錯層位巷道布置在煤與瓦斯共采上的應用構想

王志強，惠慶波，陳福勇，胡 勇，張嘉文，趙德義

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083)

采選技術

錯層位巷道布置在煤與瓦斯共采上的應用構想

王志強，惠慶波，陳福勇，胡 勇，張嘉文，趙德義

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京 100083)

隨著煤礦開采深度和強度不斷增加，瓦斯災害的發生概率也隨之增大，煤與瓦斯共采技術逐漸得到重視。本文致力于為提高煤礦瓦斯抽采率，實現高瓦斯礦井安全、高效生產找到更多可能的有效方法。通過對錯層位巷道布置開采首采工作面之后其上覆巖層運動特點進行總結分析，試著從改革巷道布置方面著手，將錯層位巷道布置與現有煤與瓦斯共采技術結合，從而提出了錯層位巷道布置在煤與卸壓瓦斯共采上的應用構想。文中做出了相應的預測，認為采用這種方法，比用傳統方法抽采瓦斯在安全、經濟方面更具優勢，需要通過具體工程實踐進行驗證。

巖層運動；錯層位；煤與瓦斯共采

隨著經濟高速發展，我國對能源的需求量越來越大，其中煤作為我國的主要能源，約占全部能源消費的70%[1]。而瓦斯和煤層伴生，近年來隨著我國煤礦開采深度不斷增加，開采強度不斷增大，地質條件越來越復雜，頻繁發生的瓦斯災害嚴重威脅著礦井工作人員的生命安全，也嚴重制約著煤炭行業健康安全的發展。我國很多煤層有自身的特有貯存特征，相比于美國、俄羅斯、烏克蘭及波蘭等國有如下特點[2]：①煤層瓦斯貯存量高；②煤層瓦斯吸附能力高；③煤層瓦斯壓力較低；④煤層在水力壓裂等強化措施下形成常規破裂裂隙所占比例低；⑤煤層瓦斯儲層滲透系數低。這些特征給高瓦斯礦安全、高效生產和對瓦斯資源的有效利用帶來了困難，嚴重制約著整個社會經濟可持續發展目標的實現。一直以來研究煤與瓦斯共采問題，成了許多學者研究的共同主題。近年來，國內許多學者在煤與瓦斯共采方面的研究取得了不少成就[3-7]。在大量研究中，筆者發現袁亮院士從改革回采巷道布置方面著手，來研究煤與瓦斯共采技術，成功解決了淮南地區長久以來的瓦斯超限問題。筆者受此啟發，試著提出從改革巷道布置方面著手，結合前人的成就，提出將錯層位巷道布置與傳統煤與瓦斯共采技術結合，希望能為提高煤礦瓦斯抽采率，實現高瓦斯礦井安全、高效生產找到更多有效的方法。

1 理論基礎

1.1 “O”形圈理論

根據“O”形圈理論[8]有：當工作面推進一段時間后采空區中部離層裂隙將被壓實，而在四周形成“O”形圈，這個“O”形圈結構內部裂隙發育良好成為卸壓瓦斯流動的通道和貯存空間，見圖1。

煤層卸壓瓦斯的流動是連續的兩步過程:第一步，以擴散的形式，瓦斯從沒有裂隙的煤體中滲流到周圍的裂隙空間中去;第二步，以滲流的形式，瓦斯沿裂隙流到抽放鉆孔處。所以，將抽放鉆孔布置在離層裂隙發育且能長時間保持的區域，有利于卸壓瓦斯流動到抽放鉆井，保證鉆井有效抽放時間長、抽放范圍大、瓦斯抽放率高。顯然，為了實現大面積、長時間地有效抽采瓦斯，抽放鉆孔或瓦斯抽采埋管等其他抽采系統應該布置到“O”形圈內。這樣才能保證瓦斯抽采的安全高效進行。

1.2 錯層位巷道布置簡介及其上覆巖層卸壓狀況

這里介紹一種最具代表性的錯層位巷道布置采全厚采煤法的巷道布置形式——錯層位內錯式巷道布置[9]，見圖2。

圖1 “O”形圈結構示意圖

從圖2中可以看出，與傳統的厚煤層整層開采(圖3)存在一個顯著不同，即傳統厚煤層開采構成生產系統的兩回采巷道均沿煤層的同一層位布置，是平面布置系統。而錯層位的兩回采巷道分別布置在煤層中的不同層位，因此可以稱之為“立體化巷道布置”。將區段巷道1沿煤層底板布置，巷道2沿煤層頂板布置，接續工作面區段進風巷內錯一巷沿上一工作面采空區下方布置，兩工作面之間形成相互搭接的結構，由于瓦斯比較輕，因而這個立體化布置也有利于工作面瓦斯向2巷道方向移動，從而降低工作面瓦斯超限的風險。

