陳才賢 蘇 靜 湯 鑄 石開(kāi)陽(yáng)

(1.六盤(pán)水師范學(xué)院，貴州省六盤(pán)水市，553004；2.貴州水城礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴州省六盤(pán)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(kāi)陽(yáng)2

(1.六盤(pán)水師范學(xué)院，貴州省六盤(pán)水市，553004；2.貴州水城礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴州省六盤(pán)水市，553004)

以盛遠(yuǎn)煤礦為例，通過(guò)分析采空區(qū)周邊煤體應(yīng)力分布，結(jié)合鉆屑量、殘存瓦斯含量和突出危險(xiǎn)性現(xiàn)場(chǎng)考察，確定了沿空掘巷卸壓消突范圍。結(jié)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(biāo)均小于臨界值，且掘巷期間未出現(xiàn)突出動(dòng)力現(xiàn)象，說(shuō)明卸壓帶在16 m內(nèi)無(wú)突出危險(xiǎn)性，可實(shí)現(xiàn)沿空掘巷安全快速掘進(jìn)。

沿空掘巷 卸壓消突區(qū) 殘存瓦斯含量 鉆屑瓦斯解析指標(biāo) 突出危險(xiǎn)性

隨著我國(guó)開(kāi)采深度增加，煤巷突出動(dòng)力現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，影響煤巷掘進(jìn)速度，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)已嚴(yán)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(yīng)優(yōu)先布置在卸壓區(qū)域”。國(guó)內(nèi)大量研究表明,空區(qū)側(cè)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(xiǎn)性。在卸壓范圍內(nèi)實(shí)施沿空掘巷，不僅能改善巷道支護(hù)條件，提高煤炭資源回收，同時(shí)能降低防突工程量，實(shí)現(xiàn)安全高效掘進(jìn)。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(yàn)推斷，必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考察確定。

本文對(duì)鄰近采空區(qū)煤體進(jìn)行鉆屑指標(biāo)、殘存瓦斯含量測(cè)定，結(jié)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?fù)怀雒簩友乜站蛳镯樌麑?shí)施提供依據(jù)。

1 工程概況

盛遠(yuǎn)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(kāi)采11#煤層，運(yùn)輸巷走向長(zhǎng)約380 m，梯形斷面，采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，掘進(jìn)期間曾發(fā)生多次煤與瓦斯突出動(dòng)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(jìn)瓦斯治理及煤與瓦斯突出問(wèn)題，待41111工作面回采結(jié)束，且采空區(qū)頂?shù)装宸€(wěn)定后，該礦設(shè)計(jì)沿41111工作面采空區(qū)留5 m煤柱沿空掘巷。41113回風(fēng)巷位于四采區(qū)東翼，標(biāo)高為+1678.7～+1687.9 m，巷道平面布置見(jiàn)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(yīng)用于突出煤層采掘時(shí)所進(jìn)行的消突效果驗(yàn)證。鉆孔的鉆屑量可以用來(lái)衡量礦山壓力及煤層瓦斯動(dòng)力大小指標(biāo)，應(yīng)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(yīng)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(guò)實(shí)測(cè)煤層殘存瓦斯含量，可驗(yàn)證卸壓消突范圍的可靠性。

2.1 卸壓消突范圍計(jì)算

煤巷掘進(jìn)改變了原巖支撐應(yīng)力狀態(tài)，煤體內(nèi)產(chǎn)生彈塑形變形，集中應(yīng)力逐漸向深部轉(zhuǎn)移，采空區(qū)周邊煤體應(yīng)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(jìn)控制范圍，m；

b——沿空掘巷寬度，m；

w——煤柱寬度，m。

根據(jù)盛遠(yuǎn)煤礦實(shí)際，41113回風(fēng)巷設(shè)計(jì)留煤柱5m，巷道寬度4m，根據(jù)《煤與瓦斯抽采基本指標(biāo)》規(guī)定，煤巷掘進(jìn)控制范圍取5m。將上述指標(biāo)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(jìn)，必須現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考察卸壓消突范圍。

圖2 采空區(qū)周邊煤體應(yīng)力分布

2.2 鉆屑法確定卸壓消突范圍

為確定盛遠(yuǎn)煤礦沿空掘巷卸壓消突范圍區(qū)，在41111工作面運(yùn)輸巷120～150 m之間沿煤層中線平行布置施工2個(gè)順層鉆孔，孔深32 m，取每個(gè)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(guān)系見(jiàn)圖3，對(duì)所測(cè)鉆屑量線性擬合見(jiàn)圖4，進(jìn)行回歸分析見(jiàn)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(dá)到一定的鉆孔深度后，出現(xiàn)應(yīng)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(yīng)力集中區(qū)，約在孔深16 m處。

圖3 鉆屑量與孔深的關(guān)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(diǎn)，交叉點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的值即為應(yīng)力峰值。鉆孔1和鉆孔2其擬合曲線交叉點(diǎn)處對(duì)應(yīng)深度值分別為17 m和20 m，即應(yīng)力集中區(qū)范圍為17～20 m。

考慮數(shù)據(jù)在線性擬合時(shí)的離散型，需對(duì)應(yīng)力集中應(yīng)力區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，從表1可知，鉆孔1實(shí)測(cè)偏差最大值為0.3，位于孔深13 m處，相對(duì)偏差最大值為7.55%，位于孔深11 m處。鉆孔2實(shí)測(cè)偏差最大值為0.5，位于孔深11 m處，相對(duì)偏差最大值為10.79%，位于孔深16 m處。集中應(yīng)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(cè)數(shù)據(jù)全部超過(guò)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(guò)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(biāo)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。

