（2）巖體碎脹、離層等引起的擴容

在上行開采過程中，上煤層及其頂?shù)装鍘r層都遭受不同程度的塑性破壞，在上煤層工作面回采期間，會形成超前支承壓力，在巷道兩幫底部產(chǎn)生剪應力，造成底板淺部巖體發(fā)生破碎，因巖石的碎脹作用，引起了巖體體積的增大，形成底鼓現(xiàn)象。

巷道開挖后，因巖體的膨脹及應力作用，底板巖層向空間釋放，加上巷道兩幫的擠壓作用，應力重新平衡，從而在底板巖層中形成垂直的拉應力，使得層狀結構的底板巖層沿弱面發(fā)生離層現(xiàn)象，向上隆起，從而形成底鼓變形。

（3）地下水的作用

某礦底板巖層為軟弱的泥巖，在受到地下水侵蝕時，巖體的弱面摩擦力會減小，從而導致巖體強度降低。根據(jù)某礦鉆探資料，煤層頂?shù)装鍘r層強度較低，為軟弱巖層。由于軟弱巖體具有極強的崩解性和膨脹性，在地下水的作用下，容易發(fā)生崩解膨脹，體積擴容，從而形成底鼓破壞。

2.3 回采巷道兩幫變形與破壞

上行開采中，上部煤層會受到不同程度的破壞，較為破碎，其強度和承載能力較低。下部煤層開采后，上覆巖層發(fā)生下沉，并伴隨著相互擠壓的作用，在此過程中，煤層受到擠壓會經(jīng)歷彈性變形階段和塑性軟化變形階段。在多次開采擾動的影響下，煤層的強度會隨變形的發(fā)展而逐步衰減，但仍具有一定的承載能力，它可簡化為塑性應變軟化模型，如圖1所示，其中角為煤體的塑性軟化程度。

圖1 煤體塑性應變軟化模型

隨著煤體的進一步破壞，煤體達到屈服極限，主要體現(xiàn)為塑性軟化變形，在這個階段，可以看作是由垂直應力引起的低圍壓下的變形。巷道開挖過程中，引起應力重新分布，使得煤層頂?shù)装逑鄬σ平鼣D壓煤層，從而引起巷道兩幫發(fā)生變形和破壞。

3 上行開采回采巷道支護設計

3.1 上行開采回采巷道破壞范圍的確定

對巷道圍巖破壞范圍進行確定，是對錨桿支護進行設計的第一步，它關系到錨桿的支護效果和支護參數(shù)的合理選取[8]。

（1）巷道兩幫破壞深度的確定

根據(jù)11171采面工程概況，對巷道兩幫破壞深度進行確定時，按式（1）確定巷道兩幫的破壞深度。兩幫的破壞范圍為[9]：

（2）巷道頂板破壞范圍的確定

對巷道頂板破壞范圍進行確定時，采用極限平衡法[9]計算頂板的破壞范圍。將相關參數(shù)代入式（2）計算頂板的破壞范圍：

3.2 上行開采回采巷道支護方案

在上行開采過程中，按照圍巖實際情況，將支護區(qū)域分為頂板、底板、兩幫三個區(qū)，根據(jù)上行開采回采巷道的工程情況和所能提供的錨桿產(chǎn)品，通過工程類比及以上理論分析計算，確定巷道的支護方案如下：

（1）頂板支護

頂板采用錨、網(wǎng)、索聯(lián)合加強支護。根據(jù)錨桿支護系統(tǒng)參數(shù)的確定并結合現(xiàn)場耗材情況，選用直徑為的高強度螺紋錨桿，長度為2.4m，間排距均為800mm，采用3支K2360的樹脂藥卷進行錨固；木托盤選用厚木板制成，其規(guī)格為400mm×100mm×50mm；采用金屬網(wǎng)加強錨桿間破碎巖石的防護，金屬網(wǎng)規(guī)格為1000×2600的鋼筋菱形網(wǎng)；鋼筋托梁采用的鋼筋焊接而成，長度為3.3m，寬度為80mm，以便安裝錨桿，在安裝錨桿的位置（間距800mm）處間隔80mm，托梁如圖2所示。

