松軟低透煤層深孔微差聚能爆破致裂機(jī)理

郭德勇，張 超，李 柯，朱同功

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083; 2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦，河南 平頂山 467013)

煤體在上覆巖層壓力及構(gòu)造應(yīng)力等作用下變得松軟、低透氣性，使煤層瓦斯抽采困難，影響礦井生產(chǎn)安全。為提高煤層透氣性開展了大量的研究工作[1-4]，煤層水力壓裂、聚能爆破、高壓空氣爆破等增透技術(shù)取得了重要進(jìn)展[5-8]。在松軟煤層進(jìn)行爆破時(shí)由于煤體結(jié)構(gòu)破碎，裂隙雜亂不均勻發(fā)育，導(dǎo)致爆破能量在傳輸過程中耗散過快，煤層致裂范圍受到限制，影響煤層增透效果。深孔聚能爆破在特定方向上形成聚能流侵徹煤體，進(jìn)而形成較大范圍裂隙，提高煤層透氣性[9-11]。

微差爆破技術(shù)在工程爆破中應(yīng)用廣泛，在提高爆破效率和降低爆破振動(dòng)方面取得了較好的應(yīng)用效果[12-14]。對(duì)微差爆破作用機(jī)理尤其在炮孔間應(yīng)力波的相互作用及對(duì)致裂效果影響方面進(jìn)行了廣泛研究:謝華剛等[15]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微差爆破應(yīng)力波疊加效應(yīng)是形成裂隙網(wǎng)的主導(dǎo)因素;BLAIR[16]指出微差起爆時(shí)炮孔間應(yīng)力波在形狀上明顯不同，但只能改善局部范圍的爆破效果;JOHANSSON等[17-18]則認(rèn)為無(wú)論微差時(shí)間是否在應(yīng)力波相互作用的時(shí)間范圍內(nèi)，巖石破碎程度沒有明顯差異。此外，在微差時(shí)間選取上，QIU等[19]認(rèn)為只有當(dāng)延遲間隔小于新自由面形成的時(shí)間時(shí)，才有可能形成大范圍爆破漏斗;陳士海等[20-21]發(fā)現(xiàn)質(zhì)點(diǎn)峰值速度局部放大效應(yīng)的幅值及范圍與微差時(shí)間和爆破荷載衰減系數(shù)密切相關(guān);而YUAN等[22]研究發(fā)現(xiàn)微差爆破效果受炮孔間距的影響比延遲時(shí)間更大。

綜上可知，微差爆破效果受微差時(shí)間、炮孔間距、爆破載荷衰減系數(shù)等因素影響，但在微差起爆如何改善爆破效果這一問題上尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，且微差爆破在松軟低透煤層中的應(yīng)用研究較少。筆者通過理論分析、數(shù)值模擬對(duì)微差聚能爆破作用過程、裂隙發(fā)育特征進(jìn)行研究，并以平煤股份十礦己15-33200工作面為例，設(shè)計(jì)并實(shí)施微差聚能爆破試驗(yàn)方案，探討微差聚能爆破對(duì)煤層增透的影響。研究結(jié)果不僅為煤層深孔聚能爆破參數(shù)優(yōu)化提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)，也對(duì)進(jìn)一步改善松軟低透煤層增透效果具有重要意義。

1 微差聚能爆破作用分析

1.1 微差聚能爆破作用過程

在煤層中進(jìn)行深孔微差聚能爆破時(shí)，根據(jù)炮孔位置可將煤層分為3個(gè)區(qū)域，如圖1(a)所示。

圖1 微差聚能爆破作用區(qū)域Fig.1 Schematic diagram of millisecond-delay blasting area

根據(jù)爆炸應(yīng)力波傳播特征，微差聚能爆過程可能出現(xiàn)2種情況:

