沿采空區煤體應力變化下卸壓范圍研究

馬杰

（冀中能源峰峰集團有限公司 大社礦，河北 邯鄲 056201）

1 概 況

大社礦西翼盤區開采深度已延深至-400 m，盤區內深部煤層的瓦斯壓力和瓦斯含量隨埋深而升高，導致盤區深部區域掘進及回采期間煤與瓦斯突出危險性明顯增加。為有效防止煤與瓦斯突出事故的發生，許多專家學者進行了深入研究，在瓦斯含量較大區域的瓦斯治理方面取得了明顯效果。礦山壓力理論研究表明，在已采工作面采空邊緣區域，經過超前應力疊加與卸壓這一過程的共同作用，在周邊區域煤體中，會產生一個因煤體破壞變形而形成的卸壓區域。打破該區域內煤層受到的地應力與瓦斯壓力平衡狀態，煤體原始狀態被破壞疏松，產生裂隙，透氣性增高，同時煤層賦存瓦斯也經歷較長時間排放，消除了煤體可能存在的突出危險性。在形成的卸壓區域掩護作用下，預留一定的保護范圍，從而消除掘進區域內的突出危險性。

2 采空區煤層卸壓有效保護范圍

2.1 概 況

該區地面位置為樂意莊村北部，主要為耕地，有一條西北東南向沖溝，季節性流水，沖溝北部有一條公路，地面標高+220.2—+231.1 m。該區西至92624 工作面（設計），南至西翼采區下山，東至92622 工作面，工作面標高-371.9—-422.8 m，平均煤厚5.2 m，煤層走向NE，煤層傾角2°～11°，平均7°。工作面走向長688～700 m，傾斜長106 m，可采儲量52.7 萬t。工作面回采時間為2017 年8 月至2019 年4 月。

2.2 采空區煤層卸壓范圍測定方案

為測定大社礦采空區煤層卸壓范圍，在92624運料巷布置測點，對瓦斯含量、瓦斯壓力和鉆屑瓦斯解吸指標等突出參數進行測定，確定92623 工作面采空區卸壓范圍。測定共選擇3 個測點，布置3組鉆孔。測點1 和測點2 各施工6 個鉆孔，鉆孔開孔間距為0.5 m；測點3 施工8 個鉆孔，鉆孔開孔間距為0.4 m。鉆孔布置如圖1、圖2 所示。

圖1 92624 掘進工作面測點1、測點2 鉆孔布置示意Fig.1 Layout of No.1 and No.2 measuring point in No.92624 heading face

圖2 92624 掘進工作面測點3 鉆孔布置示意Fig.2 Layout of No.3 measuring point in No.92624 heading face

當鉆孔施工到預定位置時，取樣測定煤層瓦斯含量W、鉆屑解吸指標Δh2。根據煤層瓦斯含量與鉆屑瓦斯解吸指標的測試結果，依據有關規定和標準，結合保護煤柱和掘進工作面的寬度，初步判定采空區側向卸壓范圍。

2.3 測定結果及分析

根據實際測量，測點1、測點2 和測點3 的煤樣實測瓦斯含量、鉆屑瓦斯解吸指標△h2和反演的瓦斯壓力數據見表1～表3。

表1 測點1 測試數據Table 1 Test data of measuring point 1

表2 測點2 測試數據Table 2 Test data of measuring point 2

表3 測點3 測試數據Table 3 Test data of measuring point 3

2.3.1 殘余瓦斯含量變化特征

通過整理各測點實測數據，分析殘余瓦斯含量與實體煤距采空區距離的變化關系，如圖3 所示。

圖3 殘余瓦斯含量與距采空區距離的關系Fig.3 Relationship between residual gas content and distance from goaf

該地區各測點煤層殘余瓦斯含量距采空區不同距離對應的下降率見表4。

表4 各測點所測殘余瓦斯含量下降率（%）Table 4 The decrease rate of residual gas content in each measuring point(%)

2.3.2 鉆屑解吸指標△h2變化特征

鉆屑解吸指標△h2與采空區距離的關系如圖4所示。

圖4 鉆屑解吸指標與采空區距離的關系Fig.4 Relationship between the desorption index of drilling cuttings and the distance of goaf

2.3.3 瓦斯壓力變化特征

各測點所測瓦斯含量反算瓦斯壓力與采空區距離的變化關系如圖5 所示，隨距采空區邊緣距離的增大呈增大的變化趨勢。

圖5 殘余瓦斯壓力與采空區距離的關系Fig.5 Relationship between residual gas pressure and goaf distance

