1、翻译部分英文原文汉语翻译中国轩岗地区低透气性三软煤层瓦斯控制技术及工程实践煤炭资源与安全开采国家重点实验室，教育部煤矿燃气及消防控制，安全工程学院，矿业学院，江苏徐州221008，中国江苏省，中国大学重点实验室摘要：为了创造一个安全的生产工作环境，地下采煤需要有效的技术方法来控制瓦斯抽放。基于轩岗地区煤层地质条件的理论研究和机会开发多是以此为目的。在井田开采中根据裂隙的发展和游离态瓦斯的流动，提出了一种新的方法进行综合瓦斯抽放和工程实践，其中包括长的钻孔，斜交叉钻孔和上角灵活的抽放管道。与以往的气体控制测量相比，总瓦斯抽放率显著增加，由30增加至67.33（No.51109工作面）和76.44
2、（No.51105工作面）。工作面污风瓦斯浓度大大降低至约0.3。现场实测表明，它对于瓦斯控制是一种有效的方法，很好地保证了安全生产地下煤矿。瓦斯抽放技术为中国三软煤层瓦斯管理提供了一种新的方法。Elsevier有限公司2010年发布，由麦吉尔大学，中国安全科学技术研究院，中国矿业大学（北京）以及卧龙岗大学负责审查关键词：瓦斯的排放;三软煤层;低渗透;瓦斯抽放;钻孔1 引言中国有丰富的煤炭，2010年煤炭的产量已达到约32.5亿吨，占能源供应的70以上。然而，另一个事实是，17.6的国有重点煤矿由于高甲烷含量，高瓦斯压力和煤层透气性低，有煤与瓦斯突出危险性，在许多情况下，这将威胁安全生产，造成
3、人命和设施的损失。为了减少突发事故，国家煤矿安全监察局颁发的2009年8月的“预防煤与瓦斯突出的规定”，其中强调了必要的瓦斯控制措施，尤其针对 “三软、低透气性煤层”的安全开采。在中国所有的煤炭储量中，中厚煤层的百分比达到44左右，厚煤层的煤炭产量可达到煤炭总产量的45左右。而现在，因为综放开采产量高，效率高，成本低，综放开采已成为流行，对厚煤层开采更是如此。但随着开掘深度的增加，瓦斯含量和压力的增高也提高了事故发生的可能性。因此，对于中国高瓦斯综放煤炭开采，瓦斯控制技术的发展已经成为一个亟待解决的难题。工程实践表明，采掘工作面的推进总是会引起煤层和岩石的移动或破坏，导致地应力的释放。所产生的
4、裂缝大大增加煤层的透气性，促进游离态瓦斯的流动特性。游离态瓦斯，是指积聚在采空区和开采引起的断裂的煤层中的瓦斯。参考正在开采的煤层，游离态瓦斯可以分为两大类：分布在开采煤层中的瓦斯和分布在临近煤层中的瓦斯，而临近煤层的瓦斯总是扩散到工作面引起瓦斯积聚，导致严重的事故。因此，瓦斯控制技术及其应用对于三软煤层的安全开采上有重大作用。在本文中，对于解除应力的岩石的形变和煤层的透气性的关系进行了探讨。一项瓦斯控制技术已经被提出并应用于轩岗地区焦家寨煤矿。2 压力和渗透率基本理论分析2.1 岩石层变形和渗透性煤可以被认为是天然裂缝储层，其中渗透性是通过流体的电导率控制。研究表明，煤的渗透性对于有效应力十