(1)1號(hào)炮孔產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波在微差時(shí)間內(nèi)傳播至區(qū)域III(圖1(b))。1號(hào)炮孔先產(chǎn)生裂隙，應(yīng)力波在經(jīng)過2號(hào)炮孔后形成殘余應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)在孔壁發(fā)生反射拉伸，使2號(hào)炮孔邊出現(xiàn)拉伸應(yīng)力場(chǎng)，有利于裂隙形成;隨后2號(hào)炮孔起爆產(chǎn)生的應(yīng)力波傳播至1號(hào)炮孔附近裂隙時(shí)發(fā)生反射并與后續(xù)應(yīng)力波疊加形成衍生裂隙。

(2)1號(hào)炮孔產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波在微差時(shí)間內(nèi)傳播至區(qū)域II，未傳播至區(qū)域III(圖1(c))。兩炮孔產(chǎn)生的應(yīng)力波在區(qū)域II疊加，在后續(xù)傳播中與已形成的爆生裂隙相互作用促進(jìn)裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展。

1.2 爆生裂隙面對(duì)微差聚能爆破裂隙發(fā)育的影響

微差聚能爆破過程中，爆炸應(yīng)力波傳播至爆生裂隙會(huì)發(fā)生反射并與后續(xù)應(yīng)力波疊加。如圖2所示中任意一點(diǎn)Q，將同時(shí)受到入射波和經(jīng)裂隙面反射后的反射波共同作用。其中入射波為縱波，以入射角C向Q點(diǎn)傳播，反射縱波和反射橫波分別以反射角A,B向Q點(diǎn)傳播。

圖2 裂隙面存在時(shí)煤巖體中任意一點(diǎn)Q的應(yīng)力狀態(tài)Fig.2 State of stress at any point Q in a coal rock body when a crack surface exists

3種波在Q點(diǎn)引起的應(yīng)力分別為

(1)

式中，σiρ，σiφ，σrρ，σrφ分別為入射縱波和反射縱波引起的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力;τrρφ為反射橫波引起的剪應(yīng)力;P0為炮孔初始孔壁壓力;lij為i點(diǎn)到j(luò)點(diǎn)的距離(i=O,D,E;j=D,E,Q);r為炮孔半徑;α，β分別為應(yīng)力波隨傳播距離及時(shí)間變化的衰減系數(shù);λ為側(cè)向壓力系數(shù);Rp,Rs分別為反射縱波和反射橫波的反射系數(shù)。

以Q點(diǎn)為原點(diǎn)，OQ所在直線為x軸建立平面直角坐標(biāo)系，將3種波在Q點(diǎn)引起的應(yīng)力沿坐標(biāo)軸進(jìn)行分解后疊加:

(2)

式中，A1,B1分別為反射縱波和反射橫波與y軸的夾角。

上述應(yīng)力產(chǎn)生的主應(yīng)力由式(3)得到

(3)

而主應(yīng)力σ2與x軸夾角a2為

(4)

根據(jù)式(1)～(4)可得到拉伸主應(yīng)力σ2出現(xiàn)極大值時(shí)應(yīng)力方向分布(圖2)。當(dāng)入射縱波垂直入射裂隙面時(shí)，τ∑xy=0，此時(shí)σ2方向與入射縱波傳播方向垂直;當(dāng)合力點(diǎn)Q逐漸遠(yuǎn)離最小抵抗線時(shí)，拉伸主應(yīng)力σ2方向受反射波影響逐漸向裂隙面法向偏轉(zhuǎn)。此外，爆炸應(yīng)力波在裂隙面附近產(chǎn)生的拉伸主應(yīng)力極大值比沒有裂隙面時(shí)要大，這表明裂隙面的存在使附近煤巖體處于較易破壞的拉伸狀態(tài)，這對(duì)裂隙生成起到了積極作用。當(dāng)爆炸應(yīng)力波作用于裂隙尖端時(shí)，根據(jù)惠更斯原理會(huì)在裂隙尖端發(fā)生繞射而在裂隙面上發(fā)生反射，如圖3所示。

圖3 爆炸應(yīng)力波在裂隙面產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)Fig.3 Stress field generated by explosive stress wave on crack surface

基于線彈性理論可將爆炸應(yīng)力波在裂隙面產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)分解為垂直于裂隙面的正應(yīng)力σyy和平行于裂隙面的剪應(yīng)力σxy。假設(shè)應(yīng)力峰值為σ0，此時(shí)的正應(yīng)力與剪應(yīng)力[23]分別為

