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摘 要：随着煤层开采向深处发展，煤层具有的低渗透性、高瓦斯压力和高地应力极大地增加了卸压开采难度，降低了瓦斯抽采效果，而保护层是增透卸压及提高瓦斯抽采效果的主要方法之一。针对近距离煤层群瓦斯涌出矿井开采，系统地研究了在上保护层重复开采条件下被保护层多重增透卸压后的瓦斯渗流变化规律。结果表明：得出被保护层渗流呈区域性变化，其中应力集中区减渗减流，卸压膨胀区增透增流，应力恢复区减渗减流且渗流大于原始应力区，并得出随着保护层层数的增加影响渗流的主要原因；为优化卸压瓦斯抽采系统布置，使煤层增透卸压，提高卸压效果和瓦斯抽采率提供一定理论依据。
关键词：煤层群；卸压开采；重复开采；保护层；卸压瓦斯
在各类矿井灾害中，瓦斯灾害事故是我国煤矿生产事故中伤亡和损失最大、重特大恶性事故发生最频繁的矿井事故，也是煤矿安全生产最严重的灾害[1-2]。平顶山矿区有煤层群发育，可采煤层层数多，并且煤层纵向间距较小，多数矿井为多煤层开采[3]，随着煤层开采向深处发展，煤层埋藏条件复杂，煤层具有渗透性低、瓦斯压力大和地应力高等特点，极大地增加了卸压开采难度，降低了瓦斯抽采效果。多年的研究表明，保护层卸压开采是提高煤层透气性和降低瓦斯灾害事故最有效的技术措施。因此，为了有效地减小煤层瓦斯压力，提高卸压开采效果，对煤层群进行多重卸压开采条件下，被保护层的卸压瓦斯的影响进行分析。
1 矿井概况
实验矿井为河南平顶山矿区的A矿，设计生产能力3.0 Mt/a，服务年限约为65.5 a，该井田为立井开拓，进风井有主立井和副立井，回风井有回风立井，一水平的水平标高为+300.0 m，采煤工作面主采戊 9 煤层。煤层倾角13?～20?，平均15?，煤层厚度变化小，一般在1.2～1.8 m，平均1.4 m 左右。煤层结构较简单，局部有0.2 m 厚的夹矸，煤层顶底板岩性为细砂岩和砂质泥岩。
2 煤层瓦斯流动规律
2.1 瓦斯扩散规律
瓦斯在孔隙和裂隙内以扩散和渗透两类运动为主[4]。在小孔（>1um）和微孔（<0.1um）内主要表现为扩散，指瓦斯分子受浓度的梯度作用，高浓度向低浓度发生运动。由Fick 定律[5]可知，扩散量与扩散系数成正比；浓度梯度越高，扩散量也越大；煤粒粒径越小，扩散量也越大。
2.2 瓦斯渗流运动
多孔介质中的渗流流动可分为三种运动形式，分别是：层流、层流紊流同时存在以及紊流。其中以雷诺数来划分，流体的流动从服从到不服从 Darcy 定律的层流再到紊流状态，其状态转变是逐渐过渡的。这是因为煤内孔隙的大小、形状、曲率以及孔隙结构与张开程度等极不均匀，加之受地应力的影响，使它们都在较大程度上变化的缘故。即使如此，煤层的瓦斯流动仍主要表现为服从 Darcy 定律。
3 煤层群多重采动影响下伏煤岩体卸压效应分析
3.1上保护层开采底板卸压效应
在上保护层未开采时，煤岩层各场域处于平衡状态，随着采煤工作面的推进，煤层群开采后将引起上覆岩层的变形、冒落及下伏煤岩的移动、膨胀，采动破坏平衡后，围岩破坏，发生移动变形，应力重新分布，当煤岩层自重应力降低、弹性能减小，采空区底板下方出现应力降低区，使开采空间周围原有应力平衡状态受到破坏，产生裂隙，进而对顶、底板岩层产生不同的破坏，而使被保护层产生了不同的卸压效应，改变煤岩层的渗透性[6]。
