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摘 要：随着煤炭市场的需求，要求减少煤炭资源损失，提高回采率。而原有的留设20～3m护巷煤柱势必造成资源上的严重浪费。因此，合理减小煤柱尺寸，既能支撑顶板压力，同时防止采空区的水和瓦斯窜入工作面，提高回采率，是该矿遇到的新课题。同时，原来的工字钢支护体系也不能满足支护要求，必须寻找新的支护体系。作者正是在这样的背景下，立足于该矿的地质特征，借鉴他矿的研究成果，结合理论分析和现场观测来展开研究。
关键词：窄小煤柱；顶板原理；支护技术
近年来，综采放顶煤开采技术在我国得到快速发展和广泛的应用。放顶煤综采技术的推广使用，扩大了综合机械化开采的使用范围，简化了矿井的采掘系统和生产组织，大幅度地提高了综采工作面的劳动生产率和产量，降低了煤炭生产成本，目前已不可阻挡地成为我国厚煤层开采的主导性采煤方法之一，为矿井实现安全高效生产发挥了积极作用，其技术优势是非常明显的。但是，综放开采仍存在许多问题，如放顶煤开采的工作面采出率、采区采出率偏低，煤炭开采损失还比较严重。综放条件下小煤柱护巷技术经过不断地发展与完善，已成为矿井提高采区采出率的重要技术途径之一。煤柱尺寸的留设，不同的矿区，由于地质及地质水文条件、煤的物理力学性质、顶板管理方法等的不同，各矿区不尽相同，甚至差别很大。然而，传统的留设20～3m宽度的煤柱势必会造成煤炭资源的浪费。为了提高回采率，必须减小煤柱尺寸。但是，如果煤柱尺寸过小，又不能支撑顶板压力，不能防止采空区的水和瓦斯涌入工作面，不能保证工作面的安全生产。因此，合理的计算煤柱尺寸是十分重要的。
1 小煤柱合理宽度的确定
目前我国部分煤矿仍存在靠经验来确定巷道煤柱宽度的问题，缺乏科学性和针对性，致使煤炭资源浪费，且巷道在掘进和回采期间难以维护，甚至出现冒顶等事故。由此，小煤柱护巷的关键技术问题是如何在兼顾资源回收率和巷道稳定性的前提下，合理确定小煤柱的宽度。小煤柱宽度与回采巷道支护、维护成本、安全生产以及煤炭资源回采率密切相关，煤柱宽度的合理选择，对保证巷道稳定至关重要。
目前主要有经验法、理论计算法、数值模拟法、现场实测4种方法。经验法主要是现场技术人员根据生产经验来确定，缺乏科学性和针对性；理论计算法根据岩体的极限平衡理论推导出护巷煤柱保持稳定状态时的宽度计算公式；数值模拟法是利用数值模拟软件对不同煤柱宽度下的巷道围岩变形、受力进行计算分析来确定；现场实测是通过在煤柱中安设测试仪器，实测煤柱体内支承压力分布、巷道围岩变形，对监测数据进行比较分析来确定。为科学确定试验面沿空掘巷的合理位置，采用现场实践和实测、数值分析和理论研究等综合方法，系统研究薄煤层条件下小煤柱沿空掘巷问题，使留设小煤柱宽度合理化。
2 煤柱宽度对巷道围岩稳定性影响的数值模拟
沿空掘巷的小煤柱宽度影响巷道围岩应力状态及围岩位移分布，煤柱对巷道围岩变形的作用随煤柱宽度的不同而不同。而围岩和巷道的支护结构的相互作用过程是相当复杂的，因此，巷道结构的动静力学计算是比较复杂的。尤其对非线性岩体内的连续或不连续介质和任意几何外形的巷道结构，其力学计算一般借助近似的数值方法。为了维护巷道围岩的稳定性并尽可能减少巷道变形量，采用数值模拟的方法验证小煤柱宽度留设的合理性和可靠性。
