结合保护层开采进行卸压瓦斯抽采是最合理有效的区域瓦斯治理技术之一,在单一厚煤层开采矿区,由于无临近煤层作为保护层,如何选择合理的岩层作为保护层开采是在单一厚煤层开采过程中瓦斯治理的关键问题之一。本文以鹤壁矿区中泰公司下保护层开采为研究对象,结合关键层理论,采用理论分析、实验室研究、数值模拟、相似模拟实验、现场实测等方法,研究被保护层的裂隙发育规律、渗透特性和瓦斯运移特征。取得的主要研究成果如下:(1)结合鹤壁矿区单一高瓦斯低渗透性厚煤层长期无保护层开采的地质特点,提出了煤岩复合保护层开采区域瓦斯治理方法;理论计算得出,鹤壁中泰公司下保护层合理开采厚度1.5m,冒落带最大高度为7.58m,裂隙带高度为30.57~48.37m,保护层开采能有效增加二1煤层透气性。(2)保护层开采上覆岩层裂隙发育规律模拟研究表明,沿保护层工作面推进方向上形成裂隙开启区、裂隙发育区、裂隙萎缩区和裂隙闭合区四个区域;被保护层处在保护层开采的裂隙带上部或弯曲下沉带下部,走向卸压角为70°,倾向上山卸压角为55~64°,倾向下山卸压角为68~78°,膨胀变形率最高达到26.37‰。(3)基于煤的孔—裂隙双重介质物理模型,建立了考虑煤层有效应力、吸附膨胀效应和外载应力共同控制下的煤体渗透率模型,得出保护层开采过程中被保护层瓦斯渗透率随煤层应力的变化规律。(4)应用“含瓦斯煤岩三轴伺服渗流”实验装置,对煤样进行了含瓦斯条件下的不同围压渗透特性试验,研究了原煤煤样在模拟地应力场中的瓦斯渗流特性;实验表明,峰值破坏前,随着煤样膨胀变形增大,瓦斯渗透率先减小,后缓慢增加,煤样破裂后,煤样中瓦斯渗流通道数目增多,通道的横截面积增大,瓦斯渗透率急剧增大,瓦斯渗透率与膨胀变形率的变化近似为线性关系。根据煤样不同强度阶段,将瓦斯透气性分为稳定吸附阶段、渗流衰减阶段、瓦斯渗流缓增阶段、渗流突增阶段、渗流稳增阶段及渗流激增阶段6个阶段。(5)基于流体力学和流固耦合力学理论,建立了气固耦合渗透率动态模型,运用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics,分析采动卸压与钻孔抽采双重条件下瓦斯流场变化特征与卸压效果;结果表明,随着保护层工作面不断推进,在采动卸压与钻孔抽采(钻场间距40m)双重作用下,被保护煤层内游离瓦斯以及解吸瓦斯不断向采空区及钻孔内运移,被保护层瓦斯压力不断降低,卸压范围不断扩大。当工作面推进到140m时,在卸压与抽采双重作用下,被保护层卸压范围内瓦斯压力基本降低到了突出压力0.74MPa以下。(6)现场岩层裂隙探测和钻孔窥视结果表明,保护层开采后,被保护层最大膨胀率达到27.4‰;保护层卸压影响范围内钻孔多环向、轴—环向交错裂缝,部分地方孔壁破坏严重,浅部离层较为明显,保护层卸压影响范围外钻孔裂缝较少,多处孔壁光滑,说明保护层开采对被保护层起到了很好的卸压作用,被保护层煤层及其顶底板裂隙发育充分,有利于被保护层瓦斯运移和瓦斯抽采。(7)现场实测瓦斯抽采参数结果表明,被保护层瓦斯抽采参数变化规律与保护层开采矿压显现规律相对应,保护层工作面后方上覆被保护层的0~10m范围内为抽采开启区,10~40m为抽采最佳区,40~60m为抽采衰减区,60m以后为抽放衰竭区;钻场的最佳瓦斯抽采范围为工作面推进到钻场前方3m左右至钻场后方21m左右;保护层开采后的最大残余瓦斯含量1.83m3/t,远低于煤与瓦斯突出临界指标值以下,开采保护层并结合卸压瓦斯抽采有效地消除了二1煤层的突出危险性。为鹤壁矿区单一厚煤层开采瓦斯治理提供了一条新途径。