0 引言
突出煤层煤巷掘进受工作面煤层瓦斯及围岩应力的双重影响，实现工作面前方及两侧一定范围煤层应力、瓦斯的双重卸压，是保障煤巷安全高效掘进的关键条件。国内外开采实践表明，工作面回采破坏了围岩的应力平衡状态，产生了采掘空间侧向煤岩体应力集中，导致了煤岩体的塑性破坏，促使集中应力不断向煤岩内部转移，形成了回采空间附近一定范围煤岩体的卸压破坏，增加了该区域煤体透气性、加快了瓦斯排放，在工作面回采一段时间后将形成沿该煤层层面一定宽度的卸压保护带[1,2]。该卸压排放带，通过瓦斯的有效排放，基本相当于区域防突措施的实施。基于此原理，沿空掘巷技术（或留小煤柱技术）在我国煤巷掘进高地应力、突出防治方面已得到广泛应用。因此，研究确定突出煤层采空区侧向卸压排放带宽度，对指导工作面区域防突措施的实施，实现煤巷款速掘进具有重大意义。
本文以祁东煤矿9煤层研究对象，在对采空区侧向应力分布规律分析的基础上，通过对921工作面采空区侧向钻孔不同深度钻屑量、钻屑解吸指标及瓦斯含量变化规律研究，结合现场掘进实践，确定了9煤层回采后卸压排放带宽度，为该矿9煤层工作面煤柱合理宽度的留设及瓦斯综合治理措施的制定提供依据。
1 工作面基本情况
祁东煤矿9煤为突出煤层，921工作面9煤层平均厚度3.5m，平均倾角12°，最大原始瓦斯含量为7.84m3/t，坚固性系数0.16，透气系数0.0429(m2/MPa2.d)。工作面采用“一面两巷”的布置方式，即921风巷、921机巷；921风巷处于上覆82煤层的有效卸压保护范围内，921机巷为沿空掘巷，与相邻922采空区留设6m煤柱，921机巷（外段）260m范围处于上覆82煤层的有效卸压保护范围外。巷道为矩形断面，采用锚网支护。工作面采用一次采全高后退式开采工艺，全部垮落法管理顶板。
2 采空区侧向应力分布规律分析
2.1采空区侧向应力分析特征
工作面一侧采空后，受开采影响工作面侧向煤体应力重新分布[3,4]。根据煤体破坏程度及应力分布状态，可分为破裂区（Ⅰ）、塑性区（Ⅱ）、峰后应力增高区（Ⅲ）和原岩应力区（Ⅳ）。各区域内煤体的应力、瓦斯压力都呈现不同变化特征，如图1所示。
图1 采空区侧向支承压力分布示意图
(1) 破裂区、塑性区均为瓦斯卸压区，该部分为煤体最先发生变形，裂隙不断扩张，岩体强度显著下降，应力向回采方向煤体内部转移。在卸压区中煤体透气性系数增大，瓦斯压力较低且梯度比较平缓。
(2) 峰后应力增高区随着煤壁不断变形，深部煤体承受压力增大，产生应力集中。该部分煤体密实度增大，透气性系数随之降低，瓦斯得不到释放，压力增大。
(3) 原岩应力区该部分煤体离工作面较远，不受工作面采动影响，煤体仍处于原岩应力状态。该部分煤体内，瓦斯压力及透气性系数处于稳定状态。
煤体回采后，在回采工作面空间界面附近形成应力集中，当应力集中达到煤体极限强度后，煤体发生屈服变形破坏，集中应力向深部转移且变形破坏向深部发展，经过一段时间集中应力演化后，形成一定宽度的卸压区，该区域煤层裂隙发育、透气性增加，大量的瓦斯通过裂隙逸散，瓦斯含量降低，最终形成回采工作面邻空卸压排放带，卸压带常被认为是无突出危险区[5]。
2.2 窄煤柱巷道对采空区排放带影响
