煤炭资源是我国工业生产及人民生活重要的保证，随着我国对煤炭资源的不断开采，易开采煤层开采已经逐步完成，目前我国的煤炭资源的开采主要方向已经从易开采转向了难开采煤层。小煤柱沿空留巷技术是煤矿开采的一项重要技术，实现了工作面的连续开采，有效的提升了煤矿的出煤率。但由于煤柱的尺寸较小，工作面受到回采扰动影响巷道的变形量较大，围岩的应力分布情况较差，严重影响矿山机械及人员的安全，所以为了解决巷道围岩变形大的问题，许多学者对其进行过研究。张戈对放顶煤工艺进行了一定的研究，发现放煤工艺中放顶的高度太大对顶煤的回收造成较大干扰，通过在急倾斜煤层工作面利用轻型支架有效的保证了巷道的稳定性。高礼奎采用 π 型钢对放顶煤对工作面进行分层开采，通过对保护煤柱合理布置及回采，验证了放顶煤工艺对矿山的煤柱回收有着较好的效果，有效的提升了矿山的经济性。康立军利用数值模拟软件对放顶煤开采和分层开采煤柱的变形情况及应力分布情况进行了一定的分析，为矿山采用放顶煤开采工艺作出了一定的指导。梁西京分析了厚煤层上山的煤柱受力特点，通过现场实测且结合工作面上覆岩层的特点，给出巷道的支护形式，对上山厚煤层放顶煤开采工艺进行了一定的研究，为矿山放顶煤开采作出了贡献。本文通过理论研究及数值模拟对厚煤层放顶煤小煤柱巷道的围岩变形作出了一定的研究，为放顶煤小煤柱开采巷道稳定性研究作出了一定的贡献。
1 放顶煤小煤柱底板应力分析
放顶煤开采是在厚煤层开采时，沿着煤层的底板或煤层一定厚度布置一个采煤工作面，采用机械化方式进行煤层的开采，通过松动爆破对煤层进行破碎，通过放煤窗口对破碎的煤块进行下落。在进行掘巷时，由于巷道两帮岩性的不同，煤体对底板的应力载荷呈现出独立分布的特征，巷道一侧的煤柱出现塑性发育，垂直应力作用于残留煤体呈现出不同的分布特征，进行模拟分析时，默认煤柱中的垂直应力分布呈现均匀性。相对于实体煤侧，煤体依次表现为塑性区和弹性区，应力分布也出现分区的特征。沿空掘巷两侧底板应力分布及应力简化图如图 1 所示。
2 煤柱强度对围岩的影响研究
为了更加直观的对小煤柱巷道的围岩变形进行分析，选用 FLAC-3D 数值模拟软件对巷道的底鼓进行分析，为了使研究快速完成，本文选定小尺寸模型来反应问题。首先建立长 1 000 mm 宽 600 mm 的模型进行分析，对模型进行网格的划分，网格划分对于计算的结果有着至关重要的作用，网格划分过于密集会加大计算的时间，由于本文为了加快研究进程，所以网格划分不比过于细致。完成网格划分后，对模型进行模型材料设置 , 选定库伦摩尔模型。完成模型的建立后，对模型进行模拟计算，分别对煤层强度分布在 0.8 Gpa 和 3 Gpa 之间时巷道的底板变形进行了一定的研究。
根据不同煤柱强度下底板的应力分布云图可知，由于煤柱强度的不同，巷道周围岩层的应力分布范围也是不同的。煤体强度不同对巷道底板的应力分布进行影响，煤柱水平方向繁盛膨胀变形与底板间产生了一定的相对滑动，形成一定的剪切破坏。剪切力的大小和水平方向的相对滑动位移量有着密切的关系，水平相对位移量较大时，剪切力也较大，反之相对位移量较小，煤体与底板间的剪切力也就越小。观察巷道周围岩石的应力分布发现，随着煤层的体积模量的增大，应力的分布范围逐步减小，围岩受到的应力扰动较小，围岩的应力分布随着煤层的体积模量增加而逐步向深部扩展，应力分布向底板的两端扩展。所以为提升煤柱的抗压变形问题，适当的加大煤柱的强度可以有效的解决此问题。
3 不同垂直应力下底板变形分析
同时对垂直应力和巷道变形量进行分析，对不同垂直应力下的底鼓量进行统计，通过统计结果可以看出，底鼓量与垂直应力有着密切的关系，随着垂直应力的不断增大，巷道的底板底鼓量明显减小。随着垂直应力的增加巷道的围岩应力分布处于高压状态，相对于煤柱的强度对巷道底板的变形量来说，垂直应力对巷道的底板的变形量影响更大。当垂直应力不断增大时，巷道的底板变形量呈现出非线性的增加，当垂直应力为 10 MPa 时，此时的巷道的地估量较小，随着垂直应力增大至 12.5 MPa 时，此时的巷道底鼓量来到了 105 mm，相对较小，当垂直方向的应力来到 25 MPa 时，此时的巷道底鼓变形量到达了 393 mm，此时的巷道维护成本大幅增加，此时应当考虑适当加大煤柱宽度或对巷道的顶板进行切顶卸压来保证巷道的稳定性。
4 结语
(1)本文根据理论推导并结合对沿空掘巷两侧底板应力分布的简化形式给出了沿空掘巷两侧底板应力分布公式。(2)通过 FLAC-3D 数值模拟软件对不同煤柱强度下巷道的围岩受力情况进行分析，发现随着煤柱的强度不断增大，此时的巷道底板变形量及煤柱的变形量都呈现出减小的趋势，对加强煤柱维护巷道稳定性做出一定的贡献。(3)分析了不同垂直应力下巷道底板的底鼓量，发现随着垂直应力的不断增大，巷道的底鼓量呈现出非线性的增大。所以为了减小巷道的底板变形应当对上覆岩层进行切顶卸压以此来保证巷道的稳定性。
《厚层放顶煤小煤柱巷道变形研究》来源：《矿业装备》，作者：李东东。
