本文是一篇研究岩土工程论文，本文基于“护顶先护帮”的支护理念，运用弹性理论，建立了上煤层回采巷道煤帮在支承压力作用下的力学分析模型，通过计算巷道帮部内任一单元岩体的应力应变，并基于土力学理论的应力扩散原理，对下煤层巷道的围岩变形进行了全面研究，主要结论如下：（1）回采巷道开挖后，围岩应力将发生重新分布。在无支护情况下，巷道围岩会发生拉裂变形，在垂直支承压力作用下帮部岩体将会依次出现破碎区、塑性区及弹性区3 个区域。由于围岩具有显著的流变特性，岩体长期强度随时间延长而不断降低，两侧煤体在上方集中应力的作用下产生变形后即形成极限平衡区。研究结果表明，极限平衡区宽度与煤帮岩体的弹性模量及其极限拉应变呈反相关、与巷道埋深呈正相关关系。
1 绪论
1.1 选题背景及研究意义
1.1.1 选题背景
中国是世界上最早进行煤炭资源开采的国家之一，在我国广袤的土地和优越的地理位置上，储量着丰富的煤炭资源。与此同时，我国在世界上又是第一煤炭生产国，煤炭年产量占世界煤炭产量的 37％。世界在进步，新能源的使用也日益增加，这就导致煤炭在一次能源中的消费比重会逐年呈递减趋势，但煤炭在未来将依旧在我国的能源格局中起着举足轻重的作用[1]。因此，如何使煤炭资源得到合理开发和利用，增加煤炭采出率，减少煤炭在开采过程的损失量，改进煤炭行业开采技术水平等，这将会对我国的煤炭产业，甚至国民经济发展都有着重大的意义[2-3]。
从上个世纪到现在，煤炭一直是工业生产中不可或缺的原料，因其热值高、资源丰富而被广泛用于各种工业生产与生活中，世界经济的发展也得益于煤炭工业的兴盛。我国自 20 世纪九十年代末的煤炭年产量一直在世界位居前茅，尽管现今社会各种新能源层出不穷，但煤炭能源仍是人类赖以发展的自然资源，在化工、冶金、发电站等等行业应用甚广[4]。因此，保证煤炭稳定年产量是世界经济保持持续快速发展的必要前提。经过多年对煤炭资源的攫取，埋藏条件好且易于开采的煤层已经开采殆尽，为了满足经济社会的需求，赋存条件较差的近距离煤层渐渐进入了人类的视野。近距离煤层开采过程中往往伴随着矿压显现现象[5]，由于岩层厚度较小，上煤层开采会对下煤层巷道的稳定性和整体性造成一定程度的影响，增加了巷道维护的难度[6-7]。由于目前单一煤层开采所使用的施工方法无法适用于近距离煤层开采，研究近距离煤层回采巷道的围岩控制技术将会显得十分紧要。因此，这就有必要进行更深入的研究。
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1.2 国内外研究现状分析
长期以来，近距离煤层联合开采中伴随着各种问题，国内外学者和施工技术人员为了解决相关问题，采用不同方法进行了深入研究，取得了一系列研究成果。本文主要从近距离煤层回采巷道的布置方式、围岩变形、上下煤层安全错距和巷道锚杆支护优化设计四个方面进行阐述，研究如下：
1.2.1 近距离煤层巷道布置方式研究现状
近距离煤层联合开采一般采用下行式开采方式进行，上煤层开采过程中，其采空区内的遗留煤柱段会形成一个应力降低区域，下煤层巷道布置尽可能地布置在应力影响的范围之外。结合目前近距离煤层回采巷道布置的三种方式，即：内错式、外错式和重叠式布置，为了更好地保证下煤层巷道围岩的完整性和整体性，减少围岩变形，内错式布置将更能对围岩起到有效控制。国内外的专家学者对此作了大量的研究，取得了许多的研究成果。
杨存智[8]和田振清[9]通过分析近距离上下煤层围岩间应力的相互影响，结合工程实际情况，确定了能满足当前工况的回采巷道布置方式，并在工程应用中验证了该方案的可行性和适用性。
王光辉[10]、李斌[11]和潘国平等[12]为合理确定近距离煤层巷道的布置方式和巷道遗留煤柱的尺寸，通过分析煤层间的相互影响，运用理论分析结合工程实际的方法，探讨了不同工况下回采巷道布置方式的适用性和合理性。
张春雷等[13]和董红军[14]通过理论分析、数值模拟和工程应用相结合的方法，合理确定在该工况下近距离煤层巷道布置方式为外错式布置，并提出相关的支护方案。结果表明，当两层煤同时开采，合理确定回采巷道的外错距，在辅以支护情况下，可以有效地控制了围岩的变形，保证了回采工作的正常、高效进行。
杨轶坤[15]以回坡底矿井 11#、10#煤近距离层群为工程背景，采用理论分析加数值模拟对上下煤层巷道布置方式进行分析。结果表明：煤柱下底板应力影响范围与煤层深度成正相关关系，研究结果为回采巷道布置提供了理论依据。
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2 近距离煤层巷道围岩变形及其布置方式分析
2.1 近距离回采巷道围岩变形分析
2.1.1 近距离回采巷道帮部变形分析
