湯靜+石必明

摘要：為了增加煤層透氣性、提高瓦斯抽采率、消除煤層突出危險(xiǎn)性，通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，對(duì)深孔預(yù)裂爆破煤層增透技術(shù)在低透氣性高瓦斯煤層中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得出了煤巖不同的力學(xué)性質(zhì)和控制孔的導(dǎo)向作用。通過(guò)對(duì)兩個(gè)爆破孔與控制孔應(yīng)力云圖、裂隙圖的數(shù)值模擬，再現(xiàn)了應(yīng)力波在煤巖體中的傳播與衰減規(guī)律，以及煤巖體裂隙的擴(kuò)展變化過(guò)程。最后，在謝橋礦13-1煤層實(shí)施深孔預(yù)裂爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)表明采用該技術(shù)顯著增大了煤體透氣性，提高了瓦斯抽采濃度和抽采量，故而是一種經(jīng)濟(jì)可行的對(duì)于防治低透氣性高瓦斯煤層突出的方案。

關(guān)鍵詞：深孔預(yù)裂爆破；低透氣性煤層；卸壓增透

中圖分類號(hào)：TD235.33文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1672-1098（2016）01-0000-00

Abstract： In order to increase the coal seam permeability and the rate of gas extraction， eliminate the outburst， based on the method of theoretical study and numerical simulation， a systematic study of the long borehole pre-splitting blasting applied in the coal seams with low permeability and high gas was carried out. The different mechanical properties of coal and rock mass and the guiding role of the control borehole were obtained. By numerical simulation of stress nephogram and fracture diagram in the area between blasting borehole and control borehole， the propagation and attenuation of stress wave and crack expansion process in coal and rock mass were reconstructed. Finally， the long borehole pre-splitting blasting test was carried out in the 13-1 coal seam of Xieqiao Coal Mine， and the results showed that the permeability of coal seam is increased by using this technology. The concentration and quantity of gas extraction were increased. It is an economical and feasible scheme for the prevention and control of outburst of coal and gas in coal seams with low permeability and high gas.

Key words：long borehole pre-splitting blasting； low permeability coal seam， pressure relief and permeability improvement

近些年我國(guó)的瓦斯抽采技術(shù)有較快的發(fā)展，但是總體水平仍然較低。其中一個(gè)重要原因就是絕大多數(shù)的高瓦斯和突出礦井所開(kāi)采的煤層屬低透氣性煤層，另外隨著我國(guó)煤炭工業(yè)的發(fā)展，大多數(shù)煤礦已經(jīng)進(jìn)入深部開(kāi)采，煤層瓦斯含量和壓力不斷增加，煤層透氣性不斷降低，瓦斯抽采愈加困難。因此，在抽采瓦斯過(guò)程中，如何增加煤層透氣性已成為亟待解決的技術(shù)難題。

近幾年來(lái)，隨著爆破技術(shù)，特別是深孔預(yù)裂爆破技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，使得這項(xiàng)技術(shù)在增加煤層透氣性、提高瓦斯抽采率、防治煤與瓦斯突出等方面得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了良好效果。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者也對(duì)深孔預(yù)裂爆破技術(shù)進(jìn)行大量的研究。文獻(xiàn)[1]從理論和模型實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)深孔預(yù)裂爆破的控制孔作用進(jìn)行了研究分析；文獻(xiàn)[2]在巖石三向受力及其強(qiáng)度效應(yīng)和Misses強(qiáng)度準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了在巖石中爆破后的壓碎圈和裂隙圈半徑公式；文獻(xiàn)[3]利用巖石爆破理論和損傷力學(xué)理論，分析了爆破后爆炸應(yīng)力波的作用機(jī)理及其作用下煤體的損失斷裂準(zhǔn)則；文獻(xiàn)[4]在柱狀空腔膨脹理論的基礎(chǔ)上，分析研究了爆炸荷載作用下煤體的力學(xué)特性；文獻(xiàn)[5]采用通用動(dòng)力分析程序DYAN3D，模擬研究了爆破對(duì)煤體破壞的范圍和瓦斯抽采的影響區(qū)域。