本次对巷道围岩稳定性的数值模拟，采用FLAC.D软件进行。FLAe.D（FastLagrall罗Anal015ofeontinua）软件是目前比较先进的大型岩土分析软件，它可研究巷道围岩中的应力分布状态以及锚杆支护参数与巷道围岩变形之间的关系等。该软件是一种用于工程力学计算的显式有限差分程序，可以模拟土、岩石等材料的力学行为，程序采用了显式拉格朗日算法及混合离散划分单元技术，程序内部含有多个基本的力学模型，如库仑一摩尔模型、应变软化/硬化模型、节理模型及双屈服模型等，可用于模拟高度非线性等地质材料的变形。另外，FLAC3D中含有的界面单元可以模拟岩层中不连续面，如断层、节理和层理等滑动和离层；FLAC3D中含有梁、锚杆、桩及支柱单元，可以模拟各种支护构件，其中锚杆单元为一维轴向单元，在一定的拉力作用下会屈服，锚杆的锚固方式可以是端锚、全长锚固或任意长度锚固。FLAC3D是力学计算的数值方法之一，其程序功能强大。与现行的其它数值方法相比，FLAC3D具有以下几方面的优点：
（1）求解过程中，采用迭代法求解，不需要存储较大的刚度矩阵，比有限元方法大大地节省了内存，这一优点在三维分析中显得特别重要。
（2）在现行的FLAC.D程序中，采用了/混合离散化0（mixeddiscrimination）技术可以比有限元的数值积分更为精确和有效地模拟计算材料的塑性破坏（Plasticdamage）、塑性流动印lastieflow）。
（3）可以比较接近实际的模拟岩土工程施工过程。FLAc.0采用差分方法，每一步的计算结果与时间相对应，用此可以充分考虑施工过程中的时间效应。同时，FLAc.程序采用人机交互式的批命令形式执行，在计算过程中可以根据施工过程对计算模型的参数取值等进行实时地调整，达到对施工过程进行实时仿真的目的。
3 回采巷道锚杆支护优化研究
巷道锚杆支护能显著提高巷道对围岩的整体支护效果，增加安全性，减小巷道维护量，是巷道支护技术发展的趋势，具有重要的技术和经济优势。本章针对金达煤矿的实际地质及生产技术条件，以理论计算和数值模拟方法对回采巷道进行锚杆支护设计，并对锚杆支护巷道的变形量及锚杆受力进行模拟计算分析并对锚杆支护参数优化，确保回采巷道巷道支护设计的合理性和有效性。
国内外一些学者认为留小煤柱沿空掘巷的围岩变形比完全沿空掘巷大得多，留小煤柱的沿空掘巷不仅在掘巷期间围岩变形剧烈，而且在巷道掘出后仍保持较大的速度持续变形，无论在掘进期间或工作面采动影响期间巷道围岩变形量要比完全沿空掘巷大1倍以上，巷道变形主要来自小煤柱。而小煤柱是沿空掘巷围岩的重要组成部分，其稳定性直接影响巷道的整体稳定性，因此加强沿空掘巷的小煤柱的稳定性的研究是具有重要的意義的。
要保证巷道围岩的稳定，除锚杆必须在巷道围岩内部形成完整且具有一定支护能力的支护体外，关键是小煤柱能否保持稳定，并具有足够的支撑能力，使其与实体煤帮共同承载。因此小煤柱的留设必须在技术上采取有效措施以保证其稳定并具有一定的承载能力。
参考文献
[1]杨惠斌，王志刚，赵银虎，宋晓潮.大采高综采工作面回撤通道顶板控制技术研究[J].矿业安全与环保，2014（05）.
[2]付建新，宋卫东，杜建华，孙新博.中深孔开采急倾斜薄矿体采场顶板力学模型及围岩扰动规律研究[J].岩石力学与工程学报，2014（S1）.
[3]谢晓峰.关于加强采煤顶板管理技术的研究[J].河南科技，2014（15）.
[4]齐高臣，李鹏，王彦敏.综采工作面初采过断层顶板控制技术[J].煤炭科学技术，2014（S1）.
[5]姚宝珠.上覆煤层采动影响下层煤巷道顶板稳定性研究[J].煤炭科学技术，2014（S1）.
