王志強(qiáng)，席詩(shī)語(yǔ)，李廷照，林 陸

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

我國(guó)煤礦開(kāi)采以地下即井工礦為主，占比約90%。地下開(kāi)采方式又以1706年誕生在英國(guó)的長(zhǎng)壁式開(kāi)采體系為主，該體系在全世界應(yīng)用已有300余年，在我國(guó)應(yīng)用也有半個(gè)多世紀(jì)。長(zhǎng)壁式開(kāi)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(hù)煤柱、采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)劇烈。在我國(guó)長(zhǎng)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(duì)接續(xù)工作面巷道維護(hù)較為有利，但存在煤炭損失嚴(yán)重的問(wèn)題，比如煤柱尺寸保守取20～40 m，相應(yīng)的工作面長(zhǎng)度為120～150 m，僅工作面之間的煤柱占比即達(dá)到13.3%～33.3%，而解決這一問(wèn)題的根本途徑在于發(fā)展無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)。

傳統(tǒng)無(wú)煤柱開(kāi)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(guó)外出現(xiàn)，稱為“yield pillar”或者“yielding pillar”，國(guó)內(nèi)常譯為“屈服煤柱”[1-4]，我國(guó)無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)的研究與試驗(yàn)始于20世紀(jì)50年代[5-6]，在中厚煤層、厚煤層分層開(kāi)采中進(jìn)行了沿空掘巷試驗(yàn)并取得成功，將20 m左右的護(hù)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(lái)強(qiáng)礦壓甚至沖擊地壓的問(wèn)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(hù)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在高水充填巷旁支護(hù)材料改進(jìn)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(kuò)展了沿空留巷的應(yīng)用范圍[7-9]；西安科技大學(xué)開(kāi)發(fā)出柔?；炷翂κ较锱猿涮钪ёo(hù)技術(shù)及設(shè)備，在多個(gè)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(hù)強(qiáng)度，在巷道維護(hù)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(guó)煤礦開(kāi)采普遍面臨的強(qiáng)礦壓?jiǎn)栴}，本文將重點(diǎn)介紹厚煤層錯(cuò)層位巷道布置采全厚采煤法取得的成果，并闡述其進(jìn)一步發(fā)展方向。

1 錯(cuò)層位巷道布置采全厚采煤法簡(jiǎn)介

對(duì)于既可以分層開(kāi)采又可以一次采全高開(kāi)采的厚煤層，可以采用厚煤層錯(cuò)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(cuò)層位巷道布置采全厚采煤法的巷道布置形式——錯(cuò)層位內(nèi)錯(cuò)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(jìn)風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)一巷沿上一工作面采空區(qū)下方布置，由于兩個(gè)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(hù)巷煤柱，僅僅是由于上一工作面在形成起坡段過(guò)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(cuò)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(gè)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(kāi)采的煤層巷道支護(hù)困難、巷道及端頭上方不放頂煤的問(wèn)題。因此，改革巷道布置在降低掘進(jìn)與支護(hù)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(kāi)采方法顯著不同的是，傳統(tǒng)厚煤層開(kāi)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(cuò)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(jìn)一步分析，兩個(gè)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(shí)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(jìn)風(fēng)巷；2-區(qū)段回風(fēng)巷；3-接續(xù)工作面區(qū)段進(jìn)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(cuò)層位連續(xù)開(kāi)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(gè)順著層位抬升的區(qū)域，會(huì)帶來(lái)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(cuò)層位無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)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(gè)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(wú)煤柱巷道3。由圖3(b)可知，工作面溜槽起坡時(shí)一般按照相鄰溜槽抬升角度3°計(jì)算，從煤層底板工作面開(kāi)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(gè)抬升的高度按照溜槽寬度1.5 m計(jì)算，需要抬升的工藝計(jì)算見(jiàn)式(1)。

圖3 錯(cuò)層位無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)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(kāi)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(shí)，工作面從上至下到達(dá)適當(dāng)位置后沿煤層底板開(kāi)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(shí)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(cuò)層位連續(xù)開(kāi)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(jì)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(jì)算見(jiàn)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(shí)，認(rèn)為設(shè)備不會(huì)發(fā)生下滑；

