無煤柱錯(cuò)層位巷道布置煤與瓦斯共采技術(shù)研究

賀永平

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)安監(jiān)局，山西 晉中 032000）

1 工程背景

山西離柳焦煤集團(tuán)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(hào)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(dá)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(duì)2#煤進(jìn)行回采，在工作面回采巷道掘進(jìn)以及工作面回采過程中，發(fā)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(duì)2#煤層進(jìn)行瓦斯抽采，所以將下方8#煤層設(shè)計(jì)為保護(hù)層進(jìn)行先行開采，8#煤層采用綜放工作面，并通過對(duì)8#煤進(jìn)行錯(cuò)位層巷道布置，達(dá)到對(duì)2#煤層進(jìn)行卸壓并完成瓦斯抽放工作，來實(shí)現(xiàn)安全高效回采兩層煤層的目的。

2 錯(cuò)層位巷道布置開采技術(shù)

2.1 錯(cuò)層位巷道布置上覆巖層裂隙發(fā)育特點(diǎn)

錯(cuò)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(fā)育特點(diǎn)相似[1],如圖1（a）所示，在首采工作面過后，在采空區(qū)上方兩側(cè)出現(xiàn)“環(huán)形裂隙圈”，并在采空區(qū)中部上方出現(xiàn)了離層區(qū)。圖1（b）為錯(cuò)層位巷道首采工作面采空區(qū)上覆巖層橫向裂隙發(fā)育狀態(tài)圖，可以看出采空區(qū)上覆巖層呈“O”型破壞形式。

圖1 錯(cuò)層位巷道布置首采工作面采空區(qū)上覆巖層裂隙發(fā)育圖

通過圖1分析可知，瓦斯抽放重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)為采空區(qū)上方兩側(cè)的“環(huán)形裂隙圈”、采空區(qū)中部上方離層區(qū)以及采空區(qū)所形成的“O”型區(qū)域四周所聚集瓦斯的部位。

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

圖2 錯(cuò)層位巷道布置接續(xù)工作面采空區(qū)上覆巖層裂隙發(fā)育圖

對(duì)比傳統(tǒng)留煤柱回采工作面，無煤柱錯(cuò)層位巷道布置的工作面在一個(gè)工作面回采完成后，緊接的續(xù)工作面回采期間上一工作面上覆巖層與續(xù)回采工作面對(duì)接處所形成的環(huán)形裂隙圈消失，其原因是上覆巖運(yùn)移破壞后環(huán)形裂隙圈被逐漸壓實(shí)[2]，并在開采范圍上覆巖層兩側(cè)重新形成了環(huán)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(gè)續(xù)工作面開采后上覆巖層的中部離層區(qū)與上一個(gè)工作面的離層區(qū)形成了貫通，最后形成了一個(gè)更大的瓦斯聚集區(qū)域，這對(duì)瓦斯抽采提供了更有利的條件。另外，對(duì)于采空區(qū)上覆巖層垮落形式，錯(cuò)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(tài)，這與傳統(tǒng)留煤柱工作面開采后破壞形式相同，但錯(cuò)層位巷道布置無煤柱續(xù)工作面開采后，隨著續(xù)工作面不斷推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層垮落帶與上一工作面垮落帶逐漸形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，最后呈現(xiàn)O-L-O型破壞形態(tài)，如圖2（b）所示，而傳統(tǒng)留煤柱續(xù)工作面采空區(qū)上覆巖層仍然呈獨(dú)立的"O"型破壞形態(tài)。整體看來，無煤柱錯(cuò)層位巷道連續(xù)多個(gè)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(diǎn)，這進(jìn)一步為瓦斯抽采系統(tǒng)的有效布置提供了方便。

2.2 錯(cuò)層位開采瓦斯抽采系統(tǒng)

針對(duì)錯(cuò)層位無煤柱搭接工作面，設(shè)計(jì)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(biāo)區(qū)域打300～450mm直徑的鉆孔，并運(yùn)用鉆孔直接對(duì)采空區(qū)以及上覆卸壓煤層裂隙帶進(jìn)行瓦斯抽采，本文運(yùn)用此方法針對(duì)保護(hù)煤層（8#煤層）采空區(qū)以及被保護(hù)煤層（2#煤層）裂隙帶進(jìn)行瓦斯抽取，以達(dá)到安全回采2#煤層的目的。