3.2 煤层开采保护层底板损伤状态
重新压实区域内煤岩层经历应力加载、卸荷、重新加载后可能出现损伤破坏，保护层开采后，被保护层出现水平方向为主的小角度的微小裂隙[7]。卸压瓦斯大量解吸引起煤体收缩变形，部分煤岩体受力比其原始应力更大出现压缩变形[8]。卸壓增透区是卸压瓦斯产生及运移的主要空间，也是进行卸压瓦斯拦截及抽采的高效区，瓦斯抽采工程需考虑采动裂隙演化的空间和时间效应。
4 采场围岩破坏变形对卸压瓦斯的影响
4.1上保护层开采底板变形破坏与应力分布对瓦斯渗流的影响
（1）上保护层底板移动变形特征
保护层工作面刚开始推进时，工作面前方底板处于应力增高状态，下伏煤岩层处于压缩状态，底板向下移动；随工作面继续推进，采空区扩大，采空区下方煤岩层应力处于卸压状态，采空区底板岩层开始发生向上运动，采空区向上的位移量随着采空区的范围增大而增大。采空区下部煤岩体呈膨胀状态，在此区内有较多裂隙；继续推进，覆岩垮落，一段时间后采空区压实，且煤岩体应力逐步恢复至原岩应力状态。
（2）上保护层底板岩层应力分布特征
上保护层采动后，围岩应力重新分布，而煤层底板的应力也随之改变。保护层开采，原岩应力状态受到破坏，顶底板煤岩层移动变形，应力重新分布。工作面正常推进过程中，煤层底板始终处于采前压缩、采后膨胀和应力恢复的状态下。根据底板的应力状态，可划分为 4 个区：原岩应力区、应力集中区、应力降低区和应力恢复区，如图1所示。
应力集中区一般位于保护层工作面前方50m至后方20m，其范围与工作面采高、埋深、长度、倾角和层间距等有关。应力降低区处于保护层工作面后方0～20m，有时在工作面前有卸压发生，卸压的主要因素有层间距及层间岩性等。被保护层的卸压是一个逐步过渡的过程，最大卸压点在保护层工作面后方20～130m。应力恢复区主要在采空区的后方。应力恢复区的应力一般小于原始应力，被保护层的透气性介于应力降低区与原始煤体之间[9-10]。
以上区域划分为下部被保护层卸压瓦斯抽采位置及时间确定提供了依据。应力集中区的应力较大、煤层裂隙在应力的作用下发生闭合，使得煤层透气性系数减小，该区的钻孔瓦斯抽采量低于原始煤体的瓦斯抽采量。应力降低区，被保护层的应力远小于原始应力，煤层裂隙相对较大。此外，还有次生裂隙的产生，被保护层的透气性较强，为其卸压瓦斯抽采提供了一定的条件。应力恢复区，钻孔瓦斯抽采量逐渐下降，直至煤层瓦斯枯竭，丧失抽采价值。 4.2煤层群重复开采破坏变形规律及对卸压瓦斯影响
（1）保护层顶、底板裂隙分带与发育特征
煤层群多层上保护层开采后，原保护层底板成为下一层保护层开采的顶板。开采完全后，顶板垮落，在垂直方向的覆岩三带区域重新分布，当两个煤层间距较小时，中间岩层全部垮落与上一层保护层开采后的冒落带合二为一，形成大范围的冒落带。煤层群重复开采，使累积采高增加，因而裂隙带的发育高度增大；当煤层之间间距较大时，则覆岩冒落高度有限，中间岩层形成的裂隙带来沟通首采保护层后的冒落带，冒落带被压实后形成大范围的裂隙带。
