沿采空区煤体应力变化下卸压范围研究

马杰

（冀中能源峰峰集团有限公司 大社矿，河北 邯郸 056201）

1 概 况

大社矿西翼盘区开采深度已延深至-400 m，盘区内深部煤层的瓦斯压力和瓦斯含量随埋深而升高，导致盘区深部区域掘进及回采期间煤与瓦斯突出危险性明显增加。为有效防止煤与瓦斯突出事故的发生，许多专家学者进行了深入研究，在瓦斯含量较大区域的瓦斯治理方面取得了明显效果。矿山压力理论研究表明，在已采工作面采空边缘区域，经过超前应力叠加与卸压这一过程的共同作用，在周边区域煤体中，会产生一个因煤体破坏变形而形成的卸压区域。打破该区域内煤层受到的地应力与瓦斯压力平衡状态，煤体原始状态被破坏疏松，产生裂隙，透气性增高，同时煤层赋存瓦斯也经历较长时间排放，消除了煤体可能存在的突出危险性。在形成的卸压区域掩护作用下，预留一定的保护范围，从而消除掘进区域内的突出危险性。

2 采空区煤层卸压有效保护范围

2.1 概 况

该区地面位置为乐意庄村北部，主要为耕地，有一条西北东南向冲沟，季节性流水，冲沟北部有一条公路，地面标高+220.2—+231.1 m。该区西至92624 工作面（设计），南至西翼采区下山，东至92622 工作面，工作面标高-371.9—-422.8 m，平均煤厚5.2 m，煤层走向NE，煤层倾角2°～11°，平均7°。工作面走向长688～700 m，倾斜长106 m，可采储量52.7 万t。工作面回采时间为2017 年8 月至2019 年4 月。

2.2 采空区煤层卸压范围测定方案

为测定大社矿采空区煤层卸压范围，在92624运料巷布置测点，对瓦斯含量、瓦斯压力和钻屑瓦斯解吸指标等突出参数进行测定，确定92623 工作面采空区卸压范围。测定共选择3 个测点，布置3组钻孔。测点1 和测点2 各施工6 个钻孔，钻孔开孔间距为0.5 m；测点3 施工8 个钻孔，钻孔开孔间距为0.4 m。钻孔布置如图1、图2 所示。

图1 92624 掘进工作面测点1、测点2 钻孔布置示意Fig.1 Layout of No.1 and No.2 measuring point in No.92624 heading face

图2 92624 掘进工作面测点3 钻孔布置示意Fig.2 Layout of No.3 measuring point in No.92624 heading face

当钻孔施工到预定位置时，取样测定煤层瓦斯含量W、钻屑解吸指标Δh2。根据煤层瓦斯含量与钻屑瓦斯解吸指标的测试结果，依据有关规定和标准，结合保护煤柱和掘进工作面的宽度，初步判定采空区侧向卸压范围。

2.3 测定结果及分析

根据实际测量，测点1、测点2 和测点3 的煤样实测瓦斯含量、钻屑瓦斯解吸指标△h2和反演的瓦斯压力数据见表1～表3。

表1 测点1 测试数据Table 1 Test data of measuring point 1

表2 测点2 测试数据Table 2 Test data of measuring point 2

表3 测点3 测试数据Table 3 Test data of measuring point 3

2.3.1 残余瓦斯含量变化特征

通过整理各测点实测数据，分析残余瓦斯含量与实体煤距采空区距离的变化关系，如图3 所示。

图3 残余瓦斯含量与距采空区距离的关系Fig.3 Relationship between residual gas content and distance from goaf

该地区各测点煤层残余瓦斯含量距采空区不同距离对应的下降率见表4。

表4 各测点所测残余瓦斯含量下降率（%）Table 4 The decrease rate of residual gas content in each measuring point(%)

2.3.2 钻屑解吸指标△h2变化特征

钻屑解吸指标△h2与采空区距离的关系如图4所示。

图4 钻屑解吸指标与采空区距离的关系Fig.4 Relationship between the desorption index of drilling cuttings and the distance of goaf

