水城矿区区域防突技术研究初步总结.doc

1、前 言水城矿区是我国十分重要的大型煤炭能源基地。矿区交通较为方便，有贵（贵阳）昆（昆明）、水（水城）柏（柏果）、内（内江）昆（昆明）铁路横贯矿区，区内还有水（水城）大（大湾）支线。贵州水城矿业（集团）有限责任公司（以下简称水城矿业公司）由原国有统配煤矿水城矿务局改制而成，主营煤炭开采，现辖汪家寨煤矿、那罗寨煤矿、大河边煤矿、大湾煤矿、木冲沟煤矿五对生产矿井及所管理的鑫源公司老鹰山井和红旗井，并控股在建设计能力为3000kt/a的贵州中岭矿业有限责任公司。水城矿业公司设计生产能力6400kt/a，2005年由贵州省煤炭工业局核定生产能力为7360kt/a（未含中岭）。2004年公司实际生产原煤5327.8kt。水城矿区位于贵州省西部，云贵高原东麓，地处六盘水市钟山区、水城县和毕节地区纳雍县、威宁县境内。地理座标为：东经：1043410502，北纬：26322649，东起纳雍县县城以东12km，西止威宁县金钟区以西3km，东西长110km，南北宽66km，总面积约6800km2。水城矿业公司本部位于矿区中心(六盘水人民政府所在地)，距省城贵阳约249km。矿区煤系地层为上二叠统龙潭组（宣威组）。根据地质构造和开采条件，矿区由西向东依次划分为七个独立的矿井：木冲沟煤矿，大湾煤矿，汪家寨煤矿，那罗寨煤矿，大河边煤矿，红旗井，老鹰山井。水城矿区可采煤层群赋存稳定，尤其是汪家寨、大湾煤矿，主采煤层厚、倾角小，适宜高产高效集约化开采。但是，随着开采深度的增加，高地应力、高瓦斯压力等危害越来越严重；主采煤层瓦斯含量为1522m3/t，矿区绝对瓦斯涌出量达到400余m3/min，单个采煤工作面瓦斯涌出量最大达到100150m3/min，综放工作面瓦斯涌出量一般在4070m3/min，掘进工作面瓦斯绝对涌出量达到了10m3/min，是全国瓦斯灾害较大的矿区之一，历史上共发生45次“一通三防”事故，造成人员368死亡，仅2000年以来就发生6次重、特大瓦斯爆炸事故；发生煤与瓦斯突出73次，最大突出强度703t/次，平均突出强度115.86t/次左右，并造成过重大人员伤亡，被列为全国重点监控的煤炭企业。因此，瓦斯灾害(含瓦斯爆炸与突出)是矿区实现高效集约化安全开采最重要、最关键的制约因素。水城矿区11煤层的瓦斯含量和瓦斯涌出量比较大，煤与瓦斯突出比较严重，即使采取了抽排瓦斯措施，依然发生了37次煤与瓦斯突出现象，而且突出强度较大，给安全生产带来极大威胁。同时，由于11煤层采用综采放顶煤回采工艺，推进速度较快，瓦斯的大量涌入和煤与瓦斯突出灾害的制约，也给矿井正常生产接替造成紧张局面。国内外瓦斯治理经验表明，开采保护层并结合瓦斯抽放是防治突出、冲击地压等动力灾害最经济和最有效的手段之一。水城矿区客观上具有开采保护层的条件，通过开采保护层和预抽瓦斯措施的大面积采用，经过一段时间的采掘部署关系合理调整，从长远角度出发，对矿井安全生产和保证正常接替是必要的。对于开采保护层未达到保护效果的煤层、无保护层开采区域、由于构造等影响留设煤柱区域，必须采用区域预抽瓦斯措施进行防突。考察和确定合理的抽放参数、研究评价防突效果的指标及其标准是十分必要的。因此，在水城矿区选择有代表性的汪家寨、大湾煤矿作为保护层开采和区域性预抽研究，对矿区其它矿井和我国与水城矿区地质开采条件相类似，该研究成果也具有重大借鉴与指导作用。2、保护层开采的基本理论所谓保护层，通常是指在煤层群开采中，某部分煤层具有煤与瓦斯突出或冲击地压等动力显现特点，而另一部分煤层不具有这种动力显现特点或动力显现特点不明显，这时，根据赋存关系，选择某一层不具有动力显现特点或动力显现特点不明显的煤层先行开采，而具有动力显现特点的煤层在其邻近层开采后再开采。先行开采的煤层称为保护层，后开采的煤层称为被保护层，保护层位于被保护层上方的称为上保护层，反之称为下保护层。2.1 保护层采动作用的基本规律保护层开采后，周围的煤岩层向采空区移动，采空区上方岩体冒落并形成自然冒落拱，采空区下方岩体向采空区膨胀形成裂隙,使得采空区上下方煤岩体产生应力、透气性、瓦斯压力、位移等变化。