煤與瓦斯共采在錯層位巷道布置中的機理研究及應用構想*

王志強，高健勛，蘇 越，李 寧

(中國礦業大學(北京) 資源與安全工程學院，北京100083)

0 引言

煤炭是一種不可再生能源，瓦斯作為煤的伴生產物，同樣是不可再生能源，但在煤炭開采過程中被視為重大災害源和大氣污染源。[1]我國煤礦的采深正逐年增加，隨之而來的是深層煤礦的瓦斯含量增大，故實現合理的煤與瓦斯共采，豐富煤與瓦斯共采的更多應用方法以適應不同的采煤環境，是我國煤礦需要解決的迫切問題。近年來對煤與瓦斯共采的研究得到了許多成果[2-6]。

目前的煤與瓦斯共采方法研究大都基于進回風巷在同一層面，相鄰工作面間留煤柱開采的巷道布置方式，雖然目前煤與瓦斯共采取得了不錯的效果，但這樣的巷道布置方式無法將多個相鄰工作面聯系起來共同考慮布置煤與瓦斯共采系統。筆者由此思考，通過改變巷道布置方式，創新煤與瓦斯共采方法，為深部開采煤與瓦斯共采技術提供更多選擇。

厚煤層錯層位巷道布置采用全厚采煤法(簡稱錯層位采煤法)，其進回風巷道布置在不同層面，具有回采率高、利于通風與瓦斯排放等特點。

同時研究發現，錯層位巷道布置下，相鄰工作面間無煤柱布置，相鄰的多個工作面覆巖運動表現出與單一、超長工作面覆巖運動相似的特點，對于圍巖裂隙發育和頂底板卸壓效果明顯。由此筆者結合錯層位開采的覆巖運動特點，預測其圍巖裂隙發育情況和瓦斯運移規律，提出不同于一般巷道布置的煤與瓦斯共采系統構想。

1 理論基礎

1.1 錯層位布置簡介

厚煤層錯層位巷道布置采用全厚采煤法[7]在山東、山西等多地已經得到應用，成功實現了提高厚煤層回采率、安全的聯合開采近距煤層群和安全開采具有沖擊地壓危險性的煤層。圖1是錯層位巷道布置全厚采煤法的巷道布置形式之一即錯層位內錯式巷道布置，是錯層位巷道布置中具有代表性的布置方式。

圖1 錯層位巷道布置示意Fig.1 Schematic diagram of stagger

由圖1可知，與傳統厚煤層整層開采不同，傳統厚煤層開采的進回風巷道均沿底板布置，在同一層面。而錯層位的進風巷道沿煤層底板布置，回風巷道沿頂板布置，不在同一層面。瓦斯氣體較輕，故錯層位巷道布置有利于工作面瓦斯向回風巷道方向移動，降低工作面瓦斯超限的風險。

1.2 錯層位上覆巖層垮落情況

對傳統留煤柱護巷布置和錯層位巷道布置進行相似模擬試驗，得到如下結論。傳統的留煤柱護巷布置方式，圖2是其上覆巖層垮落情況相似模擬試驗圖，煤柱上方形成倒三角未垮落區域，故相鄰工作面裂隙帶間無法相互連通，也即流體不能在相鄰采空區上方的裂隙帶間實現運移。同時由于采空區間有煤柱隔離，相鄰采空區內的氣體同樣無法實現運移。

圖3是錯層位無煤柱巷道布置上覆巖層垮落情況相似模擬試驗圖。錯層位巷道布置首采工作面和接續工作面之間無煤柱，僅有一段不接頂板的三角煤損，目前關于錯層位無煤柱巷道布置開采接續工作面時上覆巖層的運動特征[8-10]的研究取得了一些成果。

圖3 厚煤層無煤柱錯層位整層開采上覆巖層垮落相似模擬Fig.3 Fracture similarity simulation of overburden strata in full seam mining without pillar in thick coal seam

錯層位巷道布置下沒有區段護巷煤柱，隨接續工作面的回采，接續工作面覆巖緊隨首采工作面覆巖垮落，形成共同垮落的整體覆巖結構，其上覆巖層裂隙帶高度會隨著相鄰接續工作面的增加而不斷升高，范圍增大，最終多個相鄰采空區上覆巖層內會形成相互連通的大“O”形圈裂隙帶[11]，故兩相鄰采空區的上覆巖層裂隙帶勢必會相互連通，也即可以實現覆巖裂隙帶內流體的相互運移，同時在采空區內部也同樣由于沒有區段隔離煤柱，相鄰采空區內的流體可以實現相互運移。

