沿空掘巷卸壓消突范圍的確定

陳才賢 蘇 靜 湯 鑄 石開陽

(1.六盤水師范學院，貴州省六盤水市，553004；2.貴州水城礦業(yè)(集團)有限責任公司，貴州省六盤水市，553004)

★ 煤礦安全 ★

沿空掘巷卸壓消突范圍的確定

陳才賢1蘇 靜1湯 鑄1石開陽2

(1.六盤水師范學院，貴州省六盤水市，553004；2.貴州水城礦業(yè)(集團)有限責任公司，貴州省六盤水市，553004)

以盛遠煤礦為例，通過分析采空區(qū)周邊煤體應力分布，結合鉆屑量、殘存瓦斯含量和突出危險性現(xiàn)場考察，確定了沿空掘巷卸壓消突范圍。結果表明：沿空掘巷卸壓消突范圍在16 m內(nèi)是可靠的，在該范圍內(nèi)，殘存瓦斯含量和鉆屑瓦斯解吸指標均小于臨界值，且掘巷期間未出現(xiàn)突出動力現(xiàn)象，說明卸壓帶在16 m內(nèi)無突出危險性，可實現(xiàn)沿空掘巷安全快速掘進。

沿空掘巷 卸壓消突區(qū) 殘存瓦斯含量 鉆屑瓦斯解析指標 突出危險性

隨著我國開采深度增加，煤巷突出動力現(xiàn)象時有發(fā)生，影響煤巷掘進速度，煤與瓦斯突出危險已嚴重制約采掘接替?！斗乐蚊号c瓦斯突出規(guī)定》要求：“突出煤層巷道應優(yōu)先布置在卸壓區(qū)域”。國內(nèi)大量研究表明,空區(qū)側下部煤體存在一定寬度的卸壓范圍，本身已消除了突出危險性。在卸壓范圍內(nèi)實施沿空掘巷，不僅能改善巷道支護條件，提高煤炭資源回收，同時能降低防突工程量，實現(xiàn)安全高效掘進。然而，卸壓消突范圍大小受到不同礦井煤層瓦斯賦存條件制約，且隨著采煤方法、工藝的不同有明顯差異，不能依據(jù)經(jīng)驗推斷，必須通過現(xiàn)場實際考察確定。

本文對鄰近采空區(qū)煤體進行鉆屑指標、殘存瓦斯含量測定，結合掘巷期間防突效果考察，綜合確定合理卸壓消突范圍，為相鄰突出煤層沿空掘巷順利實施提供依據(jù)。

1 工程概況

盛遠煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井，主采11#煤層厚度較穩(wěn)定，其厚度一般在2.8 m左右，傾角8°～10°，含3～4層夾矸，瓦斯含量為15.78 m3/t。41111工作面開采11#煤層，運輸巷走向長約380 m，梯形斷面，采用錨網(wǎng)噴支護，掘進期間曾發(fā)生多次煤與瓦斯突出動力現(xiàn)象，且回采期間瓦斯涌出量大于3 m3/min。為保證安全生產(chǎn)，尤其是解決煤巷掘進瓦斯治理及煤與瓦斯突出問題，待41111工作面回采結束，且采空區(qū)頂?shù)装宸€(wěn)定后，該礦設計沿41111工作面采空區(qū)留5 m煤柱沿空掘巷。41113回風巷位于四采區(qū)東翼，標高為+1678.7～+1687.9 m，巷道平面布置見圖1。

圖1 巷道平面布置

2 卸壓消突帶范圍

鉆屑法及殘存瓦斯含量已經(jīng)廣泛應用于突出煤層采掘時所進行的消突效果驗證。鉆孔的鉆屑量可以用來衡量礦山壓力及煤層瓦斯動力大小指標，應力越大，鉆屑量隨之增加，因此，根據(jù)采空區(qū)周邊煤層鉆屑量變化情況可判斷出應力集中區(qū)范圍，并以此確定采空區(qū)卸壓消突帶范圍。由于卸壓消突作用，煤層瓦斯得到大量釋放，瓦斯含量大大降低，通過實測煤層殘存瓦斯含量，可驗證卸壓消突范圍的可靠性。

2.1 卸壓消突范圍計算

煤巷掘進改變了原巖支撐應力狀態(tài)，煤體內(nèi)產(chǎn)生彈塑形變形，集中應力逐漸向深部轉(zhuǎn)移，采空區(qū)周邊煤體應力分布如圖2所示。

沿空掘巷合理的卸壓消突范圍滿足公式：

d≥w+b+c

(1)

