厚煤層錯層位巷道布置采全厚采煤法1：理論創(chuàng)新與工程應(yīng)用

王志強，席詩語，李廷照，林 陸

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

我國煤礦開采以地下即井工礦為主，占比約90%。地下開采方式又以1706年誕生在英國的長壁式開采體系為主，該體系在全世界應(yīng)用已有300余年，在我國應(yīng)用也有半個多世紀。長壁式開采體系的技術(shù)特征包括工作面兩側(cè)至少各有一條回采巷道、工作面之間留設(shè)保護煤柱、采場礦山壓力顯現(xiàn)劇烈。在我國長壁體系的應(yīng)用中，巷道布置與煤柱留設(shè)是一體化的，這種布置方式對接續(xù)工作面巷道維護較為有利，但存在煤炭損失嚴重的問題，比如煤柱尺寸保守取20～40 m，相應(yīng)的工作面長度為120～150 m，僅工作面之間的煤柱占比即達到13.3%～33.3%，而解決這一問題的根本途徑在于發(fā)展無煤柱開采技術(shù)。

傳統(tǒng)無煤柱開采技術(shù)包括沿空掘巷與沿空留巷。沿空掘巷這一名詞最早在國外出現(xiàn)，稱為“yield pillar”或者“yielding pillar”，國內(nèi)常譯為“屈服煤柱”[1-4]，我國無煤柱開采技術(shù)的研究與試驗始于20世紀50年代[5-6]，在中厚煤層、厚煤層分層開采中進行了沿空掘巷試驗并取得成功，將20 m左右的護巷煤柱縮小到2～3 m，甚至完全取消煤柱。但是沿空掘巷受井工礦規(guī)劃限制，采區(qū)或帶區(qū)同一翼工作面之間不能順序接替，也即需要跳采工藝，影響礦井的采掘規(guī)劃，最終也可能形成孤島工作面，從而帶來強礦壓甚至沖擊地壓的問題。

沿空留巷在應(yīng)用初期基本限于薄煤層，主要采用矸石帶作為巷旁支護，中國礦業(yè)大學(xué)在高水充填巷旁支護材料改進與完善、沿空留巷圍巖變形規(guī)律與控制技術(shù)方面做了大量工作，并將大斷面沿空留巷應(yīng)用于厚煤層綜放工作面，擴展了沿空留巷的應(yīng)用范圍[7-9]；西安科技大學(xué)開發(fā)出柔模混凝土墻式巷旁充填支護技術(shù)及設(shè)備，在多個礦井得到推廣應(yīng)用[10-11]。但是結(jié)合巷道布置與厚煤層之間的空間關(guān)系，沿空留巷上方多以頂煤為主，為了保證巷道穩(wěn)定性需要增加巷旁充填體與巷內(nèi)支護強度，在巷道維護效果與成本之間存在一定的矛盾性，從而限制了沿空留巷大范圍推廣應(yīng)用。

為了綜合解決回采率與我國煤礦開采普遍面臨的強礦壓問題，本文將重點介紹厚煤層錯層位巷道布置采全厚采煤法取得的成果，并闡述其進一步發(fā)展方向。

1 錯層位巷道布置采全厚采煤法簡介

對于既可以分層開采又可以一次采全高開采的厚煤層，可以采用厚煤層錯層位巷道布置系統(tǒng)[12-13]。該技術(shù)屬于厚煤層一次采全高的巷道布置，既將構(gòu)成回采系統(tǒng)的兩條巷道沿煤層的不同層位布置。首先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(nèi)錯式巷道布置，如圖1所示。 由圖1可知，將回采巷道1沿煤層底板布置，巷道2沿煤層頂板布置，接續(xù)工作面進風(fēng)巷內(nèi)錯一巷沿上一工作面采空區(qū)下方布置，由于兩個工作面之間形成相互搭接的結(jié)構(gòu)，因此，工作面之間不存在護巷煤柱，僅僅是由于上一工作面在形成起坡段過程中造成的三角底煤丟失，三角起坡段的形成主要依靠溜槽的逐節(jié)抬升而形成。從圖1中還可以看出，巷道3沿上一工作面回風(fēng)巷2內(nèi)錯一巷布置，從而巷道3以及靠近巷道3一側(cè)的端頭上方為采空區(qū)垮落矸石，而回風(fēng)巷以巷道2為例，由于沿煤層頂板布置，巷道及端頭支架上方是煤層直接頂板，由此可以看出，改變兩個相鄰工作面之間的布置結(jié)構(gòu)即可解決始終困擾綜放開采的煤層巷道支護困難、巷道及端頭上方不放頂煤的問題。因此，改革巷道布置在降低掘進與支護成本的前提下，還可以大大提高回采率，被視為提高回采率的綠色途徑。此外，與傳統(tǒng)厚煤層開采方法顯著不同的是，傳統(tǒng)厚煤層開采構(gòu)成生產(chǎn)系統(tǒng)的兩條回采巷道均沿煤層的同一層位布置，而錯層位的兩條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”。進一步分析，兩個工作面之間的相鄰巷道由于布置在煤層中的不同層位，因此在實際應(yīng)用中可以結(jié)合具體地質(zhì)條件選擇合理的巷道布置形式，如圖2所示。

