煤與瓦斯共采在錯(cuò)層位巷道布置中的機(jī)理研究及應(yīng)用構(gòu)想*

王志強(qiáng)，高健勛，蘇 越，李 寧

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)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(chǎn)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(zāi)害源和大氣污染源。[1]我國(guó)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(shí)現(xiàn)合理的煤與瓦斯共采，豐富煤與瓦斯共采的更多應(yīng)用方法以適應(yīng)不同的采煤環(huán)境，是我國(guó)煤礦需要解決的迫切問題。近年來對(duì)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(jìn)回風(fēng)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(cuò)的效果，但這樣的巷道布置方式無法將多個(gè)相鄰工作面聯(lián)系起來共同考慮布置煤與瓦斯共采系統(tǒng)。筆者由此思考，通過改變巷道布置方式，創(chuàng)新煤與瓦斯共采方法，為深部開采煤與瓦斯共采技術(shù)提供更多選擇。

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

同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，錯(cuò)層位巷道布置下，相鄰工作面間無煤柱布置，相鄰的多個(gè)工作面覆巖運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出與單一、超長(zhǎng)工作面覆巖運(yùn)動(dòng)相似的特點(diǎn)，對(duì)于圍巖裂隙發(fā)育和頂?shù)装逍秹盒Ч黠@。由此筆者結(jié)合錯(cuò)層位開采的覆巖運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，預(yù)測(cè)其圍巖裂隙發(fā)育情況和瓦斯運(yùn)移規(guī)律，提出不同于一般巷道布置的煤與瓦斯共采系統(tǒng)構(gòu)想。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 錯(cuò)層位布置簡(jiǎn)介

厚煤層錯(cuò)層位巷道布置采用全厚采煤法[7]在山東、山西等多地已經(jīng)得到應(yīng)用，成功實(shí)現(xiàn)了提高厚煤層回采率、安全的聯(lián)合開采近距煤層群和安全開采具有沖擊地壓危險(xiǎn)性的煤層。圖1是錯(cuò)層位巷道布置全厚采煤法的巷道布置形式之一即錯(cuò)層位內(nèi)錯(cuò)式巷道布置，是錯(cuò)層位巷道布置中具有代表性的布置方式。

圖1 錯(cuò)層位巷道布置示意Fig.1 Schematic diagram of stagger

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

1.2 錯(cuò)層位上覆巖層垮落情況

對(duì)傳統(tǒng)留煤柱護(hù)巷布置和錯(cuò)層位巷道布置進(jìn)行相似模擬試驗(yàn)，得到如下結(jié)論。傳統(tǒng)的留煤柱護(hù)巷布置方式，圖2是其上覆巖層垮落情況相似模擬試驗(yàn)圖，煤柱上方形成倒三角未垮落區(qū)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(qū)上方的裂隙帶間實(shí)現(xiàn)運(yùn)移。同時(shí)由于采空區(qū)間有煤柱隔離，相鄰采空區(qū)內(nèi)的氣體同樣無法實(shí)現(xiàn)運(yùn)移。

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

圖3 厚煤層無煤柱錯(cuò)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(cuò)層位巷道布置下沒有區(qū)段護(hù)巷煤柱，隨接續(xù)工作面的回采，接續(xù)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(jié)構(gòu)，其上覆巖層裂隙帶高度會(huì)隨著相鄰接續(xù)工作面的增加而不斷升高，范圍增大，最終多個(gè)相鄰采空區(qū)上覆巖層內(nèi)會(huì)形成相互連通的大“O”形圈裂隙帶[11]，故兩相鄰采空區(qū)的上覆巖層裂隙帶勢(shì)必會(huì)相互連通，也即可以實(shí)現(xiàn)覆巖裂隙帶內(nèi)流體的相互運(yùn)移，同時(shí)在采空區(qū)內(nèi)部也同樣由于沒有區(qū)段隔離煤柱，相鄰采空區(qū)內(nèi)的流體可以實(shí)現(xiàn)相互運(yùn)移。

2 預(yù)測(cè)采動(dòng)裂隙發(fā)育情況

對(duì)覆巖運(yùn)動(dòng)特征的預(yù)測(cè)研究中，需要關(guān)注的是2個(gè)部分，一是工作面覆巖離層區(qū)特點(diǎn)；二是采空區(qū)內(nèi)矸石垮落壓實(shí)特點(diǎn)。

