错层位巷道布置在煤与瓦斯共采上的应用构想

王志强，惠庆波，陈福勇，胡 勇，张嘉文，赵德义

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083)

采选技术

错层位巷道布置在煤与瓦斯共采上的应用构想

王志强，惠庆波，陈福勇，胡 勇，张嘉文，赵德义

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京 100083)

随着煤矿开采深度和强度不断增加，瓦斯灾害的发生概率也随之增大，煤与瓦斯共采技术逐渐得到重视。本文致力于为提高煤矿瓦斯抽采率，实现高瓦斯矿井安全、高效生产找到更多可能的有效方法。通过对错层位巷道布置开采首采工作面之后其上覆岩层运动特点进行总结分析，试着从改革巷道布置方面着手，将错层位巷道布置与现有煤与瓦斯共采技术结合，从而提出了错层位巷道布置在煤与卸压瓦斯共采上的应用构想。文中做出了相应的预测，认为采用这种方法，比用传统方法抽采瓦斯在安全、经济方面更具优势，需要通过具体工程实践进行验证。

岩层运动；错层位；煤与瓦斯共采

随着经济高速发展，我国对能源的需求量越来越大，其中煤作为我国的主要能源，约占全部能源消费的70%[1]。而瓦斯和煤层伴生，近年来随着我国煤矿开采深度不断增加，开采强度不断增大，地质条件越来越复杂，频繁发生的瓦斯灾害严重威胁着矿井工作人员的生命安全，也严重制约着煤炭行业健康安全的发展。我国很多煤层有自身的特有贮存特征，相比于美国、俄罗斯、乌克兰及波兰等国有如下特点[2]：①煤层瓦斯贮存量高；②煤层瓦斯吸附能力高；③煤层瓦斯压力较低；④煤层在水力压裂等强化措施下形成常规破裂裂隙所占比例低；⑤煤层瓦斯储层渗透系数低。这些特征给高瓦斯矿安全、高效生产和对瓦斯资源的有效利用带来了困难，严重制约着整个社会经济可持续发展目标的实现。一直以来研究煤与瓦斯共采问题，成了许多学者研究的共同主题。近年来，国内许多学者在煤与瓦斯共采方面的研究取得了不少成就[3-7]。在大量研究中，笔者发现袁亮院士从改革回采巷道布置方面着手，来研究煤与瓦斯共采技术，成功解决了淮南地区长久以来的瓦斯超限问题。笔者受此启发，试着提出从改革巷道布置方面着手，结合前人的成就，提出将错层位巷道布置与传统煤与瓦斯共采技术结合，希望能为提高煤矿瓦斯抽采率，实现高瓦斯矿井安全、高效生产找到更多有效的方法。

1 理论基础

1.1 “O”形圈理论

根据“O”形圈理论[8]有：当工作面推进一段时间后采空区中部离层裂隙将被压实，而在四周形成“O”形圈，这个“O”形圈结构内部裂隙发育良好成为卸压瓦斯流动的通道和贮存空间，见图1。

煤层卸压瓦斯的流动是连续的两步过程:第一步，以扩散的形式，瓦斯从没有裂隙的煤体中渗流到周围的裂隙空间中去;第二步，以渗流的形式，瓦斯沿裂隙流到抽放钻孔处。所以，将抽放钻孔布置在离层裂隙发育且能长时间保持的区域，有利于卸压瓦斯流动到抽放钻井，保证钻井有效抽放时间长、抽放范围大、瓦斯抽放率高。显然，为了实现大面积、长时间地有效抽采瓦斯，抽放钻孔或瓦斯抽采埋管等其他抽采系统应该布置到“O”形圈内。这样才能保证瓦斯抽采的安全高效进行。