式中：d——卸壓消突范圍，m；

c——煤巷掘進控制范圍，m；

b——沿空掘巷寬度，m；

w——煤柱寬度，m。

根據(jù)盛遠煤礦實際，41113回風巷設計留煤柱5m，巷道寬度4m，根據(jù)《煤與瓦斯抽采基本指標》規(guī)定，煤巷掘進控制范圍取5m。將上述指標代入式(1)，可得滿足沿空掘巷卸壓消突的合理范圍d≥14 m。

要確保巷道在卸壓消突范圍內(nèi)掘進，必須現(xiàn)場實際考察卸壓消突范圍。

圖2 采空區(qū)周邊煤體應力分布

2.2 鉆屑法確定卸壓消突范圍

為確定盛遠煤礦沿空掘巷卸壓消突范圍區(qū)，在41111工作面運輸巷120～150 m之間沿煤層中線平行布置施工2個順層鉆孔，孔深32 m，取每個鉆孔在3 m、5 m、7 m、9 m、11 m、13 m、16 m 、19 m、22 m、25 m、28 m處的鉆屑量，鉆屑量與孔深的關系見圖3，對所測鉆屑量線性擬合見圖4，進行回歸分析見表1。

從圖3可知，在孔深小于16 m，鉆屑量隨孔深的增加而增加，達到一定的鉆孔深度后，出現(xiàn)應力峰值，之后鉆屑量隨孔深的增加而減小，鉆屑量最大的位置即是應力集中區(qū)，約在孔深16 m處。

圖3 鉆屑量與孔深的關系

圖4 鉆屑量線性擬合

從圖4可知，鉆孔1、2擬合的2條曲線相交于一點，交叉點處對應的值即為應力峰值。鉆孔1和鉆孔2其擬合曲線交叉點處對應深度值分別為17 m和20 m，即應力集中區(qū)范圍為17～20 m。

考慮數(shù)據(jù)在線性擬合時的離散型，需對應力集中應力區(qū)域數(shù)據(jù)進行驗證，從表1可知，鉆孔1實測偏差最大值為0.3，位于孔深13 m處，相對偏差最大值為7.55%，位于孔深11 m處。鉆孔2實測偏差最大值為0.5，位于孔深11 m處，相對偏差最大值為10.79%，位于孔深16 m處。集中應力區(qū)域分布在孔深16～28 m范圍內(nèi)，其中在孔深16～19 m間所測數(shù)據(jù)全部超過或接近鉆屑量臨界值6 kg/m，孔深19～28 m間有將近50%的數(shù)據(jù)超過或接近鉆屑量臨界值6 kg/m。鉆孔1從擬合公式回歸值中的鉆屑指標量最大為6.4 kg/m，最大鉆屑量出現(xiàn)在孔深16 m處；鉆孔2回歸值最大為7.1 kg/m，位置在孔深19 m處，與表1的實測數(shù)據(jù)基本吻合。

從實測和數(shù)據(jù)擬合的鉆屑量分析，應力集中區(qū)約在41111運輸巷法線距離16～19 m。最終確定盛遠煤礦41111工作面采空區(qū)卸壓帶范圍為16 m。

表1 鉆屑量數(shù)據(jù)回歸分析

2.3 殘存瓦斯含量驗證卸壓消突范圍

在41111運輸巷實測3組殘存瓦斯含量，考察沿空掘巷卸壓消突范圍內(nèi)煤層瓦斯含量分布規(guī)律。距41111運輸巷170 m、240 m、300 m處，分別沿煤層中線平行布置施工2個順層鉆孔，孔深26 m，測定了殘存瓦斯含量值，計66個殘存含量值，如表2所示。

從表2可以看出，各鉆孔的瓦斯含量總體呈現(xiàn)先增加再減小的趨勢；從孔深17 m處開始，煤層殘存瓦斯含量已達到或接近8 m3/t，具備突出危險性，究其原因是煤巷掘進改變了原巖支撐應力狀態(tài)，煤體內(nèi)產(chǎn)生彈塑形變形，集中應力逐漸向深部轉(zhuǎn)移，在巷道側煤體上方形成卸壓區(qū)、應力集中區(qū)和原巖應力區(qū)“三帶”。在應力集中區(qū)，由于裂隙受壓閉合，煤層透氣性降低，阻隔了原巖應力區(qū)煤體瓦斯運移，且瓦斯壓力梯度增高；在卸壓區(qū)內(nèi)，煤體形成大量裂隙，透氣性大大提高，受瓦斯壓力梯度影響，瓦斯沿著巷道徑向放散，瓦斯壓力逐漸減小，隨著時間的推移，瓦斯排放逐漸趨于穩(wěn)定，形成一定寬度的卸壓消突帶。

