深孔預(yù)裂爆破在工作面瓦斯抽采中的應(yīng)用

郭育東

（山西沁和能源集團(tuán)有限公司候村煤礦，山西 晉城 048000）

在高瓦斯或煤與瓦斯突出礦井的瓦斯抽采過(guò)程中，部分礦井因煤層透氣性差、局部防突措施作用范圍小等原因，導(dǎo)致瓦斯抽采效果差、抽采時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題，對(duì)安全生產(chǎn)造成較大影響。深孔預(yù)裂爆破技術(shù)是通過(guò)施工深孔并裝藥爆破，致使煤體內(nèi)部增加裂隙，從而提高煤體透氣性［1-2］，在低透氣性煤層的石門揭煤、工作面消突等瓦斯抽采中對(duì)提高抽采效率具有較好的工程應(yīng)用效果。侯村煤礦主采的3號(hào)煤層為低滲透煤層，3605工作面因鉆孔抽采效率低、抽放時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，決定采取深孔預(yù)裂爆破增透技術(shù)，以增強(qiáng)煤層透氣性，實(shí)現(xiàn)瓦斯高效抽采。

1 工程概況

沁和能源集團(tuán)有限公司侯村煤礦屬高瓦斯礦井。礦井3605工作面走向長(zhǎng)度1 380 m，傾向長(zhǎng)度180 m?；夭?號(hào)煤層，煤層厚度2.1～8.6 m，均厚5.6 m，煤層傾角4°～8°，煤層硬度系數(shù)0.35，煤層透氣性系數(shù)為0.453 m2/MPa2·d，煤層透氣性較差，瓦斯抽采較為困難。煤層頂板為較為致密粉砂巖及中粒砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖與泥巖互層。

根據(jù)礦井瓦斯地質(zhì)資料可知，3605工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為10.3 m3/min，煤層原始瓦斯壓力為0.486 MPa，瓦斯含量平均7.12 m3/t，可解析瓦斯量為4.93 m3/t，不可解析量為2.19 m3/t，瓦斯流量衰減系數(shù)為0.046 d-1，3號(hào)煤層屬可抽采煤層。礦井采取的瓦斯治理措施為本煤層順層鉆孔預(yù)抽+頂板高位鉆孔裂隙帶抽采。該礦3號(hào)煤層雖屬可抽采煤層，但煤層松軟，鉆孔容易垮塌堵塞，導(dǎo)致順層鉆孔瓦斯抽采效率低，工作面回采期間仍存在風(fēng)排瓦斯量較高，影響工作面安全生產(chǎn)，因此，決定采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)進(jìn)行煤層增透，以提高瓦斯抽采效率。

2 深孔預(yù)裂爆破的致裂原理

深孔預(yù)裂爆破主要是利用深孔內(nèi)炸藥爆炸產(chǎn)生高壓爆生氣體及強(qiáng)勁的爆破沖擊波，使被爆介質(zhì)出現(xiàn)震動(dòng)從而產(chǎn)生裂隙，其裂隙以環(huán)向及徑向的方式以鉆孔為中心向遠(yuǎn)端擴(kuò)散，環(huán)向及徑向裂隙的交叉區(qū)域被稱為爆破中區(qū)［3］，爆破中區(qū)的末端位置因受爆生氣體的靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)作用出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而使爆破中區(qū)的裂隙進(jìn)一步向外擴(kuò)散。

采用深孔預(yù)裂爆破增透作業(yè)時(shí)，一般布置的深孔分為爆破孔和控制孔，爆破孔主要作用是裝藥爆破，控制孔不裝藥，其作用主要是進(jìn)行裂隙傳導(dǎo)。當(dāng)爆破孔內(nèi)的炸藥被引爆后，其爆炸產(chǎn)生的爆生氣體及沖擊波會(huì)直接導(dǎo)致鉆孔周圍形成數(shù)米的初始裂隙［4］，初始裂隙以炮孔為中心呈交叉裂隙網(wǎng)形態(tài)，爆破后，孔內(nèi)形成的高壓爆生氣體形成的靜態(tài)應(yīng)力繼續(xù)通過(guò)初始裂隙向外傳導(dǎo)，傳導(dǎo)至交叉裂隙網(wǎng)的邊緣后，煤巖體內(nèi)的原始裂隙受爆生氣體壓力影響進(jìn)一步增大及擴(kuò)散，當(dāng)爆生氣體壓力通過(guò)裂隙傳導(dǎo)至控制孔后，使控制孔周圍形成一個(gè)次生裂隙圈，從而增大裂隙區(qū)域，直至爆生氣體的應(yīng)力衰減至與裂隙末端的原巖應(yīng)力一致后停止裂隙擴(kuò)散，其裂隙分布情況如圖1所示。

圖1 深孔預(yù)裂爆破裂隙分布

3 3605工作面煤層深孔預(yù)裂爆破方案

根據(jù)深孔預(yù)裂爆破的致裂原理，結(jié)合3605工作面傾斜長(zhǎng)度、煤層傾角等參數(shù)，對(duì)3605工作面煤層深孔預(yù)裂爆破方案設(shè)計(jì)如下：