研究底板岩体在上保护层开采以后应力重新分布的规律，对于了解底板变形和破坏特征，确定被保护层的卸压范围具有十分重要的意义。2.1.1 上保护层开采以后底板煤岩体中应力的重新分布规律（1）沿走向底板煤岩体中重新应力分布可将煤层开采以后底板岩体视为层状岩层组成的半无限体，集中载荷P作用在半无限体的平面上，对平面下方任何一点M将发生影响，如图1所示。底板岩体内M点处受到的垂直应力sZ可用下式表示： sZ = KP/h2式中：sZ-底板岩体内M点的垂直应力，Mpa；P-集中载荷； h-M点距开采层的距离，m； 3 1 K = 2p 1+（r/h）25/2 3-5r-为M点在水平面上的半径。上式是集中载荷P作用下形成的垂直应力sZ分布情况，在此基础上，国内外学者将岩体视为均质的弹性体，对煤柱和煤层开采边界下方底板煤岩体的应力分布进行有限元模拟计算，其假设之一的条件是：倾斜煤层，开采深度800m，上覆岩层容重2.5t/m3，得到sZ应力线的分布如图2所示。图2a中等应力线2即相当于原始应力。显然，在应力传播的范围内，可以取线2为边界，在煤柱或煤体下方的一侧为增压区。而在采空区下方一侧为减压区。 H b M点 r 图1 集中载荷对半无限平面内M点的影响 图2 底板岩体内沿走向垂直应力分布从图2b看出，由于煤层开采后上覆岩体形成承重岩层，承受的重量将转移到工作面前后方和两侧的煤体上，从而在采空区下方形成卸压区。开采煤层底板经历了采前压力升高、采后压力降低、压力逐渐恢复几个阶段。在煤柱边界处向小于原始应力的垂直等应力曲线作切线，便可得到上部煤层开采以后，在采空区下方形成的卸压区范围。从煤壁边缘向等应力系数线1作切线可得走向卸压角为80左右，但此角度所圈定的范围仅为所受应力小于原始应力的减压区域，并非能使底板中突出煤层消除突出危险的有效卸压保护范围。（2）沿倾向底板煤岩体中应力重新分布国内学者对底板岩体中沿倾斜方向垂直应力sZ进行了有限元模拟计算，得出的倾向sZ等值线分布如3所示。图3 沿倾斜方向底板垂直应力分布图 可以看出，卸压区（图中等应力线小于1的范围）的上部边界并不在煤壁与采空区交界处，而是深入到开采煤层内5m左右，即底板岩体斜压区的范围大于采空区的范围。在开采煤层的卸压边界向底板等应力曲线1作切线，可得出上覆煤层开采以后，沿倾斜方向底板岩体中的卸压角，图3中倾斜上方卸压角为78、倾斜下方卸压角为79。由此可以看出，卸压区的划分并不是过煤壁垂直于煤层的直线为准，而是深入开采煤层5m左右并且以一定角度倾向采空区的范围。需要注意的是目前卸压区的划分是从煤壁处开始，实际考察得出的卸压保护角比前面所述的普通卸压角要小，上面论述的沿走向及倾向的卸压范围并不是底板岩层中被保护煤层的有效保护范围，有效保护范围只能位于其中，但要小于该卸压范围。上保护层开采后，在工作面后方的卸压范围内被保护煤层仅在卸压保护带内才消除了煤与瓦斯突出危险。图4为与汪家寨矿保护层间距相近的淮南新庄孜矿开采上保护层B8煤层后被保护层B6煤层参数变化情况（B8层厚度0.843.11m，平均1.93m，倾角2832，距B6层25m，层间岩性为砂质泥岩、泥岩）。 Q e10-3 q P （M3/min）煤（M2/Mpa2.d）（Mpa） 抽 层 透（M3/min） 放 变 气 瓦 瓦 量 形 性 斯 斯 e 1.0 25 25 流 压 量 力 0.8 20 20 0.4 4.0 P Q0.6 15 15 0.3 3.00.4 10 10 0.2 2.0 q 0.2 5 5 0.1 1.0 -60 -40 -20 0 +20 +40 +60 +80 +100 +120 5608 工 作 面 超 前 测 点 距 离（m） 0 图4 B8煤层5608工作面开采后B6煤层5参数综合分析曲线图表1 B8煤层5608工作面开采后B6煤层各参数综合分析表参 数正常压力带集中压力带卸 压 带开始卸压明显卸压充分卸压各带相对5608工作面位置L(m)+40各带相对5608工作面位置(L/H)倍数+2B6煤层瓦斯压力P（MPa）3.622.2B6煤层相对变形e10-30041127.127.121B8B6煤层瓦斯抽放量(m3/min)0.220.180.60.980.980从图4和表1中可以看出，在新庄孜矿B8B4煤组首采的上保护层B8煤层的5608工作面开采前后B6突出煤层的煤层瓦斯压力、瓦斯流量、煤层透气性、煤层相对变形和瓦斯抽放量诸参数发生了明显的变化。