2) 當(dāng)F≥0時(shí)，通過(guò)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(zhǎng)壁工作面時(shí)，錯(cuò)層位巷道布置相對(duì)于傳統(tǒng)長(zhǎng)壁工作面對(duì)于設(shè)備的穩(wěn)定性更為有利。

2.2 工作面開(kāi)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(gè)工作面覆巖運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后才能掘進(jìn)巷道，因此一般情況下不能實(shí)現(xiàn)相鄰工作面在時(shí)間和空間上的順序開(kāi)采，需要利用時(shí)間或者空間形成“跳采”，空間上的“跳采”最終會(huì)形成孤島工作面，從而帶來(lái)強(qiáng)礦壓或者動(dòng)力災(zāi)害問(wèn)題。

錯(cuò)層位無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)采技術(shù)的本質(zhì)實(shí)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(shí)間與空間跳采的方案，如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)采用錯(cuò)層位無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)采時(shí)，受礦井開(kāi)拓/準(zhǔn)備部署影響，存在雙翼開(kāi)采(圖5(a))和單翼開(kāi)采(圖5(b))兩種形式。

圖5(a)所示雙翼開(kāi)采無(wú)疑對(duì)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(jìn)行“搬家”，按照?qǐng)D中順序，1#工作面→2#工作面→…→6#工作面，從時(shí)間上看，1#工作面與3#工作面之間開(kāi)采存在時(shí)間上的間隔，間隔的時(shí)間與另一側(cè)單個(gè)工作面開(kāi)采時(shí)間加上“搬家”時(shí)間相同，概括起來(lái)為空間上“連續(xù)”、時(shí)間上“間隔”；但是受到上山或大巷影響，單個(gè)工作面推進(jìn)距離相對(duì)較短，開(kāi)采范圍相對(duì)較小，上山或大巷兩側(cè)需要留設(shè)保護(hù)煤柱，形成工作面推進(jìn)方向的“離散”開(kāi)采。

圖5(b)所示單翼開(kāi)采對(duì)工作面之間的接續(xù)影響較大，1#工作面開(kāi)采期間無(wú)法掘進(jìn)2#工作面的沿空掘巷，這時(shí)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(lái)均為空間與時(shí)間的“間隔”開(kāi)采，且最終均需要開(kāi)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(qiáng)礦壓甚至是動(dòng)力災(zāi)害問(wèn)題無(wú)法避免。

圖5 采區(qū)布置

結(jié)合圖5(b)對(duì)煤柱留設(shè)問(wèn)題進(jìn)行分析。布置3#孤島工作面時(shí)，其進(jìn)風(fēng)巷依然內(nèi)錯(cuò)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(hù)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(jiàn)式(4)。

(4)

由式(4)可知，雖然錯(cuò)層位無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)采技術(shù)受限于單翼開(kāi)采，孤島工作面不得不與采空區(qū)留設(shè)煤柱，但是因?yàn)?#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(kāi)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(cuò)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(cuò)層位無(wú)煤柱“連續(xù)”開(kāi)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(wèn)題。

2.3 錯(cuò)層位無(wú)煤柱巷道布置理論與技術(shù)創(chuàng)新

如前所述，當(dāng)采用錯(cuò)層位無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)采技術(shù)時(shí)，雙翼開(kāi)采工作面之間可實(shí)現(xiàn)空間上的“順序”開(kāi)采，時(shí)間上的“間隔”開(kāi)采；單翼開(kāi)采時(shí)，工作面之間空間和時(shí)間上均為“間隔”開(kāi)采，雖然前述分析錯(cuò)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(duì)較小尺寸的煤柱，但是孤島煤體依然存在強(qiáng)礦壓甚至動(dòng)力災(zāi)害問(wèn)題，而這一問(wèn)題在巷道中表現(xiàn)的更為突出。因此，本節(jié)首先給出錯(cuò)層位無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)采巷道布置理論，在此基礎(chǔ)上試圖解決錯(cuò)層位無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)采時(shí)間與空間上的“間隔”問(wèn)題。