對傳統留煤柱巷道布置情況進行相似模擬試驗后得到如圖4所示試驗照片。

傳統的留煤柱護巷布置，被保護層受到下保護層各工作面間護巷煤柱產生的卸壓邊界的影響，部分區域未受采動影響，會形成開采被保護層過程中的危險區域。即圖4中所示的中間未卸壓的倒三角區域。

對錯層位無煤柱搭接情況進行相似模擬試驗，試驗后得到如圖5所示的試驗照片。

1—區段進風巷；2—區段回風巷；3—接續工作面區段進風巷；4—上一工作面區段回風巷；5—煤柱及端頭、巷道上方煤炭損失圖3 傳統厚煤層一次采全高工作面布置示意圖

圖4 厚煤層留煤柱護巷整層開采上覆巖層垮落相似模擬試驗圖及示意圖

圖5 厚煤層無煤柱錯層位整層開采上覆巖層垮落相似模擬試驗圖及示意圖

從相似模擬實驗中可以看出開采接續工作面時錯層位巷道布置與傳統留煤柱巷道布置在整層開采厚煤層時其上覆巖層垮落情況是不相同的。而在文獻[10]～[12]中分析了錯層位無煤柱搭接布置方式接續工作面上覆巖層的運動特點，因為取消了區段護巷煤柱，隨著接續工作面回采后，首采工作面覆巖將會和接續工作面覆巖連成一個整體，就像開采單一超長工作面一般。上覆巖層會反復卸壓，卸壓效果更好、更充分，瓦斯解析更加充分。隨著接續工作面開采，搭接工作面的個數增加，而完全無煤柱搭接的接續工作面的邊界卸壓線并不存在。從而消除了留煤柱情況下應力集中帶來的潛在動力災害危險。因此在被保護層開采期間，不會受到邊界卸壓線的影響，即覆巖可以實現連續卸壓。采場裂隙帶的高度會比留煤柱情況下達到的高度更高，并且再一定范圍內隨著工作面數的增加而逐漸升高。原來的兩個或多個工作面“O”形圈會因錯層位巷道布置不留煤柱而最終跨落形成一個大的“O”形圈[13]，見圖6。

圖6 大“O”形圈示意圖

2 錯層位煤與瓦斯共采技術的提出

對于首采煤層工作面的瓦斯主要來源于為采空區、本煤層和鄰近層的卸壓解吸瓦斯。開采首采工作面時兩種巷道布置覆巖運動基本相同，開采接續工作面時不同之處體現出來，由于煤層松軟，透氣性低，抽采效果極差，若對采空區實施大面積抽采，工程難度大，而且抽不出高濃度瓦斯，由以上理論基礎可知尋找瓦斯運移的裂隙通道和瓦斯富集區是實施有效瓦斯抽采的技術關鍵。頂板瓦斯抽采時需要獲得高瓦斯濃度和大瓦斯流量才會具有較好的效果，由于瓦斯濃度比空氣小并且具有升浮移動和滲流特性，結合前面的“O”形圈理論，卸壓瓦斯會沿裂隙通道匯集到裂隙充分發育區，即匯集到環形裂隙圈內，在環形裂隙圈內形成瓦斯積存庫而此時將抽采鉆孔和巷道布置在環形裂隙圈內，就能夠獲得理想的抽采效果，從而避免采空區瓦斯大量涌入到回采空間。

根據已有理論研究并結合多次煤礦井下瓦斯事故搶險經驗，我們已知在面對高瓦斯低透氣性煤層時，一旦煤層開采引起巖層移動，即使滲透率很低的煤層，其滲透率也將增大數十倍至數百倍，這就給覆巖瓦斯抽采提供了可能[14]。

傳統留煤柱開采造成煤柱本身及對應覆巖區域應力集中，容易造成動力災害，難以實現全面安全生產，隨著開采深度的增加，尤其在有煤與瓦斯突出危險的高瓦斯礦井中，深部開采突出煤層危險性更大。因此采用錯層位巷道布置無煤柱開采可以消除留煤柱而產生的應力集中區，這在一定程度上降低了高瓦斯礦井開采過程中潛在的危險?；茨系V區，走無煤柱沿空留巷“Y”型通風煤與瓦斯共采的技術道路[15-17]，在留巷內布置高低位瓦斯抽采鉆孔，取得了良好的效果，基本解決了工作面上隅角瓦斯超限和煤與瓦斯突出的問題。由此可見，在具體情況下適當改變巷道布置方式是消除煤與瓦斯突出，實現煤與瓦斯安全高效共采的有效途徑。