2.3.3 瓦斯压力变化特征

各测点所测瓦斯含量反算瓦斯压力与采空区距离的变化关系如图5 所示，随距采空区边缘距离的增大呈增大的变化趋势。

图5 残余瓦斯压力与采空区距离的关系Fig.5 Relationship between residual gas pressure and goaf distance

2.4 采空区煤层有效保护范围确定

测点1 测定结果表明，距离采空区30 m 范围内煤层残余瓦斯含量在0.83～5.86 m3/t，通过瓦斯含量反演瓦斯压力，得出煤层残余瓦斯压力为0.06～0.41 MPa。因此，在92623 工作面采空区30 m 范围内实体煤残余瓦斯含量和残余瓦斯压力均小于大社矿瓦斯含量与瓦斯压力指标临界值7.82 m3/t和0.72 MPa。测得钻屑瓦斯解吸指标△h2在20～80 Pa，小于矿井突出预测指标临界值190 Pa。残余瓦斯含量下降率在51%以上。

测点2 测定结果表明，距采空区30 m 范围内煤层残余瓦斯含量在0.56～5.6 m3/t，通过瓦斯含量反演瓦斯压力，得出煤层残余瓦斯压力为0.037～0.35 MPa，残余瓦斯含量下降率在53%以上。

测点3 测定结果表明，距离采空区40 m 范围内煤层残余瓦斯含量在0.75～5.44 m3/t，通过瓦斯含量反演瓦斯压力，得出煤层残余瓦斯压力为0.03～0.33 MPa。因此，在92623 工作面采空区40 m 范围内实体煤残余瓦斯含量和残余瓦斯压力均小于大社矿瓦斯含量与瓦斯压力指标临界值。测得钻屑瓦斯解吸指标△h2在20～80 Pa，小于矿井突出预测指标临界值190 Pa。残余瓦斯含量下降率在54%以上。

3 沿空送巷突出预测参数分布研究

92624 工作面为新布置工作面，位置与92623工作面采空区临近。92624 工作面运料巷为沿空掘巷，沿92623 工作面采空区掘进。因此以92624 工作面运料巷为采空区沿空掘巷有效保护范围验证考察地点。测定92624 运料巷掘进期间的突出预测参数。因沿掘进方向右侧相邻采空区，故向掘进工作面施工3 个φ42 mm 钻孔，垂直实体煤一侧增加施工1 个φ42 mm 钻孔，并编号1、2、3、4，开孔高度为0.5～1 m。1 号钻孔开孔距巷道左帮0.5 m 处，1 号钻孔终孔点控制掘进方向巷道断面左侧轮廓线外2～4 m；2 号钻孔位于掘进巷道断面中部，平行于掘进方向，相对腰线下斜，预测下方煤体；3 号钻孔位于2 号孔右侧，平行于掘进方向；4 号钻孔垂直实体煤一侧施工；1、2、3、4 号孔孔深均为10 m。钻孔施工平面如图6 所示。

图6 突出预测指标测量钻孔布置示意Fig.6 Prominent prediction index measurement borehole layout

分别选取3 个地点施工钻孔，测试参数。

3 个测点钻屑解吸指标随取样深度变化如图7所示。

图7 钻屑瓦斯解吸指标随取样深度变化规律Fig.7 The variation lawof drilling cuttings gas desorption index with sampling depth

由7 可知，92624 运料巷掘进期间的钻屑瓦斯解吸指标数值与孔深的相关性较弱，随孔深增加解吸指标增加幅度较小。实测钻屑瓦斯解吸指标数值变化范围为0～60 Pa，小于大社矿的工作面突出危险性预测指标临界值190 Pa。

4 结语

综合以上分析，测点1 和测点2 距采空区30 m 范围内、测点3 距采空区40 m 范围内实体煤的残余瓦斯含量、间接瓦斯压力和钻屑瓦斯解吸指标均小于大社矿所考察结论的突出预测指标临界值。测点1、测点2 和测点3 在15 m 范围内瓦斯含量变化较平稳，瓦斯释放率达到81%以上。测点1和测点2 在距采空区15 m 之后瓦斯含量出现了明显的增速，测点3 在距采空区20 m 后瓦斯含量出现了明显的增速。根据以上测试数据及分析结果，确定92623 工作面采空区卸压范围为15 m。该研究可为其他类似矿井提供借鉴。