淺談煤層爆破機(jī)理

胡皓

摘要：本文通過(guò)分析爆破增透的機(jī)理與爆破增透的過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)煤層裂隙大發(fā)育與發(fā)展是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。這其中不僅有爆破產(chǎn)生的爆轟波、應(yīng)波、及爆生氣體的作用，還有瓦斯的動(dòng)力作用，是幾個(gè)方面的作用力共同作用的結(jié)果。在整個(gè)增透過(guò)程中炸藥爆炸的作用是最主要的。但是不同的階段兩者的作用不同，爆炸前期是炸藥爆炸的作用結(jié)果，而等炸藥作用力衰減到一定程度以后是瓦斯作用力的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：深部開(kāi)采；低透氣煤層；爆破致裂；煤層增透

1 引言

我國(guó)是當(dāng)今世界上第一產(chǎn)煤和消費(fèi)煤大國(guó)。近些年來(lái)，隨著開(kāi)采深度的增加，導(dǎo)致開(kāi)采條件更趨于復(fù)雜，出現(xiàn)了高地應(yīng)力、高瓦斯、高非均質(zhì)性、低滲透性和低強(qiáng)度煤體的特征（三高兩低），對(duì)于高瓦斯礦井瓦斯的抽放、粉塵危害性的工作面注水防治粉塵都造成了一定的困難。原有的適用于淺部煤層的安全技術(shù)及理論基礎(chǔ)已經(jīng)難以適應(yīng)當(dāng)前煤礦安全、高效生產(chǎn)的迫切需求。所以需要一種技術(shù)來(lái)提高煤層透氣性。爆破致裂增透技術(shù)是針對(duì)煤層煤質(zhì)堅(jiān)硬、裂隙不發(fā)育、孔隙率低、煤層厚等特點(diǎn)而研發(fā)的新技術(shù)。爆破致裂增透法是在注水鉆孔或?qū)Ｓ帽沏@孔中布置一個(gè)或多個(gè)爆破藥包，通過(guò)單孔爆破或多孔同時(shí)爆破，利用炸藥爆炸能量在煤體內(nèi)的內(nèi)部作用，使鉆孔周圍產(chǎn)生徑向和環(huán)向裂隙，以提高煤層的孔隙率。因其是針對(duì)煤質(zhì)堅(jiān)硬、裂隙不發(fā)育、孔隙率低的煤層提出的，所以對(duì)于深部低滲透煤體增透有較好的適用性，對(duì)于深部煤層增透，提高瓦斯抽采效果與注水效果有重大的意義。

為此，針對(duì)煤質(zhì)堅(jiān)硬、裂隙不發(fā)育、孔隙率低、煤層厚等特點(diǎn)，研究爆破致裂增透機(jī)理，對(duì)煤層爆破致裂增透的過(guò)程進(jìn)行分析，對(duì)于保障礦井的安全高效開(kāi)采和可持續(xù)發(fā)展，具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)全國(guó)的煤礦也具有重要的指導(dǎo)和借鑒價(jià)值。

2 煤層爆破致裂增透的機(jī)理分析

巖石爆破破碎的學(xué)說(shuō)有爆轟氣體壓力作用學(xué)說(shuō)、應(yīng)力波作用學(xué)說(shuō)和爆轟氣體和應(yīng)力波共同作用學(xué)說(shuō)。無(wú)論哪一種假說(shuō)，巖石破碎都是由于爆破后產(chǎn)生的應(yīng)力波或者爆轟波的壓力逐漸加大到大于巖石的抗拉強(qiáng)度，而使巖石原有裂隙發(fā)育并產(chǎn)生新的裂隙。最后將破碎的巖石拋擲的結(jié)果[1]。

爆破致裂增透的機(jī)理與巖石破碎的機(jī)理基本是相同的，主要依靠應(yīng)力波動(dòng)作用和高溫高壓爆生氣體靜態(tài)壓力作用來(lái)破壞煤體[2]。爆破致裂的實(shí)質(zhì)就是炸藥進(jìn)行劇烈的化學(xué)反應(yīng)，能量在密閉空間得到急劇釋放并作用于炮孔壁上，對(duì)煤體進(jìn)行破裂的過(guò)程[3]。炸藥爆炸以后能量以爆轟波、應(yīng)力波、高溫高壓的爆生氣體的方式釋放，爆轟波、應(yīng)力波、爆生氣體三者一次作用于炮孔壁、煤體裂隙，作用過(guò)程中炸藥能量逐漸消減直到能量不能對(duì)媒體形成作用為止[4]。

