煤炭資源是我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)及人民生活重要的保證，隨著我國(guó)對(duì)煤炭資源的不斷開采，易開采煤層開采已經(jīng)逐步完成，目前我國(guó)的煤炭資源的開采主要方向已經(jīng)從易開采轉(zhuǎn)向了難開采煤層。小煤柱沿空留巷技術(shù)是煤礦開采的一項(xiàng)重要技術(shù)，實(shí)現(xiàn)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(dòng)影響巷道的變形量較大，圍巖的應(yīng)力分布情況較差，嚴(yán)重影響礦山機(jī)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(xué)者對(duì)其進(jìn)行過研究。張戈對(duì)放頂煤工藝進(jìn)行了一定的研究，發(fā)現(xiàn)放煤工藝中放頂?shù)母叨忍�大�?duì)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(duì)放頂煤對(duì)工作面進(jìn)行分層開采，通過對(duì)保護(hù)煤柱合理布置及回采，驗(yàn)證了放頂煤工藝對(duì)礦山的煤柱回收有著較好的效果，有效的提升了礦山的經(jīng)濟(jì)性�？盗④娎�用數(shù)值模擬軟件對(duì)放頂煤開采和分層開采煤柱的變形情況及應(yīng)力分布情況進(jìn)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(dǎo)。梁西京分析了厚煤層上山的煤柱受力特點(diǎn)，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)且結(jié)合工作面上覆巖層的特點(diǎn)，給出巷道的支護(hù)形式，對(duì)上山厚煤層放頂煤開采工藝進(jìn)行了一定的研究，為礦山放頂煤開采作出了貢獻(xiàn)。本文通過理論研究及數(shù)值模擬對(duì)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(xiàn)。

　　1 放頂煤小煤柱底板應(yīng)力分析

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

　　2 煤柱強(qiáng)度對(duì)圍巖的影響研究

　　為了更加直觀的對(duì)小煤柱巷道的圍巖變形進(jìn)行分析，選用 FLAC-3D 數(shù)值模擬軟件對(duì)巷道的底鼓進(jìn)行分析，為了使研究快速完成，本文選定小尺寸模型來反應(yīng)問題。首先建立長(zhǎng) 1 000 mm 寬 600 mm 的模型進(jìn)行分析，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格劃分對(duì)于計(jì)算的結(jié)果有著至關(guān)重要的作用，網(wǎng)格劃分過于密集會(huì)加大計(jì)算的時(shí)間，由于本文為了加快研究進(jìn)程，所以網(wǎng)格劃分不比過于細(xì)致。完成網(wǎng)格劃分后，對(duì)模型進(jìn)行模型材料設(shè)置 , 選定庫倫摩爾模型。完成模型的建立后，對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，分別對(duì)煤層強(qiáng)度分布在 0.8 Gpa 和 3 Gpa 之間時(shí)巷道的底板變形進(jìn)行了一定的研究。

　　根據(jù)不同煤柱強(qiáng)度下底板的應(yīng)力分布云圖可知，由于煤柱強(qiáng)度的不同，巷道周圍巖層的應(yīng)力分布范圍也是不同的。煤體強(qiáng)度不同對(duì)巷道底板的應(yīng)力分布進(jìn)行影響，煤柱水平方向繁盛膨脹變形與底板間產(chǎn)生了一定的相對(duì)滑動(dòng)，形成一定的剪切破壞。剪切力的大小和水平方向的相對(duì)滑動(dòng)位移量有著密切的關(guān)系，水平相對(duì)位移量較大時(shí)，剪切力也較大，反之相對(duì)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(yīng)力分布發(fā)現(xiàn)，隨著煤層的體積模量的增大，應(yīng)力的分布范圍逐步減小，圍巖受到的應(yīng)力擾動(dòng)較小，圍巖的應(yīng)力分布隨著煤層的體積模量增加而逐步向深部擴(kuò)展，應(yīng)力分布向底板的兩端擴(kuò)展。所以為提升煤柱的抗壓變形問題，適當(dāng)?shù)募哟竺褐�的�?qiáng)度可以有效的解決此問題。

　　3 不同垂直應(yīng)力下底板變形分析

　　同時(shí)對(duì)垂直應(yīng)力和巷道變形量進(jìn)行分析，對(duì)不同垂直應(yīng)力下的底鼓量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，底鼓量與垂直應(yīng)力有著密切的關(guān)系，隨著垂直應(yīng)力的不斷增大，巷道的底板底鼓量明顯減小。隨著垂直應(yīng)力的增加巷道的圍巖應(yīng)力分布處于高壓狀態(tài)，相對(duì)于煤柱的強(qiáng)度對(duì)巷道底板的變形量來說，垂直應(yīng)力對(duì)巷道的底板的變形量影響更大。當(dāng)垂直應(yīng)力不斷增大時(shí)，巷道的底板變形量呈現(xiàn)出非線性的增加，當(dāng)垂直應(yīng)力為 10 MPa 時(shí)，此時(shí)的巷道的地估量較小，隨著垂直應(yīng)力增大至 12.5 MPa 時(shí)，此時(shí)的巷道底鼓量來到了 105 mm，相對(duì)較小，當(dāng)垂直方向的應(yīng)力來到 25 MPa 時(shí)，此時(shí)的巷道底鼓變形量到達(dá)了 393 mm，此時(shí)的巷道維護(hù)成本大幅增加，此時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮適當(dāng)加大煤柱寬度或?qū)ο锏赖捻敯暹M(jìn)行切頂卸壓來保證巷道的穩(wěn)定性。

　　4 結(jié)語

　　(1)本文根據(jù)理論推導(dǎo)并結(jié)合對(duì)沿空掘巷兩側(cè)底板應(yīng)力分布的簡(jiǎn)化形式給出了沿空掘巷兩側(cè)底板應(yīng)力分布公式。(2)通過 FLAC-3D 數(shù)值模擬軟件對(duì)不同煤柱強(qiáng)度下巷道的圍巖受力情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著煤柱的強(qiáng)度不斷增大，此時(shí)的巷道底板變形量及煤柱的變形量都呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，對(duì)加強(qiáng)煤柱維護(hù)巷道穩(wěn)定性做出一定的貢獻(xiàn)。(3)分析了不同垂直應(yīng)力下巷道底板的底鼓量，發(fā)現(xiàn)隨著垂直應(yīng)力的不斷增大，巷道的底鼓量呈現(xiàn)出非線性的增大。所以為了減小巷道的底板變形應(yīng)當(dāng)對(duì)上覆巖層進(jìn)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。