(5)

式中，γ為應(yīng)力波入射裂隙面的夾角;Cp為縱波波速;Cs為橫波波速。

由式(5)可知，當(dāng)此裂隙為靜態(tài)裂隙時(shí)，由于正應(yīng)力與剪應(yīng)力的聯(lián)合作用，在裂隙尖端產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)為衍生裂隙生成創(chuàng)造條件;若裂隙在應(yīng)力波作用時(shí)仍在擴(kuò)展，受剪應(yīng)力作用影響使裂隙擴(kuò)展方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。此外，當(dāng)γ=90°時(shí)，σxy=0，表明當(dāng)應(yīng)力波傳播方向與裂隙面平行時(shí)只會(huì)在裂隙面產(chǎn)生正應(yīng)力，即此時(shí)不會(huì)使裂隙發(fā)生偏轉(zhuǎn)，只會(huì)對(duì)裂隙擴(kuò)展速度產(chǎn)生影響。

1.3 炮孔壁對(duì)微差聚能爆破裂隙發(fā)育的影響

當(dāng)微差時(shí)間內(nèi)爆炸應(yīng)力波作用于后爆炮孔壁，此時(shí)的孔壁可視為一個(gè)自由面(圖4)?；趶椥圆▌?dòng)理論，入射縱波P1、反射縱波P2及反射橫波S2在孔壁疊加，此時(shí)孔壁的徑向應(yīng)力σρ及切向應(yīng)力σφ[24]為

圖4 炮孔壁對(duì)應(yīng)力波反射作用Fig.4 Reflection effect of blasting hole wall on stress wave

(7)

式中，α1，α2，β2分別為入射縱波的入射角以及反射縱波、反射橫波的反射角。

由式(6)可知，隨著入射角增大，孔壁受到的徑向應(yīng)力逐漸減小，而切向應(yīng)力先增大后減小。質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向角θ在大小上為橫波反射角β2的2倍[25]，且由于應(yīng)力波作用存在時(shí)間差，孔壁質(zhì)點(diǎn)存在速度差，使D點(diǎn)附近產(chǎn)生環(huán)向拉伸應(yīng)力，導(dǎo)致孔壁起裂形成徑向裂隙，同時(shí)受反射拉伸應(yīng)力波作用形成環(huán)向裂隙。

1.4 應(yīng)力波疊加對(duì)微差聚能爆破裂隙發(fā)育的影響

當(dāng)先爆炮孔產(chǎn)生的應(yīng)力波在微差時(shí)間內(nèi)傳播距離小于炮孔間距時(shí)，兩炮孔產(chǎn)生的應(yīng)力波會(huì)在炮孔間疊加。假定此時(shí)兩應(yīng)力波在相遇位置附近的傳播速度保持不變，由于微差時(shí)間的存在，應(yīng)力波疊加位置相對(duì)靠近2號(hào)炮孔，且疊加位置沿x軸正方向偏移，應(yīng)力波峰相互疊加增強(qiáng)使2號(hào)炮孔附近更易形成爆生裂隙。由于兩應(yīng)力波在疊加點(diǎn)處的應(yīng)力分量不同，因此不會(huì)在炮孔間形成均壓區(qū)，避免了裂隙空白帶的產(chǎn)生。

圖5 微差爆破應(yīng)力波疊加Fig.5 Stress wave superposition of millisecond blasting

2 微差聚能爆破數(shù)值分析

2.1 微差聚能爆破數(shù)值分析模型

為分析微差聚能爆破裂隙發(fā)育擴(kuò)展特征，通過ANSYS/LS-DYNA軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖6所示。

圖6 微差聚能爆破數(shù)值計(jì)算模型Fig.6 Numerical model of millisecond-delay cumulative blasting

