1、第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0320引言煤炭是我国的基础能源，我国有1/2以上的煤炭资源埋藏在千米以下，深部煤矿煤与瓦斯突出(简称“突出”)更加严重，突出机理更加复杂，仍然是一项世界性难题。特别是煤矿进入深部开采后，深部煤巷出现了以地应力为主导的或应力瓦斯复合作用的突出灾害。针对深部煤巷防突，虽然我国建立了区域和局部等2个“四位一体”综合防治煤与瓦斯突出(简称“防突”)技术体系，区域防突措施主要有开采保护层和预抽煤层瓦斯等，局部防突措施主要有短距离超前钻孔、水
2、力冲孔等。但现有防突技术主要围绕瓦斯灾害开展的，而深部煤巷突出灾害是多场耦合作用的结果，地应力成为诱发灾害的重要因素。对于无保护层开采条件的突出煤层，采用穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯后有效降低瓦斯内能，却增加了应力主导型突出危险。同时，由于煤巷条带不同区域的危险性和防突效果存在差异性，如果对整个煤巷条带区域采用同一防突技术措施，不但不能有效或高效防突，而且难以实现精准防突。鉴于此，针对深部煤巷具有瓦斯和地应力的双重危害问题，本文提出在对煤巷条带危险性进行精准划分的基础上，采用针对性的防突技术措施，对煤*重庆市自然科学基金面上项目（CSTB2022NSCQMSX0276）；国家自然科学基金面上项目（
3、52274246）深部煤巷条带双重卸压精准防突方法研究*王中华1，2(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司 瓦斯研究分院，重庆400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037)摘要：为实现深部煤巷条带区域的双重卸压精准防突，构建了煤巷突出地应力及瓦斯双重作用力能模型，通过分析煤巷条带地应力因素、瓦斯因素将其危险性划分为一般危险正常区和严重危险异常区；并针对不同危险区地应力因素、瓦斯因素，提出了采用底板岩巷卸压抽采联合水力化卸压增透的双重卸压防突技术；从而形成了深部煤巷条带双重卸压精准防突方法，并成功应用。应用表明：利用该方法后煤巷条带区域地
4、应力、瓦斯得到有效卸压，实现了深部煤巷掘进的精准防突。关键词：深部煤巷；力能模型；双重卸压；精准防突中图分类号：TD713.3文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 139 04Research on Accurate Outburst Prevention Method for Double PressureRelief in Deep Coal Roadway StripWANG Zhonghua1，2(1.Gas Research Branch,China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research
5、 Institute,Chongqing400037,China；2.National Key Laboratory of Gas Disaster Detecting,Preventing and Emergency Controlling,China CoalTechnology and Engineering Group Chongqing Research Institute,Chongqing 400037,China)Abstract:In order to realize double pressure relief and accurate outburst preventio
6、n in deep coalroadway strip,it constructed a dual force energy model of outburst in-situ stress and gas in coalroadway.It is proposed to divide the risk of coal roadway strip into normal dangerous area and seriousdangerous abnormal area by analyzing the in-situ stress factors and gas factors of coal
7、 roadway strip.Inview of the in-situ stress factors and gas factors in different dangerous areas,it proposed a doublepressure relief and anti-outburst technology,which adopts the combination of hydraulic pressure reliefand permeability enhancement of floor rock roadway pressure relief and extraction
8、.It was formed adouble pressure relief and accurate outburst prevention method for deep coal roadway strip and appliedsuccessfully.The application shows that the in-situ stress and gas in the coal roadway strip can beeffectively relieved by using this method,and it realized t accurate outburst preve
