松軟低透煤層掘進工作面聚能爆注定向卸壓一體化技術研究

魏啟磊

(河南神火集團 梁北煤礦，河南 禹州 461670)

近年來，深井、低透煤層的瓦斯與高地應力耦合災害愈加突出，成為制約礦井安全的重大風險和難以解決的棘手問題，部分礦井因未有效解決該問題甚至造成煤與瓦斯突出事故。為有效解決掘進工作面的瓦斯事故，研究學者采取了大直徑鉆孔卸壓消突、開采保護層、預抽煤層瓦斯、強化致裂等增透措施；其中強化致裂方法可分為增壓法和卸壓法[1-3]，增壓法包括水力壓裂[4-6]、氣相爆破[7-10]等，而針對卸壓增透與防突，許多學者也開展了大量的研究與應用[11-14]。

為保證掘進工作面的安全掘進，煤層卸壓措施中的順層鉆孔預抽瓦斯的局部措施必將逐步被區(qū)域卸壓消突的穿層鉆孔所取代，穿層鉆孔結合水利化措施極大地降低了掘進工作面突出危險性，但是水利化措施在煤層中留下許多不規(guī)則孔洞和不規(guī)則煤柱，在上覆巖層的作用下容易在工作面前方形成應力集中區(qū)域。一旦掘進工作面推進到此處，很容易發(fā)生因局部應力集中引起的低指標突出、支護困難等現(xiàn)象，給礦井的安全生產留下隱患。深孔爆破效果優(yōu)勢明顯但容易破壞煤層的頂?shù)装?，給后期的掘進支護帶來不利影響，且一旦遇到啞炮，不僅處理困難，還增加了安全隱患和支護成本。因此有必要進行掘進工作面卸壓的新技術研究。

松爆后的鉆孔周圍產生大量徑向裂隙，能釋放煤體瓦斯和地應力，改變應力集中的位置，降低回采、掘進過程中的突出危險性。煤體瓦斯排放后，有效應力增加，提高煤體的機械強度，達到消突的目的。但工程應用上發(fā)現(xiàn)松動爆破后煤體力學性質降低，出現(xiàn)采面片幫嚴重、巷道支護難度增大的現(xiàn)象，同時松爆工藝執(zhí)行過程中，面臨炸藥難以送達指定地點、啞炮處理困難、傳統(tǒng)黃泥封孔質量與效率低下等問題，制約著松爆技術的進一步發(fā)展與應用。

聚能爆破技術的出現(xiàn)為課題研究提供了方向，為破解這一瓶頸，根據(jù)注水濕潤煤體可有效降低突出危險性，以及對煤體進行松動爆破可提前釋放煤層應力，課題組將松動爆破和注水結合起來，對爆注一體化技術進行了積極探索和實施。松動爆破在釋放地應力和瓦斯方面效果較佳，水力耦合爆破可提升爆破效果，爆注后裂隙發(fā)育，注水效果明顯，有效保證了掘進工作面的安全。

1 工程概況

梁北煤礦位于河南許昌禹州市梁北鎮(zhèn)境內，礦井核定生產能力90萬t/a，開采山西組二1煤層，平均煤厚4.61 m，傾角5～18°，煤種為貧瘦煤。煤層瓦斯壓力0.6～2.75 MPa，瓦斯含量5.73～12.46 m3/t，堅固性系數(shù)0.15～0.25，煤層透氣性系數(shù)0.001 1～0.045 4 m2/ MPa2·d，屬于較難抽放性“三軟”煤層。本次試驗地點定在梁北礦的32051中巷，是32采區(qū)首采工作面32051工作面的中間巷，位于32采區(qū)東翼，北部為32051風巷，南部為32051機巷，西至采區(qū)上山保護煤柱，東至32051工作面切眼，用于工作面通風、運輸、行人。32051中巷標高-484.61～-456.7 m，埋深568.3～595.5 m，設計長度715.5 m，平均煤厚4.5 m，實測最大瓦斯含量為7.57 m3/t，實測最大瓦斯壓力為0.8 MPa，分析認為，二1煤層的32051工作面具有突出危險性。

為防止瓦斯?jié)舛冗^高以及解決因底板巷水利化措施期間產生達到小煤柱引起掘進工作前方應力集中的安全隱患，掘進工作面需根據(jù)煤層厚度施工大量的消突鉆孔，工程量非常大。鉆孔大量施工嚴重影響了掘進工作面的掘進速度，且消除應力集中的影響非常有限，月進尺嚴重不足，不論從生產角度還是安全角度都嚴重影響了采掘接替。因此必須在保證安全的情況下采取一種高效的消除掘進面應力集中的措施。

2 聚能爆注定向卸壓一體化技術原理

松動爆破技術是在工作面前方存在一定卸壓煤體防護下，在工作面前方煤體中引爆定向卸壓切縫炮眼，使得煤體產生定向松動爆破。在含瓦斯煤體中進行定向松動爆破的目的是增加煤體的裂隙長度和范圍，以提高煤體的透氣性。爆破后炮眼周圍煤體的破裂與松動形成卸壓圈，使煤體原始集中應力帶及高壓瓦斯帶移向煤體深部，同時有利于消除由于煤質軟硬不均及地質構造而引起的應力集中，降低煤體瓦斯壓力梯度和應力梯度。但由于封孔難度大，存在啞炮的風險，限制了該工藝的進一步推廣。

煤層注水是將一定壓力的水通過鉆孔注入煤體內，使其滲入煤體內部，破壞煤體內部原有煤與瓦斯兩相體系的平衡，形成煤、瓦斯、水三相體系，體系內各個介質相互作用，使煤的物理、化學性質及熱力學性質發(fā)生變化，從而降低其突出危險性的一種防治煤與瓦斯突出的措施。

