高瓦斯低透氣性煤層深孔爆破增透技術(shù)

馬小濤,李智勇,屠洪盛,孫璐璐,隋曉東,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008;2.長(zhǎng)春吉煤集團(tuán),吉林長(zhǎng)春 130022)

高瓦斯低透氣性煤層深孔爆破增透技術(shù)

馬小濤1,李智勇1,屠洪盛1,孫璐璐1,隋曉東1,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008;2.長(zhǎng)春吉煤集團(tuán),吉林長(zhǎng)春 130022)

通過(guò)理論分析和蘆嶺煤礦Ⅱ1048工作面現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn),給出了高瓦斯低透氣性深孔爆破增透技術(shù)的基本原理、鉆孔布置、爆破及工藝設(shè)備等具體參數(shù)。深孔爆破后,增大了鉆孔瓦斯有效抽放半徑和高瓦斯煤層滲透性,成倍地提高了瓦斯抽放率,而且降低了煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)性,從而有效地解決了高瓦斯突出煤層采掘工作面瓦斯超限和煤與瓦斯突出問(wèn)題。

高瓦斯;低透氣性煤層;深孔爆破;增透技術(shù);瓦斯抽放

Technology of Deep-hole Blasting for Magn ifying Permeability in Coal Seam with High M ethane-content and Low Permeability

高瓦斯低透氣性煤層賦存具有低壓力、低滲透性、低飽和度及非均質(zhì)性強(qiáng)的“三低一強(qiáng)”特性,尤其是低滲透性,給高瓦斯煤層瓦斯直接抽采帶來(lái)眾多技術(shù)難題。深孔爆破增透技術(shù)是通過(guò)爆炸載荷的作用,在煤層中形成壓碎區(qū)和裂隙區(qū),并通過(guò)控制孔的作用,進(jìn)一步擴(kuò)大裂隙區(qū)的范圍,從而使煤層松動(dòng),透氣性增大,有效地卸載地應(yīng)力和瓦斯壓力,增加了瓦斯抽采量,最終保證煤礦安全生產(chǎn)。

1 深孔爆破增透技術(shù)原理及工藝參數(shù)

透氣性較低的高瓦斯煤層,必須采用專(zhuān)門(mén)的措施來(lái)增加煤層的透氣性,才能有效地抽出瓦斯。國(guó)內(nèi)外使用方法有：煤層注水、水力壓裂、水力割縫、深孔爆破和酸液處理等。對(duì)于不同的瓦斯地層,各種方法的效果也不同,理論研究和試驗(yàn)都表明,采用深孔爆破的方法可以增加瓦斯地層的透氣性,從而提高瓦斯抽放率。

1.1 深孔爆破增透技術(shù)原理

在爆破初始階段,爆破產(chǎn)生的動(dòng)壓迅速摧毀爆孔附近煤體的抵抗,在其周?chē)a(chǎn)生破裂帶和少量裂紋,為進(jìn)一步破壞煤體提供弱面。由爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波在煤體中以爆破孔為中心呈同心圓狀向煤體中傳播,應(yīng)力波相交后產(chǎn)生疊加效應(yīng)加速了煤體的破壞。兩爆孔間的裂紋無(wú)疑增加了煤體的透氣性,為瓦斯抽放提供了通道。一方面中斷或減弱了圍巖中徑向和切向應(yīng)力的傳遞,降低了圍巖的應(yīng)力,有利于瓦斯的解吸,另一方面增加了炮孔附近煤體的透氣性,如下公式所示,為游離瓦斯的抽放創(chuàng)造了條件。

式中,λ′為煤壁暴露面處的透氣系數(shù);λ0為煤層原始透氣系數(shù);A為系數(shù);L0為爆破松動(dòng)圈半徑。

在爆破區(qū)內(nèi),雖然沒(méi)有形成可見(jiàn)的宏觀裂縫,但爆生氣體產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)使煤體中原有的微觀孔隙 (裂紋)發(fā)生了損傷,煤體儲(chǔ)存的彈性變形能部分得以耗散,應(yīng)力水平趨于下降,瓦斯變得易于抽放。從爆破的后期效應(yīng)看,炮孔附近煤體中水和瓦斯的排放及遷移進(jìn)一步降低了煤體的應(yīng)力水平,使得瓦斯的排放成為一個(gè)由近區(qū)到遠(yuǎn)區(qū)的連續(xù)過(guò)程。深孔預(yù)裂控制爆破目的是為了增加煤體的裂隙和透氣性 (圖 1),降低煤體的瓦斯壓力,使煤體的應(yīng)力得到重新分布,以減小抽放阻力,提高瓦斯抽放率和防止煤與瓦斯的突出。

