缓倾斜厚煤层综放回采巷道布置方式的现状分析

2014-04-18郭灵飞康天合陈世江潘月军

采矿与岩层控制工程学报 2014年2期

关键词：煤柱采空区瓦斯

郭灵飞，康天合，陈世江，潘月军

(1.内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古包头014010;2.太原理工大学采矿工艺研究所，山西太原030024; 3.神东煤炭集团补连塔选煤厂，内蒙古鄂尔多斯017209)

综放技术于20世纪80年代初引进我国，经过30多年取得了迅速发展与创新，回采巷道的布置方式也在不断地发展与完善，一种适合矿井生产的巷道布置方式，能够易于瓦斯排放、利于弱化顶煤顶板、提高采出率、解决巷道掘进与支护的困难等。

本文对缓倾斜厚煤层综放回采巷道布置方式进行总结分析，从高瓦斯矿井、“两硬”煤层、松软破碎煤层、小煤柱或无煤柱护巷等方面考虑，总结目前各种类型回采巷道的布置方式，分析各自的优缺点、适用条件，有助于煤矿选择合理的回采巷道布置方式。

1 专用排放瓦斯巷的布置

由于综放开采一次采出煤炭量大，工作面的瓦斯超限是影响安全高效回采的主要问题，而目前解决该问题的主要方法是矿井通风。

U型通风系统［1］(或两巷式)是应用较为广泛的方式，即只沿煤层底板布置1条运输巷和1条回风巷，具有巷道的掘进和维护费用低、向采空区漏风少、风流稳定、易于管理等优点，但易引起上隅角瓦斯积聚，形成涡流区，造成工作面上隅角瓦斯浓度大，易超限，制约采煤工作面的安全生产。

我国学者和工作人员经过多年研究和实践，在U型通风系统的基础上，增加1条或多条用于治理瓦斯超限的专用瓦斯巷道。

1.1 增加1条专用瓦斯巷

U+L型外错式通风系统［2］包括U型通风系统和与回风巷外错20m左右的专用瓦斯巷，这条瓦斯巷可以沿顶板布置，也可沿底板布置，回风巷与瓦斯巷之间间隔一定距离 (30～50m)用联络巷沟通。瓦斯巷沿顶板布置更有利于上隅角瓦斯的排放，而沿底板布置的瓦斯巷在上工作面回采结束后可作为下工作面的巷道使用。但不管何种布置都增加了大量的采区煤柱。

U+L型内错式通风系统［2］包括U型通风系统和与回风巷内错20m左右的专用瓦斯巷，使工作面采空侧产生负压区来控制上隅角瓦斯的积聚。但该瓦斯巷经常受到放煤的影响，提前冒落坍塌，不能真正发挥治理上隅角瓦斯的作用。

U+I型通风系统也称顶层瓦斯巷外错小煤柱护巷技术［3］，包括U型通风系统和与回风巷平行并外错回风巷0～5m并联布置顶板专用瓦斯巷。该布置方式能解决放顶煤工作面上段、上隅角和采空区的瓦斯与煤尘积聚，特别是上隅角上部空间瓦斯与煤尘的积聚，并为实现小煤柱放顶煤开采，提高煤炭采出率创造了良好的力学环境。但该布置方式易向采空区漏风，对于易自燃煤层可能发生火灾。

J(或h或Y)型通风系统［4－6］包括U型通风系统和U型通风系统的回风巷在进入采空区后继续保留作排瓦斯专用巷。其中J(或h)通风系统构成“一进两回”通风方式，即运输巷进风，经工作面，由回风巷和专用瓦斯巷回风。而Y型通风构成“两进一回”的通风方式，即运输巷和回风巷同时进风，由专用瓦斯巷回风。沿空排瓦斯巷纵贯采空区，改变了采空区瓦斯源的流向，消除了采空区瓦斯引起工作面和上隅角局部地点积聚的可能性。但是该布置方式易向采空区漏风，对于易自燃煤层可能发生火灾。

“吕”字形巷道布置［7］包括两巷式和回风巷的正上方沿煤层顶板布置的专用瓦斯巷。该瓦斯巷比内错或外错瓦斯巷的排放瓦斯效果更好，而且对回风巷有卸压作用，这种作用随瓦斯巷宽度的增加而增加。但是要求煤层较厚 (一般在9m以上)，特别对于软煤层来说，上下巷道间距不能过小，以免漏风。对于回风巷的支护提出了更高的要求，不易于采用锚杆支护。

W型通风系统［8］包括U型通风系统和布置于工作面中间沿煤层顶板掘进的瓦斯巷，该瓦斯巷直接与回风上山沟通。为了防止工作面风速和上隅角瓦斯超限，采用两巷进风，瓦斯巷回风的“两进一回”的通风方式，但瓦斯巷也会受采动影响使其通风不畅。

B(E)通风系统［9］包括U型通风系统和与回风巷内错10～15m的专用瓦斯巷，该瓦斯巷直接与回风上山连通。在回风上山中设置1个风窗，可以调节风窗的开启面积，使得专用瓦斯排放巷和回风巷内的瓦斯排出浓度降低至1%以下。

菌株：酿酒酵母（CICC 31084、CICC 31085、CICC 32178、CICC 32130、CICC 32168），均由中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)提供。

还有一种用于排放瓦斯通风系统布置方式是在U型通风系统的基础上，在本煤层顶板或上邻近煤层中，沿煤层走向或倾向布置1条高抽巷［10］。该布置方式适用于本工作面或邻近层瓦斯涌出量较大，采空区瓦斯含量较高，回风流瓦斯浓度无法降低的开采条件。

