井巷揭煤深孔預(yù)裂爆破增透技術(shù)的應(yīng)用

吳 偉

（淮南礦業(yè)集團(tuán)顧橋礦，安徽 淮南232174）

1 引言

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)的特性，這給低透氣性煤層瓦斯抽采帶來技術(shù)難題［1］。煤層瓦斯抽采既是瓦斯災(zāi)害防治的一項(xiàng)重要措施，也是開發(fā)利用煤層氣的關(guān)鍵技術(shù)，影響煤層瓦斯抽采效果的主要因素是煤層透氣性系數(shù)［2］。實(shí)施深孔松動(dòng)爆破后能有效的改善煤層地應(yīng)力狀況，提高瓦斯解吸能力、增加突出阻力［3］。

Nilson［4、5］基于理論分析表明爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)作用對(duì)裂紋擴(kuò)散的影響。炸藥在煤巖體深部爆炸后，利用炸藥爆炸瞬間產(chǎn)生的高溫高壓氣體，在爆破孔周圍依次產(chǎn)生爆腔、壓碎區(qū)、破裂區(qū)（裂隙區(qū)）和震動(dòng)區(qū)，如圖1所示。爆破產(chǎn)生的沖擊波對(duì)煤層頂板進(jìn)行有效地切割，破壞其完整性，在壓碎區(qū)和裂隙區(qū)內(nèi)形成縱橫交錯(cuò)的徑向裂隙和環(huán)狀裂隙，煤體透氣性大大增加，大量瓦斯由吸附狀態(tài)解吸為游離狀態(tài)，有利于瓦斯的解吸和穿層鉆孔的抽采，提高抽采效果。

圖1 炸藥在巖體內(nèi)的爆破作用

2 工程概況

淮南礦業(yè)集團(tuán)顧橋礦南區(qū)南二13－1下盤區(qū)煤層回風(fēng)大巷巷道設(shè)計(jì)全長(zhǎng)1 122m，標(biāo)高－730～－686m。屬于13－1煤突出危險(xiǎn)區(qū)，瓦斯壓力2.96 MPa，瓦斯含量10.36 m3／t，煤厚5.32m，傾角4°～8°，煤層堅(jiān)固性系數(shù)0.76～0.99。采用－730m 軌道大巷施工穿層鉆孔預(yù)抽區(qū)域防突措施，－730 m 軌道大巷敷設(shè)一路直徑219mm 抽采管路，地面永久抽采泵站2BE3－720泵抽采。

南二13－1下盤區(qū)煤層回風(fēng)大巷揭煤工作面共設(shè)計(jì)區(qū)域防突措施鉆孔429個(gè)，2013年3月23日開始施工區(qū)域措施鉆孔，8月9日施工完畢全部鉆孔，抽采干管濃度22%，抽采混合量0.65m3／min，抽采純量0.12～0.18m3／min，抽采純量平均0.143m3／min，日平均抽采量206m3，百孔抽采純量0.04 m3／min。

截止8月9日累計(jì)抽采總量2.6×104m3，抽采率8.8%，需要繼續(xù)抽采瓦斯1.07×105m3才能達(dá)標(biāo)，每天抽采量按206m3計(jì)算，至少需要18個(gè)月抽采率才能達(dá)45%。

為了提高鉆孔抽采效果，增加煤層透氣性，減少預(yù)抽時(shí)間，決定實(shí)施深孔預(yù)裂爆破增透技術(shù)。

3 爆破實(shí)施方案

3.1 爆破孔布孔方式

在南二13－1下盤區(qū)煤層回風(fēng)大巷揭煤鉆孔控制范圍內(nèi)共布置74 個(gè)孔徑113 mm的爆破孔，先后進(jìn)行了8次深孔預(yù)裂爆破，見表1。爆破孔開孔分別位于南二13－1下盤區(qū)軌道大巷及其行人聯(lián)行內(nèi)，爆破影響范圍控制到南二13－1下盤區(qū)煤層回風(fēng)大巷外15 m 左右，開孔間距原則上按照3m 的影響半徑進(jìn)行設(shè)定，所以開孔間距為6m 左右，開孔時(shí)如果與已有的抽采鉆孔位置重合，可做適當(dāng)調(diào)整，實(shí)際上是按每個(gè)2組抽采孔布置一組爆破孔，如圖2所示。

表1 南二13－1下盤區(qū)煤層回風(fēng)大巷預(yù)裂爆破孔統(tǒng)計(jì)

圖2 區(qū)域防突措施鉆孔與預(yù)裂爆破孔布置平面圖

3.2 裝藥及封孔工藝

3.2.1 爆破材料

炸藥選用淮南舜泰化工有限公司生產(chǎn)的長(zhǎng)度Φ75mm×1 000mm 煤礦瓦斯抽采水膠藥柱，每根重量5kg。雷管選用淮南舜泰化工有限公司生產(chǎn)的煤礦許用8毫秒延期電雷管。