5、分敏感，渗透性的增加必然伴随着有效应力的释放。当煤层已开采，顶板周围的应力平衡被破坏并重新分配，这将导致上覆岩层变形，破坏和移位。为了有效地控制顶板，进行了很多关于已采煤层上覆岩体的研究。中国工程院钱院士提出了“砌体梁模型”和“关键层理论”6，许教授提出关键层理论来控制卸压瓦斯7。采区附近的围岩可分为三个区域，其断面和俯视图如图1所示。垮落带是由采空区各种尺寸碎片岩石沉积组成，有相对高空隙空间和渗透性。随着工作面的推进，由于上覆岩层坍塌，垮落带将逐渐抑制，但始终无法达到原来的体积，仍然保留了大量的小断裂。裂隙带离层和竖直裂隙发育。根据断裂的连通性，裂隙区可以分为渗透区（具有更好的渗透性）和非渗
6、透裂隙带（具有相对较差的渗透性）。岩层在弯曲带不发生破断。弯曲带下方部分发生离层，顶部少数脱落。因此，为了有效的瓦斯抽放，钻孔应钻在裂隙带。 图1 采区上覆岩石的垂直分布和“脱落圈”示意图2.2 采区应力的重新分配和渗透性随着采掘工作面的推进，工作面前方的应力将重新分配，它总是导致岩体的各种变形。工作面上覆岩石的重量是由支架支撑，采空区顶板上应力将在有限程度上减少，而工作面周围的应力将大大增加。工作面周围的应力分布总是会导致煤岩拉伸或压缩，是煤岩发生变形和断裂。根据应力的重新分布（如图2），工作面周围可被分成五个区域：正常应力区（A），应力集中区（B），应力消除区（C），应力断点续传区（D）和
7、重新压实区（E）。对于处于原岩应力状态煤层中的煤岩提，也有大量的裂隙。研究表明，煤岩体的渗透率和流体流动模式对作用于其有效应力是十分敏感的，因为它总是分布裂隙张开和也与骨折相关的痕迹，因为其总是分布着裂隙，也与裂隙痕迹相关9-12。随着正应力的增加，裂隙将会缩小，而正应力减小，裂缝将会扩大。图2显示，随着开采的进行，工作面前方应力经历了一个明显的集中和释放的过程。在工作面靠近煤巷、因开采而裸露的一侧的应力接近于零，而在另一侧煤层内部仍保持着相当高的应力。在前期支撑压力重新分布和演化的作用下，在工作面前方的煤岩经历了压缩和扩展的过程。煤壁应力场的变动导致了开采煤层中裂隙的形成和发展。在另一侧，在
8、煤层中二次裂隙形成，同时打破各向异性。局部应力场和煤岩的非均质性及界面（连续，裂缝，接触）确定了裂缝的延伸，偏转（沿不连续/介面）以及它透气性的发展13。图2 上覆煤层和岩石的水平应力分布和分区2.3 裂隙带瓦斯流动和集聚的特点随着开采的进行，从生产煤层和邻近层的游离瓦斯将集中并集聚在裂隙区。对于弯曲带，由于大量的横向裂缝的形成，其渗透性也明显增加。从邻近煤层的气体也将沿这些裂隙传送到生产煤层。同时，随着工作面的推进，裂隙带和弯曲带也将随之发展。尤其是对工作面“U”型通风系统，在通风空气的压力下，采空区的游离瓦斯将沿裂隙扩散和集中在顶部上隅角，导致气体超限事故（如图3所示）。因此，对于右上隅角
9、集聚瓦斯的治理对于工作面瓦斯管理具有重要作用。随着开采的进行，从生产煤层和邻近层的游离瓦斯将集中并集聚在裂隙区。对于弯曲带，由于大量的横向裂缝的形成，其渗透性也明显增加。从邻近煤层的气体也将沿这些裂隙传送到生产煤层。同时，随着工作面的推进，裂隙带和弯曲带也将随之发展。尤其是对工作面“U”型通风系统，在通风空气的压力下，采空区的游离瓦斯将沿裂隙扩散和集中在顶部上隅角，导致气体超限事故（如图3所示）。因此，对于右上隅角集聚瓦斯的治理对于工作面瓦斯管理具有重要作用。图3 采空区瓦斯流动和集聚情况3 游离瓦斯控制技术3.1 煤矿总结焦家寨煤矿地处宁武煤田，属于大同煤矿集团。5号开采的煤层的厚度为约5.