对下伏煤岩体，国内学者最早从预防底板突水的角度对采场下伏煤岩体的破坏状态的研究理论，进行了多种分类，但其结果无法直接得以应用于保护层开采技术。随着研究继续深入，国内保护层角度对底板的影响研究认为上保护层开采后，煤系地层原有的狀态发生改变，采动空间支承压力向底板的传递使得底板破坏并产生裂隙，采空区底板有底鼓及膨胀现象发生，因而将受采动影响的底板煤岩层分为底鼓裂隙带、底鼓变形带和细微变化带，裂隙情况与分带如图2。根据工程实践与分析可知[11]，底鼓裂隙带下限为底板下方 15～25m，变形带则为下方 50～60m。底鼓裂隙带岩石主要为粘弹性，受开采的影响破坏较为严重。
（2）重复采动多层上保护层卸压效应
煤层群重复开采，沿工作面走向可分为三区：应力集中区、卸压区和应力恢复区，如图 3。
上保护层开采的影响区域主要和倾角及层间的岩性有关。煤层裂隙发育主要表现为膨胀变形，煤层透气性与变形成正比关系，同时使得瓦斯解吸流动作用增加。保护层与下被保护层间有坚硬岩层时，可以限制下被保护层膨胀变形，因而对下被保护层的卸压保护作用受到削弱。一般而言，底板处的裂隙发育不如顶板发育的充分。若重复采动上保护层，随着顶底板的层位发生改变，及与被保护层间的间距减小，加大了对被保护层的影响作用。
两个保护层都在被保护层上部，其开采第一层时，下方两个煤层也同时成为被保护层。如图4所示。这与下行开采方式相似，一般而言，开采完毕上保护层后，再开采卸压较充分的煤层，以此为第二保护层，使得下伏煤岩体再次卸压，被保护层的卸压作用更加充分。
（3）重复采动对被保护层卸压瓦斯渗流的影响
采空区的覆岩向采空区移动，形成垮落以及裂隙，其下方的岩体形成底鼓断裂及变形，保护层底板的煤层卸压效果较为充分，因而透气性增大，被保护层的渗流特性发生了变化[12]，煤层群多层保护层开采，较之单层开采，覆岩裂隙发育更为充分，因而卸压更加显著。重复采动时，覆岩中的两带（冒落带与裂隙带）范围都增加，裂隙发育充分，为卸压瓦斯的运移提供了较大的流动范围和更多的流通通道；同时，重复采动对下伏煤岩体进行了多重卸压，使得卸压效果更明显，在两者的影响效果增大的情况下，能使瓦斯快速、大量地运移至采空区。
5结论
（1）根据保护层开采后采场围岩破坏变形规律，在垂直方向上将底板煤岩层划分为“三带”，分别是：底鼓裂隙带，底鼓膨胀带和细微变化带；其中底鼓裂隙带由于形成了大量的穿层裂隙和离层裂隙，成为瓦斯流动进入采空区最容易的区域；
（2）重复采动下，覆岩垮落形成的冒落带和裂隙带范围增大；底板煤岩层经过多次采动破坏，下伏煤岩体破坏深度增加，裂隙更发育，底鼓裂隙带范围增大，为卸压瓦斯形成良好的流动通道；同时下伏煤岩体经历多重卸压效果明显。
参考文献
[1]王新华，王晨，白丽.煤炭消费结构趋势分析与调控机制研究[J].煤炭经济研究.2014，34（11）：53-57.
[2]崔炎斌.煤层群重复采动下被保护层卸压瓦斯渗流规律实验研究[D].西安科技大学，2014.
[3]杨兆彪，秦勇，高弟，等.煤层群条件下的煤层气成藏特征[J].煤田地质与勘探.2011，10，39（5）：22-26.
[4]周世宁，林柏泉.煤层赋存与流动理论[M].北京：煤炭工业出版社，1998.
[5]孙明贵，黄先伍，李天珍，等.石灰岩应力-应变全过程的非Darcy流渗透特性[J].岩石力学与工程学报，2006，（03）：484-491.
[6]张敬民，刘贞堂，谢龙.煤层群开采条件下的保护层卸压效应研究[J].煤矿安全，2012，43（09）：14-16.
[7]焦振华.下保护层开采覆岩裂隙演化及卸压程度研究[D].河南理工大学，2014.