3.2.2 裝藥要求

采用正向連續(xù)不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，單孔裝藥長(zhǎng)度為全煤段以及煤層底板3～5m 范圍內(nèi)，封孔采用水灰比為0.7∶1水泥漿，封孔長(zhǎng)度為藥卷外的剩余部分，且不得少于10m。

3.2.3 裝藥的工藝

探孔。為保證裝藥順暢，爆破孔施工至設(shè)計(jì)孔深起鉆前，用壓風(fēng)將孔內(nèi)殘碴吹凈后方可起鉆。起鉆后用Φ75mm 專用探孔管對(duì)爆破孔進(jìn)行全孔深探孔，并記錄鉆孔深度。

起爆藥卷。采用雙雷管串聯(lián)起爆藥卷。為防止接線頭和雷管電引火元件受潮或受腐蝕導(dǎo)致拒爆，雷管腳線和母線連接必須采用反向雙扭式，炮眼內(nèi)的母線不得有接頭，雷管腳線和母線連接處以及整個(gè)雷管必須用高壓膠布進(jìn)行全包裹（不少于10圈）的防水處理，兩個(gè)雷管必須并列并靠近導(dǎo)爆索完全插入炸藥內(nèi)，且在炸藥底蓋里側(cè)對(duì)母線打結(jié)固定并扭結(jié)成短接，炸藥底蓋必須填塞棉紗并用膠布包裹。

裝藥。裝藥時(shí)，從爆破孔孔底位置開始裝藥，每次裝1～2卷，裝藥時(shí)用力要均勻、連續(xù)，不得用力過猛來回沖撞炸藥。必須有專人記錄裝藥數(shù)量，確保每卷炸藥彼此緊密接觸，起爆藥卷和返漿管最后一起裝入。返漿管選用壁厚1.5mm 內(nèi)徑12mm PVC 整體管，返漿管里端用3根鋼絲穿孔固定在返漿頭上。在距里側(cè)返漿管口1～1.2m 范圍內(nèi)等間距挖3個(gè)返漿眼，返漿眼的大小約為返漿管單位長(zhǎng)度表面積的1／3。為防止裝進(jìn)的藥柱下滑，必須用2～3根細(xì)鐵絲橫穿每個(gè)藥柱做一個(gè)倒刺。根據(jù)爆破需要，可在炮孔底部留有1～2的空氣柱，如圖3、圖4所示。裝藥時(shí)及封孔后，在裝藥地點(diǎn)前后設(shè)置警戒，禁止閑雜人員進(jìn)入警戒范圍。

圖3 南二13－1下盤區(qū)軌道大巷爆破鉆孔布置示意圖

圖4 爆破孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

封孔。裝藥結(jié)束后，往孔內(nèi)下整體PVC或DN15鐵管（里端一根為花管）至藥柱下方作為返漿管，返漿口距離起爆藥卷1m 左右。另下4m 長(zhǎng)的DN15鐵管作為注漿管，孔口向里1m 范圍內(nèi)用彩條布將上述管路包扎牢固，并在彩條布內(nèi)下入一根注聚氨酯4分鐵管?？卓?m 用聚氨酯坐底，待聚氨酯反應(yīng)完全后，向孔內(nèi)注入已添加速凝劑（2%）的水泥漿（水灰比為0.7∶1），直至從返漿管返漿，10min后再注漿并充滿整個(gè)返漿管。封孔、注漿時(shí)要對(duì)爆破母線進(jìn)行盤起保護(hù)，不得將聚氨酯或水泥沾到母線上，如圖5所示。

圖5 封孔示意圖

爆破網(wǎng)路連接方式。起爆藥卷內(nèi)的雷管采用串聯(lián)方式連接。連線前先逐個(gè)檢查單孔雷管電阻，如果發(fā)現(xiàn)孔中雷管短路、斷路或電阻與原實(shí)測(cè)值不符（誤差超過±10），則該鉆孔雷管母線不得接入主爆網(wǎng)路。

起爆。封孔注漿結(jié)束48h后，方可進(jìn)行爆破作業(yè)，起爆前警戒范圍內(nèi)的電氣設(shè)備必須停電。

4 增透效果分析

4.1 預(yù)裂爆破前后抽采效果對(duì)比

爆破前抽采干管瓦斯?jié)舛?2%，混合量0.65m3／min，純量0.143m3／min，通過八次爆破后抽采干管瓦斯?jié)舛?4%，混合量8.7 m3／min，純量1.1m3／min。通過人工測(cè)量和自動(dòng)計(jì)量對(duì)比效果明顯，見表2、表3，如圖6、圖7所示。