[6]王爱凤.矿山地质构造对煤层顶板的影响解析[J].化工管理，2014（17）.
[7]尹志辉，孙邦达.新冒落带高度算法FOA-SVM预计模型[J].煤炭与化工，2014（06）.
关键词：窄小煤柱；顶板原理；支护技术
近年来，综采放顶煤开采技术在我国得到快速发展和广泛的应用。放顶煤综采技术的推广使用，扩大了综合机械化开采的使用范围，简化了矿井的采掘系统和生产组织，大幅度地提高了综采工作面的劳动生产率和产量，降低了煤炭生产成本，目前已不可阻挡地成为我国厚煤层开采的主导性采煤方法之一，为矿井实现安全高效生产发挥了积极作用，其技术优势是非常明显的。但是，综放开采仍存在许多问题，如放顶煤开采的工作面采出率、采区采出率偏低，煤炭开采损失还比较严重。综放条件下小煤柱护巷技术经过不断地发展与完善，已成为矿井提高采区采出率的重要技术途径之一。煤柱尺寸的留设，不同的矿区，由于地质及地质水文条件、煤的物理力学性质、顶板管理方法等的不同，各矿区不尽相同，甚至差别很大。然而，传统的留设20～3m宽度的煤柱势必会造成煤炭资源的浪费。为了提高回采率，必须减小煤柱尺寸。但是，如果煤柱尺寸过小，又不能支撑顶板压力，不能防止采空区的水和瓦斯涌入工作面，不能保证工作面的安全生产。因此，合理的计算煤柱尺寸是十分重要的。
1 小煤柱合理宽度的确定
目前我国部分煤矿仍存在靠经验来确定巷道煤柱宽度的问题，缺乏科学性和针对性，致使煤炭资源浪费，且巷道在掘进和回采期间难以维护，甚至出现冒顶等事故。由此，小煤柱护巷的关键技术问题是如何在兼顾资源回收率和巷道稳定性的前提下，合理确定小煤柱的宽度。小煤柱宽度与回采巷道支护、维护成本、安全生产以及煤炭资源回采率密切相关，煤柱宽度的合理选择，对保证巷道稳定至关重要。
目前主要有经验法、理论计算法、数值模拟法、现场实测4种方法。经验法主要是现场技术人员根据生产经验来确定，缺乏科学性和针对性；理论计算法根据岩体的极限平衡理论推导出护巷煤柱保持稳定状态时的宽度计算公式；数值模拟法是利用数值模拟软件对不同煤柱宽度下的巷道围岩变形、受力进行计算分析来确定；现场实测是通过在煤柱中安设测试仪器，实测煤柱体内支承压力分布、巷道围岩变形，对监测数据进行比较分析来确定。为科学确定试验面沿空掘巷的合理位置，采用现场实践和实测、数值分析和理论研究等综合方法，系统研究薄煤层条件下小煤柱沿空掘巷问题，使留设小煤柱宽度合理化。
2 煤柱宽度对巷道围岩稳定性影响的数值模拟
沿空掘巷的小煤柱宽度影响巷道围岩应力状态及围岩位移分布，煤柱对巷道围岩变形的作用随煤柱宽度的不同而不同。而围岩和巷道的支护结构的相互作用过程是相当复杂的，因此，巷道结构的动静力学计算是比较复杂的。尤其对非线性岩体内的连续或不连续介质和任意几何外形的巷道结构，其力学计算一般借助近似的数值方法。为了维护巷道围岩的稳定性并尽可能减少巷道变形量，采用数值模拟的方法验证小煤柱宽度留设的合理性和可靠性。