根據(jù)工程實(shí)際條件，深孔聚能爆破軸向裝藥長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于裝藥直徑，且兩炮孔除起爆時(shí)間其他爆破參數(shù)均保持一致，深孔微差聚能爆破過程可視為平面應(yīng)變問題處理。據(jù)此將模型整體尺寸分別定為2 000 cm×1 000 cm×0.2 cm,2 500 cm×1 000 cm× 0.2 cm，對(duì)應(yīng)炮孔間距S分別為10,15 m，1號(hào)炮孔先起爆，2號(hào)炮孔后起爆，起爆時(shí)差均為13 ms，炮孔直徑89 mm、炸藥直徑50 mm、聚能槽翼面長(zhǎng)10 mm、厚度2 mm。模型關(guān)于炮孔連線上下對(duì)稱，因此只需對(duì)上半部分模型進(jìn)行求解。對(duì)模型前后平面施加Z方向約束，對(duì)炮孔連線所在平面施加Y方向約束，同時(shí)對(duì)模型其他邊界施加無(wú)反射邊界條件約束。

聚能槽、空氣和煤體分別采用關(guān)鍵字MAT_JOHNSON_COOK,MAT_NULL和MAT_PLASTIC_KINEMATIC進(jìn)行定義。炸藥爆轟壓力采用JWL狀態(tài)方程[26]進(jìn)行描述:

(7)

其中，Pe為爆轟波壓力，GPa;V為相對(duì)體積，m3;E0為炸藥初始內(nèi)能，GPa;A,B，γ1，γ2，ω均為與炸藥材料相關(guān)的參數(shù)。試驗(yàn)采用煤礦許用3級(jí)乳化炸藥，其相關(guān)參數(shù)分別為:密度1 140 kg/m3，爆速3 200 m/s，A=246.1 GPa，B=10.26 GPa，γ1=7.177，γ2=2.401，ω=0.069，E0=4.19 GPa。聚能槽為鋁質(zhì)，密度為2 700 kg/m3。爆炸載荷作用下煤體的破壞類型以壓剪破壞和拉伸破壞為主，因此使用關(guān)鍵字MAT_ADD_EROSION定義破壞失效準(zhǔn)則，當(dāng)煤體受力超過其動(dòng)態(tài)強(qiáng)度時(shí)將會(huì)失效。

2.2 微差聚能爆破煤體單元應(yīng)力分析

微差聚能爆破過程中，微差時(shí)間與炮孔間距會(huì)對(duì)應(yīng)力波傳播產(chǎn)生影響，為進(jìn)一步分析微差爆破作用機(jī)理，在上述數(shù)值模型中，選取兩炮孔連線上的煤體單元進(jìn)行分析，如圖7所示。

圖7 微差聚能爆破測(cè)點(diǎn)單元分布Fig.7 Distribution of measuring elements in numerical millisecond-delay cumulative blasting model

當(dāng)炮孔間距S=10 m時(shí)，在炮孔間選取四等分點(diǎn)C1,D1,E1作為測(cè)點(diǎn)單元;當(dāng)炮孔間距S=15 m時(shí)在炮孔間選六等分點(diǎn)C2,D2,E2,F2,G2以及爆轟波峰疊加位置H2為測(cè)點(diǎn)單元?；跀?shù)值計(jì)算結(jié)果繪制了各測(cè)點(diǎn)單元的應(yīng)力時(shí)程曲線，如圖8所示。

圖8 不同炮孔間距下測(cè)點(diǎn)單元應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.8 Stress time-history curves of measuring elements under different blast hole distances

1號(hào)炮孔起爆后測(cè)點(diǎn)單元C1,D1,E1依次到達(dá)應(yīng)力峰值且距1號(hào)炮孔越遠(yuǎn)峰值越低，在2號(hào)炮孔起爆后測(cè)點(diǎn)單元E1,D1,C1依次到達(dá)應(yīng)力峰值，且C1(D1,E1)第1次到達(dá)的應(yīng)力峰值與E1(D1,C1)第2次到達(dá)的應(yīng)力峰值幾乎相等，但在測(cè)點(diǎn)單元第2次到達(dá)應(yīng)力峰值迅速衰減后又再次回升。分析認(rèn)為煤體在1號(hào)炮孔起爆作用后存在殘余應(yīng)力，2號(hào)炮孔產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力場(chǎng)與殘余應(yīng)力場(chǎng)相互作用延長(zhǎng)了應(yīng)力作用時(shí)間，使靠近2號(hào)炮孔的煤體更易破壞。

