煤与瓦斯突出保护层开采技术研究现状初探

2011-01-17游曦鸣刘官秀张海丰

山西焦煤科技 2011年7期

游曦鸣，刘官秀，张海丰

(中国地质大学工程学院，湖北武汉 430074)

煤矿生产中的煤与瓦斯突出事故时常发生，并且造成的危害巨大，严重地制约了煤炭开采和我国经济的发展。因此，做好煤与瓦斯突出的防治工作，是煤矿生产的基础，也是重点。

根据国家安全生产监督管理总局政府网站事故查询系统统计，我国从2001—2011年3月28日，共发生煤与瓦斯突出事故387起，死亡2 301人，其中，从2001—2010年，我国因煤与瓦斯突出事故共造成2 272人死亡，2002年死亡人数最多，达到了331人。虽然事故起数呈现逐年降低的趋势，但是每年因煤与瓦斯突出事故死亡的人数并没有明显减少，平均每年有227．2人遇难。这说明煤与瓦斯突出事故的严重性并没有从根本上得到遏制，防治煤与瓦斯突出的形势依然十分严峻。

1 国内外保护层开采的应用现状

1933年，法国最先开始了保护层开采的研究，随后苏联、德国、波兰等国家也将保护层开采技术应用到防治煤与瓦斯突出中。苏联作为最早进行保护层开采技术研究的国家之一，对保护层开采的机理和保护范围的划分进行了相当多的实验研究［1］。目前，几乎世界上所有开采有突出危险的煤矿，在赋存条件允许的情况下，都首先开采保护层。20世纪50—60年代，我国在北票、南桐等地区进行了保护层开采技术的研究试验，取得了显著效果。同时，《煤矿安全规程》［2］第193条规定：“在突出矿井开采煤层群时，应优先选择开采保护层防治突出措施。”《防治煤与瓦斯突出规定》［3］第40条规定：“区域防突措施应当优先采用开采保护层”。

至今为止，远距离上保护层开采、远距离下保护层开采、极薄煤层保护层开采、超远距离下保护层开采以及多重上保护层开采技术都在实际生产中得到了充分的应用，并且经过实践检验，各种保护层开采技术配合瓦斯抽采，都能够排放瓦斯和卸压，充分有效地防治煤与瓦斯突出，大大提高了生产效率，保障了职工的生命安全，确保了安全生产。所以，在目前的理论和技术条件下，保护层开采技术无疑是经济有效的区域性防突措施。

2 国内外保护层开采预防突出的机理研究

外国学者［1］普遍认为，保护层开采作用的物理本质是对岩层和突出煤层进行卸压作用，卸压将使空隙和裂隙张开，进而使煤层透气性增大和瓦斯压力降低，从而达到降低突出危险的作用。我国的研究者［4］在前人的基础上进行了相关研究，对一些理论进行了丰富和发展，认为保护层开采之后，煤岩层会向采空区进行移动，此时地应力、煤岩结构和突出层瓦斯均会发生变化。地应力会重新分布，采空区内的应力降低，使突出层卸压，导致煤层膨胀变形，岩层中的裂隙不断增多的同时也在扩大，煤层的透气性系数增大，瓦斯不断解析并大量涌出，瓦斯含量大大减少，瓦斯压力显著降低，同时，由于瓦斯的析出，煤体的硬度增大，综合以上各种作用最后使突出危险降低。

由于煤与瓦斯突出是一种复杂的动力作用，由各种因素综合影响，突出的机理目前也尚未研究清楚，还有部分现象不能解释，所以，保护层开采预防突出的机理现在也处于发展阶段，有待更进一步的深入研究。

3 国内外保护层开采保护范围的判别准则研究

3．1 应力卸压判别准则

前苏联学者［1］根据保护层开采后突出层应力重新分布的特点，采用考虑采动应力因素的准则：

式中：

σyc—垂直于煤层层理方向的应力，MPa;

α—煤层倾角，(°);

HB—记录到第一次煤与瓦斯突出或矿山冲击的作业深度，m;

λ—侧压力系数。

该准则仅仅考虑了应力的作用，忽视了瓦斯和煤岩结构的变化，具有一定的技术局限性，在实际过程中一般用来确定突出层的卸压带的边界。

3．2 残余瓦斯压力判别准则

我国在实际开采过程中，残余瓦斯压力判别准则［2］应用比较广泛，该准则是根据突出层中的残余瓦斯压力值Pd与瓦斯压力安全值Pa进行比较，即：

式中：

Pa—《煤矿安全规程》规定为 0．74，MPa。

该判定值是基于全国26个突出矿井的统计资料而得到的瓦斯压力安全值。虽然此准则目前应用十分广泛，得到了认可，但还是存在一定的局限性，有安全隐患，特别是对煤层不规则的情况不适用，如：急倾斜煤层等。

3．3 突出层动态瓦斯压力判别准则

动态瓦斯压力判别准则［1，5］认为瓦斯压力越高则煤与瓦斯突出的可能性就越大，产生突出的最小瓦斯压力值可以根据下式计算：

式中：

Pmin—煤层发生突出瓦斯压力最小值，MPa;