[8]王伟，程远平，袁亮，等.深部近距离上保护层底板裂隙演化及卸压瓦斯抽采时效性[J].煤炭学报，2016，41（01）：138-148.
作者简介
刘鹏飞（1986-），男，河南平顶山人，主要从事矿井瓦斯突出防治工作。
（作者单位：中国平煤神马能源化工集团）
关键词：煤层群；卸压开采；重复开采；保护层；卸压瓦斯
在各类矿井灾害中，瓦斯灾害事故是我国煤矿生产事故中伤亡和损失最大、重特大恶性事故发生最频繁的矿井事故，也是煤矿安全生产最严重的灾害[1-2]。平顶山矿区有煤层群发育，可采煤层层数多，并且煤层纵向间距较小，多数矿井为多煤层开采[3]，随着煤层开采向深处发展，煤层埋藏条件复杂，煤层具有渗透性低、瓦斯压力大和地应力高等特点，极大地增加了卸压开采难度，降低了瓦斯抽采效果。多年的研究表明，保护层卸压开采是提高煤层透气性和降低瓦斯灾害事故最有效的技术措施。因此，为了有效地减小煤层瓦斯压力，提高卸压开采效果，对煤层群进行多重卸压开采条件下，被保护层的卸压瓦斯的影响进行分析。
1 矿井概况
实验矿井为河南平顶山矿区的A矿，设计生产能力3.0 Mt/a，服务年限约为65.5 a，该井田为立井开拓，进风井有主立井和副立井，回风井有回风立井，一水平的水平标高为+300.0 m，采煤工作面主采戊 9 煤层。煤层倾角13?～20?，平均15?，煤层厚度变化小，一般在1.2～1.8 m，平均1.4 m 左右。煤层结构较简单，局部有0.2 m 厚的夹矸，煤层顶底板岩性为细砂岩和砂质泥岩。
2 煤层瓦斯流动规律
2.1 瓦斯扩散规律
瓦斯在孔隙和裂隙内以扩散和渗透两类运动为主[4]。在小孔（>1um）和微孔（<0.1um）内主要表现为扩散，指瓦斯分子受浓度的梯度作用，高浓度向低浓度发生运动。由Fick 定律[5]可知，扩散量与扩散系数成正比；浓度梯度越高，扩散量也越大；煤粒粒径越小，扩散量也越大。
2.2 瓦斯渗流运动
多孔介质中的渗流流动可分为三种运动形式，分别是：层流、层流紊流同时存在以及紊流。其中以雷诺数来划分，流体的流动从服从到不服从 Darcy 定律的层流再到紊流状态，其状态转变是逐渐过渡的。这是因为煤内孔隙的大小、形状、曲率以及孔隙结构与张开程度等极不均匀，加之受地应力的影响，使它们都在较大程度上变化的缘故。即使如此，煤层的瓦斯流动仍主要表现为服从 Darcy 定律。
3 煤层群多重采动影响下伏煤岩体卸压效应分析
3.1上保护层开采底板卸压效应
在上保护层未开采时，煤岩层各场域处于平衡状态，随着采煤工作面的推进，煤层群开采后将引起上覆岩层的变形、冒落及下伏煤岩的移动、膨胀，采动破坏平衡后，围岩破坏，发生移动变形，应力重新分布，当煤岩层自重应力降低、弹性能减小，采空区底板下方出现应力降低区，使开采空间周围原有应力平衡状态受到破坏，产生裂隙，进而对顶、底板岩层产生不同的破坏，而使被保护层产生了不同的卸压效应，改变煤岩层的渗透性[6]。
3.2 煤层开采保护层底板损伤状态
重新压实区域内煤岩层经历应力加载、卸荷、重新加载后可能出现损伤破坏，保护层开采后，被保护层出现水平方向为主的小角度的微小裂隙[7]。卸压瓦斯大量解吸引起煤体收缩变形，部分煤岩体受力比其原始应力更大出现压缩变形[8]。卸壓增透区是卸压瓦斯产生及运移的主要空间，也是进行卸压瓦斯拦截及抽采的高效区，瓦斯抽采工程需考虑采动裂隙演化的空间和时间效应。
