1、第 卷第期 年月中国矿业 ，收稿日期：责任编辑：刘硕基金项目：国家自然科学基金面上项目资助（编号：，）第一作者简介：王志强（），男，博士，教授，博士生导师，主要从事现代采矿技术、矿山压力与围岩控制等方面的教学与研究工作，：。引用格式：王志强，席诗语，李廷照，等厚煤层错层位巷道布置采全厚采煤法：理论创新与工程应用 中国矿业，（）：，（）：，（）：采选工程文章编号：（）：厚煤层错层位巷道布置采全厚采煤法：理论创新与工程应用王志强，席诗语，李廷照，林陆（中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京 ）摘要：我国厚煤层开采存在巷道支护与煤柱损失的难题，本文以综合回采率与巷道支护一并解决的厚煤层错层位巷道布
2、置采全厚采煤法为主要研究内容。首先，介绍了厚煤层错层位巷道布置采全厚采煤法，在此基础上，进一步给出了起坡段工艺特征。其次，结合沿空掘巷特点，给出该工艺跳采特征，结合巷道布置经典理论确定错层位巷道布置的机理及其巷道承载特点，从而消除跳采带来的孤岛煤柱问题及实现工作面采出率的最大化。最后，结合两种典型特征矿井介绍了该采煤方法的应用情况，发现该采煤方法在回采率、自然发火与巷道维护等方面的独特优势。关键词：错层位巷道布置；起坡段；开采顺序；巷道布置；较薄厚煤层；残煤复采中图分类号：文献标识码：（）：，（，（），）：，：；中 国 矿 业第 卷我国煤矿开采以地下即井工矿为主，占比约。地下开采方式又以 年诞
3、生在英国的长壁式开采体系为主，该体系在全世界应用已有 余年，在我国应用也有半个多世纪。长壁式开采体系的技术特征包括工作面两侧至少各有一条回采巷道、工作面之间留设保护煤柱、采场矿山压力显现剧烈。在我国长壁体系的应用中，巷道布置与煤柱留设是一体化的，这种布置方式对接续工作面巷道维护较为有利，但存在煤炭损失严重的问题，比如煤柱尺寸保守取 ，相应的工作面长度为 ，仅工作面之间的煤柱占比即达到 ，而解决这一问题的根本途径在于发展无煤柱开采技术。传统无煤柱开采技术包括沿空掘巷与沿空留巷。沿空 掘 巷 这 一 名 词 最 早 在 国 外 出 现，称 为“”或者“”，国内常译为“屈服煤柱”，我国无煤柱开采技术
4、的研究与试验始于 世纪 年代，在中厚煤层、厚煤层分层开采中进行了沿空掘巷试验并取得成功，将 左右的护巷煤柱缩小到，甚至完全取消煤柱。但是沿空掘巷受井工矿规划限制，采区或带区同一翼工作面之间不能顺序接替，也即需要跳采工艺，影响矿井的 采掘 规划，最 终 也可 能形成孤岛工作面，从而带来强矿压甚至冲击地压的问题。沿空留巷在应用初期基本限于薄煤层，主要采用矸石带作为巷旁支护，中国矿业大学在高水充填巷旁支护材料改进与完善、沿空留巷围岩变形规律与控制技术方面做了大量工作，并将大断面沿空留巷应用于厚煤层综放工作面，扩展了沿空留巷的应用范围；西安科技大学开发出柔模混凝土墙式巷旁充填支护技术及设备，在多个矿井
5、得到推广应用 。但是结合巷道布置与厚煤层之间的空间关系，沿空留巷上方多以顶煤为主，为了保证巷道稳定性需要增加巷旁充填体与巷内支护强度，在巷道维护效果与成本之间存在一定的矛盾性，从而限制了沿空留巷大范围推广应用。为了综合解决回采率与我国煤矿开采普遍面临的强矿压问题，本文将重点介绍厚煤层错层位巷道布置采全厚采煤法取得的成果，并阐述其进一步发展方向。错层位巷道布置采全厚采煤法简介对于既可以分层开采又可以一次采全高开采的厚煤层，可以采用厚煤层错层位巷道布置系统 。该技术属于厚煤层一次采全高的巷道布置，既将构成回采系统的两条巷道沿煤层的不同层位布置。首先介绍一种最具代表性的错层位巷道布置采全厚采煤法的巷
