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[摘 要]分析了保护层开采的机理，指出了保护层开采的必要性及可行性；提出了远程保护层开采“三位一体”的立体综合治理新模式，实现安全、高效、高产的目的。
[关键词]远程保护层开采；防突机理；可行性；三位一体；综合治理
中图分类号：S157.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0317-02
煤炭是国民经济和社会发展的重要基础，在我国一次能源生产和消费结构中始终占70%左右，预测到2010年煤炭占60%左右，2050年将占50%以上，煤炭在相当长的时期内仍将是我国的主要能源之一。因此，必须确保煤炭工业持续、稳定、健康地发展。但随着煤矿开采规模的不断扩大，开采深度的增加，煤矿安全生产问题成为制约矿井高产高效的主导因素，而煤与瓦斯突出问题是煤矿安全生产的主要危害。开采低透气性高瓦斯有突出危险煤层中，煤与瓦斯突出是严重威胁煤矿安全高效生产的主要灾害。如何安全、经济、有效地防治煤与瓦斯突出事故，很多专家学者为此进行了大量的研究，提出了许多有效的防治措施，对减少和预防煤与瓦斯瓦斯做出了卓有成效的贡献[1]。
《煤矿安全规程》中明确规定：“在煤与瓦斯突出矿井开采煤层群时，必须首先开采保护层。开采保护层后，在被保护层中受到保护的区域按无突出危险煤层进行采掘工作，未受到保护的区域，必须采取防止突出危险措施[2]”。由此可见：保护层开采技术已是被大量实践证明并用法规形式确立的防治煤矿突出危险的行之有效方法，在国内外被广泛应用。
1 矿井概况
平煤股份四矿是一座现代化矿井，是集团公司的主力矿井之一。随着矿井开采深度的逐步延伸，煤层瓦斯含量、瓦斯压力逐步加大，矿井突出危险性逐渐加大，瓦斯涌出量激增的严重形势，使矿井的安全生产和高产高效建设受到极大威胁[3]。特别是该矿的丁九采区和戊九采区，丁九采区的丁5、6煤层是突出煤层，在掘进巷道时，顶钻、夹钻、煤炮等动力现象明显，严重影响了巷道掘进施工进度；戊九采区的综采面在回采过程中瓦斯影响生产问题也是非常严重。
丁5、6煤层是突出煤层，没有组内近距离保护层可以开采。根据集团公司区域瓦斯治理指导思想和矿井安全生产计划要求，开采戊8煤层对其上部丁5、6煤层形成卸压保护，取得了良好的瓦斯抽采与治理效果，实现了安全、高效、高产的目的。
2 保护层开采理论
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。其次序表述如下：开采保护层→岩层移动→被保护层卸压→（煤层透气性增加、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）。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，部分岩石裂缝是垂直层面的，在距保护层一定距离内，这些裂缝可彼此贯通直至与保护层采空区连通，为解吸瓦斯涌入保护层采空区提供了条件。
3 保护层开采可行性分析
3.1 开采下保护层的最小层间距
按照《防治煤与瓦斯突出规定》关于确定保护层开采范围的要求：开采下保护层时，不破坏上部被保护层的最小层间距离可参用式（1）或式（2）确定：
3.2 最大保护垂距
最大保护垂距可参照表1保护层与被保护层之间的最大保护垂距选取或用式（3）、式（4）计算确定：
、—下保护层和上保护层的理论最大保护垂距，m。它与工作面长度L和开采深度H 有关，可参照表2取值。当时，取，但L不得大于250m；
-保护层开采的影响系数，当时，，当时，；