它们的变化具有一定的内在联系，是从不同的角度反映了一个共同的客观规律。根据上保护层开采前后以上几个参数的变化，可以将被保护层划分为如下几个带。（1） 正常压力带 即B6煤层未受B8煤层采动影响区域。该带位于保护层工作面前方40m以远，此区域仅受原始地应力作用，岩层未发生移动和变形。煤层瓦斯压力处于原始压力状态的（3.6Mpa）；煤层透气性较小（0.0445 m2/Mpa2.d）；钻孔瓦斯流量很小，只有用煤气表测量（0.01 m3/min）。（2） 集中应力带位于保护层工作面5608前方540m范围内。此带范围内煤层承受的应力高于原始状态，最大应力点位于保护层工作面前方520m范围内，此范围内B6煤层瓦斯压力达到了3.7Mpa，比已经稳定的正常瓦斯压力3.6Mpa高出0.1Mpa。裂隙封闭，透气性降低，瓦斯流量减小，但变化不明显。（3） 卸压带从B8煤层5608工作面前5m开始往采空区方向10m，B6煤层开始卸压。此时膨胀变形增加到410-3；煤层透气性能增加到了15.0 m2/Mpa2.d，即是原始透气性系数的300倍；煤层瓦斯由于解吸而流量增加到了0.1m3/min；煤层瓦斯压力下降到了2.5Mpa。在B8煤层工作面后方2040m处，B6煤层膨胀变形此时达到了最大值27.110-3；煤层透气性能大大增加到了22.2 m2/Mpa2.d，即是原始透气性系数的500倍；煤层瓦斯解吸作用也变得十分显著，钻孔瓦斯流量最大达到了0.294m3/min；煤层瓦斯压力急剧下降到了0.6Mpa；瓦斯抽放量也提高了5倍左右。在B8煤层工作面后方40120m处（B8煤层在距24#钻场120m处收作），是经过明显卸压以后的地带，此带内B6煤层膨胀变形略有降低，但仍然保持着显著卸压的状态；煤层透气性系数继续保持在22.2 m2/Mpa2.d以上；钻孔瓦斯流量仍有0.05m3/min；煤层瓦斯压力继续下降到了0.2Mpa。从以上分析可以看出，B8煤层开采后，在B8煤层工作面后方40m以远（即2倍层间距以上），B6煤层瓦斯压力急剧下降到了0.60.2Mpa，低于了防治煤与瓦斯突出细则规定的0.74Mpa； B6煤层膨胀变形此时达到了最大值27.110-3，远远超过了6；煤层透气性能大大增加到了22.2 m2/Mpa2.d，即是原始透气性系数的500倍；钻孔瓦斯流量最大达到了0.294m3/min，是卸压前钻孔瓦斯流量的30倍2.2 保护层保护范围的确定2.2.1 保护层沿走向的合理超前距a. 最小超前距，七十年代前苏联的研究认为：以被保护层变形值等于最大膨胀变形值80%为标准，则上保护层超前于被保护层不应小于1倍层间距，下保护层超前于被保护层不应小于0.6倍层间距。我国部分矿井的试验也证实了上述的结论。考虑到瓦斯排放和抽放，使被保护层不仅能充分卸压，并能充分排放或抽放瓦斯，认为保护层超前被保护层的距离不应小于2倍层间距，并不得小于40m，实践证明，按照这一原则布置，对防治煤与瓦斯突出和治理瓦斯是有效的。b. 沿走向的保护卸压角,在保护层工作面的始采线与停采线处，由于地压的传递作用,使得被保护层的有效保护范围应小于保护层的开采范围，被保护层的始采线与停采线应以保护层始采线和停采线内退一定距离，该距离与层间垂距有关，根据试验表明，对上保护层为0.550.67倍层间垂距为宜，也即保护卸压角为5661为宜，具体数据应实际考察。但被保护层进入到距保护层始采线与停采线40m以内时，保护层开采应超前3个月以上。