圖6為一側(cè)采空實(shí)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(hù)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(shí)可以保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，即使是完全無(wú)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(biāo)縱軸沿著充填體靠采空區(qū)一側(cè)形成坐標(biāo)系統(tǒng)。

依據(jù)圖6所示巷道位置選擇原理，錯(cuò)層位無(wú)煤柱接續(xù)開(kāi)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(biāo)系統(tǒng)布置在橫軸的負(fù)軸，不包含在現(xiàn)有機(jī)理框架內(nèi)，結(jié)合坐標(biāo)系統(tǒng)確定錯(cuò)層位無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)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(hù)，考慮關(guān)鍵塊B失穩(wěn)作用帶來(lái)動(dòng)載K，其載荷估算見(jiàn)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(shí)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(cuò)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(yùn)動(dòng)首先作用到垮落矸石上，以吸收能量為主，傳遞能量相對(duì)較小。

2.2部分給出錯(cuò)層位無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)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(lái)的強(qiáng)礦壓或者沖擊地壓?jiǎn)栴}，借鑒于錯(cuò)層位無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)采巷道布置拓展的機(jī)理及其承載特點(diǎn)，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(jìn)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(qiáng)礦壓甚至沖擊地壓?jiǎn)栴}，確定1#工作面采用圖3(a)所示典型的錯(cuò)層位巷道布置方式，開(kāi)采4#工作面時(shí)，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(cuò)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(wèn)題，3#孤島工作面的兩巷直接錯(cuò)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(kāi)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(qiáng)礦壓、動(dòng)力災(zāi)害的問(wèn)題，但是覆巖載荷不會(huì)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(duì)于覆巖載荷的適應(yīng)能力強(qiáng)，但是為了避免工作面兩側(cè)出現(xiàn)嚴(yán)重的煤壁片幫、冒頂?shù)葐?wèn)題，仍需切斷覆巖載荷的傳遞路徑，利用錯(cuò)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(xiàng)創(chuàng)新成果后續(xù)報(bào)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?jiǎn)栴}，但如果能夠?qū)崿F(xiàn)工作面在時(shí)間和空間上的“順序”開(kāi)采，對(duì)于礦井高效、有序開(kāi)采更為有利，因此，作者所在團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年的理論與實(shí)踐研究，形成了一整套連續(xù)開(kāi)采技術(shù)，限于篇幅問(wèn)題，后續(xù)報(bào)道。

3 錯(cuò)層位巷道布置的工程應(yīng)用

3.1 較薄厚煤層錯(cuò)層位連續(xù)開(kāi)采工程實(shí)例

本節(jié)以鎮(zhèn)城底煤礦8#煤層作為工程實(shí)例進(jìn)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(yàn)工作面地質(zhì)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，煤層整體呈一單斜構(gòu)造，瓦斯相對(duì)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(kāi)采8#煤層，因效率較低，于21世紀(jì)之初開(kāi)展輕型支架放頂煤開(kāi)采，但是因放頂煤開(kāi)采存在回采率低與自然發(fā)火問(wèn)題，于2004年開(kāi)始采用錯(cuò)層位無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)，8#煤層試驗(yàn)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(jìn)布置，正巷沿煤層底板掘進(jìn)布置屬下分層巷道，工作面長(zhǎng)度120 m，工作面布置如圖8所示。

