无煤柱错层位巷道布置煤与瓦斯共采技术研究

贺永平

（山西汾西矿业集团安监局，山西 晋中 032000）

1 工程背景

山西离柳焦煤集团有限公司宏岩煤矿主采2#煤与8#煤层，其中2#煤层平均厚度为4.0m，煤层倾角为3°，8号煤层在2#煤层下方，平均厚度为5m，煤层倾角为5°。2#煤层瓦斯含量为32.410m3/t，局部瓦斯压力可高达1.30MPa，属于瓦斯难抽采煤层，8#煤层瓦斯含量为7.13m3/t,瓦斯平均压力为0.25MPa，属于低瓦斯易抽采煤层，两煤层层间距为50m。该矿曾布置150m回采工作面对2#煤进行回采，在工作面回采巷道掘进以及工作面回采过程中，发生多次煤与瓦斯突出事故，只能被迫停止回采工作，为了安全回采2#煤层，需要提前对2#煤层进行瓦斯抽采，所以将下方8#煤层设计为保护层进行先行开采，8#煤层采用综放工作面，并通过对8#煤进行错位层巷道布置，达到对2#煤层进行卸压并完成瓦斯抽放工作，来实现安全高效回采两层煤层的目的。

2 错层位巷道布置开采技术

2.1 错层位巷道布置上覆岩层裂隙发育特点

错层位巷道首采综放工作面与一次采全高回采工作面上覆岩层横纵裂隙发育特点相似[1],如图1（a）所示，在首采工作面过后，在采空区上方两侧出现“环形裂隙圈”，并在采空区中部上方出现了离层区。图1（b）为错层位巷道首采工作面采空区上覆岩层横向裂隙发育状态图，可以看出采空区上覆岩层呈“O”型破坏形式。

图1 错层位巷道布置首采工作面采空区上覆岩层裂隙发育图

通过图1分析可知，瓦斯抽放重点区域应为采空区上方两侧的“环形裂隙圈”、采空区中部上方离层区以及采空区所形成的“O”型区域四周所聚集瓦斯的部位。

错层位巷道布置的工作面与传统留煤柱回采工作面在回采后上覆岩层的破坏、垮落以及运移有所差别，所以在错层位巷道首采工作面回采完成并进行无煤柱搭接后续工作面后，需要对整个无煤柱搭接连续工作面上覆岩层的破坏形式进行综合考虑，如图2所示。

图2 错层位巷道布置接续工作面采空区上覆岩层裂隙发育图

对比传统留煤柱回采工作面，无煤柱错层位巷道布置的工作面在一个工作面回采完成后，紧接的续工作面回采期间上一工作面上覆岩层与续回采工作面对接处所形成的环形裂隙圈消失，其原因是上覆岩运移破坏后环形裂隙圈被逐渐压实[2]，并在开采范围上覆岩层两侧重新形成了环形裂隙圈，如图2（a）所示。还可以看出无煤柱搭接工作面中每个续工作面开采后上覆岩层的中部离层区与上一个工作面的离层区形成了贯通，最后形成了一个更大的瓦斯聚集区域，这对瓦斯抽采提供了更有利的条件。另外，对于采空区上覆岩层垮落形式，错层位巷道布置无煤柱首采工作面开采后，上覆岩层垮落呈“O”型破坏形态，这与传统留煤柱工作面开采后破坏形式相同，但错层位巷道布置无煤柱续工作面开采后，随着续工作面不断推进，采空区上覆岩层垮落带与上一工作面垮落带逐渐形成一个整体结构，最后呈现O-L-O型破坏形态，如图2（b）所示，而传统留煤柱续工作面采空区上覆岩层仍然呈独立的"O"型破坏形态。整体看来，无煤柱错层位巷道连续多个工作面开采后上覆岩层的破坏形式最后形成了单一工作面的破坏特点，这进一步为瓦斯抽采系统的有效布置提供了方便。

2.2 错层位开采瓦斯抽采系统

针对错层位无煤柱搭接工作面，设计了地面钻孔抽采瓦斯法[3]，此方法是通过从地面直接向目标区域打300～450mm直径的钻孔，并运用钻孔直接对采空区以及上覆卸压煤层裂隙带进行瓦斯抽采，本文运用此方法针对保护煤层（8#煤层）采空区以及被保护煤层（2#煤层）裂隙带进行瓦斯抽取，以达到安全回采2#煤层的目的。

由前文分析可知，错层位巷道布置首采工作面采空区上覆岩层呈“O”型破坏，当进行连续工作面开采后，采空区上覆岩层整体呈“O-L-O”型破坏特征，根据分析，确定地面钻孔位置。根据首采工作面上覆岩层环形裂隙圈发育特点，将钻孔布置在距首采工作面回风巷1/2L-1/3L处，这样首采工作面“O”型破坏范围内流动的瓦斯可被直接抽采。在续工作面开采后，破坏裂隙范围呈“L-O”型继续发育，所以首采工作面布置的钻孔可继续对续工作面破坏裂隙内的瓦斯进行抽取，相对于传统留设煤柱工作面每采一个面都需要布置一次抽采钻孔，无煤柱错层位布置巷道工作面大大节省了钻孔工程量。