當(dāng)首采工作面開采時(shí)，覆巖裂隙帶與彎曲下沉帶之間形成離層區(qū)[14]，而接續(xù)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(xù)垮落的整體結(jié)構(gòu)，因此形成連續(xù)的離層區(qū)，由此可以考慮利用其獨(dú)特的覆巖運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)將多個(gè)相鄰工作面聯(lián)合為統(tǒng)一的整體來布置煤與瓦斯共采系統(tǒng)，這為進(jìn)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(duì)采空區(qū)矸石垮落壓實(shí)形式進(jìn)行分析，首采工作面開采，采空區(qū)壓實(shí)的矸石與周圍實(shí)體煤之間形成“O”形圈結(jié)構(gòu)(見圖4)，也即瓦斯流動(dòng)的通道；當(dāng)形成無煤柱搭接的接續(xù)工作面開采期間，采空區(qū)垮落矸石與首采工作面采空區(qū)垮落矸石形成一個(gè)整體，推進(jìn)的過程中，形成類似于“L”形的矸石壓實(shí)區(qū)(見圖5)，即瓦斯流動(dòng)通道在“L”形壓實(shí)區(qū)周圍；隨著搭接工作面?zhèn)€數(shù)的增多，傾斜方向開采長(zhǎng)度與走向推進(jìn)長(zhǎng)度接近時(shí)，形成類似于大“O”形圈結(jié)構(gòu)(見圖6)，也即整個(gè)采空區(qū)瓦斯富集帶的形態(tài)先后體現(xiàn)為“O-L-O”形，這為布置底抽巷和井下穿層鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯提供了思路。

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

圖5 接續(xù)工作面采空區(qū)“L”形矸石壓實(shí)區(qū)Fig.5 Continuation of working face goaf “L” shape meteorite compaction zone

圖6 相鄰多采空區(qū)大“O”形矸石壓實(shí)區(qū)Fig.6 Adjacent to many large-scale “O” shaped meteorite compaction areas

3 預(yù)測(cè)瓦斯運(yùn)移情況

針對(duì)錯(cuò)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(chǎng)風(fēng)流場(chǎng)也應(yīng)當(dāng)具有其特殊性，采空區(qū)的瓦斯運(yùn)移也會(huì)呈現(xiàn)出不同于一般采煤布置方法，根據(jù)預(yù)測(cè)煤巖節(jié)理裂隙發(fā)育規(guī)律的研究結(jié)果，預(yù)測(cè)其采場(chǎng)瓦斯運(yùn)移方式及不同層位的瓦斯?jié)舛?，這一部分包含橫向瓦斯運(yùn)移情況和縱向不同層位瓦斯?jié)舛?部分內(nèi)容。

錯(cuò)層位首采工作面與一般巷道布置下的風(fēng)流場(chǎng)區(qū)別在于錯(cuò)層位立體化巷道布置，其回風(fēng)巷垂直方向上高于進(jìn)風(fēng)巷，由于瓦斯氣體輕于空氣，而回風(fēng)巷與頂板相接，故回風(fēng)巷能夠很好的將采空區(qū)上方瓦斯排出，其瓦斯運(yùn)移形式預(yù)測(cè)如圖7所示。

圖7 錯(cuò)層位首采工作面瓦斯運(yùn)移情況預(yù)測(cè)示意Fig.7 Schematic diagram of prediction of gas migration at the first working face in an alternate stratum

錯(cuò)層位單一接續(xù)工作面其風(fēng)流場(chǎng)特點(diǎn)在于，采空區(qū)與首采工作面相連接，沒有煤柱進(jìn)行隔離，故其瓦斯氣體在采空區(qū)上部是相互連通，可相互流動(dòng)的，同理在布置第三、第四接續(xù)工作面時(shí)，它們的采空區(qū)內(nèi)瓦斯氣體皆可相互流通。筆者為簡(jiǎn)化模型，首先對(duì)最具代表性的單一接續(xù)工作面進(jìn)行研究論證，其瓦斯運(yùn)移形式預(yù)測(cè)如圖8所示。利用該特點(diǎn)可以在幾個(gè)相鄰的工作面中布置一套煤與瓦斯共采系統(tǒng)，共同抽采它們相連通的采空區(qū)瓦斯。

圖8 錯(cuò)層位單一接續(xù)工作面瓦斯運(yùn)移情況預(yù)測(cè)Fig.8 Prediction of gas migration in a single continuous working face with a split horizon

錯(cuò)層位多個(gè)相鄰工作面全部采空后在其采空區(qū)上方形成大“O”形圈，預(yù)測(cè)其瓦斯應(yīng)集中在首采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷，末采區(qū)回風(fēng)巷，開切眼和停采線內(nèi)組成的“O”形壓實(shí)區(qū)上方的大“O”形圈巖層裂隙帶內(nèi)，其瓦斯運(yùn)移情況預(yù)測(cè)如圖9所示。

