煤與瓦斯突出保護層開采技術研究現狀初探

游曦鳴，劉官秀，張海豐

(中國地質大學工程學院，湖北 武漢 430074)

煤礦生產中的煤與瓦斯突出事故時常發生，并且造成的危害巨大，嚴重地制約了煤炭開采和我國經濟的發展。因此，做好煤與瓦斯突出的防治工作，是煤礦生產的基礎，也是重點。

根據國家安全生產監督管理總局政府網站事故查詢系統統計，我國從2001—2011年3月28日，共發生煤與瓦斯突出事故387起，死亡2 301人，其中，從2001—2010年，我國因煤與瓦斯突出事故共造成2 272人死亡，2002年死亡人數最多，達到了331人。雖然事故起數呈現逐年降低的趨勢，但是每年因煤與瓦斯突出事故死亡的人數并沒有明顯減少，平均每年有227．2人遇難。這說明煤與瓦斯突出事故的嚴重性并沒有從根本上得到遏制，防治煤與瓦斯突出的形勢依然十分嚴峻。

1 國內外保護層開采的應用現狀

1933年，法國最先開始了保護層開采的研究，隨后蘇聯、德國、波蘭等國家也將保護層開采技術應用到防治煤與瓦斯突出中。蘇聯作為最早進行保護層開采技術研究的國家之一，對保護層開采的機理和保護范圍的劃分進行了相當多的實驗研究［1］。目前，幾乎世界上所有開采有突出危險的煤礦，在賦存條件允許的情況下，都首先開采保護層。20世紀50—60年代，我國在北票、南桐等地區進行了保護層開采技術的研究試驗，取得了顯著效果。同時，《煤礦安全規程》［2］第193條規定：“在突出礦井開采煤層群時，應優先選擇開采保護層防治突出措施。”《防治煤與瓦斯突出規定》［3］第40條規定：“區域防突措施應當優先采用開采保護層”。

至今為止，遠距離上保護層開采、遠距離下保護層開采、極薄煤層保護層開采、超遠距離下保護層開采以及多重上保護層開采技術都在實際生產中得到了充分的應用，并且經過實踐檢驗，各種保護層開采技術配合瓦斯抽采，都能夠排放瓦斯和卸壓，充分有效地防治煤與瓦斯突出，大大提高了生產效率，保障了職工的生命安全，確保了安全生產。所以，在目前的理論和技術條件下，保護層開采技術無疑是經濟有效的區域性防突措施。

2 國內外保護層開采預防突出的機理研究

外國學者［1］普遍認為，保護層開采作用的物理本質是對巖層和突出煤層進行卸壓作用，卸壓將使空隙和裂隙張開，進而使煤層透氣性增大和瓦斯壓力降低，從而達到降低突出危險的作用。我國的研究者［4］在前人的基礎上進行了相關研究，對一些理論進行了豐富和發展，認為保護層開采之后，煤巖層會向采空區進行移動，此時地應力、煤巖結構和突出層瓦斯均會發生變化。地應力會重新分布，采空區內的應力降低，使突出層卸壓，導致煤層膨脹變形，巖層中的裂隙不斷增多的同時也在擴大，煤層的透氣性系數增大，瓦斯不斷解析并大量涌出，瓦斯含量大大減少，瓦斯壓力顯著降低，同時，由于瓦斯的析出，煤體的硬度增大，綜合以上各種作用最后使突出危險降低。

由于煤與瓦斯突出是一種復雜的動力作用，由各種因素綜合影響，突出的機理目前也尚未研究清楚，還有部分現象不能解釋，所以，保護層開采預防突出的機理現在也處于發展階段，有待更進一步的深入研究。

3 國內外保護層開采保護范圍的判別準則研究

3．1 應力卸壓判別準則

前蘇聯學者［1］根據保護層開采后突出層應力重新分布的特點，采用考慮采動應力因素的準則：

式中：

σyc—垂直于煤層層理方向的應力，MPa;

α—煤層傾角，(°);

HB—記錄到第一次煤與瓦斯突出或礦山沖擊的作業深度，m;

