煤巷掘進(jìn)爆破致裂增透高效消突技術(shù)實(shí)踐

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

煤礦生產(chǎn)中煤與瓦斯突出是發(fā)生次數(shù)多、危害很大的事故。煤與瓦斯突出事故大多數(shù)都發(fā)生在煤巷掘進(jìn)和井巷揭煤過(guò)程中，雖然發(fā)生在回采工作面的突出事故相對(duì)較少，但是由于織納片區(qū)M16煤層瓦斯含量較高，煤層透氣性較低，抽采時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)任務(wù)重；抽采鉆孔施工時(shí)會(huì)產(chǎn)生飄移，導(dǎo)致出現(xiàn)空白帶；因此，回采工作面發(fā)生瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的情況也是時(shí)有發(fā)生。為了有效的消除煤體瓦斯抽采的空白帶，提高抽采效率，縮短抽采時(shí)間，礦井可以采取通過(guò)增加煤體透氣性的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高效消突。目前通過(guò)煤巖體結(jié)構(gòu)改造來(lái)提高煤層透氣性是重要的增透措施之一，主要有水力壓裂[1-2]、二氧化碳致裂[3-4]、水力割縫[5-6]、深孔控制預(yù)裂爆破[7]、深孔松動(dòng)爆破[8]、水力沖孔[9-10]等技術(shù)。興發(fā)煤礦M16煤層采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯和順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯的區(qū)域防突措施，但由于煤層原始瓦斯含量高、透氣性較低等原因，導(dǎo)致抽采效果較差，巷道掘進(jìn)速度緩慢，采掘接續(xù)十分緊張。因此，通過(guò)在掘進(jìn)工作面采取順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯期間，實(shí)施二氧化碳爆破致裂增透措施高效消突技術(shù)，來(lái)縮短抽采時(shí)間，提高抽采效率，實(shí)現(xiàn)礦井采掘有序接續(xù)，形成“抽、掘、采”良性循環(huán)。

1 礦井概述

興發(fā)煤礦井田范圍內(nèi)含煤地層為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，含可采煤層6層，自上而下編號(hào)分別為M6、M7、M16、M23、M27、M30煤層；其中上煤組含M6、M7煤層，下煤組含M16、M23、M27、M30煤層。礦井地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，無(wú)明顯大斷層，煤層賦存穩(wěn)定。目前礦井正在對(duì)M16煤層開(kāi)拓、準(zhǔn)備，采煤工作面設(shè)計(jì)采用走向長(zhǎng)壁采煤法，高檔普采工藝，全部垮落法管理頂板。礦井目前布置有M16煤層601回采工作面和604運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面。

興發(fā)煤礦位于貴州省織納礦區(qū)，為國(guó)家劃定的突出危險(xiǎn)區(qū)。歷史上M16煤層在其他礦井發(fā)生過(guò)瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，興發(fā)煤礦M16煤層經(jīng)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定為不具有突出危險(xiǎn)性，目前開(kāi)拓范圍內(nèi)M16煤層處于原鑒定范圍以外，所以M16煤層按照突出煤層進(jìn)行設(shè)計(jì)和管理。

礦井設(shè)計(jì)首采M16煤層作為保護(hù)層。根據(jù)已開(kāi)拓區(qū)域?qū)嶋H揭露的M16煤層情況的現(xiàn)場(chǎng)勘查：煤層厚度1.2～1.8m，無(wú)明顯軟分層，煤層斷口性質(zhì)呈參差多角，中等硬度，煤體用手易剝成小塊。煤的破壞類型應(yīng)為Ⅱ類（破壞煤）。M16煤層實(shí)測(cè)最大瓦斯含量為13.4m3/t，實(shí)測(cè)最大瓦斯壓力0.44MPa（埋深382.6 m），煤的堅(jiān)固性系數(shù)（f）為1.04～1.31，煤層最大埋深為420 m位于604工作面區(qū)域，實(shí)測(cè)煤層透氣性系數(shù)為1.3（m2/MPa2·d），屬于可以抽采煤層。M16煤層頂板為粘土巖，底板為粉砂質(zhì)、粘土巖，煤層傾角7°～12°，屬中灰、中高硫、特高熱值無(wú)煙煤。

2 抽采鉆孔設(shè)計(jì)

602工作面已經(jīng)形成，工作面走向長(zhǎng)度1000m，傾斜長(zhǎng)度140m，602運(yùn)輸巷施工上向順層抽采鉆孔長(zhǎng)度為80m，602回風(fēng)巷施工下向順層抽采鉆孔長(zhǎng)度為60m，鉆孔封孔長(zhǎng)度為10 m。在現(xiàn)有的抽采條件下，鉆孔抽采時(shí)間為65天時(shí)有效抽采影響半徑1.5m，抽采時(shí)間為110天時(shí)有效抽采影響半徑為2.5m，掘進(jìn)期間已經(jīng)施工了部分抽采鉆孔，靠近切眼的0～200m范圍內(nèi)，由于抽采時(shí)間較短，抽采鉆孔布置間距為3m，距離切眼200～1000m范圍內(nèi)，抽采時(shí)間充足，設(shè)計(jì)抽采鉆孔布置間距為5m，602工作面抽采鉆孔設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 602工作面抽采鉆孔布置設(shè)計(jì)

