基于深孔控制爆破技術(shù)的低透氣性煤層瓦斯抽采研究

吉 軍 軍

（大同煤礦集團(tuán)臨汾宏大礦業(yè)有限責(zé)任公司 ，山西 臨汾 041000）

隆博煤業(yè)屬瓦斯礦井，開采的2下# 煤層屬于低透氣性煤層，瓦斯抽放效果差。長期以來，提高煤層瓦斯抽放率一直是安全生產(chǎn)中亟待解決的難題。近幾年來，隨著煤礦大功率機(jī)械化采掘裝備投入生產(chǎn)及開采技術(shù)水平的提高，采掘規(guī)模日益擴(kuò)大，礦井瓦斯涌出量大幅度上升，造成瓦斯頻繁超限，嚴(yán)重制約了煤礦的安全生產(chǎn)，先進(jìn)的采掘裝備不能充分發(fā)揮應(yīng)有的作用。另一方面，伴隨著煤礦開采深度和開采強(qiáng)度的增加，井下地質(zhì)構(gòu)造的日益復(fù)雜，用過去傳統(tǒng)方法治理瓦斯已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了當(dāng)前生產(chǎn)和安全的需要，急需研究新的瓦斯治理技術(shù)。

尋求一種科學(xué)的提高煤層透氣性的關(guān)鍵技術(shù)是解決低透氣性難抽煤層迫在眉睫的事情，雖然對提高瓦斯抽放效果和瓦斯治理做過許多嘗試，但都未取得根本的突破，采用控制爆破技術(shù)對提高煤層透氣性在技術(shù)上明顯優(yōu)于其它的方法，為此，必須實(shí)施控制爆破技術(shù)，以提高煤層的透氣性，達(dá)到徹底治理瓦斯的目的。

1 工程概況

5009 工作面回采到 700m 位置處（距巷口640m），工作面瓦斯涌出量較大，5009 工作面最大絕對瓦斯涌出量達(dá)到14.35m3/min，工作面回采時引起圍巖及鄰近層裂隙發(fā)育，透氣性增加，使得鄰近層解吸瓦斯會通過這些裂隙向2 下號煤層采煤工作面涌出，出現(xiàn)瓦斯異常涌出現(xiàn)象。

2 深孔控制爆破技術(shù)

2.1 可行性分析

在通過增大煤層透氣性，提高瓦斯抽放率的方法中，控制爆破技術(shù)明顯優(yōu)于其它技術(shù)，從前景上也被認(rèn)為是最有可能得到實(shí)際應(yīng)用的方法。它的作用有三個方面：爆破后抽放孔擴(kuò)大、煤層形成可控的裂隙網(wǎng)以增加抽出量；使煤層中共生的吸附瓦斯通過振動由吸附狀態(tài)變成游離態(tài)便于排出；還可通過爆破改變煤層的應(yīng)力分布，大幅度降低瓦斯壓力，防止瓦斯突出。

在理論研究方面可利用國際上先進(jìn)的高速激光全息光測系統(tǒng)和大型動態(tài)數(shù)值模擬分析軟件，對鉆孔條形藥包爆破特性及相關(guān)問題進(jìn)行系統(tǒng)研究，從技術(shù)上研究是可行的。以多方位、多手段揭示條形藥包爆破的本質(zhì)屬性，在實(shí)際爆破技術(shù)研究中取得了關(guān)鍵技術(shù)的突破，克服過去同類研究無法真正用于生產(chǎn)和理論研究的缺陷，研究出致裂有效、安全可靠、易于操作和便于推廣的爆破方法，爆破后瓦斯抽放效果極為顯著，對提高瓦斯抽放率、防止瓦斯突出具有重要的作用。