1.2 增加多条抽排瓦斯巷

双U型通风系统［11］是2个U型系统叠加，形成“两进两回”的通风方式。该布置方式由外侧的大“U”嵌套内侧的小“U”，外侧的“U”型通风巷道1条巷用作进风巷、1条巷用作专用排瓦斯巷，这2条巷通过通风联络巷连接;内侧的小“U”型通风巷道1条巷道用作运输兼进风巷，1条巷用作工作面回风巷，这2条巷道通过工作面连通;进风巷与运输巷、回风巷与专用排瓦斯巷之间每隔100～120m设置了调节风窗或密闭的横川，便于调节使用。

U+L+高抽巷［12］是U+L型通风系统和高抽巷的叠加。该布置方式是在U+L内错式或外错式通风系统的基础上，在本煤层顶板或上邻近煤层中布置高抽巷。

J+E型通风系统［13］是 J和 E通风系统的叠加。运输巷、回风巷及相邻工作面切眼构成J型通风系统，运输巷、回风巷及瓦斯巷构成E型通风系统。J+E型通风系统具有J型通风系统排放瓦斯量大和风量的可调节控制以及E型通风系统简单可靠的优点，解决了工作面特别是上隅角瓦斯超限的问题，使工作面的通风系统得到了优化，进一步降低了瓦斯给生产带来的危害。

对于增加多条抽排瓦斯巷的系统，能够很好地解决瓦斯积聚的问题，但是无疑增加了多条巷道，从而增加了大量的掘进费用。

表1为缓倾斜厚煤层专用排放瓦斯巷的布置方式。

2 “两硬”厚煤层综放回采巷道布置方式

“两硬”是指:顶板f＞11;顶煤f＞3。顶煤强度高，且层、节理通常不发育，顶煤的块度大，自然破碎效果较差，不易放出，降低采出率;坚硬顶板在初次来压和周期来压期间支柱载荷过大，支柱初撑力不足或有较大悬顶，直接顶冒落后不能充满采空区或离层后与上覆坚硬岩层冒落不同步，是工作面易发生压垮型冒顶事故的主要原因。为了提高“两硬”厚煤层综放开采的采出率，保障工作面的安全高效回采，必须采取相应的弱化顶煤和顶板的措施。实施这一措施的主要方法是工艺巷内进行深孔松动爆破。

回采工作面只布置2条巷道，在巷道中直接间隔一定的距离打深孔松动爆破钻孔，以弱化顶煤和顶板。该布置方式减少了掘进率，但是对2条巷道支护提出了更高的要求。

3 松软破碎厚煤层综放回采巷道布置方式

若回采巷道沿松软破碎煤层底板布置，巷道掘进与支护十分困难，甚至会引起煤层自然发火，此时可将回采巷道沿煤层的稳定层掘进 (稳定层可为厚煤层的稳定矸石层或较坚硬的煤层分层或煤层顶板)，即将工作面运输巷、回风巷、开切眼均沿稳定层布置，形成在工作面长度方向和推进方向的双向“凹字型”布置方式［16］，在工作面长度方向，上下巷及工作面两端头位于稳定层，工作面中间大部分沿煤层底板布置，变坡段连接工作面长度方向上下三段(图2(a));在工作面推进方向，开切眼与终采线处的设备回撤通道位于稳定层，工作面正常推进期间沿煤层底板布置，以θ=15°变坡角连接工作面推进方向的上下三段(图2(b))。该布置方式巷道的顶板较完整坚硬，有利于巷道掘进与支护;巷道沿煤层稳定层布置，由于煤层或岩层稳定和工作面上下端头采高低，有利于实现小煤柱或无煤柱护巷，减小区段煤柱损失;工作面上下巷和设备回撤通道比工作面正常回采段层位高，有利于工作面特别是其上隅角内的瓦斯排放。

表1 缓倾斜厚煤层专用排放瓦斯巷的布置方式

图1 缓倾斜厚煤层专用工艺巷的布置方式

4 小煤柱或无煤柱巷道布置方式

煤炭资源在我国一次能源消费结构中占75%，而且煤炭是一种不可再生资源，因此，必须合理利用煤炭资源走可持续发展之路。实施小煤柱或无煤柱的巷道布置是实现可持续发展的一项措施。

图2 厚煤层双向“凹字型”巷道布置

沿空留巷和沿空掘巷属于区段无煤柱护巷技术，区段平巷沿采空区布置，能够避开或减小支承应力对巷道的影响，提高采区采出率。沿空留巷不仅可减少区段煤柱的损失，而且可大量减少平巷的掘进工程量，但是巷道需要经常进行维修，故要求上区段结束回采后立即转入下区段回采。沿空掘巷是区段平巷沿着已采工作面的采空区边缘掘进，与沿空留巷相比，这种方法没有减少区段平巷的掘进量，但是减少了巷道维修费用，而且对巷道支护要求也不太严格。这两种巷道布置的方式在回采的过程中均向采空区漏风，易引起煤层发火，故适用于不易自燃的煤层［17］。

错层位布置［18］是将工作面的运输巷和回风巷分别布置在厚煤层的不同层位，见图3。

图3 缓倾斜厚煤层错层位巷道布置方式

当煤层倾角较小时，区段运输巷沿煤层底板，回风巷沿煤层顶板布置，下工作面的运输巷布置在上工作面回风巷之下的三角煤柱中。当煤层倾角较大时，回风巷沿底板布置，运输巷沿顶板布置，下工作面的回风巷布置在上工作面运输巷之下的三角煤柱中。该布置方式消除了区段煤柱，只是留下少量的三角煤柱，提高了采出率，但是对于三角煤柱中布置的巷道，其巷道支护有一定的要求，对于实施锚杆支护技术有一定的困难。