1-區(qū)段進風(fēng)巷；2-區(qū)段回風(fēng)巷；3-接續(xù)工作面區(qū)段進風(fēng)巷；4-三角煤損

圖2 相鄰巷道布置的選擇

2 關(guān)鍵工藝及理論

錯層位連續(xù)開采其巷道布置在煤層不同層位，因此，工作面并非沿著某一固定層位，而是存在一個順著層位抬升的區(qū)域，會帶來一系列變化，分別介紹如下所述。

2.1 起坡段工藝特征

圖3為錯層位無煤柱連續(xù)開采巷道典型布置方式及其起坡段結(jié)構(gòu)示意圖。由圖3(a)可知，工作面大部分沿煤層底板布置，但是靠近回風(fēng)巷道2一側(cè)的工作面需要抬升，形成一個起坡段，其目的包括：第一，連接沿煤層頂板巷道與沿煤層底板工作面；第二，保證回風(fēng)巷道2下方能夠布置完全無煤柱巷道3。由圖3(b)可知，工作面溜槽起坡時一般按照相鄰溜槽抬升角度3°計算，從煤層底板工作面開始與水平面的角度依次抬升3°、6°、9°、12°，接著至15°并保持n節(jié)溜槽按照這一角度向上延伸，隨后再逐漸從15°降低至水平，整個抬升的高度按照溜槽寬度1.5 m計算，需要抬升的工藝計算見式(1)。

圖3 錯層位無煤柱連續(xù)開采布置及起坡段示意圖

h=1.5(sin3°+sin6°+sin9°+sin12°)+n×1.5×sin15°+1.5(sin3°+sin6°+sin9°+sin12°)

(1)

僅考慮較薄厚煤層的前提下，為了布置接續(xù)工作面連續(xù)開采巷道，僅需要滿足式(2)。

h=0.39n+1.56

(2)

圖3給出了近水平條件下起坡段的條件，當(dāng)煤層存在一定的傾角，起坡段結(jié)構(gòu)如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)煤層傾角α較大時，工作面從上至下到達適當(dāng)位置后沿煤層底板開始逐節(jié)抬升，按照工作面角度每節(jié)可抬升α/n，則可在傾斜煤層工作面下端形成水平；實際應(yīng)用中，綜合考慮煤層厚度，存在多節(jié)溜槽保持水平或者破部分煤層頂板的情況。

圖4 傾斜煤層錯層位連續(xù)開采巷道布置

由此可以看出，該方法在傾斜煤層發(fā)揮了減緩下滑力的作用，支架單架重量為G，工作面液壓支架共計m+n架，下端逐節(jié)抬升n節(jié)溜槽出現(xiàn)至少1架支架保持水平，則工作面液壓支架整體下滑力F計算見式(3)。

F=m(Gsinα-Gcosαf-Nf)+

[Gsin(α-α/n)-Gcos(α-α/n)f-Nf]+

……+[Gsinα/n-Gfcosα/n-Nf]+

(-Gf-Nf)=G[msinα+sin(n-1)α/n+

……+sinα/n]-Gf[mcosα+cos(n-1)α/n+

……+cosα/n+1]-(m+n)Nf

(3)

式中：N=G′cosα；G′≈γh；h為直接頂厚度。具體分析如下所述。

1) 當(dāng)F≤0時，認為設(shè)備不會發(fā)生下滑；

2) 當(dāng)F≥0時，通過側(cè)向支撐N′，使得N′=F即可保證工作面設(shè)備的整體穩(wěn)定性。

因此，在角度較大煤層布置長壁工作面時，錯層位巷道布置相對于傳統(tǒng)長壁工作面對于設(shè)備的穩(wěn)定性更為有利。

2.2 工作面開采順序

如前所述，與沿空掘巷布置方式相同，由于接續(xù)工作面相鄰巷道緊鄰采空區(qū)布置，需要等待上一個工作面覆巖運動穩(wěn)定后才能掘進巷道，因此一般情況下不能實現(xiàn)相鄰工作面在時間和空間上的順序開采，需要利用時間或者空間形成“跳采”，空間上的“跳采”最終會形成孤島工作面，從而帶來強礦壓或者動力災(zāi)害問題。