604運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面采用傾向順層鉆孔預(yù)抽煤巷掘進(jìn)區(qū)域煤層瓦斯區(qū)域防突措施，抽采鉆孔設(shè)計(jì)布置在602回風(fēng)巷，實(shí)現(xiàn)消突后，一次性進(jìn)行效果檢驗(yàn)，提交抽采達(dá)標(biāo)報(bào)告，相比掘進(jìn)期間每沿巷道方向60～80 m一個(gè)循環(huán)進(jìn)行條帶預(yù)抽，可以大大節(jié)約人力、物力和抽采時(shí)間；缺點(diǎn)是604運(yùn)輸巷靠近602工作面切眼的區(qū)段抽采會(huì)受到602工作面回采的影響，導(dǎo)致抽采時(shí)間相對(duì)較短，必須在602工作面回采前實(shí)現(xiàn)消突。設(shè)計(jì)抽采鉆孔長(zhǎng)度35m，封孔長(zhǎng)度為10m，鉆孔有效抽采影響半徑1.5m，抽采鉆孔終孔間距3m，預(yù)計(jì)抽采時(shí)間為65天，抽采鉆孔設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 604運(yùn)輸巷掘抽采鉆孔設(shè)計(jì)

由上圖可知，602工作面抽采鉆孔靠近切眼處抽采間距為3m，根據(jù)礦井掘進(jìn)期間的抽采情況，預(yù)計(jì)工作面圈出形成后到開(kāi)始回采大約需要45天，在不采取任何增透措施的情況下，預(yù)計(jì)工作面至少需要抽采時(shí)間為65天，才能使602工作面和604運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面區(qū)域煤體實(shí)現(xiàn)消突，如果局部由于抽采鉆孔偏移出現(xiàn)空白帶等，實(shí)現(xiàn)消突的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，不能有效的緩解礦井M16煤層瓦斯抽采時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。

順層鉆孔全部施工完成后，604運(yùn)輸巷抽采主管路中的瓦斯?jié)舛让刻斓淖兓?jiàn)圖3。由圖3可以看出，當(dāng)抽采主管路中瓦斯?jié)舛却蠹s為6%時(shí)，抽采效率已經(jīng)很低，已經(jīng)影響到礦井采掘接續(xù)的有序進(jìn)行。

圖3 抽采主管路內(nèi)瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

因此，采取二氧化碳爆破致裂高效消突技術(shù)，通過(guò)改變煤體結(jié)構(gòu)來(lái)提高煤體中的裂隙，為煤體內(nèi)瓦斯流通提供通道，以提高抽采效率，縮短抽采時(shí)間，在保證安全消突的前提下，實(shí)現(xiàn)礦井采掘接續(xù)的平衡，保證安全生產(chǎn)，提高煤礦效益。

3 爆破致裂增透措施

爆破致裂增透措施主要有深孔預(yù)裂爆破和二氧化碳爆破致裂。深孔預(yù)裂主要使用炸藥，炸藥屬于管制物品，購(gòu)買(mǎi)、運(yùn)輸、使用等都有嚴(yán)格的管控措施，現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，可能出現(xiàn)啞炮現(xiàn)象，留下安全隱患，炸藥的使用必須有特種作業(yè)人員操作，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用受限，需要將巷道內(nèi)的人員撤到防突風(fēng)門(mén)以外或避難硐室。二氧化碳爆破致裂采用高壓二氧化碳作為動(dòng)力來(lái)源，通過(guò)瞬間釋放來(lái)產(chǎn)生爆破致裂效果，是增加煤體裂隙與提高礦井瓦斯抽采效率的新技術(shù)。隨著煤體內(nèi)裂隙的增加，煤體內(nèi)吸附的瓦斯會(huì)轉(zhuǎn)化成游離瓦斯，通過(guò)裂隙被抽采鉆孔抽出，設(shè)備可以重復(fù)使用，成本低，易于操作；同時(shí)在一定程度上可以消除抽采鉆孔偏移、煤層厚度變化等產(chǎn)生的空白帶。二氧化碳爆破致裂是低溫下運(yùn)行，二氧化碳是空氣的主要組成氣體之一，不會(huì)對(duì)巷道內(nèi)的空氣質(zhì)量產(chǎn)生任何污染；二氧化碳爆破致裂過(guò)程快速高效，適宜于煤體堅(jiān)固性系數(shù)較高的煤層。二氧化碳屬于惰性氣體，對(duì)煤體中的瓦斯具有一定的稀釋作用，爆破過(guò)程是體積膨脹的過(guò)程，是物理作用；相比炸藥這種危險(xiǎn)管制物品，二氧化碳爆破致裂技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用性強(qiáng)，二氧化碳取自大氣中，價(jià)格便宜，爆破致裂設(shè)備可以重復(fù)使用，而且不會(huì)產(chǎn)生啞炮現(xiàn)象、留下安全隱患。

