小煤柱護巷技術在突出煤層煤巷快速掘進中的應用

蔡振鑫

（華陽新材料科技集團新元公司，山西 陽泉045000）

寺家莊礦作為陽泉礦區典型高突礦井，自2005年建井至今在尚未達產條件下已累計發生大小突出21次，其中掘進工作面的突出次數最多，占突出次數的80%以上，打鉆過程中多次出現打鉆噴孔、夾鉆等動力現象。為了避免與突出煤層“短兵相接”，礦井大部分煤巷采用“以巖保煤”的瓦斯治理手段，即在突出煤層下方布置一條底抽巷保護上方兩條煤巷，取得了不錯的效果，但掘進一條底抽巷高昂的經濟與時間成本對于已經形成的孤島的15106工作面而言不太適宜，因此礦井亟需改革傳統的寬煤柱掘進工藝，探索小煤柱護巷及配套的防突措施與瓦斯治理技術，以達到消突及快速掘進的目的。

1 小煤柱護巷理論研究基礎

井下采煤作業破壞了原始地層的應力平衡狀態，使煤體中的應力重新分布。一般情況下，在采空區形成的較短時間內，首先在采空區煤壁側形成較高的集中應力（支撐應力），當應力集中值達到煤體的強度極限后，該部分煤體首先發生屈服變形，使集中應力向煤體深部轉移。經過一定時間后，形成卸壓區、應力集中區和原始應力區，如圖1所示。根據沿空掘巷理論，把巷道布置在卸壓區中，巷道受到的應力小，巷道變形較小，巷道的支護和維護得到改善，該區域內煤體能量已被釋放，瓦斯卸壓，發生煤與瓦斯突出幾率降低。

2 應力卸壓區寬度數值模擬

為得到支撐應力移動后煤壁側“三區”分布情況，以孤島工作面15106的煤層地質條件為背景，運用有限差分程序FLAC3D進行數值模擬計算。建模時模型上部邊界施加11.75 MPa的垂直應力，模擬深度470 m，模型下部及左右均為固定邊界，模擬相鄰工作面15104回采過程，每次推進10 m，每500步保存一次直至平衡，期間15104工作面頂板出現巖層破斷、回轉、彎曲下沉，受到毗鄰工作面回采后上覆老頂劇烈活動的影響，在15106工作面沿空側實體煤中產生了一定區域的應力波動區，分為：應力降低區、增高區和原巖應力區，15106工作面實體煤側垂直應力云圖如圖2所示，垂直應力分布如圖3所示。

圖1 沿空側“三區”劃分示意圖

圖2 15106工作面實體煤側垂直應力云圖

圖3 工作面實體煤側垂直應力分布圖

從垂直應力分布圖可看出，受相鄰工作面采動影響，15106工作面實體煤側支撐應力重新分布，支撐應力峰值往實體煤側遷移，在距采空區約19 m位置達到最高27.4 MPa，在距采空區38 m以外區域恢復至原巖應力，在距采空區0~12 m區域形成應力降低區，按照小煤柱護巷理論，煤巷應布置在距采空區0~12 m位置較為合適，鑒于15104工作面回風巷在掘進期間每隔40 m布置有深4.2 m雙耳鉆場，為防止誤揭鉆場，煤柱寬度設置為7 m，巷道寬度4.8 m，此時煤柱及煤巷均處于卸壓區。

3 瓦斯卸壓區范圍確定

煤層的結構屬孔隙-裂隙結構，煤層孔隙、裂隙的閉合程度對地應力有較強的敏感性，當地應力（支撐應力）增高時，煤層的孔隙、裂隙趨向閉合，煤層相應透氣性減小，當煤體處于卸壓區時，煤體的孔隙、裂隙伸張，煤層透氣性將增大幾個數量級，因此應力作用對瓦斯滲流有著較大的影響。工作面回采過程中及回采結束后，支撐應力遷移過程中在15106工作面煤壁側形成塑形變形區，該區域內煤層透氣性增加，在一定的壓力梯度作用下瓦斯運移至采空區，因此在靠近采空區一定范圍內形成瓦斯卸壓區，瓦斯卸壓區的大小與煤層的瓦斯賦存、煤質、頂底板性質及回采結束時間有關。為了準確得到15106工作面瓦斯卸壓區范圍，在工作面迎頭布置單耳鉆場施工鉆孔，測定距迎頭20、40、60 m位置、距采空區8、13、18、23、28 m位置處測定殘存瓦斯含量指標，取每個位置所測最大值擬合成曲線，測定結果如圖4所示。

圖4 殘存瓦斯含量梯度圖

根據瓦斯含量梯度圖可知，越靠近采空區殘存瓦斯含量越小，在距采空區0~13 m瓦斯含量緩慢增大，13~20 m范圍瓦斯含量快速增大，20 m以后瓦斯含量趨于穩定，最大為12.8 t/m3，在距采空區14.2 m處瓦斯含量達到《防治煤與瓦斯突出細則》規定的臨界值8 t/m3，因此，通過實測瓦斯卸壓區應為距采空區0~20 m范圍，與支撐應力轉移產生塑性區范圍較為吻合，0~14.2 m范圍應為突出危險較低區域，與支撐應力降低區范圍較為吻合。

4 防突措施優化

通過分析實體煤側支撐壓力卸壓區及瓦斯卸壓區分布規律，得知15106工作面沿空側存在一定范圍的無突出危險區域，在無突出危險性區布置預抽鉆孔勢必增加不必要的鉆孔工程量，影響巷道掘進效率，因此，有必要對預抽鉆孔布置進行優化，達到事半功倍的目的。根據瓦斯含量梯度，煤柱位置應為瓦斯含量最小區域，若在此處布置預抽鉆孔存在誤穿采空區的風險，因此煤柱區域不布置鉆孔；巷道正前區域位于支撐壓力降低區同時也是瓦斯含量卸壓區，為降低風險此處布置一個鉆孔進行預抽；在巷道邊緣輪廓線15 m范圍內布置9個預抽鉆孔，共10個預抽鉆孔，鉆孔總長644 m，鉆孔工程量近1/3，預抽鉆孔布置如圖5所示。

5 效果分析

圖5 優化后的預抽鉆孔布置圖（m）

寺家莊煤巷掘進面一般月進尺64 m，采用小煤柱護巷技術后15106工作面進風巷月進尺最高達105 m，月平均進尺82 m，月均進尺提高了28.1%；15106工作面進風巷掘進期間煤頭瓦斯最大0.37%，平均0.08%，回風流瓦斯最大0.29%，平均0.17%，瓦斯涌出量為0.96～1.74 m3/min，煤巷掘進期間巷幫移近量較小，頂板下沉及底鼓現象不明顯。

6 結論

1）通過數值模擬獲得了支撐壓力峰值遷移后“三帶”分布規律，為煤柱寬度的選擇提供了依據。

2）采空區0~28 m范圍內殘存瓦斯含量實測數據表明，在靠近采空區一定范圍存在無突出危險區，其范圍與支撐應力降低區范圍較為吻合；瓦斯卸壓區與支撐應力轉移產生的塑性區范圍較為吻合。

3）小煤柱護巷工程實踐表明，在防突措施鉆孔縮減1/3的情況下，煤巷月均進尺仍提高了28.1%，采用小煤柱護巷技術可以提高煤巷掘進效率，實現煤巷快速掘進的目的。