3 工程应用

3.1 8#煤层回采设计

为了保证2#煤层瓦斯能够得到充分排放，首先得保证2#煤层能够得到充分卸压，所以需要对8#煤工作面回采布置进行设计，根据前文所述的无煤柱错层位巷道布置工作面以及8#煤层具有一定倾角等实际情况，对8#煤层采用无煤柱错层位巷道布置工作面设计。对于倾斜煤层，无煤柱错层位巷道布置工作面相对于传统留煤柱工作面开采具有以下优点。

1）卸压范围。

传统留煤柱开采方式，由于留有煤柱的关系，工作面上覆岩层出现卸压区-未卸压区-卸压区交替变化的结果，这种情况一方面会造成2#煤层内瓦斯残留以至于抽取不充分的隐患，另一方面还会对2#煤工作面布置以及推进造成影响。无煤柱错层位巷道布置工作面上覆岩层卸压情况，在首采工作面回采后，上覆岩层卸压情况与传统工作面没有区别，采空区上覆岩层两侧都存在卸压边界，但是当续工作面回采后，由于无煤柱错层位巷道布置工作面的特殊性，首采工作面采空区上覆岩层原卸压边界消失，并与续工作面上覆岩层卸压区形成一个整体，且在续工作面另一侧重新生成卸压边界，这样使2#煤层内形成了连续的卸压范围，对瓦斯的抽采以及工作面推进起到了积极的作用。

2）巷道工程量。

利用煤层倾角以及相互搭接巷道的优势，在首采工作面回采完后，对其进风巷进行完整保留，这样可以使续工作面两条巷道都可用来进风，污风可从首采工作面保留的进风巷排出，对比传统留煤柱工作面，这样既充分保证了续工作面的通风量，还大大减少了开采8#煤层所需的巷道工程量。

3.2 8#煤层工作面工艺参数设计

由于8#煤回采不仅仅需要考虑2#煤层的瓦斯排放，8#煤工作面本身回采也存在瓦斯涌出问题，所以8#煤层工作面回采工艺参数涉及两层煤瓦斯排放问题，由于2#煤层已经布置了瓦斯抽采系统，所以设计的工艺参数以利于2#煤层瓦斯涌出为主，而8#煤层正在回采，所以设计的工艺参数还要考虑以降低8#煤层瓦斯涌出量为主。根据相关文献[4]可知，综放工作面瓦斯涌出量主要跟煤炭产出量有关，而煤炭产量又与工作面推进速度以及工作面长度有关，所以主要对这两方面参数进行分析及确定。

3.2.1 工作面日产量对瓦斯涌出量的影响

通过现场实测，得出8#煤层工作面日产量与8#煤层瓦斯涌出量的关系如图3所示，从图中可以看出，当日产量小于7500t时，瓦斯涌出量随着工作面日产量的增加呈上升趋势，而当日产量在7500t～11000t之间时，瓦斯涌出量主要保持在24～25m3/min之间，当日产量大于11000t时，瓦斯涌出量随着日产量的增加呈下降趋势。

图3 工作面日产量与瓦斯涌出量关系

3.2.2 推进速度对临层瓦斯涌出量的影响

通过固定8#煤层工作面长度，改变8#煤层工作面推进速度，并对2#煤层瓦斯涌出量进行监测，得到了8#煤层工作面推进速度与2#煤层瓦斯涌出量的关系如图4所示。

由图可以看出，当推进速度小于3.3m/d时，随着推进速度的增加，2#煤层瓦斯涌出量呈增加趋势，当推进速度在3.3～5.4m/d时，瓦斯涌出量在155～160m3/min之间，当推进速度大于5.4m/d时，随着推进速度的增加，瓦斯涌出量呈递减趋势。

图4 工作面推进速度与邻近工作面瓦斯涌出量关系

综合上述分析，在保证正在回采的8#煤层瓦斯涌出量尽可能小以及2#煤层瓦斯涌出量尽可能大的前提下，确定8#煤层日推进速度为4.5m，并通过日产量与推进速度之间的计算，确定8#煤层工作面长度为128m。

4 结论

1）分析了错层位巷道布置无煤柱搭接工作面采空区上覆岩层破坏特点，在首采工作面开采完后，采空区上覆岩层横向裂隙呈“O”型破坏特征，在续工作面开采完后，首采工作面与续工作面上覆岩层破坏裂隙贯通，环形裂隙圈以及中部离层区呈一体结构，采空区上覆岩层横向裂隙整体呈“O-L-O”型破坏特征。

2）针对无煤柱错层位巷道布置搭接工作面，设计了地面钻孔抽采瓦斯法，实现了8#煤层以及2#煤层煤与瓦斯同采的要求。

3）运用错层位巷道布置技术原理对工程实例进行了运用，针对宏岩煤矿8#煤实施了无煤柱错层位巷道布置工作面设计，并通过实测瓦斯涌出量，确定了工作面工艺参数：日推进速度为4.5m，工作面长度为128m。