游曦鳴，劉官秀，張海豐

(中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

煤礦生產(chǎn)中的煤與瓦斯突出事故時常發(fā)生，并且造成的危害巨大，嚴(yán)重地制約了煤炭開采和我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，做好煤與瓦斯突出的防治工作，是煤礦生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是重點。

根據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局政府網(wǎng)站事故查詢系統(tǒng)統(tǒng)計，我國從2001—2011年3月28日，共發(fā)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(shù)最多，達(dá)到了331人。雖然事故起數(shù)呈現(xiàn)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(shù)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(yán)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(yán)峻。

1 國內(nèi)外保護(hù)層開采的應(yīng)用現(xiàn)狀

1933年，法國最先開始了保護(hù)層開采的研究，隨后蘇聯(lián)、德國、波蘭等國家也將保護(hù)層開采技術(shù)應(yīng)用到防治煤與瓦斯突出中。蘇聯(lián)作為最早進(jìn)行保護(hù)層開采技術(shù)研究的國家之一，對保護(hù)層開采的機(jī)理和保護(hù)范圍的劃分進(jìn)行了相當(dāng)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(hù)層。20世紀(jì)50—60年代，我國在北票、南桐等地區(qū)進(jìn)行了保護(hù)層開采技術(shù)的研究試驗，取得了顯著效果。同時，《煤礦安全規(guī)程》［2］第193條規(guī)定：“在突出礦井開采煤層群時，應(yīng)優(yōu)先選擇開采保護(hù)層防治突出措施?！薄斗乐蚊号c瓦斯突出規(guī)定》［3］第40條規(guī)定：“區(qū)域防突措施應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用開采保護(hù)層”。

至今為止，遠(yuǎn)距離上保護(hù)層開采、遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采、極薄煤層保護(hù)層開采、超遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采以及多重上保護(hù)層開采技術(shù)都在實際生產(chǎn)中得到了充分的應(yīng)用，并且經(jīng)過實踐檢驗，各種保護(hù)層開采技術(shù)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(chǎn)效率，保障了職工的生命安全，確保了安全生產(chǎn)。所以，在目前的理論和技術(shù)條件下，保護(hù)層開采技術(shù)無疑是經(jīng)濟(jì)有效的區(qū)域性防突措施。

2 國內(nèi)外保護(hù)層開采預(yù)防突出的機(jī)理研究

外國學(xué)者［1］普遍認(rèn)為，保護(hù)層開采作用的物理本質(zhì)是對巖層和突出煤層進(jìn)行卸壓作用，卸壓將使空隙和裂隙張開，進(jìn)而使煤層透氣性增大和瓦斯壓力降低，從而達(dá)到降低突出危險的作用。我國的研究者［4］在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)行了相關(guān)研究，對一些理論進(jìn)行了豐富和發(fā)展，認(rèn)為保護(hù)層開采之后，煤巖層會向采空區(qū)進(jìn)行移動，此時地應(yīng)力、煤巖結(jié)構(gòu)和突出層瓦斯均會發(fā)生變化。地應(yīng)力會重新分布，采空區(qū)內(nèi)的應(yīng)力降低，使突出層卸壓，導(dǎo)致煤層膨脹變形，巖層中的裂隙不斷增多的同時也在擴(kuò)大，煤層的透氣性系數(shù)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(fù)雜的動力作用，由各種因素綜合影響，突出的機(jī)理目前也尚未研究清楚，還有部分現(xiàn)象不能解釋，所以，保護(hù)層開采預(yù)防突出的機(jī)理現(xiàn)在也處于發(fā)展階段，有待更進(jìn)一步的深入研究。

3 國內(nèi)外保護(hù)層開采保護(hù)范圍的判別準(zhǔn)則研究

3．1 應(yīng)力卸壓判別準(zhǔn)則

前蘇聯(lián)學(xué)者［1］根據(jù)保護(hù)層開采后突出層應(yīng)力重新分布的特點，采用考慮采動應(yīng)力因素的準(zhǔn)則：

式中：

σyc—垂直于煤層層理方向的應(yīng)力，MPa;

α—煤層傾角，(°);

HB—記錄到第一次煤與瓦斯突出或礦山?jīng)_擊的作業(yè)深度，m;

λ—側(cè)壓力系數(shù)。

該準(zhǔn)則僅僅考慮了應(yīng)力的作用，忽視了瓦斯和煤巖結(jié)構(gòu)的變化，具有一定的技術(shù)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(zhǔn)則

