王志强，高健勋，苏 越，李 宁

(中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京100083)

0 引言

煤炭是一种不可再生能源，瓦斯作为煤的伴生产物，同样是不可再生能源，但在煤炭开采过程中被视为重大灾害源和大气污染源。[1]我国煤矿的采深正逐年增加，随之而来的是深层煤矿的瓦斯含量增大，故实现合理的煤与瓦斯共采，丰富煤与瓦斯共采的更多应用方法以适应不同的采煤环境，是我国煤矿需要解决的迫切问题。近年来对煤与瓦斯共采的研究得到了许多成果[2-6]。

目前的煤与瓦斯共采方法研究大都基于进回风巷在同一层面，相邻工作面间留煤柱开采的巷道布置方式，虽然目前煤与瓦斯共采取得了不错的效果，但这样的巷道布置方式无法将多个相邻工作面联系起来共同考虑布置煤与瓦斯共采系统。笔者由此思考，通过改变巷道布置方式，创新煤与瓦斯共采方法，为深部开采煤与瓦斯共采技术提供更多选择。

厚煤层错层位巷道布置采用全厚采煤法(简称错层位采煤法)，其进回风巷道布置在不同层面，具有回采率高、利于通风与瓦斯排放等特点。

同时研究发现，错层位巷道布置下，相邻工作面间无煤柱布置，相邻的多个工作面覆岩运动表现出与单一、超长工作面覆岩运动相似的特点，对于围岩裂隙发育和顶底板卸压效果明显。由此笔者结合错层位开采的覆岩运动特点，预测其围岩裂隙发育情况和瓦斯运移规律，提出不同于一般巷道布置的煤与瓦斯共采系统构想。

1 理论基础

1.1 错层位布置简介

厚煤层错层位巷道布置采用全厚采煤法[7]在山东、山西等多地已经得到应用，成功实现了提高厚煤层回采率、安全的联合开采近距煤层群和安全开采具有冲击地压危险性的煤层。图1是错层位巷道布置全厚采煤法的巷道布置形式之一即错层位内错式巷道布置，是错层位巷道布置中具有代表性的布置方式。

图1 错层位巷道布置示意Fig.1 Schematic diagram of stagger

由图1可知，与传统厚煤层整层开采不同，传统厚煤层开采的进回风巷道均沿底板布置，在同一层面。而错层位的进风巷道沿煤层底板布置，回风巷道沿顶板布置，不在同一层面。瓦斯气体较轻，故错层位巷道布置有利于工作面瓦斯向回风巷道方向移动，降低工作面瓦斯超限的风险。

1.2 错层位上覆岩层垮落情况

对传统留煤柱护巷布置和错层位巷道布置进行相似模拟试验，得到如下结论。传统的留煤柱护巷布置方式，图2是其上覆岩层垮落情况相似模拟试验图，煤柱上方形成倒三角未垮落区域，故相邻工作面裂隙带间无法相互连通，也即流体不能在相邻采空区上方的裂隙带间实现运移。同时由于采空区间有煤柱隔离，相邻采空区内的气体同样无法实现运移。

图3是错层位无煤柱巷道布置上覆岩层垮落情况相似模拟试验图。错层位巷道布置首采工作面和接续工作面之间无煤柱，仅有一段不接顶板的三角煤损，目前关于错层位无煤柱巷道布置开采接续工作面时上覆岩层的运动特征[8-10]的研究取得了一些成果。

图3 厚煤层无煤柱错层位整层开采上覆岩层垮落相似模拟Fig.3 Fracture similarity simulation of overburden strata in full seam mining without pillar in thick coal seam

错层位巷道布置下没有区段护巷煤柱，随接续工作面的回采，接续工作面覆岩紧随首采工作面覆岩垮落，形成共同垮落的整体覆岩结构，其上覆岩层裂隙带高度会随着相邻接续工作面的增加而不断升高，范围增大，最终多个相邻采空区上覆岩层内会形成相互连通的大“O”形圈裂隙带[11]，故两相邻采空区的上覆岩层裂隙带势必会相互连通，也即可以实现覆岩裂隙带内流体的相互运移，同时在采空区内部也同样由于没有区段隔离煤柱，相邻采空区内的流体可以实现相互运移。

