深孔預裂爆破增透技術在井筒揭煤中的應用研究

湯靜+石必明

摘要：為了增加煤層透氣性、提高瓦斯抽采率、消除煤層突出危險性，通過數值模擬和現場試驗的方法，對深孔預裂爆破煤層增透技術在低透氣性高瓦斯煤層中的應用進行了系統研究，得出了煤巖不同的力學性質和控制孔的導向作用。通過對兩個爆破孔與控制孔應力云圖、裂隙圖的數值模擬，再現了應力波在煤巖體中的傳播與衰減規律，以及煤巖體裂隙的擴展變化過程。最后，在謝橋礦13-1煤層實施深孔預裂爆破試驗，試驗表明采用該技術顯著增大了煤體透氣性，提高了瓦斯抽采濃度和抽采量，故而是一種經濟可行的對于防治低透氣性高瓦斯煤層突出的方案。

關鍵詞：深孔預裂爆破；低透氣性煤層；卸壓增透

中圖分類號：TD235.33文獻標志碼：A文章編號：1672-1098（2016）01-0000-00

Abstract： In order to increase the coal seam permeability and the rate of gas extraction， eliminate the outburst， based on the method of theoretical study and numerical simulation， a systematic study of the long borehole pre-splitting blasting applied in the coal seams with low permeability and high gas was carried out. The different mechanical properties of coal and rock mass and the guiding role of the control borehole were obtained. By numerical simulation of stress nephogram and fracture diagram in the area between blasting borehole and control borehole， the propagation and attenuation of stress wave and crack expansion process in coal and rock mass were reconstructed. Finally， the long borehole pre-splitting blasting test was carried out in the 13-1 coal seam of Xieqiao Coal Mine， and the results showed that the permeability of coal seam is increased by using this technology. The concentration and quantity of gas extraction were increased. It is an economical and feasible scheme for the prevention and control of outburst of coal and gas in coal seams with low permeability and high gas.

Key words：long borehole pre-splitting blasting； low permeability coal seam， pressure relief and permeability improvement

近些年我國的瓦斯抽采技術有較快的發展，但是總體水平仍然較低。其中一個重要原因就是絕大多數的高瓦斯和突出礦井所開采的煤層屬低透氣性煤層，另外隨著我國煤炭工業的發展，大多數煤礦已經進入深部開采，煤層瓦斯含量和壓力不斷增加，煤層透氣性不斷降低，瓦斯抽采愈加困難。因此，在抽采瓦斯過程中，如何增加煤層透氣性已成為亟待解決的技術難題。

近幾年來，隨著爆破技術，特別是深孔預裂爆破技術的不斷完善和發展，使得這項技術在增加煤層透氣性、提高瓦斯抽采率、防治煤與瓦斯突出等方面得到了廣泛的應用，并取得了良好效果。國內許多學者也對深孔預裂爆破技術進行大量的研究。文獻[1]從理論和模型實驗兩方面對深孔預裂爆破的控制孔作用進行了研究分析；文獻[2]在巖石三向受力及其強度效應和Misses強度準則的基礎上，推導出了在巖石中爆破后的壓碎圈和裂隙圈半徑公式；文獻[3]利用巖石爆破理論和損傷力學理論，分析了爆破后爆炸應力波的作用機理及其作用下煤體的損失斷裂準則；文獻[4]在柱狀空腔膨脹理論的基礎上，分析研究了爆炸荷載作用下煤體的力學特性；文獻[5]采用通用動力分析程序DYAN3D，模擬研究了爆破對煤體破壞的范圍和瓦斯抽采的影響區域。

本文在前人研究成果基礎上，分析了煤巖體爆破和深孔預裂爆破強化增透的機理，結合謝橋礦瓦斯抽采技術經驗及該礦實際情況，在中央風井揭13-1煤層前，開展深孔預裂爆破強化瓦斯抽采技術的應用研究，解決了揭煤過程中回風流瓦斯濃度超限的問題，大大縮短揭煤時間，對類似情況的井筒揭煤有重要意義。

1深孔預裂爆破數值模擬分析

11深孔預裂爆破強化增透機理

利用深孔預裂爆破在煤體中新裂隙的產生和應力的降低打破了煤體中瓦斯吸附與解吸的動態平衡，使大部分吸附在煤體中的瓦斯轉化成游離瓦斯，而游離瓦斯則通過裂隙運移并通過抽采鉆孔進行抽采，在很大程度地釋放了煤體的彈性潛能和瓦斯膨脹能，煤體的塑性增加，脆性減小，降低煤體中殘存瓦斯的解吸速度。因此在煤體中形成一定范圍的卸壓區，在這個區域內，破壞了突出發生的基礎條件，進而起到了防治煤與瓦斯突出的效果[6-8]。