M-保护层的开采厚度，m；
-保護层的最小有效厚度，m。可参照图2确定；
-层间硬岩（砂岩、石灰岩）含量系数，以表示在层间岩石中所占的百分比，当时，，当时，。
根据表2和与开采深度H 和工作面长度L之间的关系结合戊8-19170工作面的实际情况，可取值117m；根据图2保护层工作面的最小有效厚度与开采垂深之间关系图可得，保护层的最小有效厚度M0可取值0.7m；又因为M=2.2m，即M>M0，可取值1；又因为戊8煤层和丁5、6煤层之间的岩层80%以上为泥岩、砂质泥岩等软岩，所以层间硬岩（砂岩、石灰岩）含量系数可取值1，可得
因为戊8煤层上覆丁5、6煤层层间距70米左右，大于21.72m而小于117m，所以实验煤层在有效保护范围之内。
4 保护层开采综合治理措施研究
瓦斯治理措施可分为三种：一是通风，二是瓦斯抽放，三是瓦斯抽放和通风方式相结合的综合方式。这些措施的着眼点在于：（1）改变工作面风流的流动方向，使瓦斯涌出均匀化；（2）减少采空区瓦斯涌出量；（3）隔离高浓度瓦斯。根据远程保护层开采卸压瓦斯时空运移规律研究结果提出远程保护层开采卸压瓦斯治理的新模式：即采用专用瓦斯抽采巷埋管+封堵、顶板走向钻孔抽放裂隙带瓦斯、U+L型通风等措施“三位一体”的立体综合治理，实现安全生产的目的。
4.1 专用瓦斯抽采巷埋管+封堵抽采技术
根据流体力学理论，通风井巷中，风流总是从风压大处流向风压小处，风压差是克服通风阻力使风流流动的动力。由于专用瓦斯抽采巷与采空区连通，滞后工作面，有利于采空区高浓度瓦斯沿专用瓦斯抽采巷；通过调节风巷与专用瓦斯抽采巷的过风量及风压，抑制高瓦斯综采工作面采空区瓦斯向采面上隅角和风巷涌出，引导采空区瓦斯向专用瓦斯抽采巷方向运移，采空区漏风流与高浓度瓦斯充分混合之后80%以上瓦斯涌出量由专用瓦斯抽采巷排出，容易造成专用瓦斯抽采巷内瓦斯浓度超过2.5%，影响生产， 专用瓦斯抽采巷埋管+封堵抽采就是提前在专用瓦斯抽采巷内预埋瓦斯抽放花眼管，对专用瓦斯抽采巷与采空区连通的联络川涌出的高瓦斯浓度进行封堵抽采。具体要求：在专用瓦斯抽采巷内预埋￠300mm螺旋抽放管，每一个回风联络川以里（采空区方向）预留一个三通，该回风联络川推过1～3m时，由救护队员打开三通，用编制袋装煤对专用瓦斯抽采巷进行垛墙封闭，即可阻止尾巷高浓度瓦斯外涌，又可利用预留抽放管路抽取高浓度瓦斯进行发电，抽放浓度可达到8～10%，混合流量180m3/min以上，纯流量14m3/min以上， 为四矿瓦斯发电提供了充足、稳定的气源。并大大缓解了高浓度瓦斯沿专用瓦斯抽采巷涌出造成采面断电对生产的影响。 4.2 顶板高位钻孔抽放裂隙带瓦斯
顶板高位钻孔是在风巷内向煤层顶板施工的钻孔，顶板高位钻孔瓦斯抽放又称顶板裂隙带抽放，是根据煤层瓦斯地质条件及瓦斯流动规律而设计的，主要作用是以工作面回采采动压力形成的顶板裂隙作为通道来抽放工作面上覆岩层及上隅角涌出的瓦斯，并且减小上邻近层瓦斯涌向工作面的可能性，同时对采空区下部的瓦斯起到拉动作用，改变采空区瓦斯流向分布，从根本上解决由于采空区瓦斯大量涌出造成的工作面上隅角及回风瓦斯超限的问题，从而保证采煤工作面安全作业，提高采面生产能力。
由于戊8-19170采面回风巷瓦斯浓度比较高，尤其上隅角瓦斯积聚现象严重，单一的增加风量不能有效的解决问题，因此设计了顶板高位钻孔抽放瓦斯的方案，图4为顶板高位水平走向钻孔抽放示意图。顶板高位钻孔抽放随着戊8-19170工作面的回采开始而开始，随着戊8-19170工作面的回采结束而结束，大约抽放一年的时间，抽出瓦斯量约68万m3，上隅角瓦斯浓度显著降低，顶板高位钻孔抽放在该面很好的发挥了作用，保证了安全生产。