我國在實際開采過程中，殘余瓦斯壓力判別準(zhǔn)則［2］應(yīng)用比較廣泛，該準(zhǔn)則是根據(jù)突出層中的殘余瓦斯壓力值Pd與瓦斯壓力安全值Pa進(jìn)行比較，即：

式中：

Pa—《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定為 0．74，MPa。

該判定值是基于全國26個突出礦井的統(tǒng)計資料而得到的瓦斯壓力安全值。雖然此準(zhǔn)則目前應(yīng)用十分廣泛，得到了認(rèn)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(guī)則的情況不適用，如：急傾斜煤層等。

3．3 突出層動態(tài)瓦斯壓力判別準(zhǔn)則

動態(tài)瓦斯壓力判別準(zhǔn)則［1，5］認(rèn)為瓦斯壓力越高則煤與瓦斯突出的可能性就越大，產(chǎn)生突出的最小瓦斯壓力值可以根據(jù)下式計算：

式中：

Pmin—煤層發(fā)生突出瓦斯壓力最小值，MPa;

V—軟煤分層的揮發(fā)分含量，%;

f—軟煤分層的堅固性系數(shù);

A，B—統(tǒng)計常數(shù)。根據(jù)對我國26個礦井始突深度位置的統(tǒng)計資料，A=5，B=0．017。

由此可見，該準(zhǔn)則將煤層的堅固性系數(shù)考慮在內(nèi)，同時還結(jié)合了我國的相關(guān)統(tǒng)計資料，更加全面。但是，目前該準(zhǔn)則還只是用于對保護(hù)效果進(jìn)行相關(guān)評價。

3．4 煤層法向變形判別準(zhǔn)則

根據(jù)國內(nèi)外的研究［6］，當(dāng)被保護(hù)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(xiàn)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(yīng)力密切相關(guān)，不同的構(gòu)造中的應(yīng)力分布對最終的結(jié)果影響較大。所以，該準(zhǔn)則也存在一定的誤差和局限性。

3．5 殘余瓦斯含量判別準(zhǔn)則

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，殘余瓦斯含量小于8 m3/t的預(yù)抽區(qū)域為無突出危險區(qū);否則，即為突出危險區(qū)。所以，直接根據(jù)規(guī)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(jié)構(gòu)和地應(yīng)力的變化，不夠全面，應(yīng)用時也存在一定的局限性。

3．6 極限瓦斯壓力判別準(zhǔn)則

在實際應(yīng)用過程中［7］，可通過建立被保護(hù)層的煤與瓦斯突出的固氣動態(tài)耦合失穩(wěn)模型，并進(jìn)行數(shù)值求解，獲取該區(qū)域的發(fā)生突出的極限瓦斯壓力值，進(jìn)而建立新的以極限瓦斯壓力值為判定值的被保護(hù)層保護(hù)范圍的殘余瓦斯壓力判別準(zhǔn)則(簡稱“極限瓦斯壓力判別準(zhǔn)則”)，即：

式中：

Pc—發(fā)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(zhǔn)則考慮了煤層的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)與煤層的瓦斯壓力狀態(tài)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(zhǔn)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(qū)域，同時，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，該準(zhǔn)則是偏于安全的，也就是說會影響實際生產(chǎn)中的經(jīng)濟(jì)效益。

由于理論和技術(shù)的限制，目前的判別準(zhǔn)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(zhǔn)確。所以，在實際應(yīng)用過程中，可以嘗試將兩個或多個判別準(zhǔn)則同時運用，綜合各參數(shù)的影響。同時，為了能夠在實際生產(chǎn)過程中精確地劃定有效保護(hù)范圍，達(dá)到最佳的安全效益，保護(hù)層開采保護(hù)范圍的判別準(zhǔn)則還需要在煤與瓦斯突出機(jī)理研究的基礎(chǔ)之上進(jìn)行更加深入研究。

4 保護(hù)層開采有效保護(hù)范圍劃定方法的研究

保護(hù)層開采技術(shù)的最終目的是劃定被保護(hù)層的有效保護(hù)范圍，確定可以開采的區(qū)域，包括傾向卸壓角、走向卸壓角和超前距離，進(jìn)而能夠合理地布置巷道，在安全生產(chǎn)的前提下提高采煤速度。目前，劃定保護(hù)層開采有效保護(hù)范圍的方法主要有現(xiàn)場考察和計算機(jī)模擬。我國主要還是依據(jù)現(xiàn)場考察的結(jié)果，并結(jié)合國家的相關(guān)法律法規(guī)規(guī)定來劃定有效保護(hù)范圍。現(xiàn)在國內(nèi)外在確定有效保護(hù)范圍時，也會進(jìn)行一些實驗?zāi)M，并將實驗室的模擬結(jié)果拿到現(xiàn)場進(jìn)行考察驗證，逐步將各種理論和分析軟件應(yīng)用到現(xiàn)場，取得了一定的成果。

