低透氣煤層深孔預(yù)裂聚能爆破增透試驗(yàn)研究

高新宇，劉 健，2，張 超，張 馳

（1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001）

現(xiàn)如今大多煤層透氣性差，瓦斯抽采困難且抽采效率低?；谝延械脑鐾笝C(jī)理研究，在開(kāi)采前采取各種增透技術(shù)[1-3]，利用外力，增加煤層內(nèi)部裂隙發(fā)育程度，提高煤層透氣性，使吸附瓦斯易解離抽采。其中，控制爆破技術(shù)在增透領(lǐng)域廣泛使用，劉健等[4]發(fā)現(xiàn)穿層鉆孔模式下的深孔預(yù)裂爆破的增透效果要好于順層鉆孔。璩世杰等[5]發(fā)現(xiàn)當(dāng)布置孔心連線與節(jié)理垂直時(shí)產(chǎn)生的裂隙網(wǎng)更加龐大。也有一些學(xué)者通過(guò)對(duì)裝藥的耦合度[6-7]研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以找到最佳的不耦合系數(shù)。另外，采用聚能裝藥[8-10]方式可以保護(hù)巷道圍巖完整。楊仁樹(shù)等[11]空孔越大越利于裂縫向空孔方向聚集。還有一些學(xué)者進(jìn)行了數(shù)值模擬研究也得到了上述結(jié)論[12-13]。

目前對(duì)于煤層瓦斯增透的理論研究豐富，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也很多，但一些研究并沒(méi)有應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)，而且很少有研究1個(gè)爆破孔同時(shí)對(duì)多個(gè)方向控制孔的深入影響情況。通過(guò)設(shè)計(jì)1種在4個(gè)方向布置控制孔的相似模擬的方法在實(shí)驗(yàn)室搭建試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，并且使用聚能藥卷，采用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀記錄爆破瞬間控制孔附近的應(yīng)變，來(lái)考察1個(gè)爆破孔對(duì)于多個(gè)控制孔的影響效果。通過(guò)理論分析多控制孔的增透效果，并且在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中考察該方法在實(shí)際爆破后的瓦斯抽采率。

1 深孔預(yù)裂聚能爆破控制孔的作用機(jī)制

線性柱狀裝藥方式爆炸后產(chǎn)生的沖擊波雖是柱面波，但當(dāng)爆破介質(zhì)與爆破孔中心距離超過(guò)5倍的炮孔半徑時(shí)，可以將柱面波近似為平面波處理[14]，試驗(yàn)爆破孔與控制孔間距大于5倍炮孔半徑。平面波入射到控制孔壁任一點(diǎn)處產(chǎn)生的反射入射，炸藥爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波在煤巖體中主要是縱波，縱波經(jīng)過(guò)自由面時(shí)會(huì)產(chǎn)生入射縱波、反射縱波和反射橫波。

由于控制孔孔壁是一個(gè)曲面，由曲面特征，孔壁上所受切向應(yīng)力隨入射角增大先增大后減。壓縮應(yīng)力波與入射波的疊加對(duì)控制孔附近的介質(zhì)產(chǎn)生徑向拉伸應(yīng)力和切向拉伸應(yīng)力，當(dāng)切向拉伸應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度時(shí)，作用的介質(zhì)被拉裂形成徑向裂紋。同時(shí)控制孔具有位移補(bǔ)償?shù)淖饔茫a(chǎn)生的位移補(bǔ)償加劇了位移差和速度差，使控制孔附近各質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，促進(jìn)徑向裂紋的發(fā)育延伸。所以控制孔具有導(dǎo)向作用，控制孔附近產(chǎn)生的裂隙主要集中于1個(gè)方向，同時(shí)存在環(huán)向裂紋，各方向裂紋交織成復(fù)雜的網(wǎng)狀。

2 深孔預(yù)裂聚能爆破模擬增透試驗(yàn)

2.1 相似模擬確定模型參數(shù)