4.3 U+L型通风方式
针对上隅角瓦斯频繁超限的情况，通过改变工作面通风方式来治理远程保护层开采卸压瓦斯技术。U+L型通风系统不仅增加了工作面的风排瓦斯量，而且由于瓦斯浓度分布的改变，在风流压差的作用下采空区的相当大的一部分瓦斯被
引入专用排瓦斯巷，减少了工作面上隅角的瓦斯涌出，大大改善了U型工作面上隅角瓦斯超限问题。该系统用风量少而排放瓦斯量大、安全可靠性提高，因此得到广泛应用。
距戊8-19170风巷平距外错6m，平行于风巷方向，沿戊8煤层顶板，施工一条专用瓦斯抽采巷（俗称尾巷），每隔20m同风巷做一个回风联络巷，共46个联络巷，形成”一进两回”的U+L通风方式。尾巷设计全长916m，净断面5.9m2，采用锚网支护，U+L通風方式布置示意图见图2所示。
应用U+L通风方式，彻底解决了上隅角瓦斯积聚、回风流瓦斯超限的问题，解放了生产力，工作面产量得到大幅提高，实现安全、高效生产，并且保证了瓦斯的综合利用，做到了煤与瓦斯共采，为同类矿井保护层开采瓦斯治理以及瓦斯利用提供有意义参考价值。
5 结论
开采保护层工作面与未开采保护层工作面相比较瓦斯涌出量明显减少，瓦斯压力、瓦斯含量明显降低，煤层透气性系数极大地提高，煤样突出参数、防突测试指标较小，突出危险性明显降低。被保护范围内采掘工作面仅采用预测进尺，节省大量防突成本，大大提高采掘工作面的单产单进水平。
提出了高瓦斯远程保护层开采的新模式：即采用专用瓦斯抽采巷埋管+封堵、顶板走向钻孔抽放裂隙带瓦斯、U+L型通风等措施“三位一体”的立体综合治理，实现安全、高效、高产的目的。
参考文献
[1] 罗勇.煤层群多重开采上保护层防突研究[J].防灾减灾工程学报，2005.
[2] 国家安全生产监督管理局，国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2009.
[3] 欧阳广斌.近距离保护层开采瓦斯运移规律[J].煤炭科学技术，2008.
[关键词]远程保护层开采；防突机理；可行性；三位一体；综合治理
中图分类号：S157.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0317-02
煤炭是国民经济和社会发展的重要基础，在我国一次能源生产和消费结构中始终占70%左右，预测到2010年煤炭占60%左右，2050年将占50%以上，煤炭在相当长的时期内仍将是我国的主要能源之一。因此，必须确保煤炭工业持续、稳定、健康地发展。但随着煤矿开采规模的不断扩大，开采深度的增加，煤矿安全生产问题成为制约矿井高产高效的主导因素，而煤与瓦斯突出问题是煤矿安全生产的主要危害。开采低透气性高瓦斯有突出危险煤层中，煤与瓦斯突出是严重威胁煤矿安全高效生产的主要灾害。如何安全、经济、有效地防治煤与瓦斯突出事故，很多专家学者为此进行了大量的研究，提出了许多有效的防治措施，对减少和预防煤与瓦斯瓦斯做出了卓有成效的贡献[1]。
《煤矿安全规程》中明确规定：“在煤与瓦斯突出矿井开采煤层群时，必须首先开采保护层。开采保护层后，在被保护层中受到保护的区域按无突出危险煤层进行采掘工作，未受到保护的区域，必须采取防止突出危险措施[2]”。由此可见：保护层开采技术已是被大量实践证明并用法规形式确立的防治煤矿突出危险的行之有效方法，在国内外被广泛应用。
1 矿井概况
平煤股份四矿是一座现代化矿井，是集团公司的主力矿井之一。随着矿井开采深度的逐步延伸，煤层瓦斯含量、瓦斯压力逐步加大，矿井突出危险性逐渐加大，瓦斯涌出量激增的严重形势，使矿井的安全生产和高产高效建设受到极大威胁[3]。特别是该矿的丁九采区和戊九采区，丁九采区的丁5、6煤层是突出煤层，在掘进巷道时，顶钻、夹钻、煤炮等动力现象明显，严重影响了巷道掘进施工进度；戊九采区的综采面在回采过程中瓦斯影响生产问题也是非常严重。