表2 預(yù)裂爆破增透前后抽采干管參數(shù)變化對(duì)比

表3 預(yù)裂爆破增透前后單孔流量對(duì)比

圖6 －730爆破前抽采干管純流量自動(dòng)計(jì)量監(jiān)控曲線

圖7 －730爆破后抽采干管純流量自動(dòng)計(jì)量監(jiān)控曲線

4.2 增透爆破后鉆孔有效影響半徑分析

第三次預(yù)裂爆破鉆孔共5 個(gè)，分別在10－10、13－10、16－10、19－10、22－10 孔附近500 mm 處施工，爆破結(jié)束后選擇在10－10爆破孔四周的11－9、11－11、10－13、2鉆孔作為抽采效果考察鉆孔，在考察鉆孔孔口安裝浮子流量計(jì)或G1.6流量表如圖9所示。每隔2～4h測(cè)定一次流量，根據(jù)考察鉆孔流量變化情況，及其與爆破鉆孔的間距分析爆破鉆孔的有效影響半徑，見表4。

圖8 第三次爆破鉆孔與考察鉆孔布置平面圖

圖9 第三次爆破考察鉆孔抽采純量變化曲線圖

表4 第三次增透爆破前后考察孔流量統(tǒng)計(jì)

4.3 結(jié)果分析

距離10－10爆破鉆孔4.2m 以外的11－9考察鉆孔炮后4h單孔流量比炮前增加1.3倍，炮后9h單孔流量比炮前增加0.7倍，離10－10爆破鉆孔8.9m 以外的10－13增加幅度較小，可以推算出爆破鉆孔有效影響半徑為4m 左右。

5個(gè)考察炮孔炮后4～5h的單孔流量達(dá)到最大值，炸藥在煤巖體深部爆炸后，利用炸藥爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波和高溫高壓氣體，破壞煤層及頂?shù)装?，使煤層破裂，在煤體內(nèi)形成了縱橫交錯(cuò)密集的裂隙區(qū)，裂隙數(shù)量大大增加，煤層透氣性和解吸瓦斯量突然增大。炮后5～9 h考察鉆孔的單孔流量又逐漸下降到炮前數(shù)值，說明煤體裂隙又逐漸壓實(shí)，煤層透氣性和解吸瓦斯量又逐漸減小，但煤體內(nèi)仍然產(chǎn)生有不可恢復(fù)的破裂，所以爆破后的煤層透氣性最終仍高于未爆破煤層的透氣性。為實(shí)現(xiàn)抽采最大化，應(yīng)加大爆破后9h內(nèi)的抽采力度。

5 結(jié)論

深孔預(yù)裂爆破對(duì)于高瓦斯低透氣性煤層的增透效果明顯，爆破產(chǎn)生的動(dòng)壓迅速摧毀爆破孔附近煤體的抵抗，在其周圍產(chǎn)生破裂帶和裂隙，裂隙與抽采鉆孔溝通，增加了煤體的透氣性，為瓦斯抽采提供了通道，提高了抽采效果。

未采取預(yù)裂爆破前，規(guī)定時(shí)間內(nèi)不可能達(dá)到45%預(yù)抽率；采取預(yù)裂爆破后，抽采干管混合量增加12倍，純量增加7倍，日抽采量增加6倍，比預(yù)抽時(shí)間減小15個(gè)月，抽采效果明顯。

深孔預(yù)裂爆破減弱了揭煤工作面前方的應(yīng)力集中，使應(yīng)力集中向煤體深部轉(zhuǎn)移；同時(shí)由于增加了爆破裂隙，煤體內(nèi)的吸附瓦斯解吸為游離瓦斯，降低了煤層瓦斯壓力，達(dá)到了預(yù)防煤與瓦斯突出的目的。

［1］馬小濤，李智勇，屠洪盛，等.高瓦斯低透性煤層深孔爆破增透技術(shù)［J］.煤礦開采，2010，15（1）：92－94.

［2］郭德勇，裴海波.煤層深孔聚能爆破致裂機(jī)理研究［J］.煤 炭 學(xué) 報(bào)，2008，33（12）：1381－1384.

［3］李濟(jì)堂.深孔松動(dòng)爆破在防治煤與瓦斯突出中的應(yīng)用［J］.煤礦安全，1991，22（11）：1－7.

［4］Nilson R H，Proffer W J，Duff R E.Modelling of gas driven fractures induced bypropellant combustion within aborehole［J］.international Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，1985，22（1）：3－19.

［5］Nilson R H.An integral method for predicting hydraulic fracture propagation driven by gases or liquids［J］.international Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，1986，10（1）：191－211.