9、ntion of deep coalroadway strip.Key words:deep coal roadway；force energy model；double pressure relief；accurate outburst prevention139第42卷第02期深部煤巷条带双重卸压精准防突方法研究王中华Vol.42 No.02巷条带瓦斯危害、地应力危害进行双重卸压精准防突，构建煤巷条带双重卸压精准防突方法，以期为类似条件矿井提供借鉴和参考。1深部煤巷突出“力-能”模型构建深部煤巷突出的能量主要来自顶板弹性势能Ed、底板弹性势能Ef、煤体弹性势能Em和煤体的瓦斯内能Ew。煤巷
10、开挖前，煤岩体内储存的能量处于平衡状态。当煤巷开挖后，能量均向煤壁空间传递，如图1（a）所示，致使煤壁前方形成1个极限平衡区，其力学特点，如图1（b）所示。（a）能量转移（b）力学作用图1煤巷突出瓦斯及地应力双重作用“力-能”模型该极限平衡区可分为3个区域：分别为A-低极限应力区；B-高塑性变形区；C-弹性状态区。在区域A，由于煤岩体遭到破坏，能量处于低能级，煤体受到很高的侧向力。此后，能量由区域B传递至区域A，从而导致区域B的煤体遭到破坏、瓦斯得以解吸。当大量瓦斯解吸时，瓦斯搬运抛出煤体，则发生瓦斯主导型煤巷突出；当瓦斯解吸量较少，瓦斯搬运抛出煤体不明显，则发生地应力主导型煤巷突出。2深部煤
11、巷双重卸压精准防突方法2.1方法的提出根据煤巷突出力能模型可知，通过降低煤岩层的弹性势能和煤层的瓦斯内能等致灾能量，进而降低地应力和瓦斯的致灾作用力，可实现煤巷条带区域卸压消突的目的。基于此，提出同时消除地应力危害和瓦斯危害的防突思想，并从煤巷条带危险区划分、防突技术选择等2个方面提出了“精准双重卸压防突方法”，如图2所示。图2煤巷条带双重卸压精准防突方法具体介绍如下：（1）煤巷条带突出危险性区域划分首先根据煤巷条带区域的瓦斯因素、地应力因素的差异性，对煤巷条带区域进行块段划分；然后根据煤层突出危险性大小、地质条件正异常情况等因素，对块段进一步划分为一般危险正常区和严重危险异常区。（2）煤巷条
12、带防突技术选择针对不同危险区域，提出采用底板巷卸压、瓦斯抽采及水力化技术相结合的双重卸压防突技术。2.2煤巷条带危险性区域划分（1）地应力因素地应力主要有煤巷条带区域自重应力、断层和褶曲等地质构造产生的构造应力以及工作面回采后采空区临空侧煤柱产生的结构应力等组成，其计算方法如下：根据煤巷条带区域的埋藏深度以及煤层赋存变化，综合确定煤巷条带区域的自重应力z=H（1）式中上覆岩层容重，N/m3；H煤巷埋深，m。煤巷条带区域主要地质构造为断层、褶曲及煤层厚度变化带。可以根据煤巷条带区域距离地质构造的距离，确定煤巷条带区域应力增量，计算得出应力集中系数k1，最终得到煤巷条带区域的构造应力g=（1k1）
13、z（2）式中k1地质构造引起应力集中系数。煤巷条带区域的结构应力主要有采空区临空造成的，可以根据煤巷条带区域距离采空区的距离，确定煤巷条带区域应力增量，计算得出采空区临空的煤巷条带区域的应力集中系数k2，最终得到煤巷条带区域的结构应力j=（1k2）z（3）式中k2采空区临空造成的应力集中系数。煤巷条带区域的地应力主要是由上述3部分应力叠加的结果，但不是3者的代数和，因为在计算构造应力、结构应力的过程中，本身含有自重应力。因此，为避免自重应力的重复计算，计算构造应力、结构应力时，减去自重应力只取其应力增量；然后3者相加，即可得出煤巷条带区域的地应力d=Hk1zk2z（4）如果不同区域的地应力大小
14、相差1倍及以上时，将其划分为2个块段。块段内，采用多因素耦合分析法，将块段进一步煤巷条带划分为一般危险正煤巷Ed顶板底板极限平衡区EwEf煤巷围岩应力C弹性状态区B高塑性变形区A低极限应力区CB煤巷条带危险性块段划分地应力因素突出危险性底板巷卸压正异常情况水力化技术瓦斯抽采瓦斯因素块段内精准分区双重卸压防突技术选择地应力、抽采达标煤巷掘进否是EmA140常区和严重危险异常区，即断层、褶曲、煤层厚度、倾角及夹矸厚度急剧变化、煤柱影响区、采空区临空巷道等区域，则划为严重危险异常区，其他区域划为一般危险正常区。（2）瓦斯因素由于煤巷条带不同区域存在抽采时间、煤层厚度差异性，需根据抽采时间、煤层厚度划
15、分不同块段。根据抽采时间划分块段时，块段一般不小于200 m；根据煤层厚度划分块段时，煤层厚度相近的区域划分为1个块段，煤厚变化超过1倍时，划分为2个块段。块段内，根据瓦斯压力、瓦斯含量、煤的坚固性系数和地质构造情况，将煤巷条带区域划分为一般危险正常区、严重危险异常区，如表1所示。表1煤巷条带突出危险性精准分区表2.3双重卸压防突技术选择（1）技术的提出针对地应力和瓦斯双重危害，本文根据保护层开采的卸压原理，提出一种底板巷双重卸压抽采技术，该技术将底板岩巷布置在待掘煤巷正下方26倍巷道直径的范围内，对上覆煤岩层进行卸压，提前降低煤岩层的弹性性能、增加待掘煤巷条带煤层的透气性；同时，结合穿层钻孔
16、抽采煤巷条带卸压瓦斯降低煤层的瓦斯内能，使地应力与瓦斯的双重卸压，如图3所示。图3底板巷卸压抽采技术D.底板岩巷的直径采用底板巷双重卸压抽采技术后，煤巷条带未卸压区的地应力仍需要进一步卸除，则采用水力化技术进一步降低地应力危害，当煤的坚固性系数f0.5时(软煤区域)采用水力扩孔技术，当煤的坚固性系数f0.5时(硬煤区域)采用水力割缝技术，从而使煤巷条带区域的地应力、瓦斯均实现卸压达标，如图4所示。图4双重卸压防突技术h.底板岩巷顶板距离待掘煤巷底板的铅直距离（2）防突流程采用底板岩巷卸压和水力化技术消除地应力危害，采用穿层钻孔抽采消除瓦斯危害。在地应力危害、瓦斯危害同时消除的情况下，予以煤巷掘进，否则返回执行措施，其防突流程如图5所示。图5双重卸压防突技术选择3现场应用3.1试验概况试验地点为安徽某煤矿煤巷条带区域，试验区煤层厚度1.582.85 m，平均2.13 m，原始瓦斯含量8.27 m3/t，原始瓦斯压力1.43 MPa，区域内存在1个落差3.3 m的断层，根据前述精准分区原则，将断层区域划分为严重危险异常区，断层以外区域划分为一般危险正常区。每个试验区范围均为40 m40 m