本文在前人研究成果基礎(chǔ)上，分析了煤巖體爆破和深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)化增透的機(jī)理，結(jié)合謝橋礦瓦斯抽采技術(shù)經(jīng)驗(yàn)及該礦實(shí)際情況，在中央風(fēng)井揭13-1煤層前，開(kāi)展深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)化瓦斯抽采技術(shù)的應(yīng)用研究，解決了揭煤過(guò)程中回風(fēng)流瓦斯?jié)舛瘸薜膯?wèn)題，大大縮短揭煤時(shí)間，對(duì)類似情況的井筒揭煤有重要意義。

1深孔預(yù)裂爆破數(shù)值模擬分析

11深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)化增透機(jī)理

利用深孔預(yù)裂爆破在煤體中新裂隙的產(chǎn)生和應(yīng)力的降低打破了煤體中瓦斯吸附與解吸的動(dòng)態(tài)平衡，使大部分吸附在煤體中的瓦斯轉(zhuǎn)化成游離瓦斯，而游離瓦斯則通過(guò)裂隙運(yùn)移并通過(guò)抽采鉆孔進(jìn)行抽采，在很大程度地釋放了煤體的彈性潛能和瓦斯膨脹能，煤體的塑性增加，脆性減小，降低煤體中殘存瓦斯的解吸速度。因此在煤體中形成一定范圍的卸壓區(qū)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，破壞了突出發(fā)生的基礎(chǔ)條件，進(jìn)而起到了防治煤與瓦斯突出的效果[6-8]。

12數(shù)值模型和參數(shù)設(shè)置

為了研究爆生應(yīng)力波在煤巖體中的傳播與衰減規(guī)律以及控制孔對(duì)爆破效果的影響， 采用三維動(dòng)力有限元程序LS-DYNA3D， 以謝橋礦井筒揭13-1煤實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立深孔預(yù)裂爆破幾何模型（見(jiàn)圖1），其中兩邊為爆破孔，中間為控制孔，爆破孔與控制孔間距20 m，模型邊界距各孔邊界距離為15 m，爆破孔孔徑為75 mm，控制孔孔徑為94 mm，沿爆破孔軸線方向依次為1 m的巖層、45 m的煤層和1 m的巖層。

本次數(shù)值模擬通過(guò)建立流固耦合模型進(jìn)行爆炸模擬，數(shù)值模型中的煤、巖、炸藥和空氣單元均采用Solid164單元，其中煤、巖體介質(zhì)采用拉格朗日網(wǎng)格建模，炸藥、空氣介質(zhì)采用歐拉網(wǎng)格建模。建模過(guò)程中分別對(duì)煤、巖、炸藥和空氣材料模型進(jìn)行不同的網(wǎng)格劃分，為防止計(jì)算過(guò)程中負(fù)體積和節(jié)點(diǎn)速度無(wú)窮大現(xiàn)象的產(chǎn)生，使煤、巖、炸藥和空氣的單元尺寸比接近3∶3∶2∶2，為保證計(jì)算精度，各孔及周圍進(jìn)行網(wǎng)格加密，其它部分用sweep法進(jìn)行網(wǎng)格劃分[9-12]。炸藥的相關(guān)參數(shù)根據(jù)LS-DYNA3D中的JWL狀態(tài)方程確定，其參數(shù)結(jié)果如表1所示。