2.2.2 保护层的有效保护层间距保护层的保护作用随层间距的增大而减小，达到某一临界距离时，保护作用已不明显，该临界距离称之为有效层间距。衡量有效层间距的标准有人认为可用煤层膨胀变形量，但并未研究得出具体的有效膨胀变形数据。我国根据大量试验资料统计分析认为，在采深小于550m，回采面长度小于120m条件下，保护层的有效保护层间垂距为：急倾斜煤层上保护层60m，下保护层80m，缓倾斜和倾斜煤层上保护层50m，下保护层100m。前苏联则要根据保护层厚度、顶板管理方法，回采工作面长度和开采深度等因素确定有效垂距。如果保护层有足够的有效采高，也即当有效采高满足m2=Kmm。时，可按表2确定有效垂距。式中m2为保护层有效采高(m)，K为顶板管理系数，全冒落时K=1，全部水沙充填时K=0.2，其它形式的全充填和局部充填时K=0.38，m为保护层厚度，m。为保护层基准高度，按图5选择。如果m2m。，则h1和h2值还要乘以系数C=m2/m。2.2.3 沿倾斜方向的保护范围沿倾斜方向保护范围可按卸压角划定。卸压角大小与煤层倾角，开采深度，层间岩性等因素有关，各种条件下的卸压角最好通过实地考察确定，前苏联矿山测量科学研究所通过现场测定和实验室模拟资料分析得1=180(+QO+10)，2=+QO-10，式中1、2分别为下保护层上山方向和下山方向卸压角，为煤层倾角，QO为最大下沉角，可从地表移动观测得到，也可按表3数值确定，表中3、4为上保护层上山及下山方向卸压角。表2 有效垂距选取表 有效垂高 下 保 护 层 h1(m) 上 保 护 层 h2(m) 回采工作 开 面长度 50 75 100 125 150 175 200 250 50 75 100 125 150 200 250 采深 a(m) 度H(m) 300 70 100 125 148 172 190 205 220 62 74 84 92 97 100 102 400 58 85 112 134 155 170 182 194 44 56 64 73 79 82 84 500 50 75 100 120 142 154 164 174 32 43 54 62 64 73 73 600 45 67 90 109 126 138 146 155 27 38 48 56 61 66 68 800 33 54 73 90 103 117 127 135 23 32 40 45 50 55 56 1000 27 41 57 71 88 100 114 122 20 28 35 40 45 49 50 1200 24 37 50 63 80 92 104 113 18 25 31 36 41 44 45 图5 m0确定曲线2.2.4 煤柱影响带的确定观察表明，煤柱的影响可传播到100m以远，20m宽的煤柱，具有较强的支撑能力，46m宽的煤柱在回采过程中基本被压碎。对宽煤柱影响范围可按走向和倾向保护卸压角确定。2.3 开采保护层防治煤与瓦斯突出作用机理2.3.1 开采保护层防治煤与瓦斯突出原理国内外的考察资料证明，保护层开采后，被保护层的应力变形状态、煤结构和瓦斯表3沿倾斜方向的卸压保护角 () 1() 2() 3() 4() 0 80 80 75 75 10 77 83 75 75 20 73 87 75 75 30 69 91 77 70 40 65 95 80 70 50 74 96 80 70 60 72 98 80 70 70 74 96 80 72 80 70 92 78 75 90 75 80 75 80 动力参数发生显著变化，从发生变化的时间看，卸压作用是最先出现的，有些卸压过程甚至在保护层工作面前方1020m处开始，一般在工作面后方，当膨胀变形速度加快时，瓦斯动力参数才发生显著变化。因此，其次序可表示如下：开采保护层岩层移动被保护层卸压（地应力降低、煤层膨胀变形）（透气性增加、瓦斯解吸）煤（岩）层瓦斯排放能力增高（瓦斯排放、钻孔瓦斯流量增大瓦斯压力降低瓦斯含量减少煤机械强度提高应力进一步降低）保护层防治煤和瓦斯突出的原理可用框图6表示。