堅(jiān)硬煤層含大直徑控制孔爆破增透技術(shù)

李振武，閔 祺，邊新永，郭文佳

（1.濟(jì)寧能源發(fā)展集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000；2.濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)，山東 濟(jì)寧 272000；3.霍州煤電集團(tuán)，山西 臨汾 041000）

0 引 言

煤體瓦斯既是潛在的清潔能源，也是瓦斯爆炸以及煤與瓦斯突出事故的有害源，據(jù)2020 年統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)有840 處高瓦斯及719 處煤與瓦斯突出煤礦[1]。因此，合理地對(duì)煤體瓦斯進(jìn)行抽采，既能夠保障礦井安全，也能夠充分利用清潔能源。然而，我國(guó)煤體滲透率普遍偏低，地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)復(fù)雜多樣，瓦斯抽采難度大、效率低，煤體增透是實(shí)踐礦山綠色開(kāi)采、安全高效發(fā)展的必然選擇[2]。

目前，被廣泛應(yīng)用的增透技術(shù)主要有水力壓裂技術(shù)、C02氣體增透技術(shù)、深孔爆破增透技術(shù)。水力壓裂技術(shù)，常用于石油開(kāi)采業(yè)，是指利用地面上的高壓泵，通過(guò)井筒向油層后者巖層擠注具有化學(xué)壓裂液，進(jìn)行壓裂作業(yè)，以產(chǎn)生人造裂縫，釋放氣體，該技術(shù)常會(huì)伴隨各種環(huán)境問(wèn)題，如自來(lái)水自燃，誘發(fā)小幅地震等[3-5]，趙寶友采用文獻(xiàn)綜述的方法研究了水力壓裂增透技術(shù)的適用性，說(shuō)明水力壓裂在煤層增透上獲得理想效果，需要針對(duì)煤層、地下水資源的二次污染、高壓水抑制瓦斯解析、高壓水堵塞裂紋等重要問(wèn)題在理論基礎(chǔ)上以及增透工藝進(jìn)一步研究[6]。二氧化碳致裂技術(shù)，利用液態(tài)二氧化碳受熱氣化膨脹原理，快速釋放高壓氣體，常用于土木、礦山鑿巖作業(yè)，具有可重復(fù)操作優(yōu)點(diǎn)[7]。深孔爆破增透技術(shù)是指利用低爆速炸藥在爆孔內(nèi)被引爆，產(chǎn)生沖擊波沖擊、致裂煤體[8-9]，與前兩種增透技術(shù)相比，具有技術(shù)成熟穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)效益好的特點(diǎn)，適用于堅(jiān)硬煤層[10]。

目前，研究控制孔直徑大小對(duì)瓦斯抽采效果的影響較少，本文以沙坪煤礦堅(jiān)硬煤層深孔爆破增透技術(shù)為背景，采用離散元方法開(kāi)展了不同控制孔大小爆破增透實(shí)驗(yàn)，研究應(yīng)力波傳播規(guī)律，分析爆破裂隙演化機(jī)制，通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)檢驗(yàn)瓦斯抽采應(yīng)用效果。

1 工程概況

沙坪礦18204 工作面所在8 號(hào)煤層，平均煤厚6.5 m，煤體的堅(jiān)固性系數(shù)f=2.63，節(jié)理裂隙不發(fā)育，為堅(jiān)硬煤層，滲透率0.009 14×10-15～0.019 45×10-15m2，屬于低滲透煤層。采用順層鉆孔方式對(duì)18204 工作面原巖應(yīng)力區(qū)煤體瓦斯進(jìn)行預(yù)抽作業(yè)，由于爆破后煤體破碎程度增大，不利于控制孔成孔效果，故在爆破前打設(shè)控制孔，孔間距2 m，鉆孔布置圖如圖1 所示。爆破增透作業(yè)炸藥類別為礦用許可乳化炸藥，爆破孔孔徑為60 mm，采用耦合裝藥。

圖1 18204 工作面順層鉆孔爆破增透布置方式示意Fig.1 No.18204 Face bedding borehole blasting antireflection arrangement diagram

2 數(shù)值試驗(yàn)

以18204 工作面煤層賦存條件，建立煤體爆破增透離散元模型，模型長(zhǎng)為6.5 m，寬為6.5 m，采隨機(jī)三角形節(jié)理算法表征煤體細(xì)觀尺度節(jié)理，zone單元最小尺寸為2 mm。塊體采用彈性本構(gòu)模型，節(jié)理采用庫(kù)侖摩爾本構(gòu)模型，材料參數(shù)見(jiàn)表1，采用文獻(xiàn)[11]記錄的質(zhì)點(diǎn)壓力爆破應(yīng)力波。

表1 煤體材料參數(shù)Table 1 Coal material parameters

3 結(jié)果分析

3.1 速度場(chǎng)