V—软煤分层的挥发分含量，%;

f—软煤分层的坚固性系数;

A，B—统计常数。根据对我国26个矿井始突深度位置的统计资料，A=5，B=0．017。

由此可见，该准则将煤层的坚固性系数考虑在内，同时还结合了我国的相关统计资料，更加全面。但是，目前该准则还只是用于对保护效果进行相关评价。

3．4 煤层法向变形判别准则

根据国内外的研究［6］，当被保护煤层法向变形大于0．6%时，该煤层的突出、冲击地压等动力现象基本消除。用公式表示如下：

式中：

εn—突出煤层的法向变形量。

由于煤层的形变量与应力密切相关，不同的构造中的应力分布对最终的结果影响较大。所以，该准则也存在一定的误差和局限性。

3．5 残余瓦斯含量判别准则

根据《防治煤与瓦斯突出规定》，残余瓦斯含量小于8 m3/t的预抽区域为无突出危险区;否则，即为突出危险区。所以，直接根据规定就可以判定该突出层是否有突出危险，该方法简单易行。

但是，这种方法只是单纯的考虑瓦斯压力，忽略了煤岩结构和地应力的变化，不够全面，应用时也存在一定的局限性。

3．6 极限瓦斯压力判别准则

在实际应用过程中［7］，可通过建立被保护层的煤与瓦斯突出的固气动态耦合失稳模型，并进行数值求解，获取该区域的发生突出的极限瓦斯压力值，进而建立新的以极限瓦斯压力值为判定值的被保护层保护范围的残余瓦斯压力判别准则(简称“极限瓦斯压力判别准则”)，即：

式中：

Pc—发生煤与瓦斯突出的极限瓦斯压力值，MPa;

Pd—突出层的残余瓦斯压力值，MPa。

该准则考虑了煤层的结构性质、应力状态与煤层的瓦斯压力状态的综合作用，这更符合实际情况，保证了更全面的考虑。但是该准则也是有局限性的，仅仅只能针对某一个具体煤矿的某一特定区域，同时，通过对比可以发现，该准则是偏于安全的，也就是说会影响实际生产中的经济效益。

由于理论和技术的限制，目前的判别准则都只考虑了部分影响因素，适用于某些情况，往往不够全面和准确。所以，在实际应用过程中，可以尝试将两个或多个判别准则同时运用，综合各参数的影响。同时，为了能够在实际生产过程中精确地划定有效保护范围，达到最佳的安全效益，保护层开采保护范围的判别准则还需要在煤与瓦斯突出机理研究的基础之上进行更加深入研究。

4 保护层开采有效保护范围划定方法的研究

保护层开采技术的最终目的是划定被保护层的有效保护范围，确定可以开采的区域，包括倾向卸压角、走向卸压角和超前距离，进而能够合理地布置巷道，在安全生产的前提下提高采煤速度。目前，划定保护层开采有效保护范围的方法主要有现场考察和计算机模拟。我国主要还是依据现场考察的结果，并结合国家的相关法律法规规定来划定有效保护范围。现在国内外在确定有效保护范围时，也会进行一些实验模拟，并将实验室的模拟结果拿到现场进行考察验证，逐步将各种理论和分析软件应用到现场，取得了一定的成果。

4．1 现场考察确定有效保护范围

自从保护层开采技术应用以来，有关保护层有效保护范围的现场考察试验内容包括：1)钻孔瓦斯自然涌出量的测定。2)煤层瓦斯压力的测定。3)煤层变形的测定。4)煤层透气性系数的变化。根据以上结果，确定煤层的瓦斯压力和周围岩石压力的分布规律，最终划定保护层沿倾向方向的卸压角、保护层沿走向方向的卸压角和超前距离。

现场考察结合《防治煤与瓦斯突出规定》通常能够有效的划定保护范围，具有针对性和可行性。但是相关参数的测定费时费力，甚至会出现难以测定的情况，往往还会影响正常生产，降低效率。同时，对于一些特殊的构造，该方法还不能准确的划定保护范围，存在局限性。

4．2 计算机模拟确定有效保护范围

目前，国内外的相关学者［8］基于各种不同的理论，包括瓦斯越流的固气耦合理论和岩石破裂损伤理论，应用不同的计算机软件进行了模拟，如：FLAC软件、RFPA应用软件等。数值模拟研究能够从理论上模拟保护层开采之后突出层的变形场和应力场的发展过程，对煤层的倾向和走向上的应力以及瓦斯压力的变化规律进行模拟分析，结合保护层开采保护范围的判别准则来划定倾向和走向上的卸压角，最终确定有效的保护范围。

通过计算机模拟的方法来确定有效保护范围，不仅具有针对性，还省时省力，避免了现场参数测定的复杂过程，提高了生产效率。可以看出，判别准则的确定是计算机模拟的基础和重点，也是范围划定准确与否的关键所在。因此，深入保护范围判别准则的研究是以后的重要发展方向之一。