丁5、6煤层是突出煤层，没有组内近距离保护层可以开采。根据集团公司区域瓦斯治理指导思想和矿井安全生产计划要求，开采戊8煤层对其上部丁5、6煤层形成卸压保护，取得了良好的瓦斯抽采与治理效果，实现了安全、高效、高产的目的。
2 保护层开采理论
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。其次序表述如下：开采保护层→岩层移动→被保护层卸压→（煤层透气性增加、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）。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，部分岩石裂缝是垂直层面的，在距保护层一定距离内，这些裂缝可彼此贯通直至与保护层采空区连通，为解吸瓦斯涌入保护层采空区提供了条件。
3 保护层开采可行性分析
3.1 开采下保护层的最小层间距
按照《防治煤与瓦斯突出规定》关于确定保护层开采范围的要求：开采下保护层时，不破坏上部被保护层的最小层间距离可参用式（1）或式（2）确定：
3.2 最大保护垂距
最大保护垂距可参照表1保护层与被保护层之间的最大保护垂距选取或用式（3）、式（4）计算确定：
、—下保护层和上保护层的理论最大保护垂距，m。它与工作面长度L和开采深度H 有关，可参照表2取值。当时，取，但L不得大于250m；
-保护层开采的影响系数，当时，，当时，；
M-保护层的开采厚度，m；
-保護层的最小有效厚度，m。可参照图2确定；
-层间硬岩（砂岩、石灰岩）含量系数，以表示在层间岩石中所占的百分比，当时，，当时，。
根据表2和与开采深度H 和工作面长度L之间的关系结合戊8-19170工作面的实际情况，可取值117m；根据图2保护层工作面的最小有效厚度与开采垂深之间关系图可得，保护层的最小有效厚度M0可取值0.7m；又因为M=2.2m，即M>M0，可取值1；又因为戊8煤层和丁5、6煤层之间的岩层80%以上为泥岩、砂质泥岩等软岩，所以层间硬岩（砂岩、石灰岩）含量系数可取值1，可得
因为戊8煤层上覆丁5、6煤层层间距70米左右，大于21.72m而小于117m，所以实验煤层在有效保护范围之内。
4 保护层开采综合治理措施研究
瓦斯治理措施可分为三种：一是通风，二是瓦斯抽放，三是瓦斯抽放和通风方式相结合的综合方式。这些措施的着眼点在于：（1）改变工作面风流的流动方向，使瓦斯涌出均匀化；（2）减少采空区瓦斯涌出量；（3）隔离高浓度瓦斯。根据远程保护层开采卸压瓦斯时空运移规律研究结果提出远程保护层开采卸压瓦斯治理的新模式：即采用专用瓦斯抽采巷埋管+封堵、顶板走向钻孔抽放裂隙带瓦斯、U+L型通风等措施“三位一体”的立体综合治理，实现安全生产的目的。
4.1 专用瓦斯抽采巷埋管+封堵抽采技术
根据流体力学理论，通风井巷中，风流总是从风压大处流向风压小处，风压差是克服通风阻力使风流流动的动力。由于专用瓦斯抽采巷与采空区连通，滞后工作面，有利于采空区高浓度瓦斯沿专用瓦斯抽采巷；通过调节风巷与专用瓦斯抽采巷的过风量及风压，抑制高瓦斯综采工作面采空区瓦斯向采面上隅角和风巷涌出，引导采空区瓦斯向专用瓦斯抽采巷方向运移，采空区漏风流与高浓度瓦斯充分混合之后80%以上瓦斯涌出量由专用瓦斯抽采巷排出，容易造成专用瓦斯抽采巷内瓦斯浓度超过2.5%，影响生产， 专用瓦斯抽采巷埋管+封堵抽采就是提前在专用瓦斯抽采巷内预埋瓦斯抽放花眼管，对专用瓦斯抽采巷与采空区连通的联络川涌出的高瓦斯浓度进行封堵抽采。