本次对巷道围岩稳定性的数值模拟，采用FLAC.D软件进行。FLAe.D（FastLagrall罗Anal015ofeontinua）软件是目前比较先进的大型岩土分析软件，它可研究巷道围岩中的应力分布状态以及锚杆支护参数与巷道围岩变形之间的关系等。该软件是一种用于工程力学计算的显式有限差分程序，可以模拟土、岩石等材料的力学行为，程序采用了显式拉格朗日算法及混合离散划分单元技术，程序内部含有多个基本的力学模型，如库仑一摩尔模型、应变软化/硬化模型、节理模型及双屈服模型等，可用于模拟高度非线性等地质材料的变形。另外，FLAC3D中含有的界面单元可以模拟岩层中不连续面，如断层、节理和层理等滑动和离层；FLAC3D中含有梁、锚杆、桩及支柱单元，可以模拟各种支护构件，其中锚杆单元为一维轴向单元，在一定的拉力作用下会屈服，锚杆的锚固方式可以是端锚、全长锚固或任意长度锚固。FLAC3D是力学计算的数值方法之一，其程序功能强大。与现行的其它数值方法相比，FLAC3D具有以下几方面的优点：
（1）求解过程中，采用迭代法求解，不需要存储较大的刚度矩阵，比有限元方法大大地节省了内存，这一优点在三维分析中显得特别重要。
（2）在现行的FLAC.D程序中，采用了/混合离散化0（mixeddiscrimination）技术可以比有限元的数值积分更为精确和有效地模拟计算材料的塑性破坏（Plasticdamage）、塑性流动印lastieflow）。
（3）可以比较接近实际的模拟岩土工程施工过程。FLAc.0采用差分方法，每一步的计算结果与时间相对应，用此可以充分考虑施工过程中的时间效应。同时，FLAc.程序采用人机交互式的批命令形式执行，在计算过程中可以根据施工过程对计算模型的参数取值等进行实时地调整，达到对施工过程进行实时仿真的目的。
3 回采巷道锚杆支护优化研究
巷道锚杆支护能显著提高巷道对围岩的整体支护效果，增加安全性，减小巷道维护量，是巷道支护技术发展的趋势，具有重要的技术和经济优势。本章针对金达煤矿的实际地质及生产技术条件，以理论计算和数值模拟方法对回采巷道进行锚杆支护设计，并对锚杆支护巷道的变形量及锚杆受力进行模拟计算分析并对锚杆支护参数优化，确保回采巷道巷道支护设计的合理性和有效性。
国内外一些学者认为留小煤柱沿空掘巷的围岩变形比完全沿空掘巷大得多，留小煤柱的沿空掘巷不仅在掘巷期间围岩变形剧烈，而且在巷道掘出后仍保持较大的速度持续变形，无论在掘进期间或工作面采动影响期间巷道围岩变形量要比完全沿空掘巷大1倍以上，巷道变形主要来自小煤柱。而小煤柱是沿空掘巷围岩的重要组成部分，其稳定性直接影响巷道的整体稳定性，因此加强沿空掘巷的小煤柱的稳定性的研究是具有重要的意義的。
要保证巷道围岩的稳定，除锚杆必须在巷道围岩内部形成完整且具有一定支护能力的支护体外，关键是小煤柱能否保持稳定，并具有足够的支撑能力，使其与实体煤帮共同承载。因此小煤柱的留设必须在技术上采取有效措施以保证其稳定并具有一定的承载能力。
参考文献
[1]杨惠斌，王志刚，赵银虎，宋晓潮.大采高综采工作面回撤通道顶板控制技术研究[J].矿业安全与环保，2014（05）.
[2]付建新，宋卫东，杜建华，孙新博.中深孔开采急倾斜薄矿体采场顶板力学模型及围岩扰动规律研究[J].岩石力学与工程学报，2014（S1）.
[3]谢晓峰.关于加强采煤顶板管理技术的研究[J].河南科技，2014（15）.
[4]齐高臣，李鹏，王彦敏.综采工作面初采过断层顶板控制技术[J].煤炭科学技术，2014（S1）.
[5]姚宝珠.上覆煤层采动影响下层煤巷道顶板稳定性研究[J].煤炭科学技术，2014（S1）.
[6]王爱凤.矿山地质构造对煤层顶板的影响解析[J].化工管理，2014（17）.
[7]尹志辉，孙邦达.新冒落带高度算法FOA-SVM预计模型[J].煤炭与化工，2014（06）.