錯層位無煤柱連續(xù)開采技術(shù)的本質(zhì)實際是沿空掘巷的一種特殊形式，其區(qū)別在于沿空巷道位于采空區(qū)下方，水平上與采空區(qū)之間是一近似于三角形煤體，因此其同樣需要考慮時間與空間跳采的方案，如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)采用錯層位無煤柱連續(xù)開采時，受礦井開拓/準備部署影響，存在雙翼開采(圖5(a))和單翼開采(圖5(b))兩種形式。

圖5(a)所示雙翼開采無疑對工作面之間接續(xù)是較為有利的，工作面在上山或大巷兩側(cè)進行“搬家”，按照圖中順序，1#工作面→2#工作面→…→6#工作面，從時間上看，1#工作面與3#工作面之間開采存在時間上的間隔，間隔的時間與另一側(cè)單個工作面開采時間加上“搬家”時間相同，概括起來為空間上“連續(xù)”、時間上“間隔”；但是受到上山或大巷影響，單個工作面推進距離相對較短，開采范圍相對較小，上山或大巷兩側(cè)需要留設(shè)保護煤柱，形成工作面推進方向的“離散”開采。

圖5(b)所示單翼開采對工作面之間的接續(xù)影響較大，1#工作面開采期間無法掘進2#工作面的沿空掘巷，這時需要合理安排工作面間接替順序，如1#工作面→4#工作面→2#工作面→5#工作面→3#工作面或者2#工作面→4#工作面→1#工作面→5#工作面→3#工作面，相鄰工作面之間概括起來均為空間與時間的“間隔”開采，且最終均需要開采3#工作面，其兩側(cè)形成較大范圍的采空區(qū)，3#工作面為典型的“孤島”煤體，強礦壓甚至是動力災(zāi)害問題無法避免。

圖5 采區(qū)布置

結(jié)合圖5(b)對煤柱留設(shè)問題進行分析。布置3#孤島工作面時，其進風(fēng)巷依然內(nèi)錯到2#工作面采空區(qū)原沿頂回風(fēng)巷道下方，按照現(xiàn)布置方法，回風(fēng)巷道與4#工作面采空區(qū)之間要保留護巷煤柱，煤柱尺寸留設(shè)的主要依據(jù)極限平衡區(qū)范圍見式(4)。

(4)

由式(4)可知，雖然錯層位無煤柱連續(xù)開采技術(shù)受限于單翼開采，孤島工作面不得不與采空區(qū)留設(shè)煤柱，但是因為3#工作面回風(fēng)巷一側(cè)沿煤層頂板布置，也即靠近4#采空區(qū)一側(cè)開采高度降低，因此按照極限平衡區(qū)作為留設(shè)煤柱尺寸的依據(jù)，相當(dāng)于采高降低，按照形成上下交錯的要求，煤柱尺寸至少能夠減少一半極限平衡區(qū)的范圍，也即應(yīng)用錯層位無煤柱“連續(xù)”開采技術(shù)，首先解決了孤島煤柱工作面與采空區(qū)之間的煤柱尺寸問題。

2.3 錯層位無煤柱巷道布置理論與技術(shù)創(chuàng)新

如前所述，當(dāng)采用錯層位無煤柱連續(xù)開采技術(shù)時，雙翼開采工作面之間可實現(xiàn)空間上的“順序”開采，時間上的“間隔”開采；單翼開采時，工作面之間空間和時間上均為“間隔”開采，雖然前述分析錯層位巷道最終形成的孤島工作面與采空區(qū)之間僅需要保留相對較小尺寸的煤柱，但是孤島煤體依然存在強礦壓甚至動力災(zāi)害問題，而這一問題在巷道中表現(xiàn)的更為突出。因此，本節(jié)首先給出錯層位無煤柱連續(xù)開采巷道布置理論，在此基礎(chǔ)上試圖解決錯層位無煤柱連續(xù)開采時間與空間上的“間隔”問題。