圖8 相鄰試驗(yàn)工作面布置及巷道搭接示意圖

2) 巷道布置、支護(hù)方案與參數(shù)。 按照起坡工藝，18111工作面開(kāi)采時(shí)，距離回采巷道約20 m處開(kāi)始起坡，起坡段每節(jié)溜槽抬升增加3°，達(dá)到15°時(shí)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(jì)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(jìn)創(chuàng)造假頂條件，下區(qū)段進(jìn)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(cuò)3.0 m掘進(jìn)，頂板為金屬網(wǎng)假頂，循環(huán)進(jìn)尺0.8 m。 巷道采用金屬梯形棚式支護(hù)，金屬棚用礦用11#工字鋼加工而成，棚腿長(zhǎng)為2 700 mm，金屬棚梁長(zhǎng)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(jìn)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(jìn)。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(jìn)行支護(hù)，錨索補(bǔ)強(qiáng)。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(pán)”進(jìn)行支護(hù)，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(pán)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(cuò)層位無(wú)煤柱巷道布置進(jìn)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(hù)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(cuò)層位無(wú)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(dòng)支護(hù)方式即可，從圖10中可以看出，巷道維護(hù)狀況良好，表明錯(cuò)層位無(wú)煤柱兩巷易于支護(hù)的效果。

3) 工作面液壓支架阻力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)特征分析。為了掌握錯(cuò)層位無(wú)煤柱開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對(duì)液壓支架工作阻力進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，首采18111工作面液壓支架阻力見(jiàn)表1，18111-1接續(xù)工作面支架加權(quán)工作阻力見(jiàn)表2。工作面長(zhǎng)度120 m，液壓支架共計(jì)80臺(tái)，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(shí)測(cè)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(zhǎng)壁開(kāi)采工作面液壓支架阻力分布規(guī)律不同，也即錯(cuò)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(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)

表2 18111-1接續(xù)工作面支架加權(quán)工作阻力實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)

4) 安全性分析。為了解決回采率低和自然發(fā)火危險(xiǎn)性兩個(gè)問(wèn)題，鎮(zhèn)城底煤礦采用錯(cuò)層位無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)采技術(shù)，同時(shí)，為了進(jìn)一步提高采出率，改變了原“見(jiàn)矸關(guān)門(mén)”等方式，實(shí)際上放煤過(guò)程中直到“完全矸石”才停止放頂，生產(chǎn)實(shí)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(shí)現(xiàn)頂煤的回收，鎮(zhèn)城底煤礦對(duì)放頂煤后部刮板輸送機(jī)溜槽進(jìn)行了改造，增加了一個(gè)側(cè)向接煤板；同時(shí)，為了配合“完全矸石”關(guān)門(mén)工藝，避免過(guò)多的矸石升井增加運(yùn)輸與洗煤成本，井下采用篩矸設(shè)備進(jìn)行大塊矸石的篩選。

圖11 輔助回收頂煤與篩矸裝置

綜合錯(cuò)層位無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)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(shí)現(xiàn)了該礦采出率的最大化，同時(shí)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(jìn)行分析。由圖12可知，原厚煤層綜放開(kāi)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(kāi)切眼與末采位置；⑤采空區(qū)放頂遺煤。同時(shí)，由于原厚煤層綜放開(kāi)采一般將巷道布置在煤層底板，開(kāi)采過(guò)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(gè)條件：遺煤的存在、通風(fēng)及蓄熱時(shí)間，結(jié)合錯(cuò)層位無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)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(jì)中占礦井火災(zāi)的2/3。因此，錯(cuò)層位無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)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(kāi)采易自然發(fā)火區(qū)域

結(jié)合鎮(zhèn)城底煤礦應(yīng)用實(shí)際效果，錯(cuò)層位無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)采與傳統(tǒng)厚煤層放頂煤開(kāi)采相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)。①回采率高。錯(cuò)層位無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)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(chǔ)量的7%～15%，巷道及端頭不放頂煤部分占比4%，也即僅僅通過(guò)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(gè)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(kāi)切眼、末采與采空區(qū)遺煤，錯(cuò)層位無(wú)煤柱開(kāi)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(gè)區(qū)域的自然發(fā)火危險(xiǎn)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(wèn)題。③利于巷道支護(hù)與維護(hù)。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(hù)為主；回風(fēng)巷道沿煤層頂板布置，錨桿、索主動(dòng)支護(hù)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(cuò)層位連續(xù)開(kāi)采工程實(shí)例