1號(hào),2號(hào)炮孔相繼起爆后測(cè)點(diǎn)單元H2由于應(yīng)力波疊加使應(yīng)力峰值顯著提高;測(cè)點(diǎn)單元C2,D2,E2,F2,G2依次到達(dá)應(yīng)力峰值，但G2第2次到達(dá)的應(yīng)力峰值略小于C2第1次到達(dá)的應(yīng)力峰值。表明爆炸應(yīng)力波在炮孔間疊加時(shí)，并非所有單元應(yīng)力峰值都會(huì)升高，也會(huì)存在應(yīng)力波正壓區(qū)與負(fù)壓區(qū)疊加導(dǎo)致應(yīng)力峰值降低的現(xiàn)象。

2.3 微差聚能爆破裂隙發(fā)育特征

微差聚能爆破裂隙發(fā)育過程如圖9所示。當(dāng)炮孔間距S為10 m時(shí)，1號(hào)炮孔起爆后裂隙向四周擴(kuò)展，并在2號(hào)炮孔周圍形成殘余應(yīng)力場(chǎng)，使2號(hào)炮孔起爆后形成更加密集的裂隙，提高了非聚能方向上的裂隙范圍。當(dāng)2號(hào)炮孔產(chǎn)生的應(yīng)力波經(jīng)過區(qū)域①時(shí)，在裂隙尖端和裂隙面發(fā)生繞射和反射形成衍生裂隙。隨著應(yīng)力波進(jìn)一步傳播，在區(qū)域②的裂隙面之間發(fā)生連續(xù)的反射疊加，使衍生裂隙進(jìn)一步生成和擴(kuò)展。

圖9 微差聚能爆破裂隙發(fā)育過程Fig.9 Process of crack propagation in millisecond shaped charge blasting

當(dāng)炮孔間距為15 m時(shí)，1號(hào),2號(hào)炮孔產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波在炮孔間相遇疊加(圖9(d))。由于存在起爆時(shí)差，使疊加區(qū)域更靠近2號(hào)炮孔，在2號(hào)炮孔附近形成了更為密集的裂隙。隨著應(yīng)力波進(jìn)一步傳播與1號(hào)炮孔產(chǎn)生的裂隙相遇，在區(qū)域③發(fā)生正反射形成了與裂隙面相平行的衍生裂隙，在區(qū)域④由于應(yīng)力波的斜反射及繞射作用形成了與區(qū)域②類似的衍生裂隙。此外，受應(yīng)力波作用影響區(qū)域⑤的爆生裂隙擴(kuò)展方向朝右側(cè)偏轉(zhuǎn)。

3 微差聚能爆破作用機(jī)理討論

結(jié)合理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果，微差聚能爆破裂隙生成與擴(kuò)展過程根據(jù)爆炸應(yīng)力波傳播特征可分為2種情況:

(1)如圖10(a)所示，1號(hào)炮孔產(chǎn)生的應(yīng)力波在2號(hào)炮孔起爆時(shí)已傳播至2號(hào)炮孔右側(cè)，由于控制孔效應(yīng)在2號(hào)炮孔附近形成拉伸應(yīng)力場(chǎng)，使孔壁起裂形成徑向裂隙，同時(shí)受反射拉伸應(yīng)力波作用形成環(huán)向裂隙(圖10(a)中Ⅰ)。2號(hào)炮孔利用1號(hào)炮孔作用形成的殘余應(yīng)力場(chǎng)使炮孔周圍產(chǎn)生更密集的裂隙，隨后當(dāng)應(yīng)力波入射裂隙面時(shí)，在裂隙尖端發(fā)生繞射與反射并與爆生氣體共同作用形成衍生裂隙(圖10(a)中Ⅱ)。

圖10 微差聚能爆破裂隙生成與擴(kuò)展過程Fig.10 Crack initiation and propagation process of millisecond-delay cumulative blasting