12數值模型和參數設置

為了研究爆生應力波在煤巖體中的傳播與衰減規律以及控制孔對爆破效果的影響， 采用三維動力有限元程序LS-DYNA3D， 以謝橋礦井筒揭13-1煤實測數據為基礎，建立深孔預裂爆破幾何模型（見圖1），其中兩邊為爆破孔，中間為控制孔，爆破孔與控制孔間距20 m，模型邊界距各孔邊界距離為15 m，爆破孔孔徑為75 mm，控制孔孔徑為94 mm，沿爆破孔軸線方向依次為1 m的巖層、45 m的煤層和1 m的巖層。

本次數值模擬通過建立流固耦合模型進行爆炸模擬，數值模型中的煤、巖、炸藥和空氣單元均采用Solid164單元，其中煤、巖體介質采用拉格朗日網格建模，炸藥、空氣介質采用歐拉網格建模。建模過程中分別對煤、巖、炸藥和空氣材料模型進行不同的網格劃分，為防止計算過程中負體積和節點速度無窮大現象的產生，使煤、巖、炸藥和空氣的單元尺寸比接近3∶3∶2∶2，為保證計算精度，各孔及周圍進行網格加密，其它部分用sweep法進行網格劃分[9-12]。炸藥的相關參數根據LS-DYNA3D中的JWL狀態方程確定，其參數結果如表1所示。

從圖2可以看出，炸藥爆炸后，A、B、C三單元的有效應力曲線變化趨勢相同，都經歷了先增大、然后減小、最后穩定的過程。爆破孔附近處A單元的有效應力峰值為15 MPa，穩定后的有效應力為13 MPa，均大于煤體的抗壓強度，在爆破孔05 m范圍內煤體被強烈壓縮粉碎，形成爆炸空腔區；B單元的有效應力峰值為75 MPa，穩定后的有效應力為27 MPa；C單元的有效應力峰值為9 MPa，穩定后的有效應力為38MPa。B、C單元的有效應力值均大于煤體的抗拉強度，可促使煤體裂隙的產生。由于控制孔的導向作用，控制孔附近C單元的有效應力峰值和穩定后的有效應力均大于B單元，進一步地促進了裂隙的發育。在爆破后期，爆生氣體與煤層中的瓦斯壓力共同作用于已張開的裂隙中，并在其尖端產生應力集中，促使了裂隙的進一步擴展，大大增加了裂隙區的范圍，顯著提高了煤層的透氣性（見圖3）。（a） 孔口處0 m （b） 距離孔口處15 m（c） 距離孔口處3 m （d） 距離孔口處45 m

圖3X-Y切面上距爆破孔孔口不同距離處的裂隙（煤層段）從圖3中可以看出，炸藥爆炸后，對于兩個爆破孔與控制孔模型，由于應力波的疊加和反射拉伸作用，在整個煤體內部形成了錯綜復雜的貫穿裂隙，顯著提高了煤體的透氣性。

2深孔預裂爆破卸壓增透試驗

21謝橋礦井筒揭13-1煤層概況

謝橋礦中央風井井口永久鎖口設計標高為+262 m，井筒設計凈直徑為75 m，設計深度為9862 m，壁厚500 mm。中央風井井筒已掘砌720 m，距13-1煤頂板法距11m。 13-1煤為突出煤層， 煤層厚45 m， 煤層產狀為186°～196°、 傾角∠12°～14°。煤層特征以黑色塊狀和暗煤為主，兼有少許粉末狀和亮煤，并夾有一層厚約03 m的炭質泥巖。

揭煤區域煤層瓦斯壓力為21 MPa，瓦斯含量為497 m3/t，煤層的瓦斯放散初速度ΔP為13，為突出煤層；煤層透氣性系數為0004 m2/（MPa2·d），鉆孔自然瓦斯涌出量衰減系數為0083 d-1，為難以抽采煤層。

22爆破孔設計和爆破工藝

1） 布孔方式。根據謝橋礦中央風井井筒揭13-1煤層防突設計，在待揭13煤層布置8圈共163個瓦斯抽采鉆孔，其中對抽采鉆孔中的第1圈、第3圈和第5圈采用深孔爆破增透試驗，爆破孔為36個，所有抽采鉆孔合茬抽采，鉆孔布置如圖4所示。圖4井筒揭13-1煤層爆破孔與抽采孔的布置（單位：m）

