蔡振鑫

（華陽新材料科技集團(tuán)新元公司，山西 陽泉045000）

寺家莊礦作為陽泉礦區(qū)典型高突礦井，自2005年建井至今在尚未達(dá)產(chǎn)條件下已累計(jì)發(fā)生大小突出21次，其中掘進(jìn)工作面的突出次數(shù)最多，占突出次數(shù)的80%以上，打鉆過程中多次出現(xiàn)打鉆噴孔、夾鉆等動(dòng)力現(xiàn)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(hù)上方兩條煤巷，取得了不錯(cuò)的效果，但掘進(jìn)一條底抽巷高昂的經(jīng)濟(jì)與時(shí)間成本對于已經(jīng)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(tǒng)的寬煤柱掘進(jìn)工藝，探索小煤柱護(hù)巷及配套的防突措施與瓦斯治理技術(shù)，以達(dá)到消突及快速掘進(jìn)的目的。

1 小煤柱護(hù)巷理論研究基礎(chǔ)

井下采煤作業(yè)破壞了原始地層的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使煤體中的應(yīng)力重新分布。一般情況下，在采空區(qū)形成的較短時(shí)間內(nèi)，首先在采空區(qū)煤壁側(cè)形成較高的集中應(yīng)力（支撐應(yīng)力），當(dāng)應(yīng)力集中值達(dá)到煤體的強(qiáng)度極限后，該部分煤體首先發(fā)生屈服變形，使集中應(yīng)力向煤體深部轉(zhuǎn)移。經(jīng)過一定時(shí)間后，形成卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)，如圖1所示。根據(jù)沿空掘巷理論，把巷道布置在卸壓區(qū)中，巷道受到的應(yīng)力小，巷道變形較小，巷道的支護(hù)和維護(hù)得到改善，該區(qū)域內(nèi)煤體能量已被釋放，瓦斯卸壓，發(fā)生煤與瓦斯突出幾率降低。

2 應(yīng)力卸壓區(qū)寬度數(shù)值模擬

為得到支撐應(yīng)力移動(dòng)后煤壁側(cè)“三區(qū)”分布情況，以孤島工作面15106的煤層地質(zhì)條件為背景，運(yùn)用有限差分程序FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。建模時(shí)模型上部邊界施加11.75 MPa的垂直應(yīng)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(jìn)10 m，每500步保存一次直至平衡，期間15104工作面頂板出現(xiàn)巖層破斷、回轉(zhuǎn)、彎曲下沉，受到毗鄰工作面回采后上覆老頂劇烈活動(dòng)的影響，在15106工作面沿空側(cè)實(shí)體煤中產(chǎn)生了一定區(qū)域的應(yīng)力波動(dòng)區(qū)，分為：應(yīng)力降低區(qū)、增高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，15106工作面實(shí)體煤側(cè)垂直應(yīng)力云圖如圖2所示，垂直應(yīng)力分布如圖3所示。

圖1 沿空側(cè)“三區(qū)”劃分示意圖

圖2 15106工作面實(shí)體煤側(cè)垂直應(yīng)力云圖

圖3 工作面實(shí)體煤側(cè)垂直應(yīng)力分布圖

從垂直應(yīng)力分布圖可看出，受相鄰工作面采動(dòng)影響，15106工作面實(shí)體煤側(cè)支撐應(yīng)力重新分布，支撐應(yīng)力峰值往實(shí)體煤側(cè)遷移，在距采空區(qū)約19 m位置達(dá)到最高27.4 MPa，在距采空區(qū)38 m以外區(qū)域恢復(fù)至原巖應(yīng)力，在距采空區(qū)0~12 m區(qū)域形成應(yīng)力降低區(qū)，按照小煤柱護(hù)巷理論，煤巷應(yīng)布置在距采空區(qū)0~12 m位置較為合適，鑒于15104工作面回風(fēng)巷在掘進(jìn)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(shè)置為7 m，巷道寬度4.8 m，此時(shí)煤柱及煤巷均處于卸壓區(qū)。