2.4 采空區煤層有效保護范圍確定

測點1 測定結果表明，距離采空區30 m 范圍內煤層殘余瓦斯含量在0.83～5.86 m3/t，通過瓦斯含量反演瓦斯壓力，得出煤層殘余瓦斯壓力為0.06～0.41 MPa。因此，在92623 工作面采空區30 m 范圍內實體煤殘余瓦斯含量和殘余瓦斯壓力均小于大社礦瓦斯含量與瓦斯壓力指標臨界值7.82 m3/t和0.72 MPa。測得鉆屑瓦斯解吸指標△h2在20～80 Pa，小于礦井突出預測指標臨界值190 Pa。殘余瓦斯含量下降率在51%以上。

測點2 測定結果表明，距采空區30 m 范圍內煤層殘余瓦斯含量在0.56～5.6 m3/t，通過瓦斯含量反演瓦斯壓力，得出煤層殘余瓦斯壓力為0.037～0.35 MPa，殘余瓦斯含量下降率在53%以上。

測點3 測定結果表明，距離采空區40 m 范圍內煤層殘余瓦斯含量在0.75～5.44 m3/t，通過瓦斯含量反演瓦斯壓力，得出煤層殘余瓦斯壓力為0.03～0.33 MPa。因此，在92623 工作面采空區40 m 范圍內實體煤殘余瓦斯含量和殘余瓦斯壓力均小于大社礦瓦斯含量與瓦斯壓力指標臨界值。測得鉆屑瓦斯解吸指標△h2在20～80 Pa，小于礦井突出預測指標臨界值190 Pa。殘余瓦斯含量下降率在54%以上。

3 沿空送巷突出預測參數分布研究

92624 工作面為新布置工作面，位置與92623工作面采空區臨近。92624 工作面運料巷為沿空掘巷，沿92623 工作面采空區掘進。因此以92624 工作面運料巷為采空區沿空掘巷有效保護范圍驗證考察地點。測定92624 運料巷掘進期間的突出預測參數。因沿掘進方向右側相鄰采空區，故向掘進工作面施工3 個φ42 mm 鉆孔，垂直實體煤一側增加施工1 個φ42 mm 鉆孔，并編號1、2、3、4，開孔高度為0.5～1 m。1 號鉆孔開孔距巷道左幫0.5 m 處，1 號鉆孔終孔點控制掘進方向巷道斷面左側輪廓線外2～4 m；2 號鉆孔位于掘進巷道斷面中部，平行于掘進方向，相對腰線下斜，預測下方煤體；3 號鉆孔位于2 號孔右側，平行于掘進方向；4 號鉆孔垂直實體煤一側施工；1、2、3、4 號孔孔深均為10 m。鉆孔施工平面如圖6 所示。

圖6 突出預測指標測量鉆孔布置示意Fig.6 Prominent prediction index measurement borehole layout

分別選取3 個地點施工鉆孔，測試參數。

3 個測點鉆屑解吸指標隨取樣深度變化如圖7所示。

圖7 鉆屑瓦斯解吸指標隨取樣深度變化規律Fig.7 The variation lawof drilling cuttings gas desorption index with sampling depth

由7 可知，92624 運料巷掘進期間的鉆屑瓦斯解吸指標數值與孔深的相關性較弱，隨孔深增加解吸指標增加幅度較小。實測鉆屑瓦斯解吸指標數值變化范圍為0～60 Pa，小于大社礦的工作面突出危險性預測指標臨界值190 Pa。

4 結語

綜合以上分析，測點1 和測點2 距采空區30 m 范圍內、測點3 距采空區40 m 范圍內實體煤的殘余瓦斯含量、間接瓦斯壓力和鉆屑瓦斯解吸指標均小于大社礦所考察結論的突出預測指標臨界值。測點1、測點2 和測點3 在15 m 范圍內瓦斯含量變化較平穩，瓦斯釋放率達到81%以上。測點1和測點2 在距采空區15 m 之后瓦斯含量出現了明顯的增速，測點3 在距采空區20 m 后瓦斯含量出現了明顯的增速。根據以上測試數據及分析結果，確定92623 工作面采空區卸壓范圍為15 m。該研究可為其他類似礦井提供借鑒。