2 預測采動裂隙發育情況

對覆巖運動特征的預測研究中，需要關注的是2個部分，一是工作面覆巖離層區特點；二是采空區內矸石垮落壓實特點。

當首采工作面開采時，覆巖裂隙帶與彎曲下沉帶之間形成離層區[14]，而接續工作面開采后，由于工作面間無煤柱支撐，上覆巖層形成連續垮落的整體結構，因此形成連續的離層區，由此可以考慮利用其獨特的覆巖運動特點將多個相鄰工作面聯合為統一的整體來布置煤與瓦斯共采系統，這為進一步布置高抽巷或地面鉆孔抽采瓦斯提供了不同于留煤柱開采的思路。

對采空區矸石垮落壓實形式進行分析，首采工作面開采，采空區壓實的矸石與周圍實體煤之間形成“O”形圈結構(見圖4)，也即瓦斯流動的通道；當形成無煤柱搭接的接續工作面開采期間，采空區垮落矸石與首采工作面采空區垮落矸石形成一個整體，推進的過程中，形成類似于“L”形的矸石壓實區(見圖5)，即瓦斯流動通道在“L”形壓實區周圍；隨著搭接工作面個數的增多，傾斜方向開采長度與走向推進長度接近時，形成類似于大“O”形圈結構(見圖6)，也即整個采空區瓦斯富集帶的形態先后體現為“O-L-O”形，這為布置底抽巷和井下穿層鉆孔抽采采空區瓦斯提供了思路。

圖4 首采工作面采空區“O”形矸石壓實區Fig.4 First mining face goaf “O” shaped gangue compaction zone

圖5 接續工作面采空區“L”形矸石壓實區Fig.5 Continuation of working face goaf “L” shape meteorite compaction zone

圖6 相鄰多采空區大“O”形矸石壓實區Fig.6 Adjacent to many large-scale “O” shaped meteorite compaction areas

3 預測瓦斯運移情況

針對錯層位開采巷道布置的特殊性，受支承壓力、孔隙壓力和瓦斯吸附膨脹耦合作用，其采場風流場也應當具有其特殊性，采空區的瓦斯運移也會呈現出不同于一般采煤布置方法，根據預測煤巖節理裂隙發育規律的研究結果，預測其采場瓦斯運移方式及不同層位的瓦斯濃度，這一部分包含橫向瓦斯運移情況和縱向不同層位瓦斯濃度2部分內容。

錯層位首采工作面與一般巷道布置下的風流場區別在于錯層位立體化巷道布置，其回風巷垂直方向上高于進風巷，由于瓦斯氣體輕于空氣，而回風巷與頂板相接，故回風巷能夠很好的將采空區上方瓦斯排出，其瓦斯運移形式預測如圖7所示。

圖7 錯層位首采工作面瓦斯運移情況預測示意Fig.7 Schematic diagram of prediction of gas migration at the first working face in an alternate stratum

錯層位單一接續工作面其風流場特點在于，采空區與首采工作面相連接，沒有煤柱進行隔離，故其瓦斯氣體在采空區上部是相互連通，可相互流動的，同理在布置第三、第四接續工作面時，它們的采空區內瓦斯氣體皆可相互流通。筆者為簡化模型，首先對最具代表性的單一接續工作面進行研究論證，其瓦斯運移形式預測如圖8所示。利用該特點可以在幾個相鄰的工作面中布置一套煤與瓦斯共采系統，共同抽采它們相連通的采空區瓦斯。

圖8 錯層位單一接續工作面瓦斯運移情況預測Fig.8 Prediction of gas migration in a single continuous working face with a split horizon

錯層位多個相鄰工作面全部采空后在其采空區上方形成大“O”形圈，預測其瓦斯應集中在首采區進風巷，末采區回風巷，開切眼和停采線內組成的“O”形壓實區上方的大“O”形圈巖層裂隙帶內，其瓦斯運移情況預測如圖9所示。

圖9 多個相鄰采區全部采空示意Fig.9 Schematic diagram of all the adjacent mining areas in the strata