1.2 错层位巷道布置简介及其上覆岩层卸压状况

这里介绍一种最具代表性的错层位巷道布置采全厚采煤法的巷道布置形式——错层位内错式巷道布置[9]，见图2。

图1 “O”形圈结构示意图

从图2中可以看出，与传统的厚煤层整层开采(图3)存在一个显著不同，即传统厚煤层开采构成生产系统的两回采巷道均沿煤层的同一层位布置，是平面布置系统。而错层位的两回采巷道分别布置在煤层中的不同层位，因此可以称之为“立体化巷道布置”。将区段巷道1沿煤层底板布置，巷道2沿煤层顶板布置，接续工作面区段进风巷内错一巷沿上一工作面采空区下方布置，两工作面之间形成相互搭接的结构，由于瓦斯比较轻，因而这个立体化布置也有利于工作面瓦斯向2巷道方向移动，从而降低工作面瓦斯超限的风险。

对传统留煤柱巷道布置情况进行相似模拟试验后得到如图4所示试验照片。

传统的留煤柱护巷布置，被保护层受到下保护层各工作面间护巷煤柱产生的卸压边界的影响，部分区域未受采动影响，会形成开采被保护层过程中的危险区域。即图4中所示的中间未卸压的倒三角区域。

对错层位无煤柱搭接情况进行相似模拟试验，试验后得到如图5所示的试验照片。

1—区段进风巷；2—区段回风巷；3—接续工作面区段进风巷；4—上一工作面区段回风巷；5—煤柱及端头、巷道上方煤炭损失图3 传统厚煤层一次采全高工作面布置示意图

图4 厚煤层留煤柱护巷整层开采上覆岩层垮落相似模拟试验图及示意图

图5 厚煤层无煤柱错层位整层开采上覆岩层垮落相似模拟试验图及示意图

从相似模拟实验中可以看出开采接续工作面时错层位巷道布置与传统留煤柱巷道布置在整层开采厚煤层时其上覆岩层垮落情况是不相同的。而在文献[10]～[12]中分析了错层位无煤柱搭接布置方式接续工作面上覆岩层的运动特点，因为取消了区段护巷煤柱，随着接续工作面回采后，首采工作面覆岩将会和接续工作面覆岩连成一个整体，就像开采单一超长工作面一般。上覆岩层会反复卸压，卸压效果更好、更充分，瓦斯解析更加充分。随着接续工作面开采，搭接工作面的个数增加，而完全无煤柱搭接的接续工作面的边界卸压线并不存在。从而消除了留煤柱情况下应力集中带来的潜在动力灾害危险。因此在被保护层开采期间，不会受到边界卸压线的影响，即覆岩可以实现连续卸压。采场裂隙带的高度会比留煤柱情况下达到的高度更高，并且再一定范围内随着工作面数的增加而逐渐升高。原来的两个或多个工作面“O”形圈会因错层位巷道布置不留煤柱而最终跨落形成一个大的“O”形圈[13]，见图6。

图6 大“O”形圈示意图

2 错层位煤与瓦斯共采技术的提出

对于首采煤层工作面的瓦斯主要来源于为采空区、本煤层和邻近层的卸压解吸瓦斯。开采首采工作面时两种巷道布置覆岩运动基本相同，开采接续工作面时不同之处体现出来，由于煤层松软，透气性低，抽采效果极差，若对采空区实施大面积抽采，工程难度大，而且抽不出高浓度瓦斯，由以上理论基础可知寻找瓦斯运移的裂隙通道和瓦斯富集区是实施有效瓦斯抽采的技术关键。顶板瓦斯抽采时需要获得高瓦斯浓度和大瓦斯流量才会具有较好的效果，由于瓦斯浓度比空气小并且具有升浮移动和渗流特性，结合前面的“O”形圈理论，卸压瓦斯会沿裂隙通道汇集到裂隙充分发育区，即汇集到环形裂隙圈内，在环形裂隙圈内形成瓦斯积存库而此时将抽采钻孔和巷道布置在环形裂隙圈内，就能够获得理想的抽采效果，从而避免采空区瓦斯大量涌入到回采空间。

根据已有理论研究并结合多次煤矿井下瓦斯事故抢险经验，我们已知在面对高瓦斯低透气性煤层时，一旦煤层开采引起岩层移动，即使渗透率很低的煤层，其渗透率也将增大数十倍至数百倍，这就给覆岩瓦斯抽采提供了可能[14]。