從圖2可以看出，炸藥爆炸后，A、B、C三單元的有效應(yīng)力曲線變化趨勢(shì)相同，都經(jīng)歷了先增大、然后減小、最后穩(wěn)定的過(guò)程。爆破孔附近處A單元的有效應(yīng)力峰值為15 MPa，穩(wěn)定后的有效應(yīng)力為13 MPa，均大于煤體的抗壓強(qiáng)度，在爆破孔05 m范圍內(nèi)煤體被強(qiáng)烈壓縮粉碎，形成爆炸空腔區(qū)；B單元的有效應(yīng)力峰值為75 MPa，穩(wěn)定后的有效應(yīng)力為27 MPa；C單元的有效應(yīng)力峰值為9 MPa，穩(wěn)定后的有效應(yīng)力為38MPa。B、C單元的有效應(yīng)力值均大于煤體的抗拉強(qiáng)度，可促使煤體裂隙的產(chǎn)生。由于控制孔的導(dǎo)向作用，控制孔附近C單元的有效應(yīng)力峰值和穩(wěn)定后的有效應(yīng)力均大于B單元，進(jìn)一步地促進(jìn)了裂隙的發(fā)育。在爆破后期，爆生氣體與煤層中的瓦斯壓力共同作用于已張開(kāi)的裂隙中，并在其尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，促使了裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展，大大增加了裂隙區(qū)的范圍，顯著提高了煤層的透氣性（見(jiàn)圖3）。（a） 孔口處0 m （b） 距離孔口處15 m（c） 距離孔口處3 m （d） 距離孔口處45 m

圖3X-Y切面上距爆破孔孔口不同距離處的裂隙（煤層段）從圖3中可以看出，炸藥爆炸后，對(duì)于兩個(gè)爆破孔與控制孔模型，由于應(yīng)力波的疊加和反射拉伸作用，在整個(gè)煤體內(nèi)部形成了錯(cuò)綜復(fù)雜的貫穿裂隙，顯著提高了煤體的透氣性。

2深孔預(yù)裂爆破卸壓增透試驗(yàn)

21謝橋礦井筒揭13-1煤層概況

謝橋礦中央風(fēng)井井口永久鎖口設(shè)計(jì)標(biāo)高為+262 m，井筒設(shè)計(jì)凈直徑為75 m，設(shè)計(jì)深度為9862 m，壁厚500 mm。中央風(fēng)井井筒已掘砌720 m，距13-1煤頂板法距11m。 13-1煤為突出煤層， 煤層厚45 m， 煤層產(chǎn)狀為186°～196°、 傾角∠12°～14°。煤層特征以黑色塊狀和暗煤為主，兼有少許粉末狀和亮煤，并夾有一層厚約03 m的炭質(zhì)泥巖。

揭煤區(qū)域煤層瓦斯壓力為21 MPa，瓦斯含量為497 m3/t，煤層的瓦斯放散初速度ΔP為13，為突出煤層；煤層透氣性系數(shù)為0004 m2/（MPa2·d），鉆孔自然瓦斯涌出量衰減系數(shù)為0083 d-1，為難以抽采煤層。

22爆破孔設(shè)計(jì)和爆破工藝

1） 布孔方式。根據(jù)謝橋礦中央風(fēng)井井筒揭13-1煤層防突設(shè)計(jì)，在待揭13煤層布置8圈共163個(gè)瓦斯抽采鉆孔，其中對(duì)抽采鉆孔中的第1圈、第3圈和第5圈采用深孔爆破增透試驗(yàn)，爆破孔為36個(gè)，所有抽采鉆孔合茬抽采，鉆孔布置如圖4所示。圖4井筒揭13-1煤層爆破孔與抽采孔的布置（單位：m）

2） 爆破工藝。先用一段深孔預(yù)裂爆破專用藥管、兩發(fā)一段毫秒電雷管和放炮用的膠質(zhì)線做炮頭，為了防止短路和斷路用絕緣膠帶將其裹緊，在爆破孔見(jiàn)煤至終孔段裝藥，裝藥時(shí)采用正向裝藥方式。裝藥完畢，采用粒度5mm以下的略潮黃土進(jìn)行壓風(fēng)噴泥封孔，當(dāng)壓風(fēng)不足04MPa時(shí)禁止封孔，封孔長(zhǎng)度大于12 m。