从以上的分析表明，尽管保护层的保护作用是卸压和排放瓦斯综合作用的结果，但卸压作用是引起其它因素变化的依据，卸压是首要的、决定性的。因此，只要突出层受到一定的卸压作用，煤结构、瓦斯动力参数便发生如上顺序的变化。在层间距离较远（但要在有效层间垂距范围内）、中间有坚硬岩层的情况下，突出煤层卸压，煤层及其透气性增加是无疑的，只是瓦斯的自然排放困难一些。从前两个因素变化讲，都是有利于消除突出的，因此退一步讲，即使不能完全消除突出危险性，也会使突出危险性有所降低。应力降低,煤层卸压 激发突出的作用减少 透气性增加 瓦斯压力梯度降低 消除(或降 低)煤与瓦 瓦斯排放 发展突出的瓦斯作用减少 斯突出危险 煤体强度增高 煤体抵抗破坏能力增加 图6 保护层防治煤与瓦斯突出原理框图2.3.2 残余瓦斯压力与层间瓦斯排放传统的观点认为，被保护层充分卸压后，瓦斯排放，瓦斯压力降到最低值，并稳定不变，即达到所谓的残余瓦斯压力。该值与原始瓦斯压力值无关，而只取决于层间垂距。苏联的.毕秋克和北票矿务局得出的经验公式即属于这种观点，即 Pc=0.25h(.毕秋克) Pc=0.41h-6.37(北票矿务局)但是，对开采上保护层后不同层间垂距的保护层瓦斯压力变化的研究表明，上述规律只在一定层间距离范围内时才是正确的。这是由于随着层间距离不同，层间瓦斯排放条件不同，残余瓦斯压力可能出现三种情况：(1) 残余瓦斯压力值一般为00.2MPa，此值与层间垂距、原始瓦斯压力均无关。这种情况出现在被保护层处在开采保护层形成的大裂缝带内时，即层间垂距h10m或h/m1014(m=0.7-1米)。这时被保护层的瓦斯可得到充分排放。保护层的瓦斯涌出量是被保护层的3.854.3倍，采下保护层时可达7.2倍以上。(2) 残余瓦斯压力只取决于层间垂距。这种情况发生在被保护层处在保护层的裂缝带内时，此时层间垂距10mh60m或10-14h/m6075(m=0.7-1m)。处于此带内的被保护层，其瓦斯可通过层间裂缝得到排放，排放程度与层间垂距成反变关系。因此残余瓦斯压力值只取决于层间垂距，而与原始瓦斯压力值无关。这表明传统观点仅在这个带才是正确的。在此带内保护层瓦斯涌出量是被保护层1.52.5倍。 (3) 残余瓦斯压力不仅取决于层间垂距,而且还取决于原始瓦斯压力和排放条件，这种情况发生在被保护层处在开采保护层的弹塑性变形带内时，此时层间垂距h60m或h/m6085(m=0.7-1m)。在层间岩石中未能形成与保护层沟通的裂缝，被保护层的瓦斯不能通过层间裂缝排放，只能通过煤层本身向巷道或采空区排放。因此，只有当保护层回采工作面超前距较大时，被保护层瓦斯压力才缓慢下降。人工抽放瓦斯能促进压力下降过程。残余瓦斯压力值不仅取决于原始瓦斯压力值，也取决于排放条件（时间、方式）。我国和前苏联主要突出矿井开采各种垂距保护层时的残余瓦斯压力值研究表明在裂缝带内，残余瓦斯压力与层间垂距的关系可用指数方程描述，即 Po=eh我国研究表明：当10h80m时, =0.313, =0.099 苏联用指数方程描述残余瓦斯压力与相对层间垂距的关系，即 Po=eR式中: R相对层间距, R=h/m 斯柯钦斯基矿业研究所的资料表明： 当10h100时, 不论上、下保护层, =1.85, =0.027。按照A.T.爱努尼的资料, 开采下保护层时, 9R110, =0.82, =0.03(缓倾斜); 7R80, =0.77, =0.042(急倾斜), 开采上保护层时, 3R35m, =0.76, =0.106(缓倾斜); 6R45m, =0.22, =0.0937(急倾斜)。2.3.3 影响保护作用的因素1) 层间岩石性质国外一些研究者根据某些观察资料及部分模拟试验结果，认为硬岩层对卸压起屏障作用。然而，我们在分析了他们所介绍的资料后，发现并不能得出上述看法。在天府磨心坡等矿进行的远距离保护层保护效果考察表明，被保护层的卸压过程，从保护层回采工作面前方1720m处开始，在工作面后方2040m处（0.30.5倍层间距）左右，膨胀变形速度加快，工作面后方80120m处（11.5倍层间距）时，达到最大膨胀变形值emax=3.15.8，以后逐渐变小，但仍保持显著卸压状态，到工作面后方300m处，膨胀变形值=2.44。