圖6為一側(cè)采空實體煤側(cè)應(yīng)力分布與分區(qū)情況示意圖。由圖6可知，原留煤柱護巷一般是將巷道布置在Ⅲ區(qū)偏向Ⅳ區(qū)的位置，可避免高支承應(yīng)力影響；沿空掘巷一般是將巷道布置在Ⅱ區(qū)偏向Ⅰ區(qū)，即可避免高支承應(yīng)力的影響，同時可以保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，即使是完全無煤柱沿空掘巷技術(shù)，也貼著縱軸布置。沿空留巷與完全貼著采空區(qū)沿空掘巷存在不同，利用充填體切斷頂板沿著采空區(qū)布置，也即坐標縱軸沿著充填體靠采空區(qū)一側(cè)形成坐標系統(tǒng)。

依據(jù)圖6所示巷道位置選擇原理，錯層位無煤柱接續(xù)開采巷道結(jié)合圖3出現(xiàn)在了完全不同的位置，也即沿著坐標系統(tǒng)布置在橫軸的負軸，不包含在現(xiàn)有機理框架內(nèi)，結(jié)合坐標系統(tǒng)確定錯層位無煤柱連續(xù)開采回采巷道載荷以覆巖垮落矸石為主，受到覆巖結(jié)構(gòu)B關(guān)鍵塊體保護，考慮關(guān)鍵塊B失穩(wěn)作用帶來動載K，其載荷估算見式(5)。

Ⅰ-破壞區(qū)；Ⅱ-塑性區(qū)；Ⅲ-彈性應(yīng)力升高區(qū)；Ⅳ-原巖應(yīng)力區(qū)；1-采空區(qū)覆巖垮落角；2-實體煤支承應(yīng)力分布曲線

p=∑hγ+K∑hγ=(1+K)∑hγ

(5)

考慮礦壓較為劇烈的情況下，K取2～3。由于錯層位接續(xù)工作面相鄰巷道上方采高較小，因此垮落矸石以直接頂重量為主，因此確定巷道承載較小，且覆巖運動首先作用到垮落矸石上，以吸收能量為主，傳遞能量相對較小。

2.2部分給出錯層位無煤柱連續(xù)開采巷道布置類似沿空掘巷，存在跳采的情況且最終形成孤島，為了解決孤島工作面帶來的強礦壓或者沖擊地壓問題，借鑒于錯層位無煤柱連續(xù)開采巷道布置拓展的機理及其承載特點，獲得新的啟發(fā)，如圖7所示。

1-三角煤損；2-上區(qū)段回風(fēng)巷；3-區(qū)段進風(fēng)巷；4-區(qū)段回風(fēng)巷

結(jié)合圖5(b)，為解決最終3#孤島工作面留設(shè)煤柱與顯著的巷道強礦壓甚至沖擊地壓問題，確定1#工作面采用圖3(a)所示典型的錯層位巷道布置方式，開采4#工作面時，其兩巷均沿煤層頂板布置，靠近3#工作面待采區(qū)域的巷道如圖7所示，2#工作面與5#工作面均采用與1#工作面相同的常規(guī)錯層位巷道布置方式，則形成了圖7所示的孤島煤體狀態(tài)，即其兩端均是沿頂布置的巷道，為了解決巷道載荷大易發(fā)生沖擊地壓等問題，3#孤島工作面的兩巷直接錯位放入到2#沿頂巷道與4#沿頂巷道偏向采空區(qū)的位置(圖7中巷道3與巷道4)，既可保證單翼開采回采率最大化，又可以使3#孤島工作面兩巷承載較小，避免巷道沖擊地壓的發(fā)生。

上述技術(shù)解決了巷道承載與強礦壓、動力災(zāi)害的問題，但是覆巖載荷不會消失，僅僅發(fā)生轉(zhuǎn)移，主要是向工作面兩端頭部分轉(zhuǎn)移，雖然工作面液壓支架對于覆巖載荷的適應(yīng)能力強，但是為了避免工作面兩側(cè)出現(xiàn)嚴重的煤壁片幫、冒頂?shù)葐栴}，仍需切斷覆巖載荷的傳遞路徑，利用錯層位相鄰巷道一高、一低的空間位置關(guān)系，可形成了網(wǎng)絡(luò)化卸壓方法，該項創(chuàng)新成果后續(xù)報道。

雖然上述方法可以避免巷道載荷大且易發(fā)生沖擊地壓問題，但如果能夠?qū)崿F(xiàn)工作面在時間和空間上的“順序”開采，對于礦井高效、有序開采更為有利，因此，作者所在團隊經(jīng)過多年的理論與實踐研究，形成了一整套連續(xù)開采技術(shù)，限于篇幅問題，后續(xù)報道。