3.1 鉆孔布置與參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)深孔預(yù)裂爆破相關(guān)理論、試驗(yàn)及工程實(shí)踐結(jié)果表明［2-3］，深孔預(yù)裂爆破的致裂范圍與被爆介質(zhì)的物理力學(xué)特征相關(guān)。查詢相關(guān)工程實(shí)踐結(jié)果可知，在硬度系數(shù)0.15～0.5間的煤層內(nèi)采取深孔預(yù)裂爆破進(jìn)行煤層致裂增透時(shí)，爆破孔與控制孔間距宜控制在10 m以內(nèi)，且隨鉆孔間距的縮小致裂程度增大。綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素，將3605工作面煤層深孔預(yù)裂爆破的爆破孔與控制孔間距設(shè)計(jì)為8 m。

在工作面回風(fēng)順槽、運(yùn)輸順槽的煤層中均布置深孔進(jìn)行預(yù)裂爆破，孔深均設(shè)計(jì)為84 m，開孔位置為距巷道底板1.5 m處，鉆孔方位為垂直于巷道幫部，鉆孔傾角與現(xiàn)場(chǎng)煤層傾角一致，爆破孔與控制孔交替布置，孔間距8 m，爆破孔孔徑為73 mm，控制孔孔徑為95 mm，鉆孔布置如圖2所示。

圖2 爆破孔與控制孔布置

3.2 裝藥與封孔工藝

（1）裝藥工藝：炸藥采用?30 mm×300 mm的乳化炸藥，為防止鉆孔施工到位后裝藥前鉆孔塌孔，在鉆孔施工到位并退桿后立即采用?50 mm的聚乙烯管下套管，然后在套管內(nèi)裝藥爆破［5］。裝藥期間，先將導(dǎo)爆索穿過(guò)第一支炸藥并固定在末端防止拽出，然后將第一支炸藥送入孔底，再將逐節(jié)炸藥穿過(guò)導(dǎo)爆索通過(guò)套管送入鉆孔內(nèi)。裝入孔內(nèi)的炸藥要盡量保證緊密，一次性推入孔內(nèi)的炸藥不要超過(guò)5節(jié)，防止推藥期間堵孔。裝藥長(zhǎng)度達(dá)到70 m后，停止裝藥，并將最外面的兩節(jié)炸藥各插入一發(fā)瞬發(fā)起爆電雷管作為起爆藥包，兩發(fā)電雷管腳線采用并聯(lián)方式與爆破母線連接，完成裝藥工藝。

（2）封孔工藝：裝藥完成后，將裝藥段外端的鉆孔全部采用炮泥封堵，先將套管內(nèi)空間進(jìn)行封堵，前500 mm采用人工推送炮泥搗實(shí)的方式進(jìn)行封堵，其余外端及套管外的孔壁間采用ZQF封孔器進(jìn)行壓風(fēng)噴泥封堵。采用封孔器噴泥封堵期間，由里向外進(jìn)行封堵，確保封堵嚴(yán)實(shí)，防止封堵不嚴(yán)造成爆破期間孔口泄壓，影響爆破致裂效果。裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)

4 效果分析

為評(píng)估煤層深孔預(yù)裂爆破的致裂增透效果，通過(guò)在3605工作面回風(fēng)順槽內(nèi)選取煤厚及原始瓦斯含量均相近的兩段巷道的順層鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)作為對(duì)比，其中，回42號(hào)至回49號(hào)孔段為未采用深孔預(yù)裂爆破的順層預(yù)抽鉆孔，回22號(hào)至回29號(hào)孔段采取深孔預(yù)裂爆破的順層預(yù)抽鉆孔；并對(duì)兩段巷道內(nèi)的連續(xù)8個(gè)預(yù)抽鉆孔持續(xù)觀測(cè)2個(gè)月內(nèi)的瓦斯抽采濃度并統(tǒng)計(jì)平均值，以及單孔瓦斯抽采濃度降至5%以下的抽采時(shí)長(zhǎng)；最后統(tǒng)計(jì)兩組鉆孔的均值進(jìn)行對(duì)比分析，兩組鉆孔瓦斯抽采情況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

通過(guò)表1可知，未采用煤層深孔預(yù)裂爆破段的順層鉆孔前兩個(gè)月的平均瓦斯抽采濃度均值為30.2%，抽采濃度降至5%以下平均用時(shí)185 d；而采用煤層深孔預(yù)裂爆破段的順層鉆孔前兩個(gè)月的平均瓦斯抽采濃度均值達(dá)56.7%，其抽采濃度是前者的1.8倍，抽采濃度降至5%以下平均用時(shí)91 d，其用時(shí)為前者的一半。通過(guò)以上數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，采用煤層深孔預(yù)裂爆破后對(duì)煤層的致裂增透效果明顯，能有效提高工作面順層鉆孔的瓦斯抽采效率。

表1 順層鉆孔瓦斯抽采情況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語(yǔ)

深孔預(yù)裂爆破在一定條件下可對(duì)透氣性較差煤層有效致裂增透8 m，針對(duì)煤層透氣性差、瓦斯抽采效率低的工作面，可根據(jù)工作面參數(shù)設(shè)計(jì)合理的爆破孔及控制孔，通過(guò)煤層深孔預(yù)裂爆破后，瓦斯抽采效率可提高一倍，有效解決了瓦斯抽采濃度低、預(yù)抽時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。