小煤柱护巷技术在突出煤层煤巷快速掘进中的应用

蔡振鑫

（华阳新材料科技集团新元公司，山西 阳泉045000）

寺家庄矿作为阳泉矿区典型高突矿井，自2005年建井至今在尚未达产条件下已累计发生大小突出21次，其中掘进工作面的突出次数最多，占突出次数的80%以上，打钻过程中多次出现打钻喷孔、夹钻等动力现象。为了避免与突出煤层“短兵相接”，矿井大部分煤巷采用“以岩保煤”的瓦斯治理手段，即在突出煤层下方布置一条底抽巷保护上方两条煤巷，取得了不错的效果，但掘进一条底抽巷高昂的经济与时间成本对于已经形成的孤岛的15106工作面而言不太适宜，因此矿井亟需改革传统的宽煤柱掘进工艺，探索小煤柱护巷及配套的防突措施与瓦斯治理技术，以达到消突及快速掘进的目的。

1 小煤柱护巷理论研究基础

井下采煤作业破坏了原始地层的应力平衡状态，使煤体中的应力重新分布。一般情况下，在采空区形成的较短时间内，首先在采空区煤壁侧形成较高的集中应力（支撑应力），当应力集中值达到煤体的强度极限后，该部分煤体首先发生屈服变形，使集中应力向煤体深部转移。经过一定时间后，形成卸压区、应力集中区和原始应力区，如图1所示。根据沿空掘巷理论，把巷道布置在卸压区中，巷道受到的应力小，巷道变形较小，巷道的支护和维护得到改善，该区域内煤体能量已被释放，瓦斯卸压，发生煤与瓦斯突出几率降低。

2 应力卸压区宽度数值模拟

为得到支撑应力移动后煤壁侧“三区”分布情况，以孤岛工作面15106的煤层地质条件为背景，运用有限差分程序FLAC3D进行数值模拟计算。建模时模型上部边界施加11.75 MPa的垂直应力，模拟深度470 m，模型下部及左右均为固定边界，模拟相邻工作面15104回采过程，每次推进10 m，每500步保存一次直至平衡，期间15104工作面顶板出现岩层破断、回转、弯曲下沉，受到毗邻工作面回采后上覆老顶剧烈活动的影响，在15106工作面沿空侧实体煤中产生了一定区域的应力波动区，分为：应力降低区、增高区和原岩应力区，15106工作面实体煤侧垂直应力云图如图2所示，垂直应力分布如图3所示。

图1 沿空侧“三区”划分示意图

图2 15106工作面实体煤侧垂直应力云图

图3 工作面实体煤侧垂直应力分布图

从垂直应力分布图可看出，受相邻工作面采动影响，15106工作面实体煤侧支撑应力重新分布，支撑应力峰值往实体煤侧迁移，在距采空区约19 m位置达到最高27.4 MPa，在距采空区38 m以外区域恢复至原岩应力，在距采空区0~12 m区域形成应力降低区，按照小煤柱护巷理论，煤巷应布置在距采空区0~12 m位置较为合适，鉴于15104工作面回风巷在掘进期间每隔40 m布置有深4.2 m双耳钻场，为防止误揭钻场，煤柱宽度设置为7 m，巷道宽度4.8 m，此时煤柱及煤巷均处于卸压区。

3 瓦斯卸压区范围确定

煤层的结构属孔隙-裂隙结构，煤层孔隙、裂隙的闭合程度对地应力有较强的敏感性，当地应力（支撑应力）增高时，煤层的孔隙、裂隙趋向闭合，煤层相应透气性减小，当煤体处于卸压区时，煤体的孔隙、裂隙伸张，煤层透气性将增大几个数量级，因此应力作用对瓦斯渗流有着较大的影响。工作面回采过程中及回采结束后，支撑应力迁移过程中在15106工作面煤壁侧形成塑形变形区，该区域内煤层透气性增加，在一定的压力梯度作用下瓦斯运移至采空区，因此在靠近采空区一定范围内形成瓦斯卸压区，瓦斯卸压区的大小与煤层的瓦斯赋存、煤质、顶底板性质及回采结束时间有关。为了准确得到15106工作面瓦斯卸压区范围，在工作面迎头布置单耳钻场施工钻孔，测定距迎头20、40、60 m位置、距采空区8、13、18、23、28 m位置处测定残存瓦斯含量指标，取每个位置所测最大值拟合成曲线，测定结果如图4所示。

图4 残存瓦斯含量梯度图

根据瓦斯含量梯度图可知，越靠近采空区残存瓦斯含量越小，在距采空区0~13 m瓦斯含量缓慢增大，13~20 m范围瓦斯含量快速增大，20 m以后瓦斯含量趋于稳定，最大为12.8 t/m3，在距采空区14.2 m处瓦斯含量达到《防治煤与瓦斯突出细则》规定的临界值8 t/m3，因此，通过实测瓦斯卸压区应为距采空区0~20 m范围，与支撑应力转移产生塑性区范围较为吻合，0~14.2 m范围应为突出危险较低区域，与支撑应力降低区范围较为吻合。

4 防突措施优化

通过分析实体煤侧支撑压力卸压区及瓦斯卸压区分布规律，得知15106工作面沿空侧存在一定范围的无突出危险区域，在无突出危险性区布置预抽钻孔势必增加不必要的钻孔工程量，影响巷道掘进效率，因此，有必要对预抽钻孔布置进行优化，达到事半功倍的目的。根据瓦斯含量梯度，煤柱位置应为瓦斯含量最小区域，若在此处布置预抽钻孔存在误穿采空区的风险，因此煤柱区域不布置钻孔；巷道正前区域位于支撑压力降低区同时也是瓦斯含量卸压区，为降低风险此处布置一个钻孔进行预抽；在巷道边缘轮廓线15 m范围内布置9个预抽钻孔，共10个预抽钻孔，钻孔总长644 m，钻孔工程量近1/3，预抽钻孔布置如图5所示。

5 效果分析

图5 优化后的预抽钻孔布置图（m）

寺家庄煤巷掘进面一般月进尺64 m，采用小煤柱护巷技术后15106工作面进风巷月进尺最高达105 m，月平均进尺82 m，月均进尺提高了28.1%；15106工作面进风巷掘进期间煤头瓦斯最大0.37%，平均0.08%，回风流瓦斯最大0.29%，平均0.17%，瓦斯涌出量为0.96～1.74 m3/min，煤巷掘进期间巷帮移近量较小，顶板下沉及底鼓现象不明显。

6 结论

1）通过数值模拟获得了支撑压力峰值迁移后“三带”分布规律，为煤柱宽度的选择提供了依据。

2）采空区0~28 m范围内残存瓦斯含量实测数据表明，在靠近采空区一定范围存在无突出危险区，其范围与支撑应力降低区范围较为吻合；瓦斯卸压区与支撑应力转移产生的塑性区范围较为吻合。

3）小煤柱护巷工程实践表明，在防突措施钻孔缩减1/3的情况下，煤巷月均进尺仍提高了28.1%，采用小煤柱护巷技术可以提高煤巷掘进效率，实现煤巷快速掘进的目的。