在604運(yùn)輸巷條帶區(qū)域進(jìn)行爆破增透實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)每間隔3個(gè)抽采鉆孔布置1個(gè)爆破孔，可以選擇封孔效果差的抽采鉆孔或在兩個(gè)抽采鉆孔之間施工爆破鉆孔進(jìn)行爆破，爆破孔間距9～11m，爆破孔施工長(zhǎng)度與抽采鉆孔長(zhǎng)度相等，爆破致裂鉆孔布置見(jiàn)圖4。604運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為860m，以30 m為1循環(huán)，每循環(huán)布置3～4個(gè)爆破鉆孔，共布置29個(gè)循環(huán)，96個(gè)爆破孔。

圖4 爆破致裂鉆孔布置

實(shí)施爆破致裂后，將抽放措施孔進(jìn)行封孔連抽，爆破致裂后抽采主管路瓦斯?jié)舛让刻斓挠^測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可以看出，實(shí)施爆破致裂后，抽采主管路瓦斯?jié)舛茸畲鬄?8%，相比實(shí)施爆破致裂措施前的6%增加了3倍，表明實(shí)施致裂增透后，隨著抽采主管路中瓦斯?jié)舛鹊脑龈?，煤體中裂隙有了明顯增加，形成了有效的瓦斯流通通道，促進(jìn)了煤體中吸附瓦斯的釋放，提高了煤體中瓦斯抽采的效率。

圖5 爆破致裂后抽采主管路瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

在施工抽采鉆孔時(shí)，實(shí)測(cè)604運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面區(qū)域煤層原始瓦斯含量為9.82m3/t，走向長(zhǎng)度860m，在抽采45天后，604運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面條帶區(qū)域瓦斯量為44.36萬(wàn)m3，604運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面條帶區(qū)域抽出瓦斯量為17.74萬(wàn)m3，通過(guò)抽采量計(jì)算最大殘余瓦斯含量為5.89m3/t。604運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面條帶區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，在602回風(fēng)巷每間隔30 m布置一個(gè)測(cè)試鉆孔，測(cè)試鉆孔均布置于鉆孔密度較小、孔間距較大、預(yù)抽時(shí)間較短的位置，并盡可能遠(yuǎn)離測(cè)試點(diǎn)周圍的各預(yù)抽鉆孔或盡可能與周圍預(yù)抽鉆孔保持等距離，且避開(kāi)了采掘巷道的自然排放范圍和工作面的預(yù)抽超前距；共布置測(cè)試鉆孔30個(gè)，實(shí)測(cè)抽采后殘余瓦斯含量為4.14～5.35m3/t，小于《防治煤與瓦斯突出突出細(xì)則》中的參考臨界值8m3/t，通過(guò)對(duì)施鉆過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)觀察來(lái)看，均未出現(xiàn)《煤礦瓦斯等級(jí)鑒定辦法》中描述的噴孔和頂鉆等突出預(yù)兆，實(shí)現(xiàn)了消突，原預(yù)計(jì)抽采時(shí)間為65天，結(jié)果實(shí)施二氧化碳爆破致裂增透措施后，約45天就實(shí)現(xiàn)了消突，抽采時(shí)間縮短了20天。根據(jù)604運(yùn)輸巷的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，602回采工作面也可以采用爆破致裂措施，來(lái)提高抽采效率，縮短抽采時(shí)間，緩解礦井采掘接續(xù)緊張的現(xiàn)狀。

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)在604運(yùn)輸巷掘進(jìn)條帶區(qū)域?qū)嵤┍浦铝汛胧┖髮?duì)抽采主管路中瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行了觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)實(shí)施爆破致裂后，抽采主管路瓦斯?jié)舛认啾却胧┣疤岣吡?倍，抽采時(shí)間縮短了20天，實(shí)現(xiàn)了高效消突。

2）爆破致裂的實(shí)施增加了煤體的裂隙，提高了煤體中瓦斯流通的通道，打破了煤體中原有的吸附、游離瓦斯的平衡狀態(tài)，促進(jìn)了煤體中吸附瓦斯向游離瓦斯的轉(zhuǎn)換，縮短了抽采時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了高效消突，保證了礦井采掘接續(xù)的有序進(jìn)行，增加了煤礦的效益。