3 瓦斯卸壓區(qū)范圍確定

煤層的結(jié)構(gòu)屬孔隙-裂隙結(jié)構(gòu)，煤層孔隙、裂隙的閉合程度對地應(yīng)力有較強(qiáng)的敏感性，當(dāng)?shù)貞?yīng)力（支撐應(yīng)力）增高時(shí)，煤層的孔隙、裂隙趨向閉合，煤層相應(yīng)透氣性減小，當(dāng)煤體處于卸壓區(qū)時(shí)，煤體的孔隙、裂隙伸張，煤層透氣性將增大幾個(gè)數(shù)量級，因此應(yīng)力作用對瓦斯?jié)B流有著較大的影響。工作面回采過程中及回采結(jié)束后，支撐應(yīng)力遷移過程中在15106工作面煤壁側(cè)形成塑形變形區(qū)，該區(qū)域內(nèi)煤層透氣性增加，在一定的壓力梯度作用下瓦斯運(yùn)移至采空區(qū)，因此在靠近采空區(qū)一定范圍內(nèi)形成瓦斯卸壓區(qū)，瓦斯卸壓區(qū)的大小與煤層的瓦斯賦存、煤質(zhì)、頂?shù)装逍再|(zhì)及回采結(jié)束時(shí)間有關(guān)。為了準(zhǔn)確得到15106工作面瓦斯卸壓區(qū)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(qū)8、13、18、23、28 m位置處測定殘存瓦斯含量指標(biāo)，取每個(gè)位置所測最大值擬合成曲線，測定結(jié)果如圖4所示。

圖4 殘存瓦斯含量梯度圖

根據(jù)瓦斯含量梯度圖可知，越靠近采空區(qū)殘存瓦斯含量越小，在距采空區(qū)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(wěn)定，最大為12.8 t/m3，在距采空區(qū)14.2 m處瓦斯含量達(dá)到《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定的臨界值8 t/m3，因此，通過實(shí)測瓦斯卸壓區(qū)應(yīng)為距采空區(qū)0~20 m范圍，與支撐應(yīng)力轉(zhuǎn)移產(chǎn)生塑性區(qū)范圍較為吻合，0~14.2 m范圍應(yīng)為突出危險(xiǎn)較低區(qū)域，與支撐應(yīng)力降低區(qū)范圍較為吻合。

4 防突措施優(yōu)化

通過分析實(shí)體煤側(cè)支撐壓力卸壓區(qū)及瓦斯卸壓區(qū)分布規(guī)律，得知15106工作面沿空側(cè)存在一定范圍的無突出危險(xiǎn)區(qū)域，在無突出危險(xiǎn)性區(qū)布置預(yù)抽鉆孔勢必增加不必要的鉆孔工程量，影響巷道掘進(jìn)效率，因此，有必要對預(yù)抽鉆孔布置進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到事半功倍的目的。根據(jù)瓦斯含量梯度，煤柱位置應(yīng)為瓦斯含量最小區(qū)域，若在此處布置預(yù)抽鉆孔存在誤穿采空區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)，因此煤柱區(qū)域不布置鉆孔；巷道正前區(qū)域位于支撐壓力降低區(qū)同時(shí)也是瓦斯含量卸壓區(qū)，為降低風(fēng)險(xiǎn)此處布置一個(gè)鉆孔進(jìn)行預(yù)抽；在巷道邊緣輪廓線15 m范圍內(nèi)布置9個(gè)預(yù)抽鉆孔，共10個(gè)預(yù)抽鉆孔，鉆孔總長644 m，鉆孔工程量近1/3，預(yù)抽鉆孔布置如圖5所示。

5 效果分析

圖5 優(yōu)化后的預(yù)抽鉆孔布置圖（m）

寺家莊煤巷掘進(jìn)面一般月進(jìn)尺64 m，采用小煤柱護(hù)巷技術(shù)后15106工作面進(jìn)風(fēng)巷月進(jìn)尺最高達(dá)105 m，月平均進(jìn)尺82 m，月均進(jìn)尺提高了28.1%；15106工作面進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間煤頭瓦斯最大0.37%，平均0.08%，回風(fēng)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(jìn)期間巷幫移近量較小，頂板下沉及底鼓現(xiàn)象不明顯。

6 結(jié)論

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

2）采空區(qū)0~28 m范圍內(nèi)殘存瓦斯含量實(shí)測數(shù)據(jù)表明，在靠近采空區(qū)一定范圍存在無突出危險(xiǎn)區(qū)，其范圍與支撐應(yīng)力降低區(qū)范圍較為吻合；瓦斯卸壓區(qū)與支撐應(yīng)力轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍較為吻合。

3）小煤柱護(hù)巷工程實(shí)踐表明，在防突措施鉆孔縮減1/3的情況下，煤巷月均進(jìn)尺仍提高了28.1%，采用小煤柱護(hù)巷技術(shù)可以提高煤巷掘進(jìn)效率，實(shí)現(xiàn)煤巷快速掘進(jìn)的目的。