圖2 鋼筋托梁示意圖

（2）兩幫支護

在上行開采過程中，根據(jù)兩幫的破壞機理分析，兩幫比較松軟，在對其進行支護時，采用與頂板相同規(guī)格的錨桿進行支護，錨桿的間排距均為800mm，每根錨桿采用3支K2360的樹脂藥卷進行錨固，兩幫布置金屬網(wǎng)聯(lián)合支護，金屬網(wǎng)規(guī)格為10#1000×2600的鐵絲網(wǎng)，錨桿配套木托盤和金屬托盤。

（3）底板支護

由于17號煤層底板松軟，遇水易膨脹，繼而發(fā)生底鼓現(xiàn)象，根據(jù)實踐經(jīng)驗，采取巷道底角和底板補打錨桿的方式對底鼓變形進行控制，錨桿規(guī)格與頂板錨桿規(guī)格一致，底板錨桿間排距為1200mm，每根錨桿采用3支K2360的樹脂藥卷進行錨固，且布置木托盤和金屬托盤。支護方案如圖3所示。

在該支護方案下，巷道斷面的錨桿、錨索支護平面示意圖如圖4所示。

圖3 巷道支護方案圖

圖4 巷道斷面支護平面示意圖

4 支護效果

4.1 錨網(wǎng)索支護圍巖應力、圍巖位移分布狀況

在該錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方案下，巷道圍巖應力、圍巖位移的分布狀況如圖5、圖6所示。

圖5 錨網(wǎng)索支護巷道圍巖應力分布狀況圖

圖6 錨網(wǎng)索支護巷道圍巖位移分布狀況

由圖5可知，回采巷道進行錨網(wǎng)索支護后，巷道圍巖應力得以大幅減小，應力變化趨于平緩、穩(wěn)定，不均衡程度較小，表明在該支護方案下，巷道圍巖應力得到有效控制，支護效果較好。

由圖6可知，巷道進行錨網(wǎng)索支護后，回采巷道附近的圍巖位移的變化率逐漸減小，且逐漸趨于平緩，圍巖的變形與變化明顯降低，說明此時的圍巖的位移受到了很好的控制，巷道圍巖穩(wěn)定性得以提高，巷道的變形得以基本控制，效果較好。

4.2 錨網(wǎng)索支護圍巖塑性分布狀況

在該錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方案下，巷道圍巖位移分布狀況如圖7所示。

圖7 錨網(wǎng)索支護巷道圍巖塑性分布狀況

由圖7可以看出，對巷道進行錨網(wǎng)索支護后，回采巷道附近的圍巖塑性破壞范圍逐漸減小，圍巖的破壞程度也逐漸降低，破壞面積顯著減小，破壞變化已趨于平緩，說明巷道圍巖的錨固狀況良好，因此，巷道圍巖的穩(wěn)定性得到成功控制，支護效果較好。

5 結論

本文結合某礦實際情況，運用現(xiàn)場調(diào)研、理論分析和數(shù)值模擬的方法，對回采巷道支護設計進行了研究和探討，得出以下幾點結論：

（1）上行開采中，某礦上部煤層回采巷道頂?shù)装寮皟蓭推扑?、松軟，圍巖受二次動壓影響比較明顯，破壞比較嚴重。

（2）通過理論分析和回采巷道破壞范圍的計算，結合現(xiàn)場工程實際情況，提出錨網(wǎng)索互補性聯(lián)合支護的支護方案。

（3）通過錨網(wǎng)索互補性聯(lián)合支護方案支護效果的數(shù)值模擬分析，結果顯示巷道圍巖應力變化趨于平緩、穩(wěn)定，不均衡程度較小，回采巷道附近的圍巖位移的變化率逐漸減小，且逐漸趨于平緩，圍巖的變形與變化明顯降低，回采巷道附近的圍巖塑性破壞范圍逐漸減小，圍巖的破壞程度也逐漸降低，破壞面積顯著減小，破壞變化已趨于平緩，表明該支護方案下巷道圍巖的穩(wěn)定性得以成功控制，支護效果較好，對上行開采回采巷道支護提供了一條有效的途徑。