本節(jié)以官地煤礦極近距8#殘煤下伏9#整層煤開(kāi)采為工程實(shí)例進(jìn)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(kāi)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(kāi)始應(yīng)用分層開(kāi)采，但是由于歷史原因，在采完上分層后并沒(méi)有進(jìn)行下分層的開(kāi)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(shí)，還有完全未采動(dòng)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(jì)的首采29401工作面長(zhǎng)度為150 m，推進(jìn)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(kāi)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(shí)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(chǔ)量與可采儲(chǔ)量見(jiàn)表3。

表3 8#煤層殘留儲(chǔ)量及9#煤層儲(chǔ)量情況表

2) 開(kāi)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(yán)重，且8#殘煤遺留在采空區(qū)增加自然發(fā)火危險(xiǎn)性。如考慮回收8#煤層，存在開(kāi)采技術(shù)方案的選擇問(wèn)題：①采用厚煤層分層開(kāi)采技術(shù)，則相對(duì)儲(chǔ)量較少的8#殘煤巷道工程量多、單產(chǎn)低的問(wèn)題突出；②采用傳統(tǒng)的綜放開(kāi)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(kāi)采回采巷道，造成9#已掘回采巷道的長(zhǎng)期維護(hù)。

綜合上述問(wèn)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(duì)巷道布置，也即采煤方法的選擇展開(kāi)研究，如圖14所示。

圖14 極近距煤層開(kāi)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(kāi)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(jìn)的過(guò)程中，分段勘察底板夾層厚度，對(duì)夾層穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試、計(jì)算分析，確定其對(duì)8#煤層冒放性的影響。

步驟2：如步驟1勘察與計(jì)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(dú)開(kāi)采的生產(chǎn)系統(tǒng)。

步驟3：如步驟1勘察與計(jì)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(cuò)層位巷道布置系統(tǒng)。

步驟4：接續(xù)工作面開(kāi)采期間，巷道3與巷道1形成內(nèi)錯(cuò)一巷布置，形成錯(cuò)層位無(wú)煤柱連續(xù)開(kāi)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(duì)于8#殘煤放頂煤的要求。

3) 夾層對(duì)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(duì)8#煤層、9#煤層細(xì)粒砂巖夾層進(jìn)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(jiàn)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(qiáng)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(rèn)為是懸臂梁，其力學(xué)計(jì)算分析見(jiàn)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(duì)頂煤冒放性影響愈大?？迓洳骄嗯c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(duì)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(qiáng)度，提高頂煤的冒放性。③支架的支撐力R也是一個(gè)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(shí)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(lái)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(zhǎng)度不超過(guò)1 m，認(rèn)為其會(huì)影響頂煤的回收。隨著支護(hù)阻力的增大，當(dāng)達(dá)到額定工作阻力后，夾層厚度不超過(guò)0.9 m時(shí)，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(guò)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(shí)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(shí)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(duì)基本頂實(shí)施預(yù)裂技術(shù)，提前實(shí)現(xiàn)對(duì)夾層的破壞。

官地煤礦采用錯(cuò)層位開(kāi)采技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多回收8#殘煤21.2萬(wàn)t，且開(kāi)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(jì)效益，同時(shí)也證明，該技術(shù)對(duì)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(kāi)采存在的巷道布置與煤柱留設(shè)矛盾體展開(kāi)，對(duì)厚煤層錯(cuò)層位巷道布置采全厚采煤法及其取得的部分成果進(jìn)行論述，取得的成果如下所述。

1) 介紹了錯(cuò)層位巷道布置采全厚采煤法，并對(duì)其巷道布置進(jìn)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(duì)厚煤層錯(cuò)層位巷道布置空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，先后給出了工作面起坡段工藝、工作面開(kāi)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(qiáng)礦壓的創(chuàng)新特征。

3) 給出了錯(cuò)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(xiǎn)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(duì)上覆殘煤、下伏整層煤開(kāi)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(wèn)題，進(jìn)一步拓展其在難采、復(fù)雜煤層的應(yīng)用模式。