圖2 為臨近控制孔的監(jiān)測(cè)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)速度-時(shí)間監(jiān)測(cè)曲線，由圖2 可知，3 種工況質(zhì)點(diǎn)峰值速度分別為1.59、1.12、0.78 m/s，較無(wú)控制孔監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值速度分別降低了29.6%、50.9%。當(dāng)時(shí)間超過(guò)0.9 ms 時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度呈衰減的特點(diǎn)，隨著控制孔的半徑增大，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)幅度逐漸減弱。說(shuō)明控制孔直徑越大，用于振動(dòng)的能量越少，而用于破碎煤體的能量越多，利于瓦斯抽采。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度曲線Fig.2 Monitoring point velocity curve

3.2 應(yīng)力場(chǎng)

圖3 為最大主應(yīng)力云圖。由圖3（a）可知，當(dāng)無(wú)控制孔時(shí)，在應(yīng)力波的疊加作用影響下，爆孔中間區(qū)域，最大主應(yīng)力數(shù)值為181 MPa，由圖3（b）～圖3（d）可知，當(dāng)存在控制孔時(shí)，臨近控制孔的最大主應(yīng)力數(shù)值分別為107.1、28.1、9、1.5 MPa。說(shuō)明隨著控制孔的直徑增大，應(yīng)力波的耗散作用增強(qiáng)，在控制孔周圍形成的應(yīng)力松弛區(qū)逐漸增大，控制孔周圍的煤體被破壞的趨勢(shì)逐漸增強(qiáng)。

圖3 最大主應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果Fig.3 Maximum principal stress field calculation results

3.3 裂隙場(chǎng)

圖4 為不同工況下的裂隙場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，圖4（a）為無(wú)控制孔方案，圖4（b）～圖4（d）分別為控制孔半徑為60、80、100 mm 工況的計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)無(wú)控制孔時(shí)，2 個(gè)爆孔之間在應(yīng)力波的疊加作用影響下，裂隙沒(méi)有充分連接，以孤立狀為主，整體發(fā)育程度較差；當(dāng)控制孔半徑為60 mm 時(shí)，在應(yīng)力波的反射作用下，在爆孔周圍形成了1 組貫通爆孔的宏觀裂隙；當(dāng)控制孔半徑為80 mm 時(shí)，爆孔之間的裂隙貫通趨勢(shì)增強(qiáng)，形成了3 組貫通爆孔的宏觀裂隙；當(dāng)控制孔半徑為100 mm 時(shí)，形成了4 組貫通爆孔的宏觀裂隙，由于應(yīng)力波的反射作用持續(xù)增強(qiáng)，此時(shí)裂隙以網(wǎng)格狀為主，整體發(fā)育程度最好。說(shuō)明隨著控制孔的孔徑增大，煤體爆破裂隙發(fā)育密度明顯增大，透氣性提升明顯，有利于保障礦井煤層瓦斯抽采效果。

圖4 裂隙場(chǎng)計(jì)算結(jié)果Fig.4 Fracture field calculation results

4 工業(yè)試驗(yàn)

18204 工作面爆破試驗(yàn)段1 號(hào)控制孔、2 號(hào)控制孔孔深分別為18.1 m 和19.3 m，平均18.7 m，孔半徑為100 mm，1 號(hào)爆破孔、2 號(hào)爆破孔、3 號(hào)爆破孔孔深分別為17.6、19.8 及18.5 m，平均18.6 m，孔半徑為50 mm。1 號(hào)控制孔爆破前平均瓦斯?jié)舛葹?6.1%，爆破后為32.1%，增加了99.3%；2號(hào)控制孔爆破前平均瓦斯?jié)舛葹?5.4%，爆破后為30.3%，增加96.7%，如圖5 所示。

圖5 控制孔爆破前、爆破后瓦斯抽采濃度Fig.5 Gas extraction concentration before and after control hole blasting

5 結(jié) 論

采用離散元方法和工程實(shí)踐，研究了不同孔徑控制孔的爆破增透效果，計(jì)算了不同方案的煤體爆破速度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、裂隙場(chǎng)，最后通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論。

（1）隨著控制孔直徑的增大，應(yīng)力波的反射程度越大、應(yīng)力集中區(qū)范圍越大，爆破的效果越好。

（2）隨著控制孔的直徑越大，控制孔周圍裂隙發(fā)育頻次、連通程度越大，越有利于裂隙沿著“爆孔-控制孔-爆孔”連心線的方向擴(kuò)展。

（3）通過(guò)工業(yè)試驗(yàn)瓦斯抽采濃度數(shù)據(jù)，表明采用大直徑控制孔爆破技術(shù)，平均瓦斯?jié)舛蕊@著增加，經(jīng)濟(jì)效益明顯，有利于瓦斯抽采效果。