4．1 現(xiàn)場考察確定有效保護(hù)范圍

自從保護(hù)層開采技術(shù)應(yīng)用以來，有關(guān)保護(hù)層有效保護(hù)范圍的現(xiàn)場考察試驗內(nèi)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(shù)的變化。根據(jù)以上結(jié)果，確定煤層的瓦斯壓力和周圍巖石壓力的分布規(guī)律，最終劃定保護(hù)層沿傾向方向的卸壓角、保護(hù)層沿走向方向的卸壓角和超前距離。

現(xiàn)場考察結(jié)合《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》通常能夠有效的劃定保護(hù)范圍，具有針對性和可行性。但是相關(guān)參數(shù)的測定費時費力，甚至?xí)霈F(xiàn)難以測定的情況，往往還會影響正常生產(chǎn)，降低效率。同時，對于一些特殊的構(gòu)造，該方法還不能準(zhǔn)確的劃定保護(hù)范圍，存在局限性。

4．2 計算機(jī)模擬確定有效保護(hù)范圍

目前，國內(nèi)外的相關(guān)學(xué)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(yīng)用不同的計算機(jī)軟件進(jìn)行了模擬，如：FLAC軟件、RFPA應(yīng)用軟件等。數(shù)值模擬研究能夠從理論上模擬保護(hù)層開采之后突出層的變形場和應(yīng)力場的發(fā)展過程，對煤層的傾向和走向上的應(yīng)力以及瓦斯壓力的變化規(guī)律進(jìn)行模擬分析，結(jié)合保護(hù)層開采保護(hù)范圍的判別準(zhǔn)則來劃定傾向和走向上的卸壓角，最終確定有效的保護(hù)范圍。

通過計算機(jī)模擬的方法來確定有效保護(hù)范圍，不僅具有針對性，還省時省力，避免了現(xiàn)場參數(shù)測定的復(fù)雜過程，提高了生產(chǎn)效率?？梢钥闯觯袆e準(zhǔn)則的確定是計算機(jī)模擬的基礎(chǔ)和重點，也是范圍劃定準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵所在。因此，深入保護(hù)范圍判別準(zhǔn)則的研究是以后的重要發(fā)展方向之一。

5 展望

煤與瓦斯是一種復(fù)雜的瓦斯動力現(xiàn)象，其突出機(jī)理目前尚未研究透徹。本文對保護(hù)層開采這種最常用、最有效的區(qū)域性防突措施進(jìn)行了分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)保護(hù)層開采技術(shù)還可以從以下幾個方面著手研究：

1)繼續(xù)煤與瓦斯突出機(jī)理以及保護(hù)層開采防突機(jī)理的深入研究。

2)保護(hù)層開采保護(hù)范圍的判別準(zhǔn)則可以兩個或者多個相結(jié)合進(jìn)行分析。

3)計算機(jī)模擬和現(xiàn)場考察相結(jié)合。

4)保護(hù)層開采結(jié)合瓦斯抽采進(jìn)行防突，優(yōu)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(yù)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(chǎn)監(jiān)督管理局，國家煤礦安全監(jiān)察局．煤礦安全規(guī)程［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，2004：18－30．

［3］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，國家煤礦安全監(jiān)察局．防治煤與瓦斯突出規(guī)定［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，2009：13－14．

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

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

［6］ 涂 敏，繆協(xié)興，黃乃斌．遠(yuǎn)程下保護(hù)層開采被保護(hù)煤層變形規(guī)律研究［J］．采礦與安全工程學(xué)報，2006，23(3)：253－257．

［7］ 胡國忠，王宏圖，袁志剛．保護(hù)層開采保護(hù)范圍的極限瓦斯壓力判別準(zhǔn)則［J］．煤炭學(xué)報，2010，35(7)：135．

［8］ 劉 林．開采保護(hù)層保護(hù)效果及范圍的數(shù)值模擬研究［J］．礦業(yè)安全與環(huán)保，2005，32(6)：6－9．