生产实践证实了其保护作用，磨心坡矿自1974年至今，在保护范围内进行采掘，从未发生过突出。这说明在层间垂距7090m的条件下，即使层间有厚1618m的坚硬燧石灰岩（抗压强度314MPa），对卸压也不起屏障作用。2) 保护作用的时间时间因素对保护作用有两种影响；一种是有利的，保护层停采后，岩层和煤层的移动与变形还在一定的时间内延续进行。因而，在一定的时间后，保护带可得到部分扩展。另一种是不利的，开采保护层若干年后，应力逐渐恢复，一些研究者认为保护作用会随时间的延长而消失。我们认为，对于近距离或中距离保护层，被保护层卸压和排放瓦斯都较充分，随时间延长，被保护层的瓦斯状态和煤的力学性质不可能恢复原状，因而保护作用也不会随时间的延长而消失，国内外均有开采保护层后612年再采被保护层不发生突出的实例。对于远距离保护层，尽管层间垂距高达80m，保护层采过2.5年后被保护层仍保持一定的膨胀变形（e=1-2），根据曲线变化趋势推测，还可能在相当长的时间内维持其卸压状态。并且由于人工配合抽放瓦斯，看来煤层瓦斯动力参数和力学性质均不可能恢复到原有状态，应力由于瓦斯排放得到降低，也不能恢复原状。因此，开采远距离保护层配合人工抽放瓦斯时，其保护作用也是不可逆的过程，保护作用不会随时间延长而消失，但随着时间的推移被保护层承受的地应力有所增加。3) 相对层间距离实践证明，保护作用与保护层厚度和层间距离有密切联系。因此，在讨论保护作用时，最好把保护层厚度与层间垂距结合起来考虑，引入相对层间距离的概念，即层间垂距h与层厚（或采高）m的比值，并有R=h/m显然，相对层间距越小，保护作用越充分，反之亦然。根据试验研究发现：1) 在开采上保护层时，R75时被保护层从未发生过突出， 在R75时，多数情况下不突出，在某些情况下（如回工作面过长）也发生过突出。2) 在开采下保护层时，在R130时被保护层从不突出，在R130时，多数情况下不突出，在某些情况下（地质破坏带）也发生过突出。因此可以认为，可以把相对层间距离作为选择保护层的一个依据，即R75（上保护层）或R130（下保护层）。2.3.4 保护层作用机理开采保护层后，其周围的岩层及煤层向采空区方向移动和变形，地层应力发生重新分布，在采空区上方形成自然冒落拱，压力传递给采空区以外的岩层承受。为此，将对开采层周围的煤层（包括被保护层）及岩层产生采动影响，被保护层的瓦斯动力参数将发生重大变化。在由岩石卸压角所圈定的卸压带内，地层应力降低，垂直煤层层面方向呈现膨胀变形，在煤层和岩层内，不但产生新裂缝，原有裂缝也张开扩大，使得煤层透气性增高数十到数百倍，由于保护层与被保护层之间岩层卸压后发生垂直层面的膨胀变形，使得平行层面的部分岩层发生收缩变形，导致原岩层裂隙沟通，为解吸瓦斯向采空区流动提供通道。被保护层卸压提高了瓦斯排放能力，瓦斯的不断涌出引起瓦斯压力下降和煤的力学强度增高。卸压作用是引起其它因素变化的依据，起决定性的作用。但在层间垂距很大时，对瓦斯排放作用不利，因此应配合瓦斯抽放。开采保护层结合抽放瓦斯时，被保护层的应力状态、瓦斯动力参数和力学性质发生重大变化后，不可能恢复到原有状态，因此保护作用是一个不可逆过程，不会随时间延长而完全消失。2.4 扩大保护层应用途径 保护层开采通常应具备三个条件：.应是煤层群开采，单一煤层不存在保护层；b.合理的层间距，层间距太大，保护效果不明显，将失去保护层开采的价值，层间距太小的下保护层，将在开采保护层的过程中破坏被保护层，使下保护层不具备开采条件；c.存在不具有突出或冲击地压等动力现象的煤层作为保护层。然而，在许多矿井，要同时具备以上三个条件是比较困难，为此，提出了研究扩大保护层应用途径的课题，主要有以下途径： a.以弱突出煤层作保护层。在煤层群开采过程中，各煤层均具有突出危险性时应考虑选择突出危险性较弱的煤层作保护层先开采，以形成对突出危险性较大的煤层进行保护。