從實(shí)測(cè)和數(shù)據(jù)擬合的鉆屑量分析，應(yīng)力集中區(qū)約在41111運(yùn)輸巷法線距離16～19 m。最終確定盛遠(yuǎn)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(yàn)證卸壓消突范圍

在41111運(yùn)輸巷實(shí)測(cè)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(yùn)輸巷170 m、240 m、300 m處，分別沿煤層中線平行布置施工2個(gè)順層鉆孔，孔深26 m，測(cè)定了殘存瓦斯含量值，計(jì)66個(gè)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(shì)；從孔深17 m處開(kāi)始，煤層殘存瓦斯含量已達(dá)到或接近8 m3/t，具備突出危險(xiǎn)性，究其原因是煤巷掘進(jìn)改變了原巖支撐應(yīng)力狀態(tài)，煤體內(nèi)產(chǎn)生彈塑形變形，集中應(yīng)力逐漸向深部轉(zhuǎn)移，在巷道側(cè)煤體上方形成卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)“三帶”。在應(yīng)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(yīng)力區(qū)煤體瓦斯運(yùn)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(shí)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(jì) m3/t

根據(jù)盛遠(yuǎn)煤礦41111運(yùn)輸巷殘存瓦斯含量測(cè)定結(jié)果，采空區(qū)卸壓帶影響范圍在16 m內(nèi)。通過(guò)鉆屑量和殘存瓦斯含量測(cè)定結(jié)果相互驗(yàn)證了對(duì)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(shí)際考察

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

圖5 鉆孔校驗(yàn)指標(biāo)

從圖5可知，鉆屑瓦斯解析指標(biāo)K1max與Smax值均未超過(guò)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(dòng)力現(xiàn)象。41113回風(fēng)巷實(shí)體煤幫側(cè)8 m范圍內(nèi)基本消除了突出危險(xiǎn)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(jié)論

(1)分析了采空區(qū)周邊煤體應(yīng)力分布，結(jié)合鉆屑指標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，采用線性回歸分析，得出應(yīng)力集中區(qū)約在41111運(yùn)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(yùn)輸巷殘存瓦斯含量測(cè)定結(jié)果，采空區(qū)卸壓帶影響范圍在16 m內(nèi)。通過(guò)鉆屑量和殘存含量測(cè)定結(jié)果相互驗(yàn)證了對(duì)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)突出危險(xiǎn)性考察，41113回風(fēng)巷實(shí)體煤幫側(cè)8 m范圍內(nèi)的鉆屑瓦斯解析指標(biāo)均低于臨界值，且掘巷期間未出現(xiàn)突出動(dòng)力現(xiàn)象，說(shuō)明卸壓帶在16 m內(nèi)無(wú)突出危險(xiǎn)性，可實(shí)現(xiàn)沿空掘巷安全快速掘進(jìn)。

[1] 翟清偉，程遠(yuǎn)平，王亮祁等.南煤礦72#煤層鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)敏感性分析[J].中國(guó)煤炭，2012(1)

[2] 袁亮.我國(guó)深部煤與瓦斯共采戰(zhàn)略思考[J].煤炭學(xué)報(bào)，2016(1)

[3] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009

[4] 陳才賢，蘇靜，湯鑄等. 留窄煤柱沿空掘巷在突出煤層中的應(yīng)用研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2015(5)

[5] 姚尚文，盧平，張純?nèi)绲?低透氣性突出煤層群首采層掏心無(wú)煤柱開(kāi)采卸壓消突與瓦斯治理試驗(yàn)研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2015(2)

[6] 張明杰，付帥，譚志宏.單一低透氣性煤層采空區(qū)卸壓帶防突范圍確定[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2014(8)

[7] 石琨.松軟破碎易自燃突出厚煤層沿空掘巷技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013(10)

[8] 曲方，張龍，李迎業(yè)等.鉆屑指標(biāo)變化規(guī)律及其在突出預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭，2011(10)

[9] 鄭吉玉，田坤云.工作面前方煤體卸壓區(qū)范圍及瓦斯抽采應(yīng)用[J].煤礦安全，2016(6)[10] 曲方，張龍，李迎業(yè)等.鉆屑指標(biāo)變化規(guī)律及其在突出預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].煤礦安全，2011(10)

[11] 林柏泉，周世寧，張仁貴.煤巷卸壓帶及其在煤和瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1993(4)

[12] 談國(guó)文.汪家寨煤礦基于瓦斯涌出特征的煤與瓦斯突出預(yù)警指標(biāo)確定方法研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2015(3)

[13] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤與瓦斯抽采基本指標(biāo)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007

[14] 李書(shū)文，張智峰，張輝.新安煤礦沿空掘巷突出防治實(shí)踐[J].煤礦安全，2013(10)

(責(zé)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(xué)研究項(xiàng)目(黔教合KY字〔2014〕283號(hào))，貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目(黔科合J字LKLS〔2013〕03號(hào)，黔科合LH字〔2014〕7465號(hào))

陳才賢，蘇靜，湯鑄等. 沿空掘巷卸壓消突范圍的確定[J]. 中國(guó)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(kāi)采技術(shù)及巖石力學(xué)方面研究。