关于保护层开采中上覆被保护煤层释压范围的理论研究

为什么更安全的煤炭开采至关重要

深部煤矿支撑着现代生活的能源需求，但也可能十分危险。高岩体应力和被困瓦斯可能引发突然的突出，威胁矿工和设备的安全。本研究考察了一种通过一条煤层保护另一条煤层以提高深部开采安全性的做法。作者通过先有计划地开采下部煤层，展示了如何在可控条件下缓释上覆更危险煤层的应力和瓦斯。

用一条煤层保护另一条煤层

保护层的基本思路在概念上很简单：开采一条相对安全的煤层，以温和地为上方或下方的高风险煤层“减压”。当下部保护层被开采后，上覆岩体会发生弯曲、破裂并向采空区移动。这种位移改变了应力分布，并打开了瓦斯逸散的新通道。在本研究中，中国平煤六矿的吴9−10煤层作为下部保护层，而上覆的丁5−6煤层则是存在瓦斯突出风险的目标煤层。

选择合适的保护层

并非所有煤层都能安全地充当保护层。作者首先判断吴9−10是否适合：他们核查了煤层是否具备足够的厚度和连续性以便开采，吴9−10到丁5−6的垂直距离是否在可接受范围内，以及两者间的围岩是否过于致密以致阻碍释压。一个关键指标是两煤层间距与保护层厚度的比值。对于该矿，该比值远低于中国技术标准规定的安全上限，表明开采吴9−10应能在不破坏丁5−6未来开采条件的前提下实现对其的释压。

绘制保护区范围

研究组接着利用既有准则和公式预测保护效应在工作面周围的延伸范围。他们计算了释压角，显示被保护区在不同方向上如何从被开采煤层向外以扇形扩展：沿煤层坡向、沿巷道走向以及垂直向上。基于这些角度，他们估算了安全区应相对于巷道和边界线向内偏移的距离，以及保护层上方应达到的释压高度。结果表明，两层实际间距远小于预期的垂直保护范围。

在井下验证理论

为了检验这些预测，研究人员在吴9−10开采期间开展了一项大规模现场试验。他们在上部丁5−6煤层钻了数十个钻孔以测量开采前后的瓦斯压力和瓦斯含量，同时安装仪器监测受保护煤层在释压过程中的膨胀量，并记录通过钻孔和管道抽采出的瓦斯量。数据表明，在计算得到的保护区内，丁5−6的瓦斯压力最高下降了约五分之四，瓦斯含量约减半，煤层膨胀量远超通常认为有效释压的阈值。抽采出的瓦斯总体积与发生如此强烈降低所应对应的量相符。

对矿山安全的意义

简而言之，该研究证实了经谨慎规划的下部吴9−10煤层开采能够通过降低应力并排出瓦斯，在一个明确界定的区域内安全地“解除”上覆的丁5−6煤层。实测的安全区与理论预测高度一致，且所有关于瓦斯压力和含量的安全标准均得到满足。对于具有类似地层且坡度较缓的深部煤田，这项工作为利用保护层降低瓦斯突出风险并同时保留未来开采条件提供了可操作的方案。

引用: Zhan, K., Zhang, B. & Wang, M. Theoretical study on the pressure relief range of the upper protected coal seam in protective layer mining. Sci Rep 16, 15688 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47249-4

关键词: 保护层开采, 煤层瓦斯, 释压, 深部煤炭开采, 矿山安全