無煤柱錯層位巷道布置煤與瓦斯共采技術研究

賀永平

（山西汾西礦業集團安監局，山西 晉中 032000）

1 工程背景

山西離柳焦煤集團有限公司宏巖煤礦主采2#煤與8#煤層，其中2#煤層平均厚度為4.0m，煤層傾角為3°，8號煤層在2#煤層下方，平均厚度為5m，煤層傾角為5°。2#煤層瓦斯含量為32.410m3/t，局部瓦斯壓力可高達1.30MPa，屬于瓦斯難抽采煤層，8#煤層瓦斯含量為7.13m3/t,瓦斯平均壓力為0.25MPa，屬于低瓦斯易抽采煤層，兩煤層層間距為50m。該礦曾布置150m回采工作面對2#煤進行回采，在工作面回采巷道掘進以及工作面回采過程中，發生多次煤與瓦斯突出事故，只能被迫停止回采工作，為了安全回采2#煤層，需要提前對2#煤層進行瓦斯抽采，所以將下方8#煤層設計為保護層進行先行開采，8#煤層采用綜放工作面，并通過對8#煤進行錯位層巷道布置，達到對2#煤層進行卸壓并完成瓦斯抽放工作，來實現安全高效回采兩層煤層的目的。

2 錯層位巷道布置開采技術

2.1 錯層位巷道布置上覆巖層裂隙發育特點

錯層位巷道首采綜放工作面與一次采全高回采工作面上覆巖層橫縱裂隙發育特點相似[1],如圖1（a）所示，在首采工作面過后，在采空區上方兩側出現“環形裂隙圈”，并在采空區中部上方出現了離層區。圖1（b）為錯層位巷道首采工作面采空區上覆巖層橫向裂隙發育狀態圖，可以看出采空區上覆巖層呈“O”型破壞形式。

圖1 錯層位巷道布置首采工作面采空區上覆巖層裂隙發育圖

通過圖1分析可知，瓦斯抽放重點區域應為采空區上方兩側的“環形裂隙圈”、采空區中部上方離層區以及采空區所形成的“O”型區域四周所聚集瓦斯的部位。

錯層位巷道布置的工作面與傳統留煤柱回采工作面在回采后上覆巖層的破壞、垮落以及運移有所差別，所以在錯層位巷道首采工作面回采完成并進行無煤柱搭接后續工作面后，需要對整個無煤柱搭接連續工作面上覆巖層的破壞形式進行綜合考慮，如圖2所示。

圖2 錯層位巷道布置接續工作面采空區上覆巖層裂隙發育圖

對比傳統留煤柱回采工作面，無煤柱錯層位巷道布置的工作面在一個工作面回采完成后，緊接的續工作面回采期間上一工作面上覆巖層與續回采工作面對接處所形成的環形裂隙圈消失，其原因是上覆巖運移破壞后環形裂隙圈被逐漸壓實[2]，并在開采范圍上覆巖層兩側重新形成了環形裂隙圈，如圖2（a）所示。還可以看出無煤柱搭接工作面中每個續工作面開采后上覆巖層的中部離層區與上一個工作面的離層區形成了貫通，最后形成了一個更大的瓦斯聚集區域，這對瓦斯抽采提供了更有利的條件。另外，對于采空區上覆巖層垮落形式，錯層位巷道布置無煤柱首采工作面開采后，上覆巖層垮落呈“O”型破壞形態，這與傳統留煤柱工作面開采后破壞形式相同，但錯層位巷道布置無煤柱續工作面開采后，隨著續工作面不斷推進，采空區上覆巖層垮落帶與上一工作面垮落帶逐漸形成一個整體結構，最后呈現O-L-O型破壞形態，如圖2（b）所示，而傳統留煤柱續工作面采空區上覆巖層仍然呈獨立的"O"型破壞形態。整體看來，無煤柱錯層位巷道連續多個工作面開采后上覆巖層的破壞形式最后形成了單一工作面的破壞特點，這進一步為瓦斯抽采系統的有效布置提供了方便。

2.2 錯層位開采瓦斯抽采系統

針對錯層位無煤柱搭接工作面，設計了地面鉆孔抽采瓦斯法[3]，此方法是通過從地面直接向目標區域打300～450mm直徑的鉆孔，并運用鉆孔直接對采空區以及上覆卸壓煤層裂隙帶進行瓦斯抽采，本文運用此方法針對保護煤層（8#煤層）采空區以及被保護煤層（2#煤層）裂隙帶進行瓦斯抽取，以達到安全回采2#煤層的目的。

由前文分析可知，錯層位巷道布置首采工作面采空區上覆巖層呈“O”型破壞，當進行連續工作面開采后，采空區上覆巖層整體呈“O-L-O”型破壞特征，根據分析，確定地面鉆孔位置。根據首采工作面上覆巖層環形裂隙圈發育特點，將鉆孔布置在距首采工作面回風巷1/2L-1/3L處，這樣首采工作面“O”型破壞范圍內流動的瓦斯可被直接抽采。在續工作面開采后，破壞裂隙范圍呈“L-O”型繼續發育，所以首采工作面布置的鉆孔可繼續對續工作面破壞裂隙內的瓦斯進行抽取，相對于傳統留設煤柱工作面每采一個面都需要布置一次抽采鉆孔，無煤柱錯層位布置巷道工作面大大節省了鉆孔工程量。