爆破致裂增透與巖石破碎兩者的不同之處就是，巖石破碎過(guò)程中，炸藥量大巖石的破碎程度大，而且爆炸作用能到達(dá)自由面并且會(huì)將巖石拋擲出巖體，破壞了巖體原有的整體性的結(jié)構(gòu)[5-7]。而爆破致裂增透的過(guò)程中，由于藥柱的埋置深度很大，或藥包質(zhì)量較小時(shí)，炸藥的爆炸效果達(dá)不到自由面（這種爆破也叫爆破的內(nèi)部作用），只是單純的使煤體原有裂隙發(fā)育且形成新的裂隙，提高但是不會(huì)將煤體拋擲而破壞煤體結(jié)構(gòu)的整體性影響采掘活動(dòng)。

3 煤層爆破致裂增透的過(guò)程分析

3.1 爆轟波、應(yīng)力波及爆生氣體的作用

當(dāng)初始裂隙形成后，應(yīng)力波壓力下降，巖石就立即釋放出壓縮過(guò)程中積蓄的彈性變形能，形成與壓應(yīng)力波作用方向相反的拉應(yīng)力σr，使煤體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生反方向的徑向運(yùn)動(dòng)[8]，形成環(huán)向裂隙。徑向裂隙和環(huán)向裂隙所作用的范圍被稱之為破裂區(qū)。破裂區(qū)緊隨著巖石粉碎區(qū)。在破裂區(qū)之外，爆炸所產(chǎn)生的能量已經(jīng)不能引起煤體的破壞，但是其可以引起巖石質(zhì)點(diǎn)的彈性震動(dòng)，這個(gè)區(qū)域被稱之為震動(dòng)區(qū)。

3.2 爆生氣體在煤體裂隙發(fā)育中的作用

炸藥爆炸是炸藥內(nèi)部發(fā)生的一種快速的、劇烈的化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，炸藥爆炸后會(huì)生成大量的高溫高壓氣體，其對(duì)煤體裂隙發(fā)展也有非常重要的作用。爆生氣體對(duì)煤體的作用主要是由于氣體在裂隙的尖端形成了應(yīng)力集中，而促進(jìn)了裂隙的發(fā)展[9]。爆生氣體先進(jìn)入發(fā)展較好的大裂隙中，逐步進(jìn)入小的裂隙中。由于尖端的應(yīng)力集中使得裂隙進(jìn)一步發(fā)展，直到爆生氣體的壓力下降到不能夠在促進(jìn)裂隙發(fā)展為止。同時(shí)，爆生氣體的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力的大小與爆破中心的距離緊密相關(guān)，距離爆破孔中心距離越遠(yuǎn)，其應(yīng)力值越小，因此，在其徑向方向上的煤體氣體壓力呈現(xiàn)梯度分布，在爆生氣體的作用下，裂隙沿著氣體應(yīng)力梯度方向擴(kuò)展。

3.3 瓦斯在煤體裂隙發(fā)育中的作用

當(dāng)對(duì)煤體進(jìn)行爆破時(shí)，瓦斯對(duì)于煤體的作用表現(xiàn)為氣體與固體之間的作用，稱之為流固耦合。游離態(tài)的瓦斯首先進(jìn)入裂隙并將煤體裂隙進(jìn)一步發(fā)展，隨后吸附態(tài)的瓦斯解吸，瓦斯能進(jìn)一步釋放[4]，瓦斯又一次進(jìn)入煤體原有以及新形成的煤體裂隙內(nèi)，也對(duì)煤體裂隙的形成起到的一定的促進(jìn)作用。

3.4 煤層中裂隙網(wǎng)的形成

通過(guò)以上的討論我們可以知道，當(dāng)煤體爆破孔炸藥爆炸后形成了以炮孔為中心的煤層裂隙網(wǎng)，分別為粉碎區(qū)、裂隙區(qū)和震動(dòng)區(qū)。爆破增透技術(shù)的實(shí)施是為了在整個(gè)煤層中形成大范圍的煤層裂隙網(wǎng)，但是由于煤體的厚度較大、走向長(zhǎng)度非常長(zhǎng)而且炸藥的作用范圍是以每個(gè)爆破孔為中心的，所以單一的炮孔不能形成交完整的裂隙網(wǎng)[10]。所以，通過(guò)計(jì)算炮孔的裝藥量 使爆破的影響范圍適當(dāng)?shù)臄U(kuò)大但不要影響煤層頂?shù)装宓膽?yīng)力狀態(tài)，以及合理的布置炮孔位置，使相鄰的炮孔之間的裂隙可以相互貫通。使爆破得到較好的效果，以使在整個(gè)煤層中形成較完整的裂隙網(wǎng)。

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[9]李杭州，堅(jiān)硬煤層放頂煤弱化研究.碩士論文西安科技大學(xué)2003

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