10、8-13.0米，为井田的主要可采煤层之一。煤炭自燃持续时间大约是3-6个月，属于型自燃。根据地质角度看，5号煤层为单斜结构，平均倾角为约12。受构造应力，煤体较软，易破碎。No.51109的工作面，位于5号煤层，采用综采放顶煤方法采煤，U型通风方式。煤地层的岩性如图4所示。图4 轩岗区焦家寨矿煤系地层岩性图3.2 瓦斯排放量及其组成的统计规律自2004年以来，共有4工作面在5号煤层开采。经过对瓦斯排放现象的大量观察和统计，可知，5号煤层瓦斯涌出具有以下显著特点。第一个是在顶部角落和煤滑动机尾部喷出的气体的数量和浓度是巨大的高，尤其是对于最后一个，其中气体的浓度可以更高至约2。更重要的是，这个区
11、域可能会成为瓦斯排放管理的一个盲区。第二规律是，工作面瓦斯涌出量和浓度具有周期性。随着开采的进行，工作面后的基本顶将被塌陷并填充到采空区。由顶板垮落的影响，大量瓦斯从残留煤炭中释放，集中在采空区将，并将在很短的时间内扩散至工作面，导致工作面瓦斯超限报警，并持续大约三至四个小时。更为严重的是，这可能会导致工作人员窒息。使用元素法，测定瓦斯排放量及瓦斯成分，见表1。由此可以看出，采空区瓦斯扩散是工作面瓦斯积聚较为主要的原因。因此，采空区瓦斯和游离态的抽放对于扩散至工作面的瓦斯的治理与控制十分关键。表1 5号煤层工作面涌出瓦斯成分3.3 轩岗地区三软煤层瓦斯控制技术的提出基于采动应力和裂隙的分布和演
12、变，根据瓦斯运动和集聚规律，选择使用“三维抽放技术”这一全面的方法来控制轩岗地区工作面瓦斯积聚。这种抽放方法包括长钻孔，斜交钻孔和上隅角可伸缩抽放管路。在轩岗矿区实际地质情况的基础上，利用FLAC3D软件对断裂带进行确定。并充分考虑到采空区防火，长钻孔竖直放置在垮落带和裂隙带的交接点。钻探钻孔打入回风巷大约15米，钻孔的分配示意图示于图5。斜划线钻孔主要用于预抽放游离瓦斯，同时用于采空区的瓦斯的萃取。这些簇钻孔的钻头断面位于回风巷中。斜交叉钻孔与水平方向上的回风巷隧道煤壁的夹角约为30-35，如图6所示。这簇孔的长50米左右，和底将钻入5煤层顶板约5米深。用较长的钻孔来减少上隅角突出瓦斯积聚的
13、可能，并减小瓦斯抽放的负担，同时在上隅角安装可伸缩瓦斯抽放管插入采空区，如图7所示。基于采动应力和裂隙的分布和演变，根据瓦斯运动和集聚规律，选择使用“三维抽放技术”这一全面的方法来控制轩岗地区工作面瓦斯积聚。这种抽放方法包括长钻孔，斜交钻孔和上隅角可伸缩抽放管路。在轩岗矿区实际地质情况的基础上，利用软件对断裂带进行确定。并充分考虑到采空区防火，长钻孔竖直放置在垮落带和裂隙带的交接点。钻探钻孔打入回风巷大约15米，钻孔的分配示意图示于图5。斜划线钻孔主要用于预抽放游离瓦斯，同时用于采空区的瓦斯的萃取。这些簇钻孔的钻头断面位于回风巷中。斜交叉钻孔与水平方向上的回风巷隧道煤壁的夹角约为30-35，如
14、图6所示。这簇孔的长50米左右，和底将钻入5煤层顶板约5米深。用较长的钻孔来减少上隅角突出瓦斯积聚的可能，并减小瓦斯抽放的负担，同时在上隅角安装可伸缩瓦斯抽放管插入采空区，如图7所示。图7 采空区抽放管控制面上隅角瓦斯技术4 工程应用和结果的讨论4.1 钻孔排放瓦斯的建议VLD1000钻井系统（图8），长孔钻在5号煤层的屋顶，沿工作面方向前进，并平行于空气返回方式。长钻孔的具体位置参数都显示在图5和设计孔轨迹示于图9中，由于煤地质学的效果，ZK1孔的深度钻约为648米，ZK2孔钻大约585米，具有96毫米相同的直径。与设计的孔轨迹相比，ZK1孔的水平偏差范围是0.10-0.50米，和垂直偏差的
15、范围为0.30-4.50米。为ZK2孔，水平偏差范围是0.50-2.50米和垂直偏差的范围为0.30-1.00米。在同一时间，分支孔的偏差范围为约1.00米的水平方向和0.50米的垂直方向（在图10和图11示出）。斜集群孔，根据图6构造和孔底将钻入约5米5煤层的顶板。与此同时，灵活的瓦斯抽放管道是按照图7放置，所有钻孔均采用插入聚氨酯材料，并使用移动瓦斯抽放泵站（型号ZWY75分之40）煤矿井下瓦斯提取。VLD1000钻井系统（图8），长孔钻在5号煤层的屋顶，沿工作面方向前进，并平行于空气返回方式。长钻孔的具体位置参数都显示在图5和设计孔轨迹示于图9中，由于煤地质学的效果，ZK1孔的深度钻约为648米，ZK2孔钻大约585米，具有96毫米相同的直径。与设计的孔轨迹相比，ZK1孔的水平偏差范围是0.10-0.50米，和垂直偏差的范围为0.30-4.50米。为ZK2孔，水平偏差范围是0.50-2.50米和垂直偏差的范围为0.30-1.00米。在同一时间，分支孔的偏差范围为约1.00米的水平方向和0.50米的垂直方向（在图10和图11示出）。斜集群孔，根据图6构造和孔底将钻入约5米5煤层的顶板。与此同时，灵活的瓦斯抽