2） 爆破工藝。先用一段深孔預裂爆破專用藥管、兩發一段毫秒電雷管和放炮用的膠質線做炮頭，為了防止短路和斷路用絕緣膠帶將其裹緊，在爆破孔見煤至終孔段裝藥，裝藥時采用正向裝藥方式。裝藥完畢，采用粒度5mm以下的略潮黃土進行壓風噴泥封孔，當壓風不足04MPa時禁止封孔，封孔長度大于12 m。

23試驗效果分析

分別對爆破前后抽采鉆孔的瓦斯濃度和純量進行系統性的數據處理，繪制出深孔預裂爆破前后的對比如圖5～圖6所示。

t/h

爆破后瓦斯抽采濃度和純量明顯上升，抽采濃度從爆破前最低189%提高到爆破后最高79%，平均抽采濃度比爆破前提高約24倍，抽采純量從最低02 m3/min提高到最高223 m3/min，平均抽采流量比爆破前提高約4倍；經測定煤層透氣性比爆破前提高了10倍以上，瓦斯抽采效果顯著提高。

揭13-1煤過程中回風流瓦斯濃度為015%，沒有發生回風流瓦斯濃度超限現象，且13-1煤層控制區域內瓦斯抽采率達到了75%。

4結論

1） 分析了深孔預裂爆破的卸壓增透防突機理，炸藥在煤層中爆破后，形成了一定范圍的卸壓圈和錯綜復雜的裂隙圈，同時，爆破孔周圍巖體發生大幅度位移，顯著提高了煤體透氣性和瓦斯抽采率，降低了煤層中的瓦斯壓力和含量，進而達到了消弱或防止煤與瓦斯突出的目的。

2） 通過兩個爆破孔與控制孔的數值計算模型，分析了在控制孔的影響下，炸藥在煤層中爆炸應力和裂隙發展的變化規律，爆破孔周邊的煤體在爆轟應力波作用下產生大量裂隙，完全處于破碎狀態。

3） 通過在謝橋礦13-1煤層實施深孔預裂爆破試驗，結果顯示：深孔預裂爆破增透效果顯著提高了煤體透氣性，表明在低透氣性高瓦斯煤層實施深孔預裂爆破卸壓增透技術是一種積極可行的方案。

參考文獻：

[1]羅勇，沈兆武.深孔控制卸壓爆破機理和防突試驗研究[J].力學季刊，2006，27（3）：469-475.

[2]戴俊.柱狀裝藥爆破的巖石壓碎圈與裂隙圈計算[J].遼寧工程技術大學學報，2001，20（2）：144-147.

[3]褚懷保，楊小林，侯愛軍，等.煤體中爆炸應力波傳播與衰減規律模擬實驗研究[J].爆炸與沖擊，2012，32（2）：185-189.

[4]穆朝民，齊娟.含瓦斯煤在爆炸荷載作用下的力學特性[J].煤炭學報，2012，37（2）：268-273.

[5]龔敏，黃毅華，王德勝，等.松軟煤層深孔預裂爆破力學特性的數值分析[J].巖石力學與工程學報，2008，27（8）：1 674-1 681.

[6]褚懷保，楊小林，梁為民，等.煤體爆破作用機理模擬試驗研究[J.煤炭學報，2011，36（9）：1 451-1 456.

[7]劉健.低透氣煤層深孔預裂爆破增透技術研究及應用[D].淮南：安徽理工大學，2008.

[8]蔡峰.高瓦斯低透氣性煤層深孔預裂爆破強化增透效應研究[D].淮南：安徽理工大學，2009.

[9]黃文堯，穆朝民，宗琦，等.水膠藥柱深孔預裂爆破弱化綜采面硬巖斷層分析[J].重慶大學學報，2013，36（7）：102-106.

[10]龔敏，王德勝，黃毅華，等.突出煤層控制爆破時的控制孔的作用[J].爆炸與沖擊，2008，28（4）：310-315.

[11]龔敏，王楚涵，王華，等.多層煤——巖介質中扇形深孔爆破應力場特性[J].北京科技大學學報，2012，34（6）：614-619.

[12]蔡峰，劉澤功.爆轟應力波在高瓦斯煤層中的傳播和衰減特性[J].煤炭學報，2014，39（1）：110-114.