圖1 煤壁附近煤層透氣系數(shù)變化

1.2 深孔爆破增透技術(shù)工藝參數(shù)

深孔爆破增透技術(shù)參數(shù)主要包括鉆孔布置參數(shù)和工藝設(shè)備參數(shù)等。

1.2.1 鉆孔布置參數(shù)

鉆孔布置參數(shù)主要包括爆破孔和抽放孔孔徑選擇、爆破孔和抽放孔間距選擇。

由有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知,隨著爆破孔孔徑的增大,透氣性系數(shù)提高,但不成正比關(guān)系。當(dāng)孔徑達(dá)到一定值后,透氣性提高的幅度隨著爆破孔孔徑的增大而逐漸減小,說(shuō)明單純靠增大爆破孔孔徑來(lái)提高透氣性效果是有限的。一般爆破孔直徑在75～100mm較為合理,抽放孔直徑在 90～100mm即可達(dá)到導(dǎo)向和補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

(2)理論分析和模擬實(shí)驗(yàn)表明：在煤層條件一定時(shí),隨著孔間距的增大,透氣性系數(shù)迅速降低,當(dāng)孔間距達(dá)到一定值時(shí),透氣性已接近原始煤體,即孔間沒(méi)有形成新的裂隙,反之,當(dāng)孔間距減少時(shí),透氣性迅速上升,但孔間距越小,工程量就越大,成本也就越高。因此,應(yīng)在保證良好的預(yù)裂效果的同時(shí),盡可能加大孔間距?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,當(dāng)爆破孔徑為 73mm、抽放孔直徑為 91mm時(shí),貫通裂隙長(zhǎng)度可達(dá) 7m,合理的孔間距應(yīng)為 2～4m。

1.2.2 工藝設(shè)備參數(shù)

(1)采用風(fēng)力排渣技術(shù),選用 SGZ-300型液壓鉆機(jī),利用直徑為 42mm,73mm或 91mm的麻花鉆桿進(jìn)行施工鉆孔?？刂沏@進(jìn)的速度在 1.0～2.0m/min,盡可能避免反復(fù)進(jìn)鉆退鉆,以確保鉆孔成形較好,保證成孔率在 70%以上。

(2)采用 2支雷管同時(shí)起爆,煤破孔一次起爆。爆破藥柱的裝藥參數(shù)如表 1,裝藥結(jié)構(gòu)如圖 2。

表1 煤礦瓦斯抽排孔爆破藥柱裝藥參數(shù)

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)示意

2 現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)

2.1 工程地質(zhì)概況

淮北礦業(yè)蘆嶺煤礦Ⅱ1048綜采工作面,走向長(zhǎng) 960m,傾斜寬 150m,上下巷及切眼均沿煤層底板掘進(jìn)。煤層厚度在 3.2～4.5m,平均 3.7m,頂部除有厚約 0.5m的硬煤外,余下煤層較松散,局部含有 1～2層 0.1～0.3m的透鏡體夾矸,偽頂厚0.15m,直接頂為泥巖,厚 3.5m,基本頂為細(xì)砂巖,堅(jiān)硬,厚 4.0m。工作面相對(duì)瓦斯涌出量為7.0m3/t。上鄰Ⅱ1048工作面的切眼掘進(jìn)時(shí)曾發(fā)生一起瓦斯突出,冒落煤約 42t,涌出瓦斯 200m3左右,在掘進(jìn)時(shí)也多次發(fā)生頂煤冒落現(xiàn)象,最大冒落高度達(dá) 5.0m。