4 采场围岩破坏变形对卸压瓦斯的影响
4.1上保护层开采底板变形破坏与应力分布对瓦斯渗流的影响
（1）上保护层底板移动变形特征
保护层工作面刚开始推进时，工作面前方底板处于应力增高状态，下伏煤岩层处于压缩状态，底板向下移动；随工作面继续推进，采空区扩大，采空区下方煤岩层应力处于卸压状态，采空区底板岩层开始发生向上运动，采空区向上的位移量随着采空区的范围增大而增大。采空区下部煤岩体呈膨胀状态，在此区内有较多裂隙；继续推进，覆岩垮落，一段时间后采空区压实，且煤岩体应力逐步恢复至原岩应力状态。
（2）上保护层底板岩层应力分布特征
上保护层采动后，围岩应力重新分布，而煤层底板的应力也随之改变。保护层开采，原岩应力状态受到破坏，顶底板煤岩层移动变形，应力重新分布。工作面正常推进过程中，煤层底板始终处于采前压缩、采后膨胀和应力恢复的状态下。根据底板的应力状态，可划分为 4 个区：原岩应力区、应力集中区、应力降低区和应力恢复区，如图1所示。
应力集中区一般位于保护层工作面前方50m至后方20m，其范围与工作面采高、埋深、长度、倾角和层间距等有关。应力降低区处于保护层工作面后方0～20m，有时在工作面前有卸压发生，卸压的主要因素有层间距及层间岩性等。被保护层的卸压是一个逐步过渡的过程，最大卸压点在保护层工作面后方20～130m。应力恢复区主要在采空区的后方。应力恢复区的应力一般小于原始应力，被保护层的透气性介于应力降低区与原始煤体之间[9-10]。
以上区域划分为下部被保护层卸压瓦斯抽采位置及时间确定提供了依据。应力集中区的应力较大、煤层裂隙在应力的作用下发生闭合，使得煤层透气性系数减小，该区的钻孔瓦斯抽采量低于原始煤体的瓦斯抽采量。应力降低区，被保护层的应力远小于原始应力，煤层裂隙相对较大。此外，还有次生裂隙的产生，被保护层的透气性较强，为其卸压瓦斯抽采提供了一定的条件。应力恢复区，钻孔瓦斯抽采量逐渐下降，直至煤层瓦斯枯竭，丧失抽采价值。 4.2煤层群重复开采破坏变形规律及对卸压瓦斯影响
（1）保护层顶、底板裂隙分带与发育特征
煤层群多层上保护层开采后，原保护层底板成为下一层保护层开采的顶板。开采完全后，顶板垮落，在垂直方向的覆岩三带区域重新分布，当两个煤层间距较小时，中间岩层全部垮落与上一层保护层开采后的冒落带合二为一，形成大范围的冒落带。煤层群重复开采，使累积采高增加，因而裂隙带的发育高度增大；当煤层之间间距较大时，则覆岩冒落高度有限，中间岩层形成的裂隙带来沟通首采保护层后的冒落带，冒落带被压实后形成大范围的裂隙带。
对下伏煤岩体，国内学者最早从预防底板突水的角度对采场下伏煤岩体的破坏状态的研究理论，进行了多种分类，但其结果无法直接得以应用于保护层开采技术。随着研究继续深入，国内保护层角度对底板的影响研究认为上保护层开采后，煤系地层原有的狀态发生改变，采动空间支承压力向底板的传递使得底板破坏并产生裂隙，采空区底板有底鼓及膨胀现象发生，因而将受采动影响的底板煤岩层分为底鼓裂隙带、底鼓变形带和细微变化带，裂隙情况与分带如图2。根据工程实践与分析可知[11]，底鼓裂隙带下限为底板下方 15～25m，变形带则为下方 50～60m。底鼓裂隙带岩石主要为粘弹性，受开采的影响破坏较为严重。