(2)如圖10(b)所示，1號(hào),2號(hào)炮孔相繼起爆使應(yīng)力波在炮孔間相遇疊加，隨后應(yīng)力波進(jìn)一步傳播在裂隙面附近成衍生裂隙(圖10(b)中Ⅲ);應(yīng)力波在裂隙之間發(fā)生反射形成拉伸應(yīng)力波，拉伸應(yīng)力波相互干涉增強(qiáng)對(duì)煤巖體產(chǎn)生復(fù)雜的破壞作用，在原有爆生裂隙間形成了新的裂隙。當(dāng)應(yīng)力波傳播方向與裂隙面平行時(shí)，應(yīng)力波作用于裂隙面且波形不發(fā)生變化，裂隙面會(huì)先后經(jīng)歷受壓和受拉作用，而裂隙是否能夠起裂取決于應(yīng)力波作用裂隙產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度大小(圖10(b)中Ⅳ)。

綜上所述，在微差聚能爆破過程中，微差聚能爆破的新自由面和應(yīng)力波疊加效應(yīng)是促進(jìn)爆生裂隙擴(kuò)展、衍生裂隙形成的關(guān)鍵因素。在微差聚能爆破過程中煤體在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷兩次爆破作用，第2次爆破利用第1次爆破形成的殘余應(yīng)力場(chǎng)增大了爆生裂隙密度;爆炸應(yīng)力波在裂隙面尖端發(fā)生繞射，在裂隙面之間發(fā)生多次反射疊加形成衍生裂隙;后爆炮孔的控制孔效應(yīng)使孔壁附近形成拉伸應(yīng)力場(chǎng)，有利于聚能方向裂隙生成。微差時(shí)間與炮孔間距是影響爆生裂隙擴(kuò)展特征的重要因素，在其他條件不變的情況下，微差時(shí)間和炮孔間距共同作用決定了爆生裂隙的發(fā)育形態(tài)。當(dāng)微差時(shí)間內(nèi)先爆炮孔產(chǎn)生應(yīng)力波傳播距離小于兩炮孔間距時(shí)，爆炸應(yīng)力波在兩炮孔間煤體中相互疊加有利于裂隙生成。

4 深孔微差聚能爆破工程試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)區(qū)瓦斯地質(zhì)條件

以平煤股份十礦己15-33200工作面為試驗(yàn)區(qū)，該工作面標(biāo)高為-880～-960 m。所采煤層原始瓦斯壓力最大值為2.5 MPa，煤層原始瓦斯含氣量為10.48 m3/t，煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.2～0.6，煤層透氣性系數(shù)為0.052～0.076 m2/(MPa2·d)，屬于松軟低透煤層。

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究不同爆炸應(yīng)力波傳播特征下的微差聚能爆破煤層致裂機(jī)理，通過設(shè)計(jì)不同微差時(shí)間和炮孔間距組合的微差聚能爆破試驗(yàn)來(lái)達(dá)到這一目的。根據(jù)工程實(shí)際條件可實(shí)現(xiàn)的最小微差時(shí)間為13 ms，以煤中應(yīng)力波速為1 200 m/s為例進(jìn)行計(jì)算，先爆炮孔產(chǎn)生的應(yīng)力波在13 ms后會(huì)傳播至14.4 m以外。若想通過保持炮孔間距一定改變微差時(shí)間來(lái)達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康模枰O(shè)置較大的炮孔間距，但炮孔間距過大會(huì)減弱兩炮孔爆破的相互作用，無(wú)法通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)反映微差聚能爆破作用特征。因此將微差時(shí)間固定為13 ms，通過改變炮孔間距探討微差聚能爆破對(duì)煤層致裂增透的影響。沿煤層傾向布置順層炮孔，炮孔直徑89 mm，裝藥直徑50 mm，孔深50 m，單孔裝藥量18 kg，炮孔周邊布置瓦斯抽采鉆孔聯(lián)網(wǎng)抽采瓦斯。試驗(yàn)采用孔間微差爆破，雷管延期時(shí)間分別為12 ms和25 ms。兩炮孔間距S設(shè)置為10～20 m，共計(jì)12個(gè)炮孔，每2個(gè)炮孔1組，共計(jì)6組，組與組間相鄰炮孔距離為20 m，炮孔布置如圖11所示。