2.2 增透技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)工藝措施

(1)采用風(fēng)力排粉技術(shù),在鉆進(jìn)過(guò)程中,保證風(fēng)壓在 0.5MPa,控制風(fēng)壓穩(wěn)定;準(zhǔn)確確定鉆機(jī)的位置和角度后打鉆,記錄所穿過(guò)煤層段的孔深,同時(shí)確定裝藥的長(zhǎng)度,孔打好后,盡量使孔內(nèi)煤渣排出,當(dāng)鉆桿拔出后,立即用探孔管探孔驗(yàn)正孔深,為防止垮孔,驗(yàn)孔完畢即裝藥。

(2)在爆破鉆孔煤層段裝藥,每個(gè)炮孔先用 2支一段毫秒電雷管和放炮用的膠質(zhì)線各作 2個(gè)炮頭,并用絕緣膠帶裹緊,防止短路和斷路。在裝藥前應(yīng)進(jìn)行探孔,探孔用專(zhuān)用探孔桿,在探孔桿剛拔出時(shí),立即進(jìn)行裝藥,確定炮孔深度和裝藥長(zhǎng)度,然后將煤層深孔松動(dòng)控制爆破專(zhuān)用藥管 (參數(shù)見(jiàn)表 1)按其自身螺紋一管一管對(duì)接裝入炮孔中。

(3)裝藥完畢,即采用壓風(fēng)噴泥封孔器用略潮的專(zhuān)用封孔黃土 (粒度為 5mm以下)封孔,封孔時(shí)應(yīng)注意防止孔內(nèi)煤泥沙被壓風(fēng)沖出傷人,因此,要求支撐封孔器輸送管的操作人員,在孔口用麻袋片護(hù)住孔口,以免煤泥沙沖出。孔外 2支雷管的膠質(zhì)線并聯(lián),每個(gè)孔間串聯(lián)網(wǎng)路起爆,一次起爆炮孔。按煤礦深孔爆破有關(guān)安全規(guī)程放炮,具體操作由礦專(zhuān)職爆破作業(yè)隊(duì)負(fù)責(zé)實(shí)施。

2.3 增透效果評(píng)價(jià)

爆破前,對(duì)工作面、機(jī)巷和風(fēng)巷風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?、風(fēng)量進(jìn)行一次全面測(cè)量,巷道幫抽采鉆孔內(nèi)的瓦斯流量、瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行一次精確的測(cè)定,以確定實(shí)施本措施前后的抽采效果。放炮 30min后,對(duì)工作面進(jìn)行巷道風(fēng)流中風(fēng)量測(cè)量,對(duì)巷道抽采鉆孔的瓦斯流量、瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行單孔測(cè)定、計(jì)量,以后每隔 30min重復(fù)上述測(cè)試內(nèi)容,總達(dá) 8h。根據(jù) 8個(gè)爆破孔抽采管內(nèi)瓦斯參數(shù)爆破前后測(cè)定結(jié)果顯示,工作面瓦斯抽采管道內(nèi)的瓦斯?jié)舛绕骄岣?4～5倍,同時(shí)管道內(nèi)的抽采負(fù)壓平均降低了3.5kPa。24h后,管道內(nèi)的瓦斯?jié)舛缺３衷诒魄暗?3.5倍左右。結(jié)果可以看出爆破后煤層的透氣性大大增加,取得了良好的增透效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,深孔預(yù)裂爆破使工作面前方煤體裂隙增大,煤體透氣性大大增強(qiáng),有利于工作面前方煤體瓦斯預(yù)排放,使煤體瓦斯壓力降低,含量減少,從而降低煤體瓦斯壓縮內(nèi)能,達(dá)到減弱或消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的目的。

[1]周世寧,林柏泉 .煤層瓦斯賦存與流動(dòng)理論 [M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1999.

[2]王 凱,俞啟香 .煤與瓦斯突出起動(dòng)過(guò)程的突變理論研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),1998(6)：10-15.

[3]劉澤功 .煤礦抽放瓦斯技術(shù)現(xiàn)狀及展望 [J].中國(guó)煤炭,2000,75(8).

[4]王繼仁 .本煤層孔網(wǎng)瓦斯抽放理論與技術(shù)的研究 [D].遼寧：遼寧工程技術(shù)大學(xué),2000.

TD712.6

B

1006-6225(2010)01-0092-02

2009-07-09

馬小濤 (1984-),男,安徽宿州人,碩士研究生,從事采煤方法與工藝研究。

李宏艷]