3 錯層位巷道布置的工程應(yīng)用

3.1 較薄厚煤層錯層位連續(xù)開采工程實例

本節(jié)以鎮(zhèn)城底煤礦8#煤層作為工程實例進行分析。

1) 地質(zhì)條件與回采技術(shù)條件。鎮(zhèn)城底煤礦8#煤厚平均為5.02 m，煤層整體呈一單斜構(gòu)造，傾角6°～11°，平均8°；試驗工作面地質(zhì)構(gòu)造比較簡單，煤層整體呈一單斜構(gòu)造，瓦斯相對涌出量為0.41 m3/t；煤塵具有爆炸性，爆炸指數(shù)22.31%；煤層易自然發(fā)火。

鎮(zhèn)城底煤礦原采用分層開采8#煤層，因效率較低，于21世紀之初開展輕型支架放頂煤開采，但是因放頂煤開采存在回采率低與自然發(fā)火問題，于2004年開始采用錯層位無煤柱開采技術(shù)，8#煤層試驗工作面正巷與西下組皮帶巷相交，副巷與西下組軌道巷相通。工作面巷道：副巷、切眼均沿煤層頂板掘進布置，正巷沿煤層底板掘進布置屬下分層巷道，工作面長度120 m，工作面布置如圖8所示。

圖8 相鄰試驗工作面布置及巷道搭接示意圖

2) 巷道布置、支護方案與參數(shù)。 按照起坡工藝，18111工作面開采時，距離回采巷道約20 m處開始起坡，起坡段每節(jié)溜槽抬升增加3°，達到15°時保持兩節(jié)溜槽在這一角度，然后溜槽抬升角度逐漸降低，每節(jié)溜槽降低角度為3°，直至水平，保持3節(jié)溜槽為水平狀態(tài)布置端頭支架，起坡段共計13節(jié)溜槽，并在工作面副巷端頭10 m范圍鋪設(shè)10#金屬網(wǎng)，為18111-1工作面正巷掘進創(chuàng)造假頂條件，下區(qū)段進風(fēng)巷按照高度布置在12節(jié)溜槽、13節(jié)溜槽下方。

18111-1工作面正巷沿原18111工作面副巷向18111工作面內(nèi)錯3.0 m掘進，頂板為金屬網(wǎng)假頂，循環(huán)進尺0.8 m。 巷道采用金屬梯形棚式支護，金屬棚用礦用11#工字鋼加工而成，棚腿長為2 700 mm，金屬棚梁長為3 100 mm，棚間矩為800 mm，兩根棚腿分別向兩幫外岔10°。巷道上凈寬2.8 m，下凈寬3.6 m，凈高2.5 m，如圖9所示。

圖9 接續(xù)工作面進風(fēng)巷道頂板與端頭支架后方示意圖

18111-1工作面副巷沿頂板掘進。巷道采用矩形斷面，巷道凈寬3.2 m，凈高2.8 m。頂板采用Ф20 mm×2 200 mm的左旋螺紋鋼錨桿與鋼筋梯子梁進行支護，錨索補強。錨桿間排距為1.0 m×0.9 m，呈“四×四”排矩形布置，錨桿垂直頂板打注，錨索間排距為1.5 m×3.6 m。 巷道兩幫采用“錨桿+木托盤”進行支護，兩幫每排各布置3根，幫錨桿采用Ф18 mm×1 800 mm的左旋螺紋鋼錨桿，幫錨桿間排距0.9 m×0.9 m；木托盤規(guī)格：200 mm×300 mm×50 mm，如圖10所示。

圖10 接續(xù)工作面回風(fēng)巷道示意圖

由圖9可知，錯層位無煤柱巷道布置進風(fēng)巷道頂板為上一工作面采空區(qū)垮落的矸石，僅僅依靠單體支柱、金屬棚與金屬網(wǎng)即可滿足巷道支護的要求，也即巷道承載不大，但是需要保證金屬網(wǎng)的完整，避免出現(xiàn)漏矸影響生產(chǎn)；端頭支架后方存在的同樣是矸石，證明了該方法不存在巷道和端頭上方頂煤。

由圖10可知，錯層位無煤柱巷道布置回風(fēng)巷道沿煤層頂板布置，巷道采用錨網(wǎng)/索主動支護方式即可，從圖10中可以看出，巷道維護狀況良好，表明錯層位無煤柱兩巷易于支護的效果。