圖11 平煤股份十礦己15-33200機(jī)巷煤層深孔聚能 爆破試驗(yàn)炮孔布置Fig.11 Blast hole layout in 33200 working face of No.10 coal mine of Pingdingshan

4.3 試驗(yàn)結(jié)果及效果

為考察微差聚能爆破增透效果，以12號(hào)炮孔為例對(duì)比左右兩側(cè)抽采孔爆破后瓦斯體積分?jǐn)?shù)增幅，如圖12所示。

圖12 炮孔兩側(cè)抽采孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)增幅變化Fig.12 Change diagram of gas volume fraction increase on both sides of blasting hole

在實(shí)施微差聚能爆破后，隨著遠(yuǎn)離12號(hào)炮孔，兩側(cè)抽采孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)增幅差異越大:距炮孔1 m的兩抽采孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)增幅比較接近，說明一次爆破后該區(qū)域裂隙已充分發(fā)育，微差爆破對(duì)該處增透效果提升不明顯;距炮孔3 m的兩抽采孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)增幅出現(xiàn)一定差異，這表明在經(jīng)過第2次爆破作用后促進(jìn)了爆生裂隙生成，進(jìn)一步提高了增透效果;距炮孔5 m的兩抽采孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)增幅差異較大，表明受微差聚能爆破作用影響炮孔左側(cè)煤體裂隙充分貫通，增透效果提升明顯。

根據(jù)炮孔間瓦斯抽采孔的瓦斯體積分?jǐn)?shù)分析不同炮孔間距下兩孔之間爆破增透效果，如圖13所示。

圖13 平煤股份十礦己15-33200運(yùn)輸巷煤層深孔聚能爆破試驗(yàn)鉆孔抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化Fig.13 Variation of gas volume fraction in borehole drainage in 33200 working face of No.10 Coal Mine of Pingdingshan

當(dāng)微差時(shí)間一定時(shí)，隨兩炮孔間距增大孔間抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)增幅呈下降趨勢(shì):當(dāng)抽采孔距離兩炮孔小于8 m，即炮孔間距小于16 m時(shí)，爆破后中間位置抽采孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)增幅大于45%，表明兩炮孔間煤體裂隙發(fā)育程度較高，增透效果明顯;當(dāng)抽采孔距離兩炮孔超過8 m，即炮孔間距超過16 m時(shí)，爆破后中間位置抽采孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)增量小于10%，且瓦斯體積分?jǐn)?shù)增幅低于20%，表明兩炮孔間距過大會(huì)導(dǎo)致兩炮孔間裂隙未充分貫通，出現(xiàn)增透有效范圍未覆蓋區(qū)域。

5 結(jié) 論

(1)微差聚能爆破的自由面和應(yīng)力波疊加作用促進(jìn)了爆生裂隙的擴(kuò)展與衍生裂隙的形成。應(yīng)力波在爆生裂隙面發(fā)生反射、繞射主導(dǎo)了衍生裂隙的形成，第2次爆破利用第1次爆破形成的殘余應(yīng)力場(chǎng)提高了爆生裂隙密度，增大了煤體致裂范圍。

(2)在選取合適微差時(shí)間及炮孔間距的情況下，炮孔產(chǎn)生的應(yīng)力波在孔間煤體相互疊加，隨后爆炸應(yīng)力波在裂隙面尖端發(fā)生繞射、在裂隙面之間發(fā)生多次反射疊加形成衍生裂隙。此外，受斜入射應(yīng)力波作用影響，擴(kuò)展中的爆生裂隙會(huì)發(fā)生一定程度的偏轉(zhuǎn)。

(3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，在煤層中進(jìn)行微差聚能爆破，炮孔間煤體在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷兩次爆破作用促進(jìn)裂隙進(jìn)一步發(fā)育，相比炮孔外側(cè)煤體增透效果明顯提升。當(dāng)微差時(shí)間一定時(shí)，隨兩炮孔間距減小孔間煤體裂隙更易貫通，最終使煤層增透效果更好。