由前文分析可知，錯(cuò)層位巷道布置首采工作面采空區(qū)上覆巖層呈“O”型破壞，當(dāng)進(jìn)行連續(xù)工作面開采后，采空區(qū)上覆巖層整體呈“O-L-O”型破壞特征，根據(jù)分析，確定地面鉆孔位置。根據(jù)首采工作面上覆巖層環(huán)形裂隙圈發(fā)育特點(diǎn)，將鉆孔布置在距首采工作面回風(fēng)巷1/2L-1/3L處，這樣首采工作面“O”型破壞范圍內(nèi)流動(dòng)的瓦斯可被直接抽采。在續(xù)工作面開采后，破壞裂隙范圍呈“L-O”型繼續(xù)發(fā)育，所以首采工作面布置的鉆孔可繼續(xù)對(duì)續(xù)工作面破壞裂隙內(nèi)的瓦斯進(jìn)行抽取，相對(duì)于傳統(tǒng)留設(shè)煤柱工作面每采一個(gè)面都需要布置一次抽采鉆孔，無煤柱錯(cuò)層位布置巷道工作面大大節(jié)省了鉆孔工程量。

3 工程應(yīng)用

3.1 8#煤層回采設(shè)計(jì)

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(duì)8#煤工作面回采布置進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)前文所述的無煤柱錯(cuò)層位巷道布置工作面以及8#煤層具有一定傾角等實(shí)際情況，對(duì)8#煤層采用無煤柱錯(cuò)層位巷道布置工作面設(shè)計(jì)。對(duì)于傾斜煤層，無煤柱錯(cuò)層位巷道布置工作面相對(duì)于傳統(tǒng)留煤柱工作面開采具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1）卸壓范圍。

傳統(tǒng)留煤柱開采方式，由于留有煤柱的關(guān)系，工作面上覆巖層出現(xiàn)卸壓區(qū)-未卸壓區(qū)-卸壓區(qū)交替變化的結(jié)果，這種情況一方面會(huì)造成2#煤層內(nèi)瓦斯殘留以至于抽取不充分的隱患，另一方面還會(huì)對(duì)2#煤工作面布置以及推進(jìn)造成影響。無煤柱錯(cuò)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(tǒng)工作面沒有區(qū)別，采空區(qū)上覆巖層兩側(cè)都存在卸壓邊界，但是當(dāng)續(xù)工作面回采后，由于無煤柱錯(cuò)層位巷道布置工作面的特殊性，首采工作面采空區(qū)上覆巖層原卸壓邊界消失，并與續(xù)工作面上覆巖層卸壓區(qū)形成一個(gè)整體，且在續(xù)工作面另一側(cè)重新生成卸壓邊界，這樣使2#煤層內(nèi)形成了連續(xù)的卸壓范圍，對(duì)瓦斯的抽采以及工作面推進(jìn)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(yōu)勢，在首采工作面回采完后，對(duì)其進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行完整保留，這樣可以使續(xù)工作面兩條巷道都可用來進(jìn)風(fēng)，污風(fēng)可從首采工作面保留的進(jìn)風(fēng)巷排出，對(duì)比傳統(tǒng)留煤柱工作面，這樣既充分保證了續(xù)工作面的通風(fēng)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(shù)設(shè)計(jì)

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(shù)涉及兩層煤瓦斯排放問題，由于2#煤層已經(jīng)布置了瓦斯抽采系統(tǒng)，所以設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)以利于2#煤層瓦斯涌出為主，而8#煤層正在回采，所以設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)還要考慮以降低8#煤層瓦斯涌出量為主。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[4]可知，綜放工作面瓦斯涌出量主要跟煤炭產(chǎn)出量有關(guān)，而煤炭產(chǎn)量又與工作面推進(jìn)速度以及工作面長度有關(guān)，所以主要對(duì)這兩方面參數(shù)進(jìn)行分析及確定。

3.2.1 工作面日產(chǎn)量對(duì)瓦斯涌出量的影響

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

圖3 工作面日產(chǎn)量與瓦斯涌出量關(guān)系

3.2.2 推進(jìn)速度對(duì)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(jìn)速度，并對(duì)2#煤層瓦斯涌出量進(jìn)行監(jiān)測，得到了8#煤層工作面推進(jìn)速度與2#煤層瓦斯涌出量的關(guān)系如圖4所示。

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

圖4 工作面推進(jìn)速度與鄰近工作面瓦斯涌出量關(guān)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(jìn)速度為4.5m，并通過日產(chǎn)量與推進(jìn)速度之間的計(jì)算，確定8#煤層工作面長度為128m。

4 結(jié)論

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

2）針對(duì)無煤柱錯(cuò)層位巷道布置搭接工作面，設(shè)計(jì)了地面鉆孔抽采瓦斯法，實(shí)現(xiàn)了8#煤層以及2#煤層煤與瓦斯同采的要求。

3）運(yùn)用錯(cuò)層位巷道布置技術(shù)原理對(duì)工程實(shí)例進(jìn)行了運(yùn)用，針對(duì)宏巖煤礦8#煤實(shí)施了無煤柱錯(cuò)層位巷道布置工作面設(shè)計(jì)，并通過實(shí)測瓦斯涌出量，確定了工作面工藝參數(shù)：日推進(jìn)速度為4.5m，工作面長度為128m。