3 工程應用

3.1 8#煤層回采設計

為了保證2#煤層瓦斯能夠得到充分排放，首先得保證2#煤層能夠得到充分卸壓，所以需要對8#煤工作面回采布置進行設計，根據前文所述的無煤柱錯層位巷道布置工作面以及8#煤層具有一定傾角等實際情況，對8#煤層采用無煤柱錯層位巷道布置工作面設計。對于傾斜煤層，無煤柱錯層位巷道布置工作面相對于傳統留煤柱工作面開采具有以下優點。

1）卸壓范圍。

傳統留煤柱開采方式，由于留有煤柱的關系，工作面上覆巖層出現卸壓區-未卸壓區-卸壓區交替變化的結果，這種情況一方面會造成2#煤層內瓦斯殘留以至于抽取不充分的隱患，另一方面還會對2#煤工作面布置以及推進造成影響。無煤柱錯層位巷道布置工作面上覆巖層卸壓情況，在首采工作面回采后，上覆巖層卸壓情況與傳統工作面沒有區別，采空區上覆巖層兩側都存在卸壓邊界，但是當續工作面回采后，由于無煤柱錯層位巷道布置工作面的特殊性，首采工作面采空區上覆巖層原卸壓邊界消失，并與續工作面上覆巖層卸壓區形成一個整體，且在續工作面另一側重新生成卸壓邊界，這樣使2#煤層內形成了連續的卸壓范圍，對瓦斯的抽采以及工作面推進起到了積極的作用。

2）巷道工程量。

利用煤層傾角以及相互搭接巷道的優勢，在首采工作面回采完后，對其進風巷進行完整保留，這樣可以使續工作面兩條巷道都可用來進風，污風可從首采工作面保留的進風巷排出，對比傳統留煤柱工作面，這樣既充分保證了續工作面的通風量，還大大減少了開采8#煤層所需的巷道工程量。

3.2 8#煤層工作面工藝參數設計

由于8#煤回采不僅僅需要考慮2#煤層的瓦斯排放，8#煤工作面本身回采也存在瓦斯涌出問題，所以8#煤層工作面回采工藝參數涉及兩層煤瓦斯排放問題，由于2#煤層已經布置了瓦斯抽采系統，所以設計的工藝參數以利于2#煤層瓦斯涌出為主，而8#煤層正在回采，所以設計的工藝參數還要考慮以降低8#煤層瓦斯涌出量為主。根據相關文獻[4]可知，綜放工作面瓦斯涌出量主要跟煤炭產出量有關，而煤炭產量又與工作面推進速度以及工作面長度有關，所以主要對這兩方面參數進行分析及確定。

3.2.1 工作面日產量對瓦斯涌出量的影響

通過現場實測，得出8#煤層工作面日產量與8#煤層瓦斯涌出量的關系如圖3所示，從圖中可以看出，當日產量小于7500t時，瓦斯涌出量隨著工作面日產量的增加呈上升趨勢，而當日產量在7500t～11000t之間時，瓦斯涌出量主要保持在24～25m3/min之間，當日產量大于11000t時，瓦斯涌出量隨著日產量的增加呈下降趨勢。

圖3 工作面日產量與瓦斯涌出量關系

3.2.2 推進速度對臨層瓦斯涌出量的影響

通過固定8#煤層工作面長度，改變8#煤層工作面推進速度，并對2#煤層瓦斯涌出量進行監測，得到了8#煤層工作面推進速度與2#煤層瓦斯涌出量的關系如圖4所示。

由圖可以看出，當推進速度小于3.3m/d時，隨著推進速度的增加，2#煤層瓦斯涌出量呈增加趨勢，當推進速度在3.3～5.4m/d時，瓦斯涌出量在155～160m3/min之間，當推進速度大于5.4m/d時，隨著推進速度的增加，瓦斯涌出量呈遞減趨勢。

圖4 工作面推進速度與鄰近工作面瓦斯涌出量關系

綜合上述分析，在保證正在回采的8#煤層瓦斯涌出量盡可能小以及2#煤層瓦斯涌出量盡可能大的前提下，確定8#煤層日推進速度為4.5m，并通過日產量與推進速度之間的計算，確定8#煤層工作面長度為128m。

4 結論

1）分析了錯層位巷道布置無煤柱搭接工作面采空區上覆巖層破壞特點，在首采工作面開采完后，采空區上覆巖層橫向裂隙呈“O”型破壞特征，在續工作面開采完后，首采工作面與續工作面上覆巖層破壞裂隙貫通，環形裂隙圈以及中部離層區呈一體結構，采空區上覆巖層橫向裂隙整體呈“O-L-O”型破壞特征。

2）針對無煤柱錯層位巷道布置搭接工作面，設計了地面鉆孔抽采瓦斯法，實現了8#煤層以及2#煤層煤與瓦斯同采的要求。

3）運用錯層位巷道布置技術原理對工程實例進行了運用，針對宏巖煤礦8#煤實施了無煤柱錯層位巷道布置工作面設計，并通過實測瓦斯涌出量，確定了工作面工藝參數：日推進速度為4.5m，工作面長度為128m。