传统留煤柱开采造成煤柱本身及对应覆岩区域应力集中，容易造成动力灾害，难以实现全面安全生产，随着开采深度的增加，尤其在有煤与瓦斯突出危险的高瓦斯矿井中，深部开采突出煤层危险性更大。因此采用错层位巷道布置无煤柱开采可以消除留煤柱而产生的应力集中区，这在一定程度上降低了高瓦斯矿井开采过程中潜在的危险。淮南矿区，走无煤柱沿空留巷“Y”型通风煤与瓦斯共采的技术道路[15-17]，在留巷内布置高低位瓦斯抽采钻孔，取得了良好的效果，基本解决了工作面上隅角瓦斯超限和煤与瓦斯突出的问题。由此可见，在具体情况下适当改变巷道布置方式是消除煤与瓦斯突出，实现煤与瓦斯安全高效共采的有效途径。

受此启发，笔者根据错层位巷道布置开采厚煤层时覆岩的特有特点结合瓦斯抽采理论提出利用错层位巷道布置开采保护层部突出煤层的煤与瓦斯共采技术。即利用错层位巷道布置开采高瓦斯矿井，并在覆岩“O”形圈内布置瓦斯抽采系统。

3 预期效果分析

由于错层位巷道布置在首工作面采前和传统留煤柱护巷布置没什么区别，对于首工作面开采而言其上覆高瓦斯煤层可完全参考传统留煤柱情况下瓦斯抽采技术进行抽采。当首工作面开采后，随着工作面数量增加，上覆岩层顶板不断垮落，垮落后上覆岩层的垮落情况与传统留煤柱巷道布置在整层开采厚煤层时其上覆岩层垮落情况区别开来。预期这种方法有以下几个优点：①由前面可知，无煤柱搭接巷道布置条件下上覆岩层形成反复卸压，卸压效果更好、更充分，瓦斯解析更加充分，采空区上部瓦斯贮存空间的瓦斯量和瓦斯浓度理论上会更高，一旦确定了瓦斯包的具体位置，那么抽采效果应该会比传统抽采效果要好，同时避免了因预留煤柱形成应力集中危险区，降低煤岩动力灾害风险；②另外这种巷道布置情况下，回风巷抬高有利于工作面瓦斯向回风巷流动从而工作面瓦斯比正常情况下不易超限，还可将巷道通风方式布置成“Y”型通风方式，更加有利于彻底解决上隅角的瓦斯超限问题；③这种布置方式下由于错层位无煤柱搭接巷道的布置，在接续工作面开采后，随着开采接续工作面个数的增加，采场裂隙带的高度会不断上升，瓦斯富集区域的高度会变高，距地表深度会变小。因此如果采用地面钻孔抽采瓦斯会有比传统留煤柱抽采时，钻孔长度将变短，这样有利于节约钻孔投资成本；④开采后采动裂隙形成大“O”形圈，则可减少瓦斯抽采钻孔的布置数目。

4 结 论

1)结合前人错层位巷道布置研究成果与现有煤与瓦斯共采技术，提出了错层位巷道布置在煤与瓦斯共采技术上的应用构想。

2)在理论基础之上做出如下预期分析：①抽采效果应该会比传统抽采效果要好，同时避免了因预留煤柱形成应力集中危险区，降低煤岩动力灾害风险；②更加有利于彻底解决工作面上隅角的瓦斯超限问题；③相较于传统留煤柱方法，用此法进行地面钻孔抽采瓦斯，钻孔长度将变短，有利于节约钻孔投资成本；④开采后采动裂隙形成大“O”形圈，则可减少瓦斯抽采钻孔的布置数目。

3)本文只是提出了错层位开采在煤与瓦斯共采上的应用构想，需要进一步通过具体的工程实例进行验证。

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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

国家自然科学基金资助项目“采动影响下地质动力断裂向采场空间演化的机理研究”资助(编号：51404270)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(编号：2011QZ06)；中国矿业大学(北京)2014年“大学生创新训练项目”资助

王志强(1980-)，男，内蒙古呼伦贝尔人，讲师，博士，硕士生导师，从事现代采矿技术、长壁工作面矿压理论的研究。E-mail：wzhiqianglhm@126.com。

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1004-4051(2015)06-0081-04