研究表明，巷道煤壁内的瓦斯涌出量绝大部分在煤壁暴露初期[6]，即暴露的前1个月瓦斯涌出上升幅度最大，前2个月瓦斯涌出总量在70%以上；当煤壁暴露3～5个月时，瓦斯涌出量达最大值，随时间的延长，巷道瓦斯涌出量趋于稳定，瓦斯排放带宽度不再增加。目前煤巷瓦斯排放带宽度的确定以经验公式估算和现场考察为主，一般可用以下经验公式计算：
(1) 对于低变质煤：
L=0.808T0.55
(2) 对于高变质煤：
L=13.85×0.0183×T/(1+0.0183T)
式中：L—巷道煤壁瓦斯排放带宽度，m；
T—巷道煤壁暴露时间，d。
祁东煤矿9煤层属高变质煤，以巷道煤壁暴露时间5个月进行计算，可知巷道煤壁瓦斯排放带宽度为10.2m。根据采空区、巷道卸压排放带宽度方面的研究成果，采空区卸压排放带宽度一般远大于巷道卸压排放宽度，窄煤柱巷道掘进虽然会进一步加强巷道影响范围内的瓦斯排放效果，对采空区侧瓦斯排放带宽度值的影响较小。
3 卸压排放带宽度研究分析
3.1 考察指标的确定
钻孔瓦斯涌出初速度q反应瓦斯的大小和周边煤体的透气性；钻屑量S反应煤的物理性质和地应力大小，钻屑瓦斯解吸指标K1值反应煤层瓦斯大小和解吸速度的快慢。根据9煤层采掘工作面突出危险性预测指标敏感指标研究成果，本次选择钻屑量、钻屑瓦斯解吸指标进行采空区卸压排放范围考察，同时区域突出预测指标瓦斯含量、瓦斯压力反应煤层本身的突出危险程度。
因此，通过研究分析采空区侧不同深度钻屑量、钻屑瓦斯解吸指标及残余瓦斯含量的变化规律，研究确定采空区侧卸压排放带宽度。
3.2 考察钻孔设计
通过对窄煤柱巷道对采空区排放带影响理论分析，结合根据矿井9煤层采掘工作面采掘情况，选择在921机巷J12测点前6m沿巷道掘进方向布置一组共6个考察钻孔，间距10m，孔深20m（终孔位置与采空区距离为30.8m），顺煤层施工，布置平面如图3.1所示
图2 考察钻孔布置示意图
3.2 卸压排放带宽度确定
1）钻屑量考察分析
根据煤体内不同深度钻屑量、钻屑瓦斯解吸指标的变化规律，确定采空区周围的卸压带宽度。当某一深度发生异常动力现象或钻屑量较上一深度发生突变增大，表明已进入采掘卸压宽度以外的应力集中区，将突变点浅部指标小于突变点深部原岩应力区的钻孔深度确定为卸压宽度。
从第2m开始间隔2m测试1次钻屑量，钻屑量随孔深的变化关系如图3所示
图3 钻屑量随距采空区不同距离的变化曲线
从图3分析，钻屑量随着钻孔深度的增加基本呈增大趋势，钻孔终孔与采空区距离小于26.8m时，钻屑量随着孔深增加增幅较小，每米增幅最大为8.7%；距离为26.8～27.8m范围，钻屑量急剧增加，增幅最大为35.7%，距离大于27.8m后钻屑量基本保持稳定。钻孔终孔与采空区距离大于26.8m后，钻屑量较上一深度突然变大，表明已进入卸压宽度以外的应力集中区，即0～26.8m为卸压带宽度，该区域内钻孔施工期间未出现夹钻、顶钻等动力现象，初步确定9煤层采空区侧向卸压带宽度为26.8m。
2）钻屑量解吸指标考察分析
各钻孔每间隔2m测定一次钻屑瓦斯解吸指标，钻孔终孔与采空区不同距离钻屑瓦斯解吸指标变化关系如图4所示。
图4 钻屑量解吸指标随距采空区不同距离的变化曲线
由图4可知，钻屑瓦斯解吸指标随钻孔深度增加呈增大趋势，钻孔终孔与采空区距离小于26.8m时，随着孔深增加增幅较小，距离为26.8～27.8m时，急剧增加，距离大于27.8m后基本保持稳定。钻孔终孔与采空区距离大于26.8m后，钻屑瓦斯解吸指标较上一深度突然变大，表明已进入卸压宽度以外的应力集中区，即0～26.8m 为卸压带宽度，该区域内钻孔施工期间未出现夹钻、顶钻等动力现象，初步确定9煤层采空区侧向卸压带宽度为26.8m。