3) 工作面液壓支架阻力實測數(shù)據(jù)特征分析。為了掌握錯層位無煤柱開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對液壓支架工作阻力進行了現(xiàn)場實測，首采18111工作面液壓支架阻力見表1，18111-1接續(xù)工作面支架加權(quán)工作阻力見表2。工作面長度120 m，液壓支架共計80臺，首采工作面布置4條。從表1中可以看出，18111首采工作面中部液壓支架阻力略大于兩端，這一實測結(jié)果與工作面中部載荷大于兩端這一現(xiàn)有結(jié)論相符。從表2中可以看出，18111-1接續(xù)工作面從靠采空區(qū)側(cè)支架阻力向回風(fēng)巷一側(cè)逐漸降低，但是采空區(qū)側(cè)支架阻力大于首采工作面，這與傳統(tǒng)長壁開采工作面液壓支架阻力分布規(guī)律不同，也即錯層位巷道布置接續(xù)工作面呈現(xiàn)新的支承應(yīng)力分布特征。

表1 18111工作面支架加權(quán)工作阻力實測統(tǒng)計

表2 18111-1接續(xù)工作面支架加權(quán)工作阻力實測統(tǒng)計

4) 安全性分析。為了解決回采率低和自然發(fā)火危險性兩個問題，鎮(zhèn)城底煤礦采用錯層位無煤柱連續(xù)開采技術(shù)，同時，為了進一步提高采出率，改變了原“見矸關(guān)門”等方式，實際上放煤過程中直到“完全矸石”才停止放頂，生產(chǎn)實踐中形成如圖11所示的保證頂煤回收與煤質(zhì)的設(shè)備創(chuàng)新。由圖11可知，為了充分實現(xiàn)頂煤的回收，鎮(zhèn)城底煤礦對放頂煤后部刮板輸送機溜槽進行了改造，增加了一個側(cè)向接煤板；同時，為了配合“完全矸石”關(guān)門工藝，避免過多的矸石升井增加運輸與洗煤成本，井下采用篩矸設(shè)備進行大塊矸石的篩選。

圖11 輔助回收頂煤與篩矸裝置

綜合錯層位無煤柱連續(xù)開采技術(shù)，可以概括為工作面之間取消了煤柱、取消了巷道及端頭不放頂煤部分，再輔以充分回收頂煤設(shè)備與工藝，實現(xiàn)了該礦采出率的最大化，同時改善了原傳統(tǒng)放頂煤回采期間易自然發(fā)火的現(xiàn)狀，結(jié)合圖12進行分析。由圖12可知，原厚煤層綜放開采易自然發(fā)火區(qū)域包括：①端頭不放頂煤部分；②巷道不放頂煤部分；③工作面之間煤柱；④開切眼與末采位置；⑤采空區(qū)放頂遺煤。同時，由于原厚煤層綜放開采一般將巷道布置在煤層底板，開采過程中受支承應(yīng)力影響，巷道頂煤易出現(xiàn)裂隙，在持續(xù)通風(fēng)的條件下，巷道高冒區(qū)易自然發(fā)火。綜合自然發(fā)火的三個條件：遺煤的存在、通風(fēng)及蓄熱時間，結(jié)合錯層位無煤柱連續(xù)開采技術(shù)，煤柱、巷道及端頭不放頂煤部分取消，則易自然發(fā)火區(qū)域：①端頭不放頂煤部分、②巷道不放頂煤部分、③工作面之間煤柱直接消除。另外，沿采空區(qū)下方與煤層頂板布置巷道，取消了巷道高冒區(qū)的存在，這部分發(fā)火在不完全統(tǒng)計中占礦井火災(zāi)的2/3。因此，錯層位無煤柱連續(xù)開采技術(shù)在提高回采率與降低自然發(fā)火兩方面具有天然的技術(shù)屬性。

圖12 原厚煤層綜放開采易自然發(fā)火區(qū)域

結(jié)合鎮(zhèn)城底煤礦應(yīng)用實際效果，錯層位無煤柱連續(xù)開采與傳統(tǒng)厚煤層放頂煤開采相比，具有如下優(yōu)點。①回采率高。錯層位無煤柱連續(xù)開采取消了煤柱與巷道、端頭不放頂煤部分，這部分占比在經(jīng)典教材《采礦學(xué)》中給出，煤柱占圈定儲量的7%～15%，巷道及端頭不放頂煤部分占比4%，也即僅僅通過巷道位置的改革，就可提高采出率11%～19%。②安全性好。傳統(tǒng)放頂煤存在易燃的五個區(qū)域，包括煤柱、巷道及端頭不放頂煤部分、沿底巷道高冒區(qū)、開切眼、末采與采空區(qū)遺煤，錯層位無煤柱開采一并解決了煤柱、巷道與端頭不放頂煤部分，直接消除了這兩個區(qū)域的自然發(fā)火危險性；巷道分別沿上一工作面采空區(qū)下方布置和沿煤層頂板布置，解決了巷道高冒區(qū)問題。③利于巷道支護與維護。巷道分別沿采空區(qū)下方布置與沿煤層頂板布置，采空區(qū)下方的巷道承載低、以維護為主；回風(fēng)巷道沿煤層頂板布置，錨桿、索主動支護方式深入頂板，易形成懸吊結(jié)構(gòu)。