λ—側壓力系數。

該準則僅僅考慮了應力的作用，忽視了瓦斯和煤巖結構的變化，具有一定的技術局限性，在實際過程中一般用來確定突出層的卸壓帶的邊界。

3．2 殘余瓦斯壓力判別準則

我國在實際開采過程中，殘余瓦斯壓力判別準則［2］應用比較廣泛，該準則是根據突出層中的殘余瓦斯壓力值Pd與瓦斯壓力安全值Pa進行比較，即：

式中：

Pa—《煤礦安全規程》規定為 0．74，MPa。

該判定值是基于全國26個突出礦井的統計資料而得到的瓦斯壓力安全值。雖然此準則目前應用十分廣泛，得到了認可，但還是存在一定的局限性，有安全隱患，特別是對煤層不規則的情況不適用，如：急傾斜煤層等。

3．3 突出層動態瓦斯壓力判別準則

動態瓦斯壓力判別準則［1，5］認為瓦斯壓力越高則煤與瓦斯突出的可能性就越大，產生突出的最小瓦斯壓力值可以根據下式計算：

式中：

Pmin—煤層發生突出瓦斯壓力最小值，MPa;

V—軟煤分層的揮發分含量，%;

f—軟煤分層的堅固性系數;

A，B—統計常數。根據對我國26個礦井始突深度位置的統計資料，A=5，B=0．017。

由此可見，該準則將煤層的堅固性系數考慮在內，同時還結合了我國的相關統計資料，更加全面。但是，目前該準則還只是用于對保護效果進行相關評價。

3．4 煤層法向變形判別準則

根據國內外的研究［6］，當被保護煤層法向變形大于0．6%時，該煤層的突出、沖擊地壓等動力現象基本消除。用公式表示如下：

式中：

εn—突出煤層的法向變形量。

由于煤層的形變量與應力密切相關，不同的構造中的應力分布對最終的結果影響較大。所以，該準則也存在一定的誤差和局限性。

3．5 殘余瓦斯含量判別準則

根據《防治煤與瓦斯突出規定》，殘余瓦斯含量小于8 m3/t的預抽區域為無突出危險區;否則，即為突出危險區。所以，直接根據規定就可以判定該突出層是否有突出危險，該方法簡單易行。

但是，這種方法只是單純的考慮瓦斯壓力，忽略了煤巖結構和地應力的變化，不夠全面，應用時也存在一定的局限性。

3．6 極限瓦斯壓力判別準則

在實際應用過程中［7］，可通過建立被保護層的煤與瓦斯突出的固氣動態耦合失穩模型，并進行數值求解，獲取該區域的發生突出的極限瓦斯壓力值，進而建立新的以極限瓦斯壓力值為判定值的被保護層保護范圍的殘余瓦斯壓力判別準則(簡稱“極限瓦斯壓力判別準則”)，即：

式中：

Pc—發生煤與瓦斯突出的極限瓦斯壓力值，MPa;

Pd—突出層的殘余瓦斯壓力值，MPa。

該準則考慮了煤層的結構性質、應力狀態與煤層的瓦斯壓力狀態的綜合作用，這更符合實際情況，保證了更全面的考慮。但是該準則也是有局限性的，僅僅只能針對某一個具體煤礦的某一特定區域，同時，通過對比可以發現，該準則是偏于安全的，也就是說會影響實際生產中的經濟效益。

由于理論和技術的限制，目前的判別準則都只考慮了部分影響因素，適用于某些情況，往往不夠全面和準確。所以，在實際應用過程中，可以嘗試將兩個或多個判別準則同時運用，綜合各參數的影響。同時，為了能夠在實際生產過程中精確地劃定有效保護范圍，達到最佳的安全效益，保護層開采保護范圍的判別準則還需要在煤與瓦斯突出機理研究的基礎之上進行更加深入研究。

