煤巷卸壓帶寬度考察研究

侯建功

（焦作煤業(yè)（集團(tuán)）新鄉(xiāng)能源有限公司趙固一礦，河南 新鄉(xiāng) 453633）

基于此，結(jié)合礦井實(shí)際，采取煤層瓦斯含量法、鉆屑法以及鉆孔應(yīng)力法相結(jié)合的方式，綜合考察確定巷道卸壓帶寬度，為礦井合理布置巷道提供依據(jù)。

1 巷道暴露時(shí)間對(duì)卸壓帶寬度的影響

煤壁瓦斯排放過(guò)程在理論上是無(wú)限的，但實(shí)際上，在經(jīng)歷一定暴露時(shí)間后，巷道瓦斯涌出量保持最大穩(wěn)定值。陳大力、郭凡進(jìn)[3]等通過(guò)對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出，焦作礦區(qū)高變質(zhì)無(wú)煙煤巷道預(yù)排瓦斯等值寬度與巷道暴露時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系：H=（13.85×0.018 3t）/（1+0.018 3t）。計(jì)算煤壁暴露1500 d 巷道預(yù)排瓦斯等值寬度，并繪制變化曲線如圖1。

圖1 巷道預(yù)排瓦斯等值寬度隨時(shí)間變化情況

由圖1 可見(jiàn)，高變質(zhì)程度煤體巷道預(yù)排瓦斯等值寬度在160 d 以內(nèi)呈快速增大趨勢(shì)，之后緩慢增大，在360 d 后逐漸趨于穩(wěn)定。巷道預(yù)排瓦斯范圍存在極限寬度，且極限寬度出現(xiàn)在巷道煤壁暴露1年以上。

巷道卸壓帶寬度受煤層原始瓦斯含量、煤壁暴露時(shí)間、巷道規(guī)格、支護(hù)形式等多種因素影響，特別是礦井為適應(yīng)高產(chǎn)高效采取大斷面巷道規(guī)格，相較于以往巷道其卸壓帶寬度勢(shì)必進(jìn)一步擴(kuò)大，但最終卸壓范圍存在極限寬度，其結(jié)果并不會(huì)隨煤壁暴露時(shí)間延長(zhǎng)無(wú)限增大。鑒于巷道卸壓帶寬度隨時(shí)間變化的特性，為進(jìn)一步提高測(cè)定結(jié)果運(yùn)用的安全性和可靠性，在巷道卸壓帶內(nèi)掘進(jìn)時(shí)，相鄰巷道成巷時(shí)間應(yīng)大于考察區(qū)域巷道成巷時(shí)間，或相鄰巷道成巷時(shí)間在1 年以上。

2 巷道卸壓帶寬度考察方法

巷道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，也不能單一通過(guò)某一種方法確定，必須通過(guò)應(yīng)用幾種方法結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際綜合確定。

2.1 瓦斯參數(shù)法

煤層采掘活動(dòng)會(huì)使原始地應(yīng)力和煤層瓦斯壓力之間的平衡狀態(tài)遭到破壞，最終在圍巖內(nèi)形成一定范圍的卸壓區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)煤體破裂疏松、透氣性較大、瓦斯含量大幅度降低。采取現(xiàn)場(chǎng)考察測(cè)定瓦斯參數(shù)（瓦斯含量、抽采參數(shù)、鉆屑參數(shù)）沿煤壁深度的變化情況，則可從側(cè)面反映巷幫實(shí)體煤應(yīng)力變化，從而劃分巷道卸壓帶寬度。

2.2 鉆孔應(yīng)力法

受煤層巷道掘進(jìn)影響，巷道周圍煤體應(yīng)力短時(shí)間內(nèi)處于動(dòng)壓變化狀態(tài)[4]。巷道成巷初期，在距煤壁不同深度處埋設(shè)鉆孔應(yīng)力計(jì)，則可連續(xù)觀測(cè)到動(dòng)壓影響作用下圍巖應(yīng)力變化過(guò)程[5]，即隨著巷道卸壓區(qū)域向煤體深部逐漸延伸，應(yīng)力計(jì)埋設(shè)深度由淺及深依次呈現(xiàn)應(yīng)力升高—穩(wěn)定—下降—穩(wěn)定的變化過(guò)程。當(dāng)距煤壁一定深度位置處應(yīng)力升高并趨于穩(wěn)定而不下降，其以深位置應(yīng)力持續(xù)保持穩(wěn)定，則該深度即為巷道應(yīng)力集中區(qū)，其以淺區(qū)域?yàn)樾秹簠^(qū)，以深區(qū)域?yàn)樵瓗r應(yīng)力區(qū)。若巷道成巷時(shí)間較長(zhǎng)，巷道圍巖應(yīng)力已趨于穩(wěn)定，則在施工鉆孔（埋設(shè)應(yīng)力計(jì)）影響下產(chǎn)生蠕變變形，應(yīng)力集中區(qū)觀測(cè)應(yīng)力變化峰值及變化幅度將明顯高于卸壓區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道卸壓帶寬度測(cè)定的目的。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及考察