定向聚能爆注一體化示意如圖1所示。在炮眼施工完畢后，將炸藥裝入聚能管(圖2)中改進礦用傳統(tǒng)裝藥模式，采用爆注封孔器和炮泥封堵炮眼并持續(xù)注水充填炮眼內剩余空間，最后實施爆破。通過聚能管定向切縫爆破和持續(xù)注水形成了聚能爆注定向卸壓技術，該技術結合了聚能爆破和煤體注水的優(yōu)點，不但能改善煤體透氣性，解決掘進作業(yè)中的瓦斯問題，而且能大大降低掘進產塵量，加快掘進速度。

圖1 定向聚能爆注一體化示意

3 聚能爆注定向卸壓一體化技術試驗

1) 炮孔布置。根據(jù)應力波疊加作用、煤層硬度及聚能管結構特征等因素綜合考慮，依據(jù)煤厚布置3～5個炮眼，炮眼深10.2 m，孔徑為75 mm，炮孔間距為2 m，布置平面圖和剖面圖如圖3和圖4所示。后期可根據(jù)致裂效果調整炮孔間距，開孔位置一般為距煤層頂板2 m左右，并按相關規(guī)定分配好各炮眼的炸藥和雷管數(shù)。

圖2 聚能管結構

圖3 炮孔布置平面圖(m)

圖4 炮孔布置剖面圖(m)

2) 裝藥倉的制作及裝藥。將炸藥裝入聚能管內，單孔炮頭按并聯(lián)方式連接，將炮線引出，同時將聚能管外端系上安全繩。

3) 送藥。向炮眼內裝入帶有炸藥的聚能管前，必須使用空PVC管檢驗鉆孔深度是否合格，如不合格重新透孔或打孔。聚能管在炮眼內的角度嚴格按照設計放置，聚能管的聚能穴平行于切縫方向，確保定向爆破效果。

4) 連線。延長雷管腳線時，接頭線用礦用絕緣防水膠布纏裹嚴實，爆破鉆孔采用單孔雷管并聯(lián)、孔與孔之間全部串聯(lián)的連接方式。

5) 封孔器連接。為保證安全及爆破效果，封孔長度應大于爆破孔長度的30%，爆注一體化封孔器結構示意如圖5所示。將封孔器送至距孔口5 m位置，連接封孔器高壓軟管，注水使封孔器壓力表顯示1.0 MPa以上、注水管流量表基本停止轉動即停止注水，關閉封孔器注水管高壓球閥，開啟供水管卸壓閥卸壓后拆掉注水器注水連接管。

圖5 封孔器結構示意

6) 封孔和注水。封孔器外剩余炮孔段用炮泥封實但不得過緊，不得損傷雷管腳線。將靜壓注水管對接封孔器高壓膠管，將鉆孔內空余部分充滿水，煤壁滲水，封堵不成時撤人放炮，放炮期間不間斷注水。

4 試驗效果

在32051中巷進行了聚能爆注定向卸壓一體化技術試驗后，從預測指標、巷道瓦斯?jié)舛取⒆⑺敖祲m情況3個方面分別對試驗前后的試驗效果進行了對比和分析：

1) 預測指標變化。實施聚能爆注定向卸壓一體化技術工藝后，煤體的破裂與松動形成卸壓圈，瓦斯鉆孔驗證指標有所下降。通過對比分析，解吸值△h2由試驗前的120～140 Pa降至100～120 Pa，鉆屑量S由試驗前的3.2～4.6 kg/m降至3.0～3.8 kg/m.

2) 巷道瓦斯變化。試驗前后巷道內的瓦斯?jié)舛茸兓闆r如圖6所示，可以看出,爆注試驗后瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)明顯的上升趨勢(未超限)，平均值從0.013%增加至0.163%.說明實施聚能爆注定向卸壓一體化技術工藝能進一步定向增加煤的裂隙大小和破碎范圍，使煤體內瓦斯進一步卸壓和解吸。

圖6 爆注前后瓦斯?jié)舛葯z測結果分析

3) 注水及降塵情況。在未進行聚能爆注定向卸壓一體化技術工藝試驗前，煤體浸水性極差，基本無法注水；試驗后，由于煤體受定向爆破后裂隙發(fā)育的影響，煤體內部結構發(fā)生改變，吸水性得到有效提升，單孔注水量達到0.1～0.7 m3，平均0.5 m3.經檢測，定向爆破區(qū)域煤體的含水率由1.26%～1.45%提升至2.35%～2.75%，這說明實施聚能爆注定向卸壓一體化技術工藝后，煤體吸水性有一定提升，提高了注水量。同時，在掘進施工期間可以明顯看出，煤體較為濕潤，巷道內粉塵濃度明顯下降，工作面作業(yè)環(huán)境得到有效改善。

5 結 語

1) 針對工作面掘進過程中出現(xiàn)的瓦斯和粉塵等問題，單純采用一種措施難以有效解決，且施工強度增加，耗費更多人力物力，甚至可能誘發(fā)新的問題，因此有必要針對掘進工作面出現(xiàn)的一系列問題探究行之有效的新技術。

2) 通過本次試驗結果可知，實施聚能爆注定向卸壓一體化技術可使工作面前方煤體應力峰值前移，煤體塑性增強，裂隙增多增大，平均注水量增加，促進了煤體內瓦斯進一步解吸，粉塵濃度下降，異?，F(xiàn)象基本消除，為松軟低透煤層工作面安全高效回采奠定了基礎。