（2）重复采动多层上保护层卸压效应
煤层群重复开采，沿工作面走向可分为三区：应力集中区、卸压区和应力恢复区，如图 3。
上保护层开采的影响区域主要和倾角及层间的岩性有关。煤层裂隙发育主要表现为膨胀变形，煤层透气性与变形成正比关系，同时使得瓦斯解吸流动作用增加。保护层与下被保护层间有坚硬岩层时，可以限制下被保护层膨胀变形，因而对下被保护层的卸压保护作用受到削弱。一般而言，底板处的裂隙发育不如顶板发育的充分。若重复采动上保护层，随着顶底板的层位发生改变，及与被保护层间的间距减小，加大了对被保护层的影响作用。
两个保护层都在被保护层上部，其开采第一层时，下方两个煤层也同时成为被保护层。如图4所示。这与下行开采方式相似，一般而言，开采完毕上保护层后，再开采卸压较充分的煤层，以此为第二保护层，使得下伏煤岩体再次卸压，被保护层的卸压作用更加充分。
（3）重复采动对被保护层卸压瓦斯渗流的影响
采空区的覆岩向采空区移动，形成垮落以及裂隙，其下方的岩体形成底鼓断裂及变形，保护层底板的煤层卸压效果较为充分，因而透气性增大，被保护层的渗流特性发生了变化[12]，煤层群多层保护层开采，较之单层开采，覆岩裂隙发育更为充分，因而卸压更加显著。重复采动时，覆岩中的两带（冒落带与裂隙带）范围都增加，裂隙发育充分，为卸压瓦斯的运移提供了较大的流动范围和更多的流通通道；同时，重复采动对下伏煤岩体进行了多重卸压，使得卸压效果更明显，在两者的影响效果增大的情况下，能使瓦斯快速、大量地运移至采空区。
5结论
（1）根据保护层开采后采场围岩破坏变形规律，在垂直方向上将底板煤岩层划分为“三带”，分别是：底鼓裂隙带，底鼓膨胀带和细微变化带；其中底鼓裂隙带由于形成了大量的穿层裂隙和离层裂隙，成为瓦斯流动进入采空区最容易的区域；
（2）重复采动下，覆岩垮落形成的冒落带和裂隙带范围增大；底板煤岩层经过多次采动破坏，下伏煤岩体破坏深度增加，裂隙更发育，底鼓裂隙带范围增大，为卸压瓦斯形成良好的流动通道；同时下伏煤岩体经历多重卸压效果明显。
参考文献
[1]王新华，王晨，白丽.煤炭消费结构趋势分析与调控机制研究[J].煤炭经济研究.2014，34（11）：53-57.
[2]崔炎斌.煤层群重复采动下被保护层卸压瓦斯渗流规律实验研究[D].西安科技大学，2014.
[3]杨兆彪，秦勇，高弟，等.煤层群条件下的煤层气成藏特征[J].煤田地质与勘探.2011，10，39（5）：22-26.
[4]周世宁，林柏泉.煤层赋存与流动理论[M].北京：煤炭工业出版社，1998.
[5]孙明贵，黄先伍，李天珍，等.石灰岩应力-应变全过程的非Darcy流渗透特性[J].岩石力学与工程学报，2006，（03）：484-491.
[6]张敬民，刘贞堂，谢龙.煤层群开采条件下的保护层卸压效应研究[J].煤矿安全，2012，43（09）：14-16.
[7]焦振华.下保护层开采覆岩裂隙演化及卸压程度研究[D].河南理工大学，2014.
[8]王伟，程远平，袁亮，等.深部近距离上保护层底板裂隙演化及卸压瓦斯抽采时效性[J].煤炭学报，2016，41（01）：138-148.
作者简介
刘鹏飞（1986-），男，河南平顶山人，主要从事矿井瓦斯突出防治工作。
（作者单位：中国平煤神马能源化工集团）