試驗(yàn)根據(jù)Froude[15]比例法，原型煤巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 爆破模擬試驗(yàn)原型煤巖力學(xué)參數(shù)

試驗(yàn)用50 cm×50 cm×45 cm的模型模擬的某礦現(xiàn)場(chǎng)煤巖體。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)最終得到試驗(yàn)的材料配比參數(shù)（表2）。

表2 爆破模擬試驗(yàn)相似材料配比參數(shù)

2.2 搭建試驗(yàn)臺(tái)以及模型制作

在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)搭建深孔預(yù)裂爆破模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其中設(shè)立1個(gè)爆破孔和4個(gè)控制孔。試驗(yàn)平臺(tái)主要由模擬試樣、CS動(dòng)態(tài)電阻和AFT-0957-8型動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、聚能藥包、導(dǎo)爆管雷管及起爆器等組成。

模型的中間，以軸對(duì)稱(chēng)方式布置4個(gè)控制孔，爆破孔為上表面中心位置，爆破孔直徑為1 cm。其中控制孔的直徑為2 cm，2對(duì)控制孔圓心與炮孔圓心距離分別為10、15 cm。控制孔貫穿底板與煤層直至煤層與頂板的煤巖分界面，控制孔深30 cm。炮孔深23 cm，煤層部分孔深8 cm。在控制孔徑向布置應(yīng)變磚，爆破模型結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 爆破模型結(jié)構(gòu)圖

養(yǎng)護(hù)14 d經(jīng)檢測(cè)合格后進(jìn)行裝藥封孔，封孔使用濕潤(rùn)泥土長(zhǎng)度控制在80~120 mm之間。將藥管導(dǎo)線引至安全距離后用起爆器起爆。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

爆破后模型紋理分布如圖2。底板表面沿著4個(gè)控制孔方向形成了4條主要裂紋，若干條次生裂紋。其中2條較近的控制孔主導(dǎo)的主裂紋都直接沿著控制孔與爆破孔圓心之間的連線擴(kuò)展的，而較遠(yuǎn)的控制孔主導(dǎo)的主裂紋其中1條發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度為12.7°，縫寬最大值為7 mm?？刂瓶追较蛞廊回灤┝?條次生裂紋，說(shuō)明控制孔依然具有導(dǎo)向作用，從次生裂紋分叉處可以判斷該處應(yīng)該存在1個(gè)影響較大的自由面提前起到了導(dǎo)向作用，對(duì)預(yù)設(shè)引導(dǎo)方向產(chǎn)生了偏移效果，這是由于在澆筑模型時(shí)不可避免的部分不均勻，有些地方產(chǎn)生了一定的氣泡，當(dāng)氣泡產(chǎn)生的自由面足夠大時(shí)機(jī)會(huì)影響到裂縫的擴(kuò)展。這也是通常在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)裂隙網(wǎng)要比模擬復(fù)雜的多的原因，因?yàn)閷?shí)際的煤巖層的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多。爆破后距離爆破孔10 cm的控制孔被拉斷最大寬度變?yōu)?.8、3 cm，分別增大了40%和50%；距離爆破孔15 cm的控制孔拉斷后最大寬度為2.1、2.4 cm，分別增大了5%和20%。近孔處產(chǎn)生的裂縫寬度是遠(yuǎn)孔處的8倍、2.5倍。