采用瓦斯预抽，局部防治突出的措施开采弱突出煤层。例如南桐矿务局鱼田堡矿、南桐煤矿等。浅部时选用3#煤层作保护层。但许多地方3#煤层不可采，而4#、5#、6#煤层均是突出危险煤层，4#煤层属于强突出危险煤层。因此研究以5#、6#弱突出危险煤层作保护层开采的方案取得了显著效果。松藻矿务局的打通一矿、二矿和石壕矿，都是选择突出危险性较小的7#煤层作保护层保护8#强突出危险煤层。芙蓉矿务局白皎矿以突出危险较小的2#煤层作保护层保护4#强突出危险煤层等等。b.结合抽放瓦斯扩大保护作用。对远距离保护层，尽管保护层开采已卸压，但未形成沟通裂隙，瓦斯不易排出，保护效果不明显。这时，利用保护层的卸压作用对被保护层进行瓦斯抽放，使保护层瓦斯排放充分，突出危险性消失。如天府矿务局远距离上保护层开采，结合瓦斯抽放，有效层间距可扩大到80m以上。事实上，即使对近、中距离保护层开采，也应结合瓦斯抽放。其目的有两个，一是减少保护层开采时的瓦斯涌出量，同时也加大了对被保护层的保护效果。 前苏联学者对保护层开采结合瓦斯抽放时，被保护层残余瓦斯压力的研究情况结果表明，保护层结合瓦斯抽放，保护有效层间距可增大1.41.6倍。2.5 保护层开采的注意事项 a.开采保护层时，尽量不留煤柱或尽量留小煤柱（46m）。不得已留煤柱时须在采掘工程平面图上标记，以便划定保护范围。对煤柱影响带，突出危险性比原始状态大。 b.被保护层采掘工作面尽量布置在保护范围内，减少其突出危险性。 c.对不同矿井、不同保护层和被保护层，保护层的保护参数及保护效果应进行实地考察。根据考察结果指导下一步采掘和防突设计。3、水城矿区开采上保护层的技术可行性3.1 煤层群的自然赋存条件要求采用上保护层开采由于大湾矿和汪家寨矿均属煤层群开采，煤系地层含煤2030层，可采及局部可采68层，且主要集中开采上、中煤组，可采煤层间距不大于65m左右，因此，在11#煤层底板岩石作集中运输大巷和采区岩石主要上山，形成煤层群联合布置的开采方式，节省大量巷道工作量，并简化通风运输等系统，这在技术上是经济合理的。此外，由于煤层群之间层间距较小，只能采用由上而下的大剥皮开采方式，否则将会造成开采对煤层的破坏，不能有效回收资源。因此，煤层的自然赋存条件决定了111#煤层联合布置、由上而下的大剥皮开采方式是技术经济上最为合理的一种开采方式，也有利于瓦斯灾害的防治。3.2煤层群中突出煤层的分布要求采用上保护层开采111#煤层属于煤层群开采，大湾矿以2#煤层作为上保护层（该煤层未发生过煤与瓦斯突出），保护具有严重突出危险的11#煤层，二者层间距约60m ；汪家寨矿以1#、7#、8#煤层作为上保护层（本项目研究7#煤层，7#煤层未发生过煤与瓦斯突出），保护具有严重突出危险的11#煤层，7#、11#煤层之间层间距约35m。随着开采深度的增加，11#煤层的瓦斯含量和突出危险性进一步加大，为了有效的防止煤与瓦斯突出和治理瓦斯灾害，开采上保护层是其至关重要的一项技术手段。3.3国内外现状与存在问题迄今为止，国内外公认开采保护层是增大煤层透气性、提高瓦斯抽放率、防治突出、冲击地压等的一种安全高效措施。1933年法国首先进行开采保护层防治突出试验，到目前为止，世界上几乎有开采突出和冲击地压的国家，只要条件允许都优先采用这一技术。俄罗斯国家地质力学与测量科学研究院对开采保护层的机理和保护范围参数的划分方法进行了较为广泛的实验室、现场试验研究，我国从1958年开始在重庆和北票地区进行试验，取得显著效果后已在有条件的突出矿井推广应用。到目前为止，对开采保护层防治突出、冲击地压的机理已基本认识清楚，初步研究出了保护范围的划分方法。我国保护层开采的试验工作也很有限，目前只对倾斜及急倾斜上保护层、中距离下保护层开采进行了试验研究（见表4所示）。在以上试验矿井中，急倾斜煤层上保护开采时，开采层厚度都小于1.5m，保护层与被保护层之间的层间距达1990m，在开采上保护层的同时辅以瓦斯抽放都取得了防止煤与瓦斯突出的效果；倾斜煤层的上保护层开采，开采层厚度也都小于1.5m，保护层与被保护层的层间距达660m，在开采上保护层的同时辅以瓦斯抽放，同样取得防止煤与瓦斯突出的效果（表5所示为我国部分突出矿井上保护开采保护效果的试验考察情况）。