4 基于預測的錯層位應用煤與瓦斯共采技術構想

基于錯層位采動裂隙發育情況、瓦斯運移和不同層位瓦斯濃度情況的預測，針對錯層位巷道布置的優勢特點，對其煤與瓦斯共采技術應用進行合理構想[15]。

4.1 地面鉆孔抽采瓦斯

錯層位巷道布置，多個相鄰采空區覆巖內形成的大“O”形圈裂隙帶，待采空區封閉后其地下仍有大量瓦斯富集在大“O”形圈裂隙帶和采空區內[12]。將地面抽采鉆孔布置在大“O”形圈裂隙帶內，可以抽放到高濃度的瓦斯，如圖10所示。

圖10 相鄰多采區采空后地面鉆孔示意Fig.10 Schematic diagram of the drilled hole in the adjacent multi-pit mining area

4.2 走向高位瓦斯抽采巷

利用錯層位無煤柱開采覆巖運動特點，提出走向高抽巷抽采模式，如圖11所示，可在錯層位首采工作面頂板彎曲下沉帶布置走向高抽巷，走向高抽巷可抽采離層區瓦斯，并阻止采空區瓦斯向離層區運移，但傳統沿煤層底板巷道布置需要在每個工作面布置一條高抽巷，錯層位巷道布置顯著改善了這一問題，當接續工作面回采時，覆巖垮落形成一個整體，在彎曲下沉帶內的高抽巷可為形成搭接的多個工作面服務，不斷抽采離層區瓦斯，節省了巷道工程量[13]。

圖11 錯層位開采走向高抽巷布置Fig.11 Stagger mining to high drawbar layout

4.3 外錯尾巷穿層低位、高位鉆孔

錯層位首采工作面布置外錯尾巷，如圖12所示。在外錯尾巷內向上覆巖裂隙帶內打高位穿層鉆孔，抽采首采工作面的卸壓瓦斯，其特點是外錯尾巷內施工的穿層瓦斯抽采鉆孔由于受采動影響情況較小，所以瓦斯抽采鉆孔能夠長期有效的使用，且抽采鉆孔一直在有效卸壓抽采范圍內，抽采瓦斯效果較好。根據首采面瓦斯運移情況向相鄰首采面采空區內打低位鉆孔，抽采采空區內瓦斯。

圖12 外錯尾巷穿層鉆孔抽采首采工作面瓦斯Fig.12 Gas face of the first working face in drilling through-hole drilling

而其最大的特點在于開采接續工作面時，如圖13所示。由于相鄰2個工作面之間采用無煤柱布置，其覆巖裂隙發育區相互連通，相鄰采空區同樣相互連通，均可實現流體的運移，外錯尾巷及穿層抽采瓦斯鉆孔在接續工作面開采期間仍可持續工作，如果采用留煤柱護巷，則需要為每一個工作面布置一個單獨的外錯尾巷及抽采鉆孔，可見，采用錯層位負煤柱巷道布置方式可對形成搭接的多個工作面建立整體瓦斯抽采系統，節省巷道工程量。

可以利用采區回風大巷作為外錯尾巷，這樣即不用單獨開掘和維護外錯尾巷，同時實現了回風大巷的高效利用。

圖13 外錯尾巷穿層鉆孔抽采首采和接續工作面采空區瓦斯Fig.13 First Drilling and Continuous Working Faces in Outer Drilled Boring DrillingGoaf gas

5 結論

1)采空區上方覆巖三帶高度隨接續工作面的增加而增大；相鄰采空區垮落矸石壓實區呈現“O-L-O”形變化，壓實區邊界孔隙相互連通；多個相鄰采空區之間無煤柱開采，覆巖會形成大“O”形圈裂隙帶。

2)相鄰采空區內矸石壓實區邊界相連通，瓦斯氣體可以實現相互運移；多采空區覆巖大“O”形圈裂隙帶內賦存大量瓦斯氣體，且在裂隙帶內瓦斯氣體可實現運移。

3)針對錯層位無煤柱巷道布置做出合理的煤與瓦斯共采系統應用構想，提出地面鉆孔抽采瓦斯、走向高位瓦斯抽采巷和外錯尾巷穿層低位、高位鉆孔等3種煤與瓦斯共采技術手段。

4)根據覆巖運動理論基礎，提出針對錯層位巷道布置煤與瓦斯共采系統，在煤與瓦斯共采上比傳統巷道布置更具有優勢，后續可通過更多試驗和工程實踐手段對其合理性，可行性加以證明。