深孔预裂爆破在工作面瓦斯抽采中的应用

郭育东

（山西沁和能源集团有限公司候村煤矿，山西 晋城 048000）

在高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井的瓦斯抽采过程中，部分矿井因煤层透气性差、局部防突措施作用范围小等原因，导致瓦斯抽采效果差、抽采时间较长的问题，对安全生产造成较大影响。深孔预裂爆破技术是通过施工深孔并装药爆破，致使煤体内部增加裂隙，从而提高煤体透气性［1-2］，在低透气性煤层的石门揭煤、工作面消突等瓦斯抽采中对提高抽采效率具有较好的工程应用效果。侯村煤矿主采的3号煤层为低渗透煤层，3605工作面因钻孔抽采效率低、抽放时间长等问题，决定采取深孔预裂爆破增透技术，以增强煤层透气性，实现瓦斯高效抽采。

沁和能源集团有限公司侯村煤矿属高瓦斯矿井。矿井3605工作面走向长度1 380 m，倾向长度180 m。回采3号煤层，煤层厚度2.1～8.6 m，均厚5.6 m，煤层倾角4°～8°，煤层硬度系数0.35，煤层透气性系数为0.453 m2/MPa2·d，煤层透气性较差，瓦斯抽采较为困难。煤层顶板为较为致密粉砂岩及中粒砂岩，底板为砂质泥岩与泥岩互层。

根据矿井瓦斯地质资料可知，3605工作面绝对瓦斯涌出量为10.3 m3/min，煤层原始瓦斯压力为0.486 MPa，瓦斯含量平均7.12 m3/t，可解析瓦斯量为4.93 m3/t，不可解析量为2.19 m3/t，瓦斯流量衰减系数为0.046 d-1，3号煤层属可抽采煤层。矿井采取的瓦斯治理措施为本煤层顺层钻孔预抽+顶板高位钻孔裂隙带抽采。该矿3号煤层虽属可抽采煤层，但煤层松软，钻孔容易垮塌堵塞，导致顺层钻孔瓦斯抽采效率低，工作面回采期间仍存在风排瓦斯量较高，影响工作面安全生产，因此，决定采用深孔预裂爆破技术进行煤层增透，以提高瓦斯抽采效率。

深孔预裂爆破主要是利用深孔内炸药爆炸产生高压爆生气体及强劲的爆破冲击波，使被爆介质出现震动从而产生裂隙，其裂隙以环向及径向的方式以钻孔为中心向远端扩散，环向及径向裂隙的交叉区域被称为爆破中区［3］，爆破中区的末端位置因受爆生气体的静态应力场作用出现应力集中，从而使爆破中区的裂隙进一步向外扩散。

采用深孔预裂爆破增透作业时，一般布置的深孔分为爆破孔和控制孔，爆破孔主要作用是装药爆破，控制孔不装药，其作用主要是进行裂隙传导。当爆破孔内的炸药被引爆后，其爆炸产生的爆生气体及冲击波会直接导致钻孔周围形成数米的初始裂隙［4］，初始裂隙以炮孔为中心呈交叉裂隙网形态，爆破后，孔内形成的高压爆生气体形成的静态应力继续通过初始裂隙向外传导，传导至交叉裂隙网的边缘后，煤岩体内的原始裂隙受爆生气体压力影响进一步增大及扩散，当爆生气体压力通过裂隙传导至控制孔后，使控制孔周围形成一个次生裂隙圈，从而增大裂隙区域，直至爆生气体的应力衰减至与裂隙末端的原岩应力一致后停止裂隙扩散，其裂隙分布情况如图1所示。

图1 深孔预裂爆破裂隙分布

根据深孔预裂爆破的致裂原理，结合3605工作面倾斜长度、煤层倾角等参数，对3605工作面煤层深孔预裂爆破方案设计如下：

3.1 钻孔布置与参数设计

根据深孔预裂爆破相关理论、试验及工程实践结果表明［2-3］，深孔预裂爆破的致裂范围与被爆介质的物理力学特征相关。查询相关工程实践结果可知，在硬度系数0.15～0.5间的煤层内采取深孔预裂爆破进行煤层致裂增透时，爆破孔与控制孔间距宜控制在10 m以内，且随钻孔间距的缩小致裂程度增大。综合考虑经济因素，将3605工作面煤层深孔预裂爆破的爆破孔与控制孔间距设计为8 m。