6、道布置形式 错层位内错式巷道布置，如图所示。由图可知，将回采巷道沿煤层底板布置，巷道沿煤层顶板布置，接续工作面进风巷内错一巷沿上一工作面采空区下方布置，由于两个工作面之间形成相互搭接的结构，因此，工作面之间不存在护巷煤柱，仅仅是由于上一工作面在形成起坡段过程中造成的三角底煤丢失，三角起坡段的形成主要依靠溜槽的逐节抬升而形成。从图中还可以看出，巷道沿上一工作面回风巷内错一巷布置，从而巷道以及靠近巷道一侧的端头上方为采空区垮落矸石，而回风巷以巷道为例，由于沿煤层顶板布置，巷道及端头支架上方是煤层直接顶板，由此可以看出，改变两个相邻工作面之间的布置结构即可解决始终困扰综放开采的煤层巷道支护困难、巷道
7、及端头上方不放顶煤的问题。因此，改革巷道布置在降低掘进与支护成本的前提下，还可以大大提高 回采 率，被 视为 提高 回 采 率 的 绿 色 途 径。此外，与传统厚煤层开采方法显著不同的是，传统厚煤层开采构成生产系统的两条回采巷道均沿煤层的同一层位布置，而错层位的两条回采巷道分别布置在煤层中的不同层位，因此可以称之为“立体化巷道布置”。进一步分析，两个工作面之间的相邻巷道由于布置在煤层中的不同层位，因此在实际应用中可以结合具体地质条件选择合理的巷道布置形式，如图所示。区段进风巷；区段回风巷；接续工作面区段进风巷；三角煤损图错层位巷道布置示意图 第期王志强，等：厚煤层错层位巷道布置采全厚采煤法：理
8、论创新与工程应用关键工艺及理论错层位连续开采其巷道布置在煤层不同层位，因此，工作面并非沿着某一固定层位，而是存在一个顺着层位抬升的区域，会带来一系列变化，分别介绍如下所述。起坡段工艺特征图为错层位无煤柱连续开采巷道典型布置方式及其起坡段结构示意图。由图（）可知，工作面大部分沿煤层底板布置，但是靠近回风巷道一侧的工作面需要抬升，形成一个起坡段，其目的包括：第一，连接沿煤层顶板巷道与沿煤层底板工作面；第二，保证回风巷道下方能够布置完全无煤柱巷道。由图（）可知，工作面溜槽起坡时一般按照相邻溜槽抬升角度 计算，从煤层底板工作面开始与水平面的角度依次抬升、，接着至 并保持节溜槽按照这一角度向上延伸，随后
9、再逐渐从 降低至水平，整个抬升的高度按照溜槽宽度 计算，需要抬升的工艺计算见式（）。.（）.（）（）图相邻巷道布置的选择 图错层位无煤柱连续开采布置及起坡段示意图 仅考虑较薄厚煤层的前提下，为了布置接续工作面连续开采巷道，仅需要满足式（）。.（）图给出了近水平条件下起坡段的条件，当煤层存在一定的倾角，起坡段结构如图所示。由图可知，当煤层倾角较大时，工作面从上至下到达适当位置后沿煤层底板开始逐节抬升，按照工作面角度每节可抬升，则可在倾斜煤层工作面下端形成水平；实际应用中，综合考虑煤层厚度，存在多节溜槽保持水平或者破部分煤层顶板的情况。由此可以看出，该方法在倾斜煤层发挥了减缓下滑力的作用，支架单架
10、重量为，工作面液压支架共计架，下端逐节抬升节溜槽出现至少架支架保持水平，则工作面液压支架整体下滑力计算见式（）。（）（）（）（）（）（）（）（）式中：；为直接顶厚度。具体中 国 矿 业第 卷分析如下所述。）当时，认为设备不会发生下滑；）当时，通过侧向支撑，使得 即可保证工作面设备的整体稳定性。因此，在角度较大煤层布置长壁工作面时，错层位巷道布置相对于传统长壁工作面对于设备的稳定性更为有利。图倾斜煤层错层位连续开采巷道布置 工作面开采顺序如前所述，与沿空掘巷布置方式相同，由于接续工作面相邻巷道紧邻采空区布置，需要等待上一个工作面覆岩运动稳定后才能掘进巷道，因此一般情况下不能实现相邻工作面在时间和
11、空间上的顺序开采，需要利用时间或者空间形成“跳采”，空间上的“跳采”最终会形成孤岛工作面，从而带来强矿压或者动力灾害问题。错层位无煤柱连续开采技术的本质实际是沿空掘巷的一种特殊形式，其区别在于沿空巷道位于采空区下方，水平上与采空区之间是一近似于三角形煤体，因此其同样需要考虑时间与空间跳采的方案，如图所示。由图可知，当采用错层位无煤柱连续开采时，受矿井开拓准备部署影响，存在双翼开采（图（）和单翼开采（图（）两种形式。图（）所示双翼开采无疑对工作面之间接续是较为有利的，工作面在上山或大巷两侧进行“搬家”，按照图中顺序，工作面工作面工作面，从时间上看，工作面与工作面之间开采存在时间上的间隔，间隔的时