受此啟發，筆者根據錯層位巷道布置開采厚煤層時覆巖的特有特點結合瓦斯抽采理論提出利用錯層位巷道布置開采保護層部突出煤層的煤與瓦斯共采技術。即利用錯層位巷道布置開采高瓦斯礦井，并在覆巖“O”形圈內布置瓦斯抽采系統。

3 預期效果分析

由于錯層位巷道布置在首工作面采前和傳統留煤柱護巷布置沒什么區別，對于首工作面開采而言其上覆高瓦斯煤層可完全參考傳統留煤柱情況下瓦斯抽采技術進行抽采。當首工作面開采后，隨著工作面數量增加，上覆巖層頂板不斷垮落，垮落后上覆巖層的垮落情況與傳統留煤柱巷道布置在整層開采厚煤層時其上覆巖層垮落情況區別開來。預期這種方法有以下幾個優點：①由前面可知，無煤柱搭接巷道布置條件下上覆巖層形成反復卸壓，卸壓效果更好、更充分，瓦斯解析更加充分，采空區上部瓦斯貯存空間的瓦斯量和瓦斯濃度理論上會更高，一旦確定了瓦斯包的具體位置，那么抽采效果應該會比傳統抽采效果要好，同時避免了因預留煤柱形成應力集中危險區，降低煤巖動力災害風險；②另外這種巷道布置情況下，回風巷抬高有利于工作面瓦斯向回風巷流動從而工作面瓦斯比正常情況下不易超限，還可將巷道通風方式布置成“Y”型通風方式，更加有利于徹底解決上隅角的瓦斯超限問題；③這種布置方式下由于錯層位無煤柱搭接巷道的布置，在接續工作面開采后，隨著開采接續工作面個數的增加，采場裂隙帶的高度會不斷上升，瓦斯富集區域的高度會變高，距地表深度會變小。因此如果采用地面鉆孔抽采瓦斯會有比傳統留煤柱抽采時，鉆孔長度將變短，這樣有利于節約鉆孔投資成本；④開采后采動裂隙形成大“O”形圈，則可減少瓦斯抽采鉆孔的布置數目。

4 結 論

1)結合前人錯層位巷道布置研究成果與現有煤與瓦斯共采技術，提出了錯層位巷道布置在煤與瓦斯共采技術上的應用構想。

2)在理論基礎之上做出如下預期分析：①抽采效果應該會比傳統抽采效果要好，同時避免了因預留煤柱形成應力集中危險區，降低煤巖動力災害風險；②更加有利于徹底解決工作面上隅角的瓦斯超限問題；③相較于傳統留煤柱方法，用此法進行地面鉆孔抽采瓦斯，鉆孔長度將變短，有利于節約鉆孔投資成本；④開采后采動裂隙形成大“O”形圈，則可減少瓦斯抽采鉆孔的布置數目。

3)本文只是提出了錯層位開采在煤與瓦斯共采上的應用構想，需要進一步通過具體的工程實例進行驗證。

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The application idea of using stagger arrangement to achieve simultaneous extraction of coal and gas

WANG Zhi-qiang，HUI Qing-bo，CHEN Fu-yong，HU Yong，ZHANG Jia-wen，ZHAO De-yi

(College of Resources & Safety Engineering，China University of Mining & Technology (Beijing)，Beijing 100083，China)

With the depth and intensity of coal mining increased，the probability of the occurrence of gas disaster also increased，more attention has been paid to the simultaneous extraction of coal and gas.This paper is dedicated to find more possible effective methods which can improve coal mine gas extraction rate and realize the safety and efficient production of high gas coal mine.From the aspect of reforming roadway layout and contacting the movement characteristics of the overburden when use stagger mine roadway arrangement after mining the first face，and combining stagger roadway arrangement with existing coal and gas extraction technologies，the application idea of using stagger arrangement mining seam to achieve simultaneous extraction of coal and gas was put forward.This paper made a corresponding predicted that this method has advantages in security ang economy compared with the traditional methods.advantages need to be verified by specific engineering practice.And this application idea need to be verified by specific engineering practice.

the movement of strata；stagger；simultaneous extraction of coal and gas

2014-06-27

國家自然科學基金資助項目“采動影響下地質動力斷裂向采場空間演化的機理研究”資助(編號：51404270)；中央高校基本科研業務費專項資金資助(編號：2011QZ06)；中國礦業大學(北京)2014年“大學生創新訓練項目”資助

王志強(1980-)，男，內蒙古呼倫貝爾人，講師，博士，碩士生導師，從事現代采礦技術、長壁工作面礦壓理論的研究。E-mail：wzhiqianglhm@126.com。

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1004-4051(2015)06-0081-04