2 预测采动裂隙发育情况

对覆岩运动特征的预测研究中，需要关注的是2个部分，一是工作面覆岩离层区特点；二是采空区内矸石垮落压实特点。

当首采工作面开采时，覆岩裂隙带与弯曲下沉带之间形成离层区[14]，而接续工作面开采后，由于工作面间无煤柱支撑，上覆岩层形成连续垮落的整体结构，因此形成连续的离层区，由此可以考虑利用其独特的覆岩运动特点将多个相邻工作面联合为统一的整体来布置煤与瓦斯共采系统，这为进一步布置高抽巷或地面钻孔抽采瓦斯提供了不同于留煤柱开采的思路。

对采空区矸石垮落压实形式进行分析，首采工作面开采，采空区压实的矸石与周围实体煤之间形成“O”形圈结构(见图4)，也即瓦斯流动的通道；当形成无煤柱搭接的接续工作面开采期间，采空区垮落矸石与首采工作面采空区垮落矸石形成一个整体，推进的过程中，形成类似于“L”形的矸石压实区(见图5)，即瓦斯流动通道在“L”形压实区周围；随着搭接工作面个数的增多，倾斜方向开采长度与走向推进长度接近时，形成类似于大“O”形圈结构(见图6)，也即整个采空区瓦斯富集带的形态先后体现为“O-L-O”形，这为布置底抽巷和井下穿层钻孔抽采采空区瓦斯提供了思路。

图4 首采工作面采空区“O”形矸石压实区Fig.4 First mining face goaf “O” shaped gangue compaction zone

图5 接续工作面采空区“L”形矸石压实区Fig.5 Continuation of working face goaf “L” shape meteorite compaction zone

图6 相邻多采空区大“O”形矸石压实区Fig.6 Adjacent to many large-scale “O” shaped meteorite compaction areas

3 预测瓦斯运移情况

针对错层位开采巷道布置的特殊性，受支承压力、孔隙压力和瓦斯吸附膨胀耦合作用，其采场风流场也应当具有其特殊性，采空区的瓦斯运移也会呈现出不同于一般采煤布置方法，根据预测煤岩节理裂隙发育规律的研究结果，预测其采场瓦斯运移方式及不同层位的瓦斯浓度，这一部分包含横向瓦斯运移情况和纵向不同层位瓦斯浓度2部分内容。

错层位首采工作面与一般巷道布置下的风流场区别在于错层位立体化巷道布置，其回风巷垂直方向上高于进风巷，由于瓦斯气体轻于空气，而回风巷与顶板相接，故回风巷能够很好的将采空区上方瓦斯排出，其瓦斯运移形式预测如图7所示。

图7 错层位首采工作面瓦斯运移情况预测示意Fig.7 Schematic diagram of prediction of gas migration at the first working face in an alternate stratum

错层位单一接续工作面其风流场特点在于，采空区与首采工作面相连接，没有煤柱进行隔离，故其瓦斯气体在采空区上部是相互连通，可相互流动的，同理在布置第三、第四接续工作面时，它们的采空区内瓦斯气体皆可相互流通。笔者为简化模型，首先对最具代表性的单一接续工作面进行研究论证，其瓦斯运移形式预测如图8所示。利用该特点可以在几个相邻的工作面中布置一套煤与瓦斯共采系统，共同抽采它们相连通的采空区瓦斯。

图8 错层位单一接续工作面瓦斯运移情况预测Fig.8 Prediction of gas migration in a single continuous working face with a split horizon

错层位多个相邻工作面全部采空后在其采空区上方形成大“O”形圈，预测其瓦斯应集中在首采区进风巷，末采区回风巷，开切眼和停采线内组成的“O”形压实区上方的大“O”形圈岩层裂隙带内，其瓦斯运移情况预测如图9所示。

图9 多个相邻采区全部采空示意Fig.9 Schematic diagram of all the adjacent mining areas in the strata