2.2 方案總體

為徹底解決本煤層抽放中遇到的問題，針對煤礦瓦斯抽放中的具體問題，結(jié)合礦區(qū)的地質(zhì)條件和煤層分布狀況，確立了煤層超長鉆孔預(yù)裂爆破項(xiàng)目的總體目標(biāo)和技術(shù)路線。總體目標(biāo)是：以煤礦生產(chǎn)中面臨的瓦斯問題為攻關(guān)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)超長炮孔（50～100m）的煤礦預(yù)裂控制爆破技術(shù)，使之用于本煤層等多種抽放方式中，探索水壓控制爆破技術(shù)在下向孔煤層中的應(yīng)用。將爆破后的瓦斯抽放率較爆破前提高50%以上，抽放時間縮短抽放時間縮短三分之一，總體抽放成本降低。通過攻關(guān)達(dá)到技術(shù)上安全可靠、操作簡便、成本較低。該爆破技術(shù)以最終將爆破技術(shù)運(yùn)用于瓦斯抽放日常工作為目的。

技術(shù)路線是：實(shí)行產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，以爆破技術(shù)為支撐。根據(jù)全息動光彈、全息干涉方法確定的條形藥包爆破應(yīng)力位移場特點(diǎn)，運(yùn)用DYNA 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬所確定的爆破參數(shù)和鉆孔參數(shù)，結(jié)合煤礦的實(shí)際情況進(jìn)行現(xiàn)場關(guān)鍵爆破技術(shù)的研究。抓住主要技術(shù)矛盾，突破過去預(yù)裂爆破存在的線裝藥密度不能調(diào)整、裝藥易堵孔、炸藥選擇違反規(guī)程、操作有安全隱患等諸多技術(shù)瓶頸。

關(guān)鍵爆破技術(shù)的確定：

1）炮孔裝藥方式和裝藥結(jié)構(gòu)。由于抽放孔大多為水平孔，向上或向下的角度較小，無法像一般工程爆破的垂直炮孔利用重力作用裝藥，加之煤層松軟易塌孔、瓦斯壓力較大等，裝藥相當(dāng)困難，因此裝藥方式是瓦斯孔控制爆破能否成功的關(guān)鍵，在試驗(yàn)開始根據(jù)以往的同類研究的得失和我們的設(shè)想，逐步采取以下三種方式進(jìn)行對比：第一種利用壓風(fēng)裝藥器進(jìn)行裝藥；第二種利用塑料管裝藥；第三種利用柔性材料串聯(lián)連接裝藥法。

2）炸藥品種的選擇。以前的瓦斯孔控制爆破技術(shù)之所以不能真正推廣，除了具有安全隱患、操作復(fù)雜工人不接受外，另一個重要的原因是只能使用粉狀的銨梯炸藥，無法使用防水炸藥。這樣無法在眾多有水的煤層中運(yùn)用，另外新的《煤礦安全規(guī)程》明確規(guī)定在瓦斯突出礦必須使用含水炸藥，這成了以往控制爆破難以突破的障礙?，F(xiàn)采用煤礦許用3# 安全炸藥。

3）爆破參數(shù)的確定：①鉆孔直徑的確定。鉆孔的直徑大小取決于煤層的賦存條件、煤的力學(xué)性能和鉆孔設(shè)備的類型、型號等，同時也受預(yù)抽等多方面條件的影響。一般來說，煤質(zhì)越硬，鉆孔越不容易塌孔，所以鉆孔直徑可以適當(dāng)減小，在鉆機(jī)型號和煤層賦存條件一定的條件下，鉆孔直徑越大，鉆孔速度越慢，鉆孔成本越高。另外，煤層的賦存條件越復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造變化大，煤層與夾矸交互越大的地段，鉆孔直徑越不適宜太大。其次，鉆機(jī)型號一定的條件下，鉆孔直徑大，鉆孔速度也就越慢。所以就煤層條件、地質(zhì)構(gòu)造和鉆孔設(shè)備幾方面的條件而言，鉆孔直徑不宜太大，否則鉆孔速度將明顯降低，成本也將增加。②鉆孔間距的確定。合理的鉆孔間距的大小取決于抽放率和抽放成本的高低，鉆孔間距小，鉆孔密，對抽放有利，但鉆孔工作量和成本將大大增加。利用先進(jìn)的美國大型爆炸問題計(jì)算軟件DYNA- 2D 對煤層在控制爆破作用條件下應(yīng)力分布、煤層的應(yīng)變狀態(tài)和產(chǎn)生的裂隙擴(kuò)展進(jìn)行模擬，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，在現(xiàn)場進(jìn)行不同階段的試驗(yàn)，以便驗(yàn)證模擬結(jié)果，摸索出爆后裂隙相連，工程量合理，經(jīng)濟(jì)低廉的炮孔間距。分別對孔間距為6，7，8m 進(jìn)行試驗(yàn)，采用隔孔爆破，即爆破孔之間的間距為12m，14m，16m，并最終確定孔距。