回采巷道开挖后，其围岩应力将会重新发生分布。上煤层的遗留煤柱会在上煤层底板，也即下煤层顶板处产生应力集中现象，导致巷道帮部煤体的受力状态发生变化，破坏了巷道帮部原有的稳定性和完整性。在连续开挖过程中，煤帮持续受到集中应力的作用，煤帮体的支承点将向煤体深处发展。由于煤体自身岩性的局限性，在煤帮边缘处煤体强度不足以承受支承压力的时候，该处煤体会发生破坏、失稳，并将逐步向深层煤体发展，直至发展到煤体弹性区处停止。
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2.2 上煤层煤柱支承压力对下煤层巷道的影响
近距离煤层联合开采方式为下行式开采，上煤层开采后，会使巷道围岩应力发生重新分布，其遗留的区段煤柱会在巷道底板处会形成应力降低区和应力集中区。由于下煤层受上煤层支承压力的影响，上煤层开采后在底板处形成的应力集中区会对下煤层的顶板造成一定程度上的损伤，其支承压力的传递是自上而下、逐渐递减，直至其压力大小与原岩应力大小相等。根据煤柱支承压力在煤层底板岩层内的传递规律，支承压力在底板岩层内传递存在一定的范围，且随煤层厚度的增加而递减，传递范围大小按均匀荷载作用下半平面体的应力计算得出支承压力等压线分布图[8]，如图 2.5 所示。
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3 上煤层巷道煤帮极限平衡区宽度研究.........................19
3.1 巷道帮部煤体受力变形分析................................ 19
3.1.1 巷道煤帮力学分析模型的建立.................................. 19
3.1.2 煤帮岩体变形计算原理............................. 20
4 下煤层巷道煤帮变形规律研究.................................33
4.1 下煤层巷道帮部煤体受力变形分析..................................33
4.1.1 煤帮力学分析模型的建立............................. 33
4.1.2 煤帮岩体应力分量的确定........................... 34
5 工程应用...................................42
5.1 巷道围岩锚杆支护作用机理..................................42
5.1.1 采空区下巷道围岩破坏机理............................ 42
5.1.2 锚杆与围岩作用关系............................. 43
5 工程应用
5.1 巷道围岩锚杆支护作用机理
巷道支护一直是煤炭行业的重要内容，也是一切后续工作能继续开展的前提条件。由于地域的不同而带来的地质会有千差万别，开采的条件也相差甚大，这就需要针对不同煤矿的巷道支护形式和相关的设计参数进行制定一套合适的设计方案，为的是能满足后期井下生产作业的需要和作业人员、机械设备的安全。如何使用最少的成本达到预期的支护效果，且能保证开采作业的持续高效运行，这一直是研究人员钻研的课题[68]。
如今，锚杆支护技术在工程领域的应用越来越广泛，其不仅可以大幅度的减少巷道支护以及后期维护的费用，还提高了巷道开挖的速度，大大提高了生产效率，可以说锚杆支护技术是未来支护技术的发展主流[69]。从成本控制角度来看，传统刚性支架需要消耗大量的钢材作为支架结构，同时材料的运输和支架的装卸也需要大量的人力和物力，而锚杆既节约了耗材量，同时也提高了工作效率，操作起来更为简便、快捷，不仅大大降低了巷道的支护成本，也改良了掘进形式和提高了回采效率。因此，对锚杆的深入研究就显得尤为重要[70]。
为了能适应各种工况下的锚杆支护理论体系，大量的国内外的研究人员时刻在不断地完善着现有的支护理论体系。目前，比较完善的锚杆支护理论主要根据锚杆跟围岩之间的相互作用提出的，比如悬吊理论、组合梁（拱）理论、松动圈理论、最大水平应力理论以及锚杆桁架支护理论等。
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6 结论与展望
6.1 主要结论
为解决近距离煤层在开采掘进过程中上下巷道变形带来的工程问题，本文基于“护顶先护帮”的支护理念，运用弹性理论，建立了上煤层回采巷道煤帮在支承压力作用下的力学分析模型，通过计算巷道帮部内任一单元岩体的应力应变，并基于土力学理论的应力扩散原理，对下煤层巷道的围岩变形进行了全面研究，主要结论如下：
（1）回采巷道开挖后，围岩应力将发生重新分布。在无支护情况下，巷道围岩会发生拉裂变形，在垂直支承压力作用下帮部岩体将会依次出现破碎区、塑性区及弹性区3 个区域。由于围岩具有显著的流变特性，岩体长期强度随时间延长而不断降低，两侧煤体在上方集中应力的作用下产生变形后即形成极限平衡区。研究结果表明，极限平衡区宽度与煤帮岩体的弹性模量及其极限拉应变