圖2 爆破后模型裂紋分布圖

煤層裂隙較底板要復(fù)雜的多，通過(guò)對(duì)比煤層處爆破產(chǎn)生的爆破壓碎區(qū)是底板的4~5倍，由于能量消耗在粉碎圈中的較多，其產(chǎn)生的主裂紋沒(méi)有底板效果強(qiáng)烈。沿聚能方向產(chǎn)生了明顯的一段煤層侵徹距離。煤層產(chǎn)生的裂紋依然貫穿控制孔，受到煤層性質(zhì)的影響，主貫穿的裂紋較細(xì)，但是圍繞控制孔附近會(huì)產(chǎn)生許多的其他方向的細(xì)裂紋，在4#孔附近還產(chǎn)生了復(fù)雜的裂隙與壓碎共存區(qū)，該區(qū)域在澆筑時(shí)產(chǎn)生了1塊較為薄弱的區(qū)域。煤層復(fù)雜的裂隙對(duì)于預(yù)期的效果較好，明顯可以促進(jìn)整個(gè)煤層瓦斯透氣性的升高，助于瓦斯溢出抽采。距離爆破孔10 cm的控制孔最大寬度變?yōu)?.6 cm和4 cm，分別增大了30%和100%，距離爆破孔15 cm的控制孔最大寬度變?yōu)?.3 cm和2.5 cm，分別增大了15%和25%。近孔處產(chǎn)生的裂縫寬是遠(yuǎn)孔處的2倍和4倍。

爆破應(yīng)力波在試樣傳播過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生壓縮、拉伸2種作用方式，沿入射應(yīng)力波方向產(chǎn)生壓縮作用，入射應(yīng)力波經(jīng)反射后與未反射的入射應(yīng)力波疊加產(chǎn)生拉伸作用。應(yīng)變片每接收一次應(yīng)力波就以電信號(hào)的形式傳輸給超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，受力方向的不同，以正負(fù)值的形式表示。接收到數(shù)據(jù)經(jīng)應(yīng)變率轉(zhuǎn)化，得到的爆破瞬間應(yīng)變片應(yīng)變?nèi)鐖D3。

圖3 爆破瞬間應(yīng)變片應(yīng)變圖

根據(jù)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線所呈現(xiàn)的規(guī)律，在1~4 μs時(shí)間段，可視為穿層鉆孔爆破的爆破載荷的動(dòng)載階段。在爆破載荷的動(dòng)載階段中，爆破試樣主要受到爆轟應(yīng)力波的作用，兩者應(yīng)力均出現(xiàn)了不同方向上的劇烈變化并出現(xiàn)了2次劇烈的壓縮與拉伸。這是由于煤層性質(zhì)及邊界條件，第2次壓縮與拉伸迭加應(yīng)力的效果較一般情況強(qiáng)烈，使該點(diǎn)的應(yīng)力變化強(qiáng)度較大。

在4~6 μs時(shí)間段內(nèi)可視為穿層鉆孔爆破的靜載階段，在爆破載荷的靜載階段中爆破試樣,主要受到爆轟氣體和圍巖靜力載荷的綜合作用，應(yīng)變率在較小的范圍內(nèi)發(fā)生波動(dòng)，并且逐漸衰減。

3 工程應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

某礦C1201工作面，埋深731.8~842.6 m，工作面伴有斷層的單斜構(gòu)造，煤巖層走向北東，傾向北西，傾角 8°~12°，一般為5°左右。頂為黑色砂質(zhì)泥巖，巖層完整，裂隙不發(fā)育，均厚10.24 m。底為灰黑色粉砂巖，中厚層狀，裂隙不發(fā)育，巖層較完整，均厚2.1 m。瓦斯含量為8.5 m3/t，瓦斯壓力為2.2~4.0 MPa，煤層的透氣性系數(shù)差，為0.005 4 m2/(MPa2·d)，煤層具有突出危險(xiǎn)性，屬于難抽煤層。