2.3 方案實(shí)施

1）鉆孔布置方式與施工參數(shù)。采煤工作面機(jī)、風(fēng)巷順層鉆孔沿煤層布置（如圖1），與工作面推進(jìn)時的煤壁平行，以防止工作面提前割穿鉆孔，造成鉆孔漏氣而影響鉆孔抽放濃度和鉆孔提前報(bào)廢。鉆孔濃度80～120m，當(dāng)機(jī)巷進(jìn)行設(shè)備安裝影響鉆孔施工時，風(fēng)巷順層鉆孔盡量加長。鉆孔傾角與煤層傾角保持一致，鉆孔間距3～6m，即抽放半徑1.5m，采用深孔預(yù)裂控制爆破提高煤層透氣性時，抽放半徑為3m，機(jī)、風(fēng)巷鉆孔終孔點(diǎn)間距10m，距邊界（切眼） 處煤幫10～15m。開孔孔徑115mm（長12 m），便于安裝孔口捕塵器和封孔，終孔孔徑87mm ～65mm。

圖1 工作面順層、穿層鉆孔布置圖

2） 鉆孔方式及封孔工藝。采用ZY—200 型、MYZ—150 型液壓鉆機(jī)施工鉆孔，仰孔采用水壓排渣，俯孔采用風(fēng)力排渣，孔口安裝捕塵器除塵。用KFB 型封孔泵封孔，封孔長度10～12m。封孔材料為水：水泥：石膏，按一定比例攪拌成漿體，經(jīng)封孔泵聯(lián)接孔內(nèi)注漿管，由里向外進(jìn)行封孔。風(fēng)巷施工順層鉆孔317 個，穿層鉆孔84 個，機(jī)巷順層86 個，穿層鉆孔86 個，由于煤層傾角變化和斷層影響，鉆孔深度在60～130 m 之間，并間隔對順層和穿層鉆孔實(shí)施了深孔預(yù)裂控制爆破，爆破孔長度50 m 以上。

3 爆破后瓦斯抽放效果

表1 風(fēng)巷控制爆破瓦斯自排量對比表

從表1 瓦斯自排量看，對比孔的瓦斯自排量為0.011～0.019m3/h，51～55 號孔爆破時，平均自排量0.014m3/h；爆破鄰近孔的瓦斯自排量為0.034～0.058m3/h，爆破孔自排量為0.068～0.266m3/h，是對比孔的5～14 倍。100～106 號孔爆破時，由于該區(qū)段煤層裂隙發(fā)育，發(fā)生了三次爆破孔與鄰近孔的貫穿，最為突出的是106 孔爆破后與107 號貫通，后者自排量最高達(dá)10.78m3/h，瓦斯?jié)舛葹?0%，圖2 為兩個爆破孔、一個爆破鄰近孔及爆破遠(yuǎn)區(qū)孔在爆后5～24 天的自排量進(jìn)行對比，爆破效果相當(dāng)明顯。

4 結(jié) 語

利用深孔預(yù)裂爆破提高低透氣煤層瓦斯抽放率的效果是非常好的，達(dá)到了技術(shù)上安全可靠、操作簡便、成本較低的目標(biāo)、具備在眾多高瓦斯礦推廣的條件。在相關(guān)爆破理論和爆破技術(shù)突破后，利用爆破方法進(jìn)行提高瓦斯抽放率的效果是相當(dāng)明顯，它的推廣前景十分光明。