3.1 考察地點(diǎn)概況

為保證煤層巷道卸壓帶寬度測(cè)定的可靠性，試驗(yàn)地點(diǎn)選擇應(yīng)盡量避開(kāi)斷層和褶皺等地質(zhì)構(gòu)造帶，且與硐室、鉆場(chǎng)間隔20 m 以上。本次考察區(qū)域劃定在14030 回風(fēng)巷停采線以外，煤層埋深約790 m，巷道成巷時(shí)間已近4 年。試驗(yàn)區(qū)域煤層穩(wěn)定，平均厚度6.5 m，實(shí)測(cè)煤層原始瓦斯含量4.26～5.09 m3/t。

由于目前尚無(wú)從實(shí)體腫瘤中分離純化出的CSCs的可靠方法，因此，本研究采用前期構(gòu)建的細(xì)胞自我更新基因Piwil2重編程人成纖維細(xì)胞形成具有自我更新、多向分化、細(xì)胞異型性和高致瘤性的Piwil2誘導(dǎo)腫瘤干細(xì)胞（Piwil2-iCSCs）作為CSC細(xì)胞模型［22-23］，研究其來(lái)源的外泌體對(duì)人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞（huMSCs）增殖、遷移、侵襲等生物學(xué)行為和細(xì)胞異質(zhì)性的影響，為明確腫瘤轉(zhuǎn)移發(fā)生機(jī)制及治療奠定基礎(chǔ)。

3.2 考察鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本次巷道卸壓帶寬度選擇煤層瓦斯含量法、鉆屑法、鉆孔應(yīng)力法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)定，采用多種方法進(jìn)行綜合評(píng)判。

在測(cè)定地點(diǎn)距上順槽回風(fēng)眼25 m 位置，施工一組6 個(gè)Φ42 mm 順層鉆孔，單孔長(zhǎng)度21 m，鉆孔間距3 m。鉆孔施工期間，自孔深3～5 m 位置開(kāi)始，每間隔3 m 分別測(cè)定鉆屑量S和鉆孔瓦斯涌出初速度q值，并采集煤樣測(cè)定瓦斯含量。在鉆孔施工結(jié)束后，在1#～6#鉆孔孔深6 m、9 m、12 m、15 m、18 m、21 m 處，埋設(shè)鉆孔應(yīng)力計(jì)，連續(xù)30 d 觀測(cè)圍巖應(yīng)力變化。鉆孔應(yīng)力計(jì)安設(shè)位置如圖2。

圖2 鉆孔應(yīng)力計(jì)測(cè)定法示意圖

3.3 瓦斯參數(shù)測(cè)定結(jié)果分析

（1）瓦斯含量法測(cè)定結(jié)果分析

根據(jù)礦井瓦斯地質(zhì)圖，該區(qū)域位于瓦斯含量等值線4～6 m3/t 之間。在鉆孔施工期間，共計(jì)采集并測(cè)定6 個(gè)鉆孔34 個(gè)煤樣，瓦斯含量2.05～5.82 m3/t，平均3.01 m3/t，試驗(yàn)區(qū)域瓦斯含量整體穩(wěn)定。瓦斯含量測(cè)定結(jié)果隨鉆孔深度分布情況見(jiàn)圖3。

由圖3 可見(jiàn)，瓦斯含量測(cè)定結(jié)果隨鉆孔深度的增加呈現(xiàn)整體增大趨勢(shì)，并在孔深15 m 位置明顯升高，在17 m 位置達(dá)到峰值。同時(shí)結(jié)合瓦斯地質(zhì)規(guī)律，若以瓦斯含量大于4 m3/t 為指標(biāo)劃定巷道卸壓帶范圍，則距煤壁15 m、16 m、19 m 共計(jì)三個(gè)測(cè)點(diǎn)瓦斯含量符合條件，分別為4.13 m3/t、5.82 m3/t 、5.02 m3/t。綜上根據(jù)瓦斯含量法測(cè)定結(jié)果分析，巷道應(yīng)力集中帶為距煤壁15 m 以深位置。

圖3 瓦斯含量測(cè)定結(jié)果隨鉆孔深度分布情況

（2）鉆屑法測(cè)定結(jié)果分析

結(jié)合瓦斯含量測(cè)定結(jié)果，試驗(yàn)區(qū)域瓦斯含量整體偏低，鉆孔施工期間測(cè)定瓦斯涌出初速度q值均小于1.5 L/min，即瓦斯涌出初速度判定指標(biāo)不敏感。同時(shí)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2值測(cè)定結(jié)果多為0，僅2#、5#鉆孔部分孔深位置得到測(cè)定數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。在鉆孔深度16 m 以深位置，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2值明顯升高并達(dá)到峰值，分析巷道應(yīng)力集中帶為距煤壁16 m 以深位置。