3）残余瓦斯含量考察
钻孔终孔距采空区17.8～30.8m（钻孔深度7～20m）范围内每隔3m取煤样测试煤层瓦斯含量，各钻孔不同深度瓦斯含量随孔深的变化关系如图5所示。
图5 钻孔终孔与采空区不同距离瓦斯含量变化曲线
922工作面回采完毕后，921机巷与采空区距离30.8m范围内实测9煤层残余瓦斯含量为1.61～5.24m3/t，残余瓦斯含量随钻孔深度增加呈增大趋势。该区域内9煤层最大原始瓦斯含量为7.84m3/t，经计算与采空区不同距离残余瓦斯含量下降率为33.1%～79.3%。
采空区卸压带宽度26.8m内实测残余瓦斯含量最大为4.56 m3/t，下降率最小为41.8%，该卸压区内瓦斯排放效果较好，小于《防治煤与瓦斯突出细则》提供的残余瓦斯含量指标临界值，消除了该区域内煤层突出危险。
通过对试验区采空区侧向不同深度钻屑量、钻屑解吸指标及残余瓦斯含量综合分析确定，采空区侧向26.8m范围内9煤层卸压排放效果较好，综合分析确定9煤层回采后卸压排放带宽度为26.8m。
4 采空区卸压排放效果掘进验证
为验证采空区卸压排放带宽度确定的合理性，试验区921机巷掘进期间采用钻屑量及钻屑解吸指标K1进行循环预测，预测钻孔孔深10m，孔径42mm，控制巷道两侧2～4m，掘进期间最大预测指标分布如图6所示。
图6 掘进面循环预测指标随巷道进尺的变化关系
由图6分析，1921机巷掘进期间钻屑量S为2.2～3.0kg/m、钻屑解吸指标K1值为0.06～0.15ml/g•min1/2，钻屑量及钻屑解吸指标均未出现超标现象，未出现异常瓦斯涌出现象，进一步验证采空区侧向卸压排放带卸压效果显著。
5 结论
(1) 通过对921工作面采空区侧向不同深度钻屑量、钻屑解吸指标及残余瓦斯含量综合分析，采空区侧向26.8m范围内9煤层卸压排放效果较好，确定9煤层回采后卸压排放带宽度为26.8m。
(2) 沿空掘进期间实测钻屑量及钻屑解吸指标均小于指标临界值，且未出现瓦斯异常涌出现，验证了采空区侧卸压排放带宽度的合理性，为类似条件下9煤层工作面的设计及瓦斯综合治理提供依据。
参考文献
[1]赵志华.孤岛工作面瓦斯渗透规律与排放宽度研究[J].煤矿现代化,2020,No.154(01):61-64.
[2]徐锟,李鹏,倪兴.高山煤矿9号煤层开采后采空区卸压有效范围考察研究[J].内蒙古煤炭经济,2020(07):33-34.
[3] [1]孙志国.瓦斯排放带宽度相关参数测试及其数值模拟分析[J].山西化工,2019,39(01):33-35+46.
[4]徐遵玉.新集二矿1#煤层开采采空区侧向卸压瓦斯排放宽度研究[J].煤矿安全,2018,49(02):159-162.
[5]孙锐.基于有限流场的瓦斯卸压排放带宽度确定方法[J].沈阳理工大学学报,2018,37(03):80-85.
[6]孙志国.瓦斯排放带宽度相关参数测试及其数值模拟分析[J].山西化工,2019,39(01):33-35+46.
作者简介 方晓蕾（1988—），男，汉族，工程师，毕业于安徽理工大学安全工程专业，从事煤矿安全生产全管理工作。