3.2 極近距上殘煤、下整層煤層錯層位連續(xù)開采工程實例

本節(jié)以官地煤礦極近距8#殘煤下伏9#整層煤開采為工程實例進行分析。

1) 8#煤層、9#煤層地質(zhì)與回采技術(shù)條件。官地煤礦8#煤層厚度為3.41 m，屬于Ⅱ類自燃煤層，開采早期主要使用刀柱法，采12 m、留6 m的煤柱支撐頂板，因此，在8#煤層采空區(qū)遺留了大量刀柱遺煤。刀柱法逐漸淘汰之后，在8#煤層開始應(yīng)用分層開采，但是由于歷史原因，在采完上分層后并沒有進行下分層的開采。因此，除了刀柱殘煤外，還留有采完上分層后的8#煤層下分層呆滯煤量——上分層采高2.5 m，下分層0.91 m的煤層仍保留；同時，還有完全未采動的8#煤層原始煤層，8#煤層與9#煤層在首采工作面的賦存情況如圖13所示。

圖13 8#煤層殘煤賦存示意圖

由圖13可知，設(shè)計的首采29401工作面長度為150 m，推進距離571 m，工作面距地表221～280 m。工作面井下位于中四區(qū)北翼，其中工作面切眼向外至145 m處上部為28403分層開采工作面采空區(qū)，工作面切眼向外145～260 m上部為8#煤層實體煤，工作面切眼向外260 m至停采線上部為18308工作面刀柱式殘留煤柱及采空區(qū)，9#煤層與8#煤層間距為0.4～1.2 m。

8#殘煤與9#煤層工業(yè)儲量與可采儲量見表3。

表3 8#煤層殘留儲量及9#煤層儲量情況表

2) 開采技術(shù)方案。結(jié)合8#殘煤與9#極近距離煤層群賦存條件，如僅回采9#煤層、遺棄8#煤層，則煤炭損失嚴重，且8#殘煤遺留在采空區(qū)增加自然發(fā)火危險性。如考慮回收8#煤層，存在開采技術(shù)方案的選擇問題：①采用厚煤層分層開采技術(shù)，則相對儲量較少的8#殘煤巷道工程量多、單產(chǎn)低的問題突出；②采用傳統(tǒng)的綜放開采，如果0.4～1.2 m夾層滿足放頂煤要求，直接沿著9#煤層布置回采巷道，“采9放8”；反之，如果夾層不滿足放頂煤要求，則需要重新在8#煤層布置分層開采回采巷道，造成9#已掘回采巷道的長期維護。

綜合上述問題，從安全與回采率的角度考慮，需要回采8#殘煤，但是需要對巷道布置，也即采煤方法的選擇展開研究，如圖14所示。

圖14 極近距煤層開采技術(shù)思路

由圖14可知，為了解決極近距上殘煤、下整層煤聯(lián)合開采的技術(shù)難題，提出如圖14所示的巷道布置方案，具體步驟如下所述。

步驟1：首先在8#煤層布置巷道1。巷道1掘進的過程中，分段勘察底板夾層厚度，對夾層穩(wěn)定性進行測試、計算分析，確定其對8#煤層冒放性的影響。

步驟2：如步驟1勘察與計算結(jié)果確定夾層不滿足8#煤層放頂煤要求，則在8#煤層中布置回采巷道4，巷道1與巷道4構(gòu)成8#煤層單獨開采的生產(chǎn)系統(tǒng)。

步驟3：如步驟1勘察與計算結(jié)果確定夾層滿足8#煤層放頂煤要求，則在9#煤層布置回采巷道2，則巷道1與巷道2構(gòu)成了錯層位巷道布置系統(tǒng)。

步驟4：接續(xù)工作面開采期間，巷道3與巷道1形成內(nèi)錯一巷布置，形成錯層位無煤柱連續(xù)開采系統(tǒng)。

按照上述步驟，首先需要確定0.4～1.2 m厚的夾層對于8#殘煤放頂煤的要求。

3) 夾層對8#煤層放頂煤的影響研究[14]。按照經(jīng)典礦山壓力理論中的梁理論，對8#煤層、9#煤層細粒砂巖夾層進行力學(xué)分析，在其發(fā)生初次斷裂前，相當(dāng)于兩端固支梁，斷裂步距見式(6)。

