沿采空區(qū)煤體應(yīng)力變化下卸壓范圍研究

馬杰

（冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司 大社礦，河北 邯鄲 056201）

1 概 況

大社礦西翼盤區(qū)開采深度已延深至-400 m，盤區(qū)內(nèi)深部煤層的瓦斯壓力和瓦斯含量隨埋深而升高，導(dǎo)致盤區(qū)深部區(qū)域掘進(jìn)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(fā)生，許多專家學(xué)者進(jìn)行了深入研究，在瓦斯含量較大區(qū)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(qū)域，經(jīng)過超前應(yīng)力疊加與卸壓這一過程的共同作用，在周邊區(qū)域煤體中，會產(chǎn)生一個因煤體破壞變形而形成的卸壓區(qū)域。打破該區(qū)域內(nèi)煤層受到的地應(yīng)力與瓦斯壓力平衡狀態(tài)，煤體原始狀態(tài)被破壞疏松，產(chǎn)生裂隙，透氣性增高，同時煤層賦存瓦斯也經(jīng)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(qū)域掩護(hù)作用下，預(yù)留一定的保護(hù)范圍，從而消除掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)的突出危險性。

2 采空區(qū)煤層卸壓有效保護(hù)范圍

2.1 概 況

該區(qū)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(jié)性流水，沖溝北部有一條公路，地面標(biāo)高+220.2—+231.1 m。該區(qū)西至92624 工作面（設(shè)計），南至西翼采區(qū)下山，東至92622 工作面，工作面標(biāo)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(qū)煤層卸壓范圍測定方案

為測定大社礦采空區(qū)煤層卸壓范圍，在92624運(yùn)料巷布置測點(diǎn)，對瓦斯含量、瓦斯壓力和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)等突出參數(shù)進(jìn)行測定，確定92623 工作面采空區(qū)卸壓范圍。測定共選擇3 個測點(diǎn)，布置3組鉆孔。測點(diǎn)1 和測點(diǎn)2 各施工6 個鉆孔，鉆孔開孔間距為0.5 m；測點(diǎn)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(jìn)工作面測點(diǎn)1、測點(diǎn)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(jìn)工作面測點(diǎn)3 鉆孔布置示意Fig.2 Layout of No.3 measuring point in No.92624 heading face

當(dāng)鉆孔施工到預(yù)定位置時，取樣測定煤層瓦斯含量W、鉆屑解吸指標(biāo)Δh2。根據(jù)煤層瓦斯含量與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)的測試結(jié)果，依據(jù)有關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合保護(hù)煤柱和掘進(jìn)工作面的寬度，初步判定采空區(qū)側(cè)向卸壓范圍。

2.3 測定結(jié)果及分析

根據(jù)實(shí)際測量，測點(diǎn)1、測點(diǎn)2 和測點(diǎn)3 的煤樣實(shí)測瓦斯含量、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2和反演的瓦斯壓力數(shù)據(jù)見表1～表3。

表1 測點(diǎn)1 測試數(shù)據(jù)Table 1 Test data of measuring point 1

表2 測點(diǎn)2 測試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of measuring point 2

表3 測點(diǎn)3 測試數(shù)據(jù)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(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)，分析殘余瓦斯含量與實(shí)體煤距采空區(qū)距離的變化關(guān)系，如圖3 所示。

圖3 殘余瓦斯含量與距采空區(qū)距離的關(guān)系Fig.3 Relationship between residual gas content and distance from goaf

該地區(qū)各測點(diǎn)煤層殘余瓦斯含量距采空區(qū)不同距離對應(yīng)的下降率見表4。

表4 各測點(diǎn)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(biāo)△h2變化特征

鉆屑解吸指標(biāo)△h2與采空區(qū)距離的關(guān)系如圖4所示。

圖4 鉆屑解吸指標(biāo)與采空區(qū)距離的關(guān)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(diǎn)所測瓦斯含量反算瓦斯壓力與采空區(qū)距離的變化關(guān)系如圖5 所示，隨距采空區(qū)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(qū)距離的關(guān)系Fig.5 Relationship between residual gas pressure and goaf distance

2.4 采空區(qū)煤層有效保護(hù)范圍確定

測點(diǎn)1 測定結(jié)果表明，距離采空區(qū)30 m 范圍內(nèi)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(qū)30 m 范圍內(nèi)實(shí)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(biāo)臨界值7.82 m3/t和0.72 MPa。測得鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2在20～80 Pa，小于礦井突出預(yù)測指標(biāo)臨界值190 Pa。殘余瓦斯含量下降率在51%以上。

測點(diǎn)2 測定結(jié)果表明，距采空區(qū)30 m 范圍內(nèi)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(diǎn)3 測定結(jié)果表明，距離采空區(qū)40 m 范圍內(nèi)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(qū)40 m 范圍內(nèi)實(shí)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(biāo)臨界值。測得鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2在20～80 Pa，小于礦井突出預(yù)測指標(biāo)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(yù)測參數(shù)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(qū)臨近。92624 工作面運(yùn)料巷為沿空掘巷，沿92623 工作面采空區(qū)掘進(jìn)。因此以92624 工作面運(yùn)料巷為采空區(qū)沿空掘巷有效保護(hù)范圍驗證考察地點(diǎn)。測定92624 運(yùn)料巷掘進(jìn)期間的突出預(yù)測參數(shù)。因沿掘進(jìn)方向右側(cè)相鄰采空區(qū)，故向掘進(jìn)工作面施工3 個φ42 mm 鉆孔，垂直實(shí)體煤一側(cè)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(diǎn)控制掘進(jìn)方向巷道斷面左側(cè)輪廓線外2～4 m；2 號鉆孔位于掘進(jìn)巷道斷面中部，平行于掘進(jìn)方向，相對腰線下斜，預(yù)測下方煤體；3 號鉆孔位于2 號孔右側(cè)，平行于掘進(jìn)方向；4 號鉆孔垂直實(shí)體煤一側(cè)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(yù)測指標(biāo)測量鉆孔布置示意Fig.6 Prominent prediction index measurement borehole layout

分別選取3 個地點(diǎn)施工鉆孔，測試參數(shù)。

3 個測點(diǎn)鉆屑解吸指標(biāo)隨取樣深度變化如圖7所示。

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

由7 可知，92624 運(yùn)料巷掘進(jìn)期間的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)數(shù)值與孔深的相關(guān)性較弱，隨孔深增加解吸指標(biāo)增加幅度較小。實(shí)測鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)數(shù)值變化范圍為0～60 Pa，小于大社礦的工作面突出危險性預(yù)測指標(biāo)臨界值190 Pa。

4 結(jié)語

綜合以上分析，測點(diǎn)1 和測點(diǎn)2 距采空區(qū)30 m 范圍內(nèi)、測點(diǎn)3 距采空區(qū)40 m 范圍內(nèi)實(shí)體煤的殘余瓦斯含量、間接瓦斯壓力和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)均小于大社礦所考察結(jié)論的突出預(yù)測指標(biāo)臨界值。測點(diǎn)1、測點(diǎn)2 和測點(diǎn)3 在15 m 范圍內(nèi)瓦斯含量變化較平穩(wěn)，瓦斯釋放率達(dá)到81%以上。測點(diǎn)1和測點(diǎn)2 在距采空區(qū)15 m 之后瓦斯含量出現(xiàn)了明顯的增速，測點(diǎn)3 在距采空區(qū)20 m 后瓦斯含量出現(xiàn)了明顯的增速。根據(jù)以上測試數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，確定92623 工作面采空區(qū)卸壓范圍為15 m。該研究可為其他類似礦井提供借鑒。