23試驗(yàn)效果分析

分別對(duì)爆破前后抽采鉆孔的瓦斯?jié)舛群图兞窟M(jìn)行系統(tǒng)性的數(shù)據(jù)處理，繪制出深孔預(yù)裂爆破前后的對(duì)比如圖5～圖6所示。

t/h

爆破后瓦斯抽采濃度和純量明顯上升，抽采濃度從爆破前最低189%提高到爆破后最高79%，平均抽采濃度比爆破前提高約24倍，抽采純量從最低02 m3/min提高到最高223 m3/min，平均抽采流量比爆破前提高約4倍；經(jīng)測(cè)定煤層透氣性比爆破前提高了10倍以上，瓦斯抽采效果顯著提高。

揭13-1煤過(guò)程中回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?15%，沒(méi)有發(fā)生回風(fēng)流瓦斯?jié)舛瘸蕃F(xiàn)象，且13-1煤層控制區(qū)域內(nèi)瓦斯抽采率達(dá)到了75%。

4結(jié)論

1） 分析了深孔預(yù)裂爆破的卸壓增透防突機(jī)理，炸藥在煤層中爆破后，形成了一定范圍的卸壓圈和錯(cuò)綜復(fù)雜的裂隙圈，同時(shí)，爆破孔周圍巖體發(fā)生大幅度位移，顯著提高了煤體透氣性和瓦斯抽采率，降低了煤層中的瓦斯壓力和含量，進(jìn)而達(dá)到了消弱或防止煤與瓦斯突出的目的。

2） 通過(guò)兩個(gè)爆破孔與控制孔的數(shù)值計(jì)算模型，分析了在控制孔的影響下，炸藥在煤層中爆炸應(yīng)力和裂隙發(fā)展的變化規(guī)律，爆破孔周邊的煤體在爆轟應(yīng)力波作用下產(chǎn)生大量裂隙，完全處于破碎狀態(tài)。

3） 通過(guò)在謝橋礦13-1煤層實(shí)施深孔預(yù)裂爆破試驗(yàn)，結(jié)果顯示：深孔預(yù)裂爆破增透效果顯著提高了煤體透氣性，表明在低透氣性高瓦斯煤層實(shí)施深孔預(yù)裂爆破卸壓增透技術(shù)是一種積極可行的方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅勇，沈兆武.深孔控制卸壓爆破機(jī)理和防突試驗(yàn)研究[J].力學(xué)季刊，2006，27（3）：469-475.

[2]戴俊.柱狀裝藥爆破的巖石壓碎圈與裂隙圈計(jì)算[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，20（2）：144-147.

[3]褚懷保，楊小林，侯愛(ài)軍，等.煤體中爆炸應(yīng)力波傳播與衰減規(guī)律模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].爆炸與沖擊，2012，32（2）：185-189.

[4]穆朝民，齊娟.含瓦斯煤在爆炸荷載作用下的力學(xué)特性[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012，37（2）：268-273.

[5]龔敏，黃毅華，王德勝，等.松軟煤層深孔預(yù)裂爆破力學(xué)特性的數(shù)值分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（8）：1 674-1 681.

[6]褚懷保，楊小林，梁為民，等.煤體爆破作用機(jī)理模擬試驗(yàn)研究[J.煤炭學(xué)報(bào)，2011，36（9）：1 451-1 456.

[7]劉健.低透氣煤層深孔預(yù)裂爆破增透技術(shù)研究及應(yīng)用[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2008.

[8]蔡峰.高瓦斯低透氣性煤層深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)化增透效應(yīng)研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2009.

[9]黃文堯，穆朝民，宗琦，等.水膠藥柱深孔預(yù)裂爆破弱化綜采面硬巖斷層分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，36（7）：102-106.

[10]龔敏，王德勝，黃毅華，等.突出煤層控制爆破時(shí)的控制孔的作用[J].爆炸與沖擊，2008，28（4）：310-315.

[11]龔敏，王楚涵，王華，等.多層煤——巖介質(zhì)中扇形深孔爆破應(yīng)力場(chǎng)特性[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（6）：614-619.

[12]蔡峰，劉澤功.爆轟應(yīng)力波在高瓦斯煤層中的傳播和衰減特性[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39（1）：110-114.