(6)

式中：LlT為夾矸層的初次斷裂步距；h為夾矸層的厚度；RT為夾矸的抗拉強度；q為夾矸層承載及自重。

當(dāng)夾矸層初次斷裂后，由于工作面后方為9#煤層采空區(qū)，因此，此處夾矸層的力學(xué)模型認為是懸臂梁，其力學(xué)計算分析見式(7)～式(9)

(7)

(8)

(9)

式中：R為支架阻力；l為夾矸層斷裂步距；σmax為夾矸極限承載應(yīng)力，令最大為式(10)，則可得式(11)。

σmax=RT

(10)

(11)

分析上述公式可以得出以下結(jié)論。①夾矸層愈厚，其垮落步距愈大，對頂煤冒放性影響愈大。垮落步距與夾矸層的厚度成正比關(guān)系，特別是這種夾矸層厚度不等的情況，對其冒放性有很大的影響作用。②RT愈大，即夾矸層愈硬，則其垮落步距愈大。所以在頂煤難冒地段應(yīng)采取積極的回采工藝以及預(yù)處理措施，以降低夾矸強度，提高頂煤的冒放性。③支架的支撐力R也是一個影響因素，從式(7)～式(11)可以看出，R越大，則夾矸的斷裂步距越大，所以實際生產(chǎn)中，需要適當(dāng)降低支架初撐力，以加快夾矸的破斷。

圖15展示了夾矸周期性斷裂步距受夾矸厚度與承載的影響規(guī)律。由圖15可知，隨著夾矸厚度增加，其周期性斷裂步距增大。隨著夾矸層上覆載荷與支架提供阻力差值的增大，其斷裂步距減小。但總體來看，夾層周期性斷裂步距最大為3.5 m，按照放頂煤要求懸臂長度不超過1 m，認為其會影響頂煤的回收。隨著支護阻力的增大，當(dāng)達到額定工作阻力后，夾層厚度不超過0.9 m時，其斷裂步距均小于1 m，因此當(dāng)保證工作額定阻力的前提下，在分層采下分層區(qū)域從切眼至73 m以靜載為主的區(qū)域內(nèi)夾層厚度不超過0.9 m即滿足合采要求。

圖15 夾矸厚度、承載及周期性斷裂步距關(guān)系圖

綜上，提出以下建議。第一，建議割煤時盡可能將9#煤層一次割出，使夾層直接坐落在支架頂梁上方；第二，建議移架時采用擦頂帶壓移架，保證支架給夾層提供足夠大的反向阻力，利于夾矸在支架頂梁上方充分破壞；第三，對基本頂實施預(yù)裂技術(shù)，提前實現(xiàn)對夾層的破壞。

官地煤礦采用錯層位開采技術(shù)，可實現(xiàn)多回收8#殘煤21.2萬t，且開采期間，采空區(qū)殘煤未發(fā)生自燃現(xiàn)象，表明該技術(shù)具有顯著的安全效益、經(jīng)濟效益，同時也證明，該技術(shù)對于一些復(fù)雜礦井具有更廣泛的推廣前景。

4 結(jié) 論

本文以傳統(tǒng)厚煤層開采存在的巷道布置與煤柱留設(shè)矛盾體展開，對厚煤層錯層位巷道布置采全厚采煤法及其取得的部分成果進行論述，取得的成果如下所述。

1) 介紹了錯層位巷道布置采全厚采煤法，并對其巷道布置進行了分析，確定了同一工作面、工作面間相鄰巷道的立體化式空間結(jié)構(gòu)形式。

2) 針對厚煤層錯層位巷道布置空間結(jié)構(gòu)特點，先后給出了工作面起坡段工藝、工作面開采順序及孤島煤柱形成特征、巷道布置理念的創(chuàng)新及保障最大回采率前提下消除孤島煤柱兩巷強礦壓的創(chuàng)新特征。

3) 給出了錯層位巷道布置在近水平較薄厚煤層在提高回采率、降低自然發(fā)火危險性的應(yīng)用模式，并發(fā)現(xiàn)該方法的支承應(yīng)力分布特征；針對上覆殘煤、下伏整層煤開采技術(shù)難題，該方法在應(yīng)用中可顯著改善傳統(tǒng)采煤方法存在的問題，進一步拓展其在難采、復(fù)雜煤層的應(yīng)用模式。