圖9 多個(gè)相鄰采區(qū)全部采空示意Fig.9 Schematic diagram of all the adjacent mining areas in the strata

4 基于預(yù)測(cè)的錯(cuò)層位應(yīng)用煤與瓦斯共采技術(shù)構(gòu)想

基于錯(cuò)層位采動(dòng)裂隙發(fā)育情況、瓦斯運(yùn)移和不同層位瓦斯?jié)舛惹闆r的預(yù)測(cè)，針對(duì)錯(cuò)層位巷道布置的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，對(duì)其煤與瓦斯共采技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行合理構(gòu)想[15]。

4.1 地面鉆孔抽采瓦斯

錯(cuò)層位巷道布置，多個(gè)相鄰采空區(qū)覆巖內(nèi)形成的大“O”形圈裂隙帶，待采空區(qū)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(qū)內(nèi)[12]。將地面抽采鉆孔布置在大“O”形圈裂隙帶內(nèi)，可以抽放到高濃度的瓦斯，如圖10所示。

圖10 相鄰多采區(qū)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(cuò)層位無煤柱開采覆巖運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，提出走向高抽巷抽采模式，如圖11所示，可在錯(cuò)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(qū)瓦斯，并阻止采空區(qū)瓦斯向離層區(qū)運(yùn)移，但傳統(tǒng)沿煤層底板巷道布置需要在每個(gè)工作面布置一條高抽巷，錯(cuò)層位巷道布置顯著改善了這一問題，當(dāng)接續(xù)工作面回采時(shí)，覆巖垮落形成一個(gè)整體，在彎曲下沉帶內(nèi)的高抽巷可為形成搭接的多個(gè)工作面服務(wù)，不斷抽采離層區(qū)瓦斯，節(jié)省了巷道工程量[13]。

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

4.3 外錯(cuò)尾巷穿層低位、高位鉆孔

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

圖12 外錯(cuò)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(diǎn)在于開采接續(xù)工作面時(shí)，如圖13所示。由于相鄰2個(gè)工作面之間采用無煤柱布置，其覆巖裂隙發(fā)育區(qū)相互連通，相鄰采空區(qū)同樣相互連通，均可實(shí)現(xiàn)流體的運(yùn)移，外錯(cuò)尾巷及穿層抽采瓦斯鉆孔在接續(xù)工作面開采期間仍可持續(xù)工作，如果采用留煤柱護(hù)巷，則需要為每一個(gè)工作面布置一個(gè)單獨(dú)的外錯(cuò)尾巷及抽采鉆孔，可見，采用錯(cuò)層位負(fù)煤柱巷道布置方式可對(duì)形成搭接的多個(gè)工作面建立整體瓦斯抽采系統(tǒng)，節(jié)省巷道工程量。

可以利用采區(qū)回風(fēng)大巷作為外錯(cuò)尾巷，這樣即不用單獨(dú)開掘和維護(hù)外錯(cuò)尾巷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了回風(fēng)大巷的高效利用。

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

5 結(jié)論

1)采空區(qū)上方覆巖三帶高度隨接續(xù)工作面的增加而增大；相鄰采空區(qū)垮落矸石壓實(shí)區(qū)呈現(xiàn)“O-L-O”形變化，壓實(shí)區(qū)邊界孔隙相互連通；多個(gè)相鄰采空區(qū)之間無煤柱開采，覆巖會(huì)形成大“O”形圈裂隙帶。

2)相鄰采空區(qū)內(nèi)矸石壓實(shí)區(qū)邊界相連通，瓦斯氣體可以實(shí)現(xiàn)相互運(yùn)移；多采空區(qū)覆巖大“O”形圈裂隙帶內(nèi)賦存大量瓦斯氣體，且在裂隙帶內(nèi)瓦斯氣體可實(shí)現(xiàn)運(yùn)移。

3)針對(duì)錯(cuò)層位無煤柱巷道布置做出合理的煤與瓦斯共采系統(tǒng)應(yīng)用構(gòu)想，提出地面鉆孔抽采瓦斯、走向高位瓦斯抽采巷和外錯(cuò)尾巷穿層低位、高位鉆孔等3種煤與瓦斯共采技術(shù)手段。

4)根據(jù)覆巖運(yùn)動(dòng)理論基礎(chǔ)，提出針對(duì)錯(cuò)層位巷道布置煤與瓦斯共采系統(tǒng)，在煤與瓦斯共采上比傳統(tǒng)巷道布置更具有優(yōu)勢(shì)，后續(xù)可通過更多試驗(yàn)和工程實(shí)踐手段對(duì)其合理性，可行性加以證明。