我国阳泉、南桐、松藻、铁法、鸡西、淮南等抽放上覆被保护层瓦斯的矿井，根据各自的地质开采条件的实践，对抽放方法与参数进行了较广泛的研究，也由于被保护层瓦斯抽放尚有诸多方面不完善，致使保护层开采达不到应有的效果，甚至失去保护层作用。如南桐矿务局鱼田堡煤矿在开采中距离3540m下保护层过程中，在保护层6#煤层（煤厚1.25m）开采17年后被保护层4#煤层（煤厚2.6m）的“已保护区”内（不是保护边界，也不是保护区内煤柱影响区）共发生了22次突出，最大突出强度为178t，最大瓦斯涌出6844m3/次。就其主要原因：在保护层与被保护层之间，距保护层2230m处有一层810m厚的硅质灰岩，虽处于冒落裂隙带内，但由于岩性特殊，并未形成采动垂直方向的裂隙，而是呈塑性连续弯曲下沉；被保护层4#煤层含有夹矸，其瓦斯抽放效果差，突出区域4#煤层瓦斯抽放率为47.4%，远小于有效保护区内4#煤层瓦斯抽放率74.2%。因此，特别难抽的被保护层瓦斯抽放技术尚须研究完善。此外，南桐煤矿一井2002年1月31日14:34在倾斜4#煤层6408上段被保护层采煤工作面顶板初次来压时采空区上隅角发生特大煤与瓦斯突出，突出强度1780t，涌出瓦斯199930m3，并造成22名矿工遇难，7人重伤。因此，随着开采深度的增加，一些特殊条件下的保护范围等参数也有待进一步研究。3.4 我国上保护层开采矿井的成功经验表5为我国部分突出矿井上保护开采保护效果的试验考察情况。 由表中资料可看出，对煤层倾角在2545的倾斜煤层，层间垂距与采高比R=830之间的试验条件与B8B4煤层条件相类似，在这种类似条件下南桐、松藻、白沙、涟邵的试验均表明，在保护范围内，被保护层不具有突出危险性。3.5水城矿区开采上保护层的特殊性水城矿区大湾煤矿以上部2#煤层作为上保护层先行开采，来保护下部具有严重突出危险的11#煤层。2#煤层平均厚1.8m，11#煤层平均厚3.5m，平均倾角10，属缓斜煤层，2#煤层距被保护层11#煤层平均法向层间距59m，垂距60m，属远距离上保护层，相对层间距（平均层间距与保护层采高之比）为33，小于75。因此，从理论上说，以表4 国内部分局矿保护层开采情况 开采 保护层 被保层间垂距煤田 矿井 深度层名位置倾角 采高 采长护层 层间岩性简况 (m) () (m) (m) (m)中梁山 中梁山南井 200 2 下 65 0.7 110 1 37 粉砂岩天 府 磨心坡矿 360 7 上 60 0.50.6 120 9 23 页岩, 砂岩天 府 磨心坡矿 500 2 上 60 0.50.6 120 9 8090 砂岩, 石灰岩天 府 刘家沟矿 450 3 上 60 0.50.7 120 9 75 砂岩, 石灰岩天 府 刘家沟矿 450 5 上 60 1.1 120 9 64 砂岩, 石灰岩南 桐 鱼田堡矿 300 3 上 30 0.50.7 40 4 69 粉砂岩, 砂岩南 桐 鱼田堡矿 360 6 下 30 11.3 60 4 36 灰岩, 页岩南 桐 南桐一井 310 3 上 27 0.6 40 4 610 粉砂岩, 砂岩南 桐 南桐一井 200 5 下 30 0.71 60 4 22 粉砂岩, 砂岩南 桐 原东林井 200 5 下 86 1.5 110 4 36 灰岩, 页岩松 藻 松藻一井 250 10 下 30 0.5 60 8 21 灰岩, 页岩松 藻 松藻二井 250 6 上 30 0.81 60 8 16 灰岩, 页岩北 票 台吉一井 500 3C 上 46 0.8 42 4 19 坚硬砂岩, 细砾岩北 票 台吉二井 530 3A 上 50 1.5 40 4 28 坚硬砂岩, 细砾岩北 票 台吉三井 440 2 上 62 1.2 46 3 22 坚硬砂岩, 细砾岩北 票 冠山二井 400 3A 上