12、间与另一侧单个工作面开采时间加上“搬家”时间相同，概括起来为空间上“连续”、时间上“间隔”；但是受到上山或大巷影响，单个工作面推进距离相对较短，开采范围相对较小，上山或大巷两侧需要留设保护煤柱，形成工作面推进方向的“离散”开采。图（）所示单翼开采对工作面之间的接续影响较大，工作面开采期间无法掘进工作面的沿空掘巷，这时需要合理安排工作面间接替顺序，如工作面工作面工作面工作面工作面或者工作面工作面工作面工作面工作面，相邻工作面之间概括起来均为空间与时间的“间隔”开采，且最终均需要开采工作面，其两侧形成较大范围的采空区，工作面为典型的“孤岛”煤体，强矿压甚至是动力灾害问题无法避免。图采区布置 第期王
13、志强，等：厚煤层错层位巷道布置采全厚采煤法：理论创新与工程应用结合图（）对煤柱留设问题进行分析。布置孤岛工作面时，其进风巷依然内错到工作面采空区原沿顶回风巷道下方，按照现布置方法，回风巷道与工作面采空区之间要保留护巷煤柱，煤柱尺寸留设的主要依据极限平衡区范围见式（）。（）（）由式（）可知，虽然错层位无煤柱连续开采技术受限于单翼开采，孤岛工作面不得不与采空区留设煤柱，但是因为工作面回风巷一侧沿煤层顶板布置，也即靠近采空区一侧开采高度降低，因此按照极限平衡区作为留设煤柱尺寸的依据，相当于采高降低，按照形成上下交错的要求，煤柱尺寸至少能够减少一半极限平衡区的范围，也即应用错层位无煤柱“连续”开采技术
14、，首先解决了孤岛煤柱工作面与采空区之间的煤柱尺寸问题。错层位无煤柱巷道布置理论与技术创新如前所述，当采用错层位无煤柱连续开采技术时，双翼开采工作面之间可实现空间上的“顺序”开采，时间上的“间隔”开采；单翼开采时，工作面之间空间和时间上均为“间隔”开采，虽然前述分析错层位巷道最终形成的孤岛工作面与采空区之间仅需要保留相对较小尺寸的煤柱，但是孤岛煤体依然存在强矿压甚至动力灾害问题，而这一问题在巷道中表现的更为突出。因此，本节首先给出错层位无煤柱连续开采巷道布置理论，在此基础上试图解决错层位无煤柱连续开采时间与空间上的“间隔”问题。图为一侧采空实体煤侧应力分布与分区情况示意图。由图可知，原留煤柱护巷
15、一般是将巷道布置在区偏向区的位置，可避免高支承应力影响；沿空掘巷一般是将巷道布置在区偏向区，即可避免高支承应力的影响，同时可以保证巷道围岩的稳定性，即使是完全无煤柱沿空掘巷技术，也贴着纵轴布置。沿空留巷与完全贴着采空区沿空掘巷存在不同，利用充填体切断顶板沿着采空区布置，也即坐标纵轴沿着充填体靠采空区一侧形成坐标系统。依据图所示巷道位置选择原理，错层位无煤柱接续开采巷道结合图出现在了完全不同的位置，也即沿着坐标系统布置在横轴的负轴，不包含在现有机理框架内，结合坐标系统确定错层位无煤柱连续开采回采巷道载荷以覆岩垮落矸石为主，受到覆岩结构关键块体保护，考虑关键块失稳作用带来动载，其载荷估算见式（）。
16、（）（）考虑矿压较为剧烈的情况下，取。由于错层位接续工作面相邻巷道上方采高较小，因此垮落矸石以直接顶重量为主，因此确定巷道承载较小，且覆岩运动首先作用到垮落矸石上，以吸收能量为主，传递能量相对较小。破坏区；塑性区；弹性应力升高区；原岩应力区；采空区覆岩垮落角；实体煤支承应力分布曲线图一侧采空实体煤侧应力分布与分区情况 部分给出错层位无煤柱连续开采巷道布置类似沿空掘巷，存在跳采的情况且最终形成孤岛，为了解决孤岛工作面带来的强矿压或者冲击地压问题，借鉴于错层位无煤柱连续开采巷道布置拓展的机理及其承载特点，获得新的启发，如图所示。结合图（），为解决最终孤岛工作面留设煤柱与显著的巷道强矿压甚至冲击地压问题，确定工作面采用图（）所示典型的错层位巷道布置方式，开采工作面时，其两巷均沿煤层顶板布置，靠近工作面待采区域的巷道如图所示，工作面与工作面均采用与工作面相同的常规错层位巷道布置方式，则形成了图所示的孤岛煤体中 国 矿 业第 卷三角煤损；上区段回风巷；区段进风巷；区段回风巷图错层位跳采孤岛工作面优化布置 状态，即其两端均是沿顶布置的巷道，为了解决巷道载荷大易发生冲击地压等问题，孤岛工作面的两巷直