3.2 鉆孔布置及試驗(yàn)效果分析

試驗(yàn)采用鉆孔孔徑為94 mm，孔之間的連線在同一水平面上，并且垂直于巷道的輪廓。打鉆在煤層中預(yù)留1.5~2.0 m，在煤巖交界處爆破。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)9 d的數(shù)據(jù)觀測(cè)（圖4），其中前3 d為爆破前抽采數(shù)據(jù)，與第3 d實(shí)施爆破，爆破后3 d瓦斯抽采濃度和抽采流量有顯著提高，爆破5 d后瓦斯?jié)舛戎饾u穩(wěn)定，爆破前1號(hào)抽采孔的平均瓦斯?jié)舛燃s為9.2%，爆破后的趨于穩(wěn)定的瓦斯?jié)舛燃s為17.7%，是原來(lái)的1.93倍；2號(hào)抽采孔爆破前瓦斯?jié)舛燃s為9.33%，爆破后趨于穩(wěn)定的瓦斯?jié)舛燃s為28.5%，是原來(lái)的3.05倍；3號(hào)抽采孔爆破前的瓦斯?jié)舛燃s為7.2%，爆破后趨于穩(wěn)定的瓦斯?jié)舛燃s為15.4%，是原來(lái)的2.14倍；4號(hào)抽采孔爆破前瓦斯?jié)舛燃s為11.5%，爆破后趨于穩(wěn)定的瓦斯?jié)舛燃s為13.6%，是原來(lái)的1.18倍。

圖4 煤層深孔聚能爆破后瓦斯抽采情況

在爆破前1~4號(hào)抽采孔的采集流量依次約為0.04、0.03、0.03、0.05 m3/min，爆破之后的采集流量分別為 0.07、0.10、0.07、0.06 m3/min，爆破后的瓦斯抽采流量達(dá)到了爆破前的1.2~3.3倍。其中明顯2號(hào)抽采孔爆破后的效果最好，而4號(hào)抽采孔在爆破后的提升效果相對(duì)差一點(diǎn)，這是由于實(shí)際增透效果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件密切相關(guān)；1號(hào)和3號(hào)爆破后的增透效果則是相近的。

從監(jiān)測(cè)到的瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞繑?shù)據(jù)，深孔預(yù)裂聚能爆破改變了瓦斯應(yīng)力分布場(chǎng)，增強(qiáng)了卸壓效應(yīng)，使得爆破后抽采的瓦斯?jié)舛群屯咚沽髁烤忻黠@的上升趨勢(shì)，在該次工程試驗(yàn)中，除了4個(gè)主控制孔收集到了明顯數(shù)據(jù)外，距離爆破孔4.5 m處收集的數(shù)據(jù)發(fā)生明顯變化，該抽采孔的爆破前后共6 h的抽采流量曲線如圖5。在實(shí)施爆破后1 h內(nèi)，距離4.5 m處的瓦斯平均抽采流量約為爆破前的5倍。確定該次爆破試驗(yàn)的影響半徑達(dá)到了4.5 m。

圖5 4.5 m處鉆孔瓦斯抽采流量曲線圖

綜上可知，在采用深孔預(yù)裂聚能爆破技術(shù)后，龐大的裂隙網(wǎng)使煤層的透氣系數(shù)明顯增大，提高了煤層瓦斯抽采率并且提高了煤礦開(kāi)采的安全性。

4 結(jié) 論

1）通過(guò)搭建穿層鉆孔深孔預(yù)裂爆破模擬試驗(yàn)平臺(tái)，觀察裂紋發(fā)育最終情況，孔間距10 cm的近控制孔處產(chǎn)生的裂縫寬度是遠(yuǎn)孔附近的2~8倍，能量傳遞方向更集中；孔間距15 cm的控制孔處則產(chǎn)生裂縫寬度較細(xì)，裂縫分支較多，能量較為分散。

2）通過(guò)控制孔處的應(yīng)變片采集數(shù)據(jù)可得，根據(jù)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變率曲線所呈現(xiàn)的規(guī)律，爆破試樣在爆炸壓縮荷載作用后會(huì)在其反方向形成拉伸卸載波，造成爆破試樣的裂紋擴(kuò)展。

3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際爆破后，瓦斯抽采濃度達(dá)到了爆破前的1.18~3.05倍，瓦斯抽采流量達(dá)到了爆破前的1.2~3.3倍；近控制孔處的抽采孔的抽采了濃度與抽采流量要高于遠(yuǎn)控制孔附近的抽采孔，爆破后前3 d的效果明顯，后期開(kāi)始下降趨于平穩(wěn)，總體要高于爆破前的抽采效果，抽采半徑為4.5 m。