4 保護層開采有效保護范圍劃定方法的研究

保護層開采技術的最終目的是劃定被保護層的有效保護范圍，確定可以開采的區域，包括傾向卸壓角、走向卸壓角和超前距離，進而能夠合理地布置巷道，在安全生產的前提下提高采煤速度。目前，劃定保護層開采有效保護范圍的方法主要有現場考察和計算機模擬。我國主要還是依據現場考察的結果，并結合國家的相關法律法規規定來劃定有效保護范圍。現在國內外在確定有效保護范圍時，也會進行一些實驗模擬，并將實驗室的模擬結果拿到現場進行考察驗證，逐步將各種理論和分析軟件應用到現場，取得了一定的成果。

4．1 現場考察確定有效保護范圍

自從保護層開采技術應用以來，有關保護層有效保護范圍的現場考察試驗內容包括：1)鉆孔瓦斯自然涌出量的測定。2)煤層瓦斯壓力的測定。3)煤層變形的測定。4)煤層透氣性系數的變化。根據以上結果，確定煤層的瓦斯壓力和周圍巖石壓力的分布規律，最終劃定保護層沿傾向方向的卸壓角、保護層沿走向方向的卸壓角和超前距離。

現場考察結合《防治煤與瓦斯突出規定》通常能夠有效的劃定保護范圍，具有針對性和可行性。但是相關參數的測定費時費力，甚至會出現難以測定的情況，往往還會影響正常生產，降低效率。同時，對于一些特殊的構造，該方法還不能準確的劃定保護范圍，存在局限性。

4．2 計算機模擬確定有效保護范圍

目前，國內外的相關學者［8］基于各種不同的理論，包括瓦斯越流的固氣耦合理論和巖石破裂損傷理論，應用不同的計算機軟件進行了模擬，如：FLAC軟件、RFPA應用軟件等。數值模擬研究能夠從理論上模擬保護層開采之后突出層的變形場和應力場的發展過程，對煤層的傾向和走向上的應力以及瓦斯壓力的變化規律進行模擬分析，結合保護層開采保護范圍的判別準則來劃定傾向和走向上的卸壓角，最終確定有效的保護范圍。

通過計算機模擬的方法來確定有效保護范圍，不僅具有針對性，還省時省力，避免了現場參數測定的復雜過程，提高了生產效率。可以看出，判別準則的確定是計算機模擬的基礎和重點，也是范圍劃定準確與否的關鍵所在。因此，深入保護范圍判別準則的研究是以后的重要發展方向之一。

5 展望

煤與瓦斯是一種復雜的瓦斯動力現象，其突出機理目前尚未研究透徹。本文對保護層開采這種最常用、最有效的區域性防突措施進行了分析總結，發現保護層開采技術還可以從以下幾個方面著手研究：

1)繼續煤與瓦斯突出機理以及保護層開采防突機理的深入研究。

2)保護層開采保護范圍的判別準則可以兩個或者多個相結合進行分析。

3)計算機模擬和現場考察相結合。

4)保護層開采結合瓦斯抽采進行防突，優化瓦斯抽采方案，合理回收利用瓦斯。

［1］ 馬雷舍夫ЮН，艾魯尼АТ，胡 金ЮЛ，等．煤與瓦斯突出預測方法和防治措施［M］．北京：地震出版社，2008：23－26．

［2］ 國家安全生產監督管理局，國家煤礦安全監察局．煤礦安全規程［M］．北京：煤炭工業出版社，2004：18－30．

［3］ 國家安全生產監督管理局，國家煤礦安全監察局．防治煤與瓦斯突出規定［M］．北京：煤炭工業出版社，2009：13－14．

［4］ 俞啟香．礦井瓦斯防治［M］．徐州：中國礦業大學出版社，1992：12－20．

［5］ 付建華．煤礦瓦斯災害防治理論研究與工程實踐［M］．徐州：中國礦業大學出版社，2005：6－19．

［6］ 涂 敏，繆協興，黃乃斌．遠程下保護層開采被保護煤層變形規律研究［J］．采礦與安全工程學報，2006，23(3)：253－257．

［7］ 胡國忠，王宏圖，袁志剛．保護層開采保護范圍的極限瓦斯壓力判別準則［J］．煤炭學報，2010，35(7)：135．

［8］ 劉 林．開采保護層保護效果及范圍的數值模擬研究［J］．礦業安全與環保，2005，32(6)：6－9．