煤炭資源是我國工業(yè)生產及人民生活重要的保證，隨著我國對煤炭資源的不斷開采，易開采煤層開采已經逐步完成，目前我國的煤炭資源的開采主要方向已經從易開采轉向了難開采煤層。小煤柱沿空留巷技術是煤礦開采的一項重要技術，實現了工作面的連續(xù)開采，有效的提升了煤礦的出煤率。但由于煤柱的尺寸較小，工作面受到回采擾動影響巷道的變形量較大，圍巖的應力分布情況較差，嚴重影響礦山機械及人員的安全，所以為了解決巷道圍巖變形大的問題，許多學者對其進行過研究。張戈對放頂煤工藝進行了一定的研究，發(fā)現放煤工藝中放頂的高度太大對頂煤的回收造成較大干擾，通過在急傾斜煤層工作面利用輕型支架有效的保證了巷道的穩(wěn)定性。高禮奎采用 π 型鋼對放頂煤對工作面進行分層開采，通過對保護煤柱合理布置及回采，驗證了放頂煤工藝對礦山的煤柱回收有著較好的效果，有效的提升了礦山的經濟性。康立軍利用數值模擬軟件對放頂煤開采和分層開采煤柱的變形情況及應力分布情況進行了一定的分析，為礦山采用放頂煤開采工藝作出了一定的指導。梁西京分析了厚煤層上山的煤柱受力特點，通過現場實測且結合工作面上覆巖層的特點，給出巷道的支護形式，對上山厚煤層放頂煤開采工藝進行了一定的研究，為礦山放頂煤開采作出了貢獻。本文通過理論研究及數值模擬對厚煤層放頂煤小煤柱巷道的圍巖變形作出了一定的研究，為放頂煤小煤柱開采巷道穩(wěn)定性研究作出了一定的貢獻。

　　1 放頂煤小煤柱底板應力分析

　　放頂煤開采是在厚煤層開采時，沿著煤層的底板或煤層一定厚度布置一個采煤工作面，采用機械化方式進行煤層的開采，通過松動爆破對煤層進行破碎，通過放煤窗口對破碎的煤塊進行下落。在進行掘巷時，由于巷道兩幫巖性的不同，煤體對底板的應力載荷呈現出獨立分布的特征，巷道一側的煤柱出現塑性發(fā)育，垂直應力作用于殘留煤體呈現出不同的分布特征，進行模擬分析時，默認煤柱中的垂直應力分布呈現均勻性。相對于實體煤側，煤體依次表現為塑性區(qū)和彈性區(qū)，應力分布也出現分區(qū)的特征。沿空掘巷兩側底板應力分布及應力簡化圖如圖 1 所示。

　　2 煤柱強度對圍巖的影響研究

　　為了更加直觀的對小煤柱巷道的圍巖變形進行分析，選用 FLAC-3D 數值模擬軟件對巷道的底鼓進行分析，為了使研究快速完成，本文選定小尺寸模型來反應問題。首先建立長 1 000 mm 寬 600 mm 的模型進行分析，對模型進行網格的劃分，網格劃分對于計算的結果有著至關重要的作用，網格劃分過于密集會加大計算的時間，由于本文為了加快研究進程，所以網格劃分不比過于細致。完成網格劃分后，對模型進行模型材料設置 , 選定庫倫摩爾模型。完成模型的建立后，對模型進行模擬計算，分別對煤層強度分布在 0.8 Gpa 和 3 Gpa 之間時巷道的底板變形進行了一定的研究。

　　根據不同煤柱強度下底板的應力分布云圖可知，由于煤柱強度的不同，巷道周圍巖層的應力分布范圍也是不同的。煤體強度不同對巷道底板的應力分布進行影響，煤柱水平方向繁盛膨脹變形與底板間產生了一定的相對滑動，形成一定的剪切破壞。剪切力的大小和水平方向的相對滑動位移量有著密切的關系，水平相對位移量較大時，剪切力也較大，反之相對位移量較小，煤體與底板間的剪切力也就越小。觀察巷道周圍巖石的應力分布發(fā)現，隨著煤層的體積模量的增大，應力的分布范圍逐步減小，圍巖受到的應力擾動較小，圍巖的應力分布隨著煤層的體積模量增加而逐步向深部擴展，應力分布向底板的兩端擴展。所以為提升煤柱的抗壓變形問題，適當的加大煤柱的強度可以有效的解決此問題。

　　3 不同垂直應力下底板變形分析

　　同時對垂直應力和巷道變形量進行分析，對不同垂直應力下的底鼓量進行統(tǒng)計，通過統(tǒng)計結果可以看出，底鼓量與垂直應力有著密切的關系，隨著垂直應力的不斷增大，巷道的底板底鼓量明顯減小。隨著垂直應力的增加巷道的圍巖應力分布處于高壓狀態(tài)，相對于煤柱的強度對巷道底板的變形量來說，垂直應力對巷道的底板的變形量影響更大。當垂直應力不斷增大時，巷道的底板變形量呈現出非線性的增加，當垂直應力為 10 MPa 時，此時的巷道的地估量較小，隨著垂直應力增大至 12.5 MPa 時，此時的巷道底鼓量來到了 105 mm，相對較小，當垂直方向的應力來到 25 MPa 時，此時的巷道底鼓變形量到達了 393 mm，此時的巷道維護成本大幅增加，此時應當考慮適當加大煤柱寬度或對巷道的頂板進行切頂卸壓來保證巷道的穩(wěn)定性。

　　4 結語

　　(1)本文根據理論推導并結合對沿空掘巷兩側底板應力分布的簡化形式給出了沿空掘巷兩側底板應力分布公式。(2)通過 FLAC-3D 數值模擬軟件對不同煤柱強度下巷道的圍巖受力情況進行分析，發(fā)現隨著煤柱的強度不斷增大，此時的巷道底板變形量及煤柱的變形量都呈現出減小的趨勢，對加強煤柱維護巷道穩(wěn)定性做出一定的貢獻。(3)分析了不同垂直應力下巷道底板的底鼓量，發(fā)現隨著垂直應力的不斷增大，巷道的底鼓量呈現出非線性的增大。所以為了減小巷道的底板變形應當對上覆巖層進行切頂卸壓以此來保證巷道的穩(wěn)定性。

　　《厚層放頂煤小煤柱巷道變形研究》來源：《礦業(yè)裝備》，作者：李東東。