4 基于预测的错层位应用煤与瓦斯共采技术构想

基于错层位采动裂隙发育情况、瓦斯运移和不同层位瓦斯浓度情况的预测，针对错层位巷道布置的优势特点，对其煤与瓦斯共采技术应用进行合理构想[15]。

4.1 地面钻孔抽采瓦斯

错层位巷道布置，多个相邻采空区覆岩内形成的大“O”形圈裂隙带，待采空区封闭后其地下仍有大量瓦斯富集在大“O”形圈裂隙带和采空区内[12]。将地面抽采钻孔布置在大“O”形圈裂隙带内，可以抽放到高浓度的瓦斯，如图10所示。

图10 相邻多采区采空后地面钻孔示意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

利用错层位无煤柱开采覆岩运动特点，提出走向高抽巷抽采模式，如图11所示，可在错层位首采工作面顶板弯曲下沉带布置走向高抽巷，走向高抽巷可抽采离层区瓦斯，并阻止采空区瓦斯向离层区运移，但传统沿煤层底板巷道布置需要在每个工作面布置一条高抽巷，错层位巷道布置显著改善了这一问题，当接续工作面回采时，覆岩垮落形成一个整体，在弯曲下沉带内的高抽巷可为形成搭接的多个工作面服务，不断抽采离层区瓦斯，节省了巷道工程量[13]。

图11 错层位开采走向高抽巷布置Fig.11 Stagger mining to high drawbar layout

4.3 外错尾巷穿层低位、高位钻孔

错层位首采工作面布置外错尾巷，如图12所示。在外错尾巷内向上覆岩裂隙带内打高位穿层钻孔，抽采首采工作面的卸压瓦斯，其特点是外错尾巷内施工的穿层瓦斯抽采钻孔由于受采动影响情况较小，所以瓦斯抽采钻孔能够长期有效的使用，且抽采钻孔一直在有效卸压抽采范围内，抽采瓦斯效果较好。根据首采面瓦斯运移情况向相邻首采面采空区内打低位钻孔，抽采采空区内瓦斯。

图12 外错尾巷穿层钻孔抽采首采工作面瓦斯Fig.12 Gas face of the first working face in drilling through-hole drilling

而其最大的特点在于开采接续工作面时，如图13所示。由于相邻2个工作面之间采用无煤柱布置，其覆岩裂隙发育区相互连通，相邻采空区同样相互连通，均可实现流体的运移，外错尾巷及穿层抽采瓦斯钻孔在接续工作面开采期间仍可持续工作，如果采用留煤柱护巷，则需要为每一个工作面布置一个单独的外错尾巷及抽采钻孔，可见，采用错层位负煤柱巷道布置方式可对形成搭接的多个工作面建立整体瓦斯抽采系统，节省巷道工程量。

可以利用采区回风大巷作为外错尾巷，这样即不用单独开掘和维护外错尾巷，同时实现了回风大巷的高效利用。

图13 外错尾巷穿层钻孔抽采首采和接续工作面采空区瓦斯Fig.13 First Drilling and Continuous Working Faces in Outer Drilled Boring DrillingGoaf gas

5 结论

1)采空区上方覆岩三带高度随接续工作面的增加而增大；相邻采空区垮落矸石压实区呈现“O-L-O”形变化，压实区边界孔隙相互连通；多个相邻采空区之间无煤柱开采，覆岩会形成大“O”形圈裂隙带。

2)相邻采空区内矸石压实区边界相连通，瓦斯气体可以实现相互运移；多采空区覆岩大“O”形圈裂隙带内赋存大量瓦斯气体，且在裂隙带内瓦斯气体可实现运移。

3)针对错层位无煤柱巷道布置做出合理的煤与瓦斯共采系统应用构想，提出地面钻孔抽采瓦斯、走向高位瓦斯抽采巷和外错尾巷穿层低位、高位钻孔等3种煤与瓦斯共采技术手段。

4)根据覆岩运动理论基础，提出针对错层位巷道布置煤与瓦斯共采系统，在煤与瓦斯共采上比传统巷道布置更具有优势，后续可通过更多试验和工程实践手段对其合理性，可行性加以证明。