表1 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2 測(cè)定結(jié)果

根據(jù)鉆屑量S測(cè)定結(jié)果沿孔深整體呈現(xiàn)線性上升趨勢(shì)，但2#、4#、5#鉆孔分別在孔深16 m、16 m、17 m 位置出現(xiàn)明顯升高，偏離回歸曲線，且4#鉆孔在18 m 位置鉆進(jìn)困難。因此結(jié)合鉆屑量S測(cè)定結(jié)果分析，巷道應(yīng)力集中帶為距煤壁16～18 m 以深位置。鉆孔的鉆屑量S與孔深關(guān)系曲線圖如圖3。

3.4 鉆孔應(yīng)力測(cè)定結(jié)果分析

鉆孔施工結(jié)束后，在1#～6#鉆孔孔深6 m、9 m、12 m、18 m、15 m、21 m 位置分別埋設(shè)鉆孔應(yīng)力計(jì)，應(yīng)力計(jì)初始施加應(yīng)力為2.0～4.0 MPa。鉆孔平均應(yīng)力變化情況如圖4。

圖4 部分鉆孔不同孔深鉆屑量變化情況

由圖5 可見(jiàn)，各應(yīng)力計(jì)與孔壁初始接觸承壓后，受鉆孔變形影響，應(yīng)力計(jì)釋放部分應(yīng)力，使得觀測(cè)結(jié)果初期呈現(xiàn)小幅下降。隨著觀測(cè)時(shí)間延長(zhǎng)，鉆孔圍巖應(yīng)力趨于穩(wěn)定，應(yīng)力觀測(cè)結(jié)果基本保持不變。然而15 d 后，不同深度應(yīng)力計(jì)變化情況出現(xiàn)差異：孔深6～15 m 位置圍巖應(yīng)力呈現(xiàn)不同程度的緩慢下降；孔深18 m 位置圍巖應(yīng)力在16～20 d 時(shí)，應(yīng)力由1.8 MPa 升高至峰值1.89 MPa，而后下降至1.82 MPa，并呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)；孔深21 m 位置圍巖應(yīng)力下降時(shí)間晚于其他鉆孔，5 d 后由3.8 MPa 降至3.7 MPa，20 d 后則再次恢復(fù)至3.8 MPa。

圖5 鉆孔平均應(yīng)力變化情況

在卸壓區(qū)，煤體應(yīng)力下降較小幅度后隨鉆孔變形停止保持穩(wěn)定狀態(tài)，如孔深6～15 m 位置應(yīng)力曲線所示；在應(yīng)力集中區(qū)，鉆孔將進(jìn)一步承壓變形直至穩(wěn)定，煤體應(yīng)力呈現(xiàn)小幅向上波動(dòng)并穩(wěn)定，最終應(yīng)力略微大于一次變形后應(yīng)力，如孔深6～15 m 位置應(yīng)力曲線所示；在原始應(yīng)力區(qū)，雖受鉆孔變形卸壓應(yīng)力下降，但圍巖應(yīng)力穩(wěn)定后，應(yīng)力計(jì)承壓將恢復(fù)至變形前，如孔深21 m 位置應(yīng)力曲線所示。

綜上所述，結(jié)合應(yīng)力觀測(cè)結(jié)果分析，孔深15 m以淺位置為卸壓區(qū)，孔深18 m 附近為應(yīng)力集中區(qū)，孔深21 m 以深位置為原巖應(yīng)力區(qū)。

4 結(jié)論

（1）巷道卸壓帶寬度受煤層原始瓦斯含量、煤壁暴露時(shí)間、巷道規(guī)格、支護(hù)形式等多種因素影響，但最終卸壓范圍存在極限寬度，其結(jié)果并不會(huì)隨煤壁暴露時(shí)間延長(zhǎng)無(wú)限增大。焦作礦區(qū)高變質(zhì)程度煤層巷道煤壁暴露1 年以上時(shí)，其巷道卸壓帶寬度基本不再增大。

（2）采取瓦斯參數(shù)法考察判定巷道卸壓帶寬度為15～18 m；采取鉆孔應(yīng)力法考察判定孔深15 m以淺位置為卸壓區(qū)，孔深18 m 附近為應(yīng)力集中區(qū)，孔深21 m 以深位置為原巖應(yīng)力區(qū)。

（3）綜合分析確定礦井二1 煤層巷旁卸壓帶的寬度為15 m。為進(jìn)一步提高測(cè)定結(jié)果運(yùn)用的安全性和可靠性，在類似支護(hù)條件巷道卸壓帶內(nèi)掘進(jìn)時(shí)，相鄰巷道成巷時(shí)間應(yīng)在1 年以上。