表2 殘存瓦斯含量統(tǒng)計 m3/t

根據(jù)盛遠煤礦41111運輸巷殘存瓦斯含量測定結果，采空區(qū)卸壓帶影響范圍在16 m內(nèi)。通過鉆屑量和殘存瓦斯含量測定結果相互驗證了對方的可靠性，表明沿空掘巷卸壓消突范圍在16 m內(nèi)是可靠的。

3 沿空掘巷實際考察

在卸壓消突合理范圍內(nèi)留5 m煤柱掘進41113回風巷，掘進誤差偏離采空區(qū)1 m左右。在已掘距41113回風巷開口80～180 m之間，每隔10 m布置2個考察鉆孔，孔深8 m，鉆孔每鉆進1 m測定該段的全部鉆屑量S，每鉆進2 m至少測定一次鉆屑瓦斯解吸指標K1。統(tǒng)計考察鉆孔最大值Smax和K1max如圖5所示。

圖5 鉆孔校驗指標

從圖5可知，鉆屑瓦斯解析指標K1max與Smax值均未超過規(guī)定臨界值0.5 mL/(g·min1/2) 和6 kg/m，且掘巷期間未出現(xiàn)突出動力現(xiàn)象。41113回風巷實體煤幫側8 m范圍內(nèi)基本消除了突出危險性，加上巷道寬4 m和煤柱寬5 m，采空區(qū)卸壓消突范圍在16 m內(nèi)是可靠的，表明16 m范圍內(nèi)煤層的瓦斯壓力及含量在掘巷前已得到充分釋放。

4 結論

(1)分析了采空區(qū)周邊煤體應力分布，結合鉆屑指標現(xiàn)場測定，采用線性回歸分析，得出應力集中區(qū)約在41111運輸巷法線距離16～19 m，41111工作面采空區(qū)卸壓帶寬為16 m。

(2)根據(jù)41111運輸巷殘存瓦斯含量測定結果，采空區(qū)卸壓帶影響范圍在16 m內(nèi)。通過鉆屑量和殘存含量測定結果相互驗證了對方的可靠性，表明沿空掘巷卸壓消突范圍在16 m內(nèi)是可靠的。

(3)通過現(xiàn)場突出危險性考察，41113回風巷實體煤幫側8 m范圍內(nèi)的鉆屑瓦斯解析指標均低于臨界值，且掘巷期間未出現(xiàn)突出動力現(xiàn)象，說明卸壓帶在16 m內(nèi)無突出危險性，可實現(xiàn)沿空掘巷安全快速掘進。

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(責任編輯 張艷華)

Scope determination of pressure relief and outburst eliminating for driving roadway along gob

Chen Caixian1, Su Jing1, Tang Zhu1, Shi Kaiyang2

(1.Liupanshui Normal University, Liupanshui, Guizhou 553004, China;2. Guihzou Shuicheng Mining Group Co., Ltd., Liupanshui, Guizhou 553004, China)

Taking Shengyuan Mine as the example, analyzing the stress distribution of coal rockmass around gob, the scope of pressure relief and outburst elimination was determined, combined with field investigation of drilling bits, existing gas content and outburst danger. The results showed that the scope of pressure relief and outburst elimination for driving lanes along gob was reliable within 16 m. Existing gas content and gas desorption index of drilling bits were both smaller than critical value within this scope and there was no outburst dynamic phenomenon occurred during driving period, which indicated that pressure relief zone had no outburst potential within 16 m and driving along gob could be achieved safely and quickly.

driving along gob, area of pressure relief and outburst elimination, existing gas content, gas desorption index of drilling bits, outburst danger

貴州省教育廳自然科學研究項目(黔教合KY字〔2014〕283號)，貴州省科學技術基金項目(黔科合J字LKLS〔2013〕03號，黔科合LH字〔2014〕7465號)

陳才賢，蘇靜，湯鑄等. 沿空掘巷卸壓消突范圍的確定[J]. 中國煤炭,2016,43(2),104-107，122. Chen Caixian, Su Jing, Tang Zhu，et.al. Scope determination of pressure relief and outburst eliminating for driving roadway along gob[J]. China Coal,2017,43(2):104-107，122.

TD713

A

陳才賢(1983-)，男，湖南郴州人，副教授，碩士，從事煤礦開采技術及巖石力學方面研究。