在工作面回风顺槽、运输顺槽的煤层中均布置深孔进行预裂爆破，孔深均设计为84 m，开孔位置为距巷道底板1.5 m处，钻孔方位为垂直于巷道帮部，钻孔倾角与现场煤层倾角一致，爆破孔与控制孔交替布置，孔间距8 m，爆破孔孔径为73 mm，控制孔孔径为95 mm，钻孔布置如图2所示。

图2 爆破孔与控制孔布置

3.2 装药与封孔工艺

（1）装药工艺：炸药采用ϕ30 mm×300 mm的乳化炸药，为防止钻孔施工到位后装药前钻孔塌孔，在钻孔施工到位并退杆后立即采用ϕ50 mm的聚乙烯管下套管，然后在套管内装药爆破［5］。装药期间，先将导爆索穿过第一支炸药并固定在末端防止拽出，然后将第一支炸药送入孔底，再将逐节炸药穿过导爆索通过套管送入钻孔内。装入孔内的炸药要尽量保证紧密，一次性推入孔内的炸药不要超过5节，防止推药期间堵孔。装药长度达到70 m后，停止装药，并将最外面的两节炸药各插入一发瞬发起爆电雷管作为起爆药包，两发电雷管脚线采用并联方式与爆破母线连接，完成装药工艺。

（2）封孔工艺：装药完成后，将装药段外端的钻孔全部采用炮泥封堵，先将套管内空间进行封堵，前500 mm采用人工推送炮泥捣实的方式进行封堵，其余外端及套管外的孔壁间采用ZQF封孔器进行压风喷泥封堵。采用封孔器喷泥封堵期间，由里向外进行封堵，确保封堵严实，防止封堵不严造成爆破期间孔口泄压，影响爆破致裂效果。装药结构如图3所示。

图3 钻孔装药结构

为评估煤层深孔预裂爆破的致裂增透效果，通过在3605工作面回风顺槽内选取煤厚及原始瓦斯含量均相近的两段巷道的顺层钻孔瓦斯抽采数据作为对比，其中，回42号至回49号孔段为未采用深孔预裂爆破的顺层预抽钻孔，回22号至回29号孔段采取深孔预裂爆破的顺层预抽钻孔；
并对两段巷道内的连续8个预抽钻孔持续观测2个月内的瓦斯抽采浓度并统计平均值，以及单孔瓦斯抽采浓度降至5%以下的抽采时长；
最后统计两组钻孔的均值进行对比分析，两组钻孔瓦斯抽采情况数据统计如表1所示。

通过表1可知，未采用煤层深孔预裂爆破段的顺层钻孔前两个月的平均瓦斯抽采浓度均值为30.2%，抽采浓度降至5%以下平均用时185 d；
而采用煤层深孔预裂爆破段的顺层钻孔前两个月的平均瓦斯抽采浓度均值达56.7%，其抽采浓度是前者的1.8倍，抽采浓度降至5%以下平均用时91 d，其用时为前者的一半。通过以上数据对比分析可知，采用煤层深孔预裂爆破后对煤层的致裂增透效果明显，能有效提高工作面顺层钻孔的瓦斯抽采效率。

表1 顺层钻孔瓦斯抽采情况数据统计

深孔预裂爆破在一定条件下可对透气性较差煤层有效致裂增透8 m，针对煤层透气性差、瓦斯抽采效率低的工作面，可根据工作面参数设计合理的爆破孔及控制孔，通过煤层深孔预裂爆破后，瓦斯抽采效率可提高一倍，有效解决了瓦斯抽采浓度低、预抽时间长的问题。

猜你喜欢顺层透气性装药《混合炸药及装药专刊》序言火炸药学报(2022年3期)2022-07-04孔内爆炸填塞效应的数值模拟与分析科技创新与应用(2022年3期)2022-02-18泥岩夹砂岩顺层大跨度隧道力学特征研究隧道建设(中英文)(2021年5期)2021-07-26基于三维数值模拟的含软弱夹层顺层岩质边坡开挖稳定性研究矿产勘查(2020年2期)2020-12-28某发射装药结构改进设计的新思路国防制造技术(2020年2期)2020-03-05红砂岩顺层边坡监测及变形破坏探究建材发展导向(2019年11期)2019-08-24为什么有些织物透气性好？科学之谜(2018年9期)2018-12-17挪曼尔特中深孔铵油炸药装药台车在安徽李楼铁矿的应用成效显著中国矿业(2018年10期)2018-10-13伞衣透气性对翼伞气动特性的影响北京航空航天大学学报(2017年10期)2017-04-20都市丽人肩带更不易滑落,但透气性较差消费者报道(2016年3期)2016-02-28