具体要求：在专用瓦斯抽采巷内预埋￠300mm螺旋抽放管，每一个回风联络川以里（采空区方向）预留一个三通，该回风联络川推过1～3m时，由救护队员打开三通，用编制袋装煤对专用瓦斯抽采巷进行垛墙封闭，即可阻止尾巷高浓度瓦斯外涌，又可利用预留抽放管路抽取高浓度瓦斯进行发电，抽放浓度可达到8～10%，混合流量180m3/min以上，纯流量14m3/min以上， 为四矿瓦斯发电提供了充足、稳定的气源。并大大缓解了高浓度瓦斯沿专用瓦斯抽采巷涌出造成采面断电对生产的影响。 4.2 顶板高位钻孔抽放裂隙带瓦斯
顶板高位钻孔是在风巷内向煤层顶板施工的钻孔，顶板高位钻孔瓦斯抽放又称顶板裂隙带抽放，是根据煤层瓦斯地质条件及瓦斯流动规律而设计的，主要作用是以工作面回采采动压力形成的顶板裂隙作为通道来抽放工作面上覆岩层及上隅角涌出的瓦斯，并且减小上邻近层瓦斯涌向工作面的可能性，同时对采空区下部的瓦斯起到拉动作用，改变采空区瓦斯流向分布，从根本上解决由于采空区瓦斯大量涌出造成的工作面上隅角及回风瓦斯超限的问题，从而保证采煤工作面安全作业，提高采面生产能力。
由于戊8-19170采面回风巷瓦斯浓度比较高，尤其上隅角瓦斯积聚现象严重，单一的增加风量不能有效的解决问题，因此设计了顶板高位钻孔抽放瓦斯的方案，图4为顶板高位水平走向钻孔抽放示意图。顶板高位钻孔抽放随着戊8-19170工作面的回采开始而开始，随着戊8-19170工作面的回采结束而结束，大约抽放一年的时间，抽出瓦斯量约68万m3，上隅角瓦斯浓度显著降低，顶板高位钻孔抽放在该面很好的发挥了作用，保证了安全生产。
4.3 U+L型通风方式
针对上隅角瓦斯频繁超限的情况，通过改变工作面通风方式来治理远程保护层开采卸压瓦斯技术。U+L型通风系统不仅增加了工作面的风排瓦斯量，而且由于瓦斯浓度分布的改变，在风流压差的作用下采空区的相当大的一部分瓦斯被
引入专用排瓦斯巷，减少了工作面上隅角的瓦斯涌出，大大改善了U型工作面上隅角瓦斯超限问题。该系统用风量少而排放瓦斯量大、安全可靠性提高，因此得到广泛应用。
距戊8-19170风巷平距外错6m，平行于风巷方向，沿戊8煤层顶板，施工一条专用瓦斯抽采巷（俗称尾巷），每隔20m同风巷做一个回风联络巷，共46个联络巷，形成”一进两回”的U+L通风方式。尾巷设计全长916m，净断面5.9m2，采用锚网支护，U+L通風方式布置示意图见图2所示。
应用U+L通风方式，彻底解决了上隅角瓦斯积聚、回风流瓦斯超限的问题，解放了生产力，工作面产量得到大幅提高，实现安全、高效生产，并且保证了瓦斯的综合利用，做到了煤与瓦斯共采，为同类矿井保护层开采瓦斯治理以及瓦斯利用提供有意义参考价值。
5 结论
开采保护层工作面与未开采保护层工作面相比较瓦斯涌出量明显减少，瓦斯压力、瓦斯含量明显降低，煤层透气性系数极大地提高，煤样突出参数、防突测试指标较小，突出危险性明显降低。被保护范围内采掘工作面仅采用预测进尺，节省大量防突成本，大大提高采掘工作面的单产单进水平。
提出了高瓦斯远程保护层开采的新模式：即采用专用瓦斯抽采巷埋管+封堵、顶板走向钻孔抽放裂隙带瓦斯、U+L型通风等措施“三位一体”的立体综合治理，实现安全、高效、高产的目的。
参考文献
[1] 罗勇.煤层群多重开采上保护层防突研究[J].防灾减灾工程学报，2005.
[2] 国家安全生产监督管理局，国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2009.
[3] 欧阳广斌.近距离保护层开采瓦斯运移规律[J].煤炭科学技术，2008.