高瓦斯低透气性煤层深孔爆破增透技术论文3

高瓦斯低透气性煤层深孔爆破增透技术论文 摘 要：我国煤层瓦斯具有微孔隙、低渗透率、高吸附的特征。随着开采深度的逐年

增加，瓦斯压力与地应力逐渐增大，使煤层及围岩的透气性变差、瓦斯封存强度增大，这一隐患严重制约着矿井的安全高效。本论文是对深孔松动控制爆破增强煤层透气性的研究，采用深孔爆破后, 增大了钻孔瓦斯有效抽放半径和高瓦斯煤层渗透性, 成倍地提高了瓦斯抽放率, 而且降低了煤与瓦斯突出的危险性, 从而有效地解决了高瓦斯突出煤层采掘工作面瓦斯超限和煤与瓦斯突出问题。 关键词：深孔爆破；低透气性煤层；增透技术 1 论文背景： 高瓦斯低透气性煤层赋存具有低压力、低渗透性、低饱和度及非均质性强的“三低一强”特性,尤其是低渗透性, 给高瓦斯煤层瓦斯直接抽采带来众多技术难题。深孔爆破增透技术是通过爆炸载荷的作用,在煤层中形成压碎区和裂隙区, 并通过控制孔的作用, 进一步扩大裂隙区的范围, 从而使煤层松动, 透气性增大, 有效地卸载地应力和瓦斯压力, 增加了瓦斯抽采量, 最终保证煤矿安全生产。 深孔松动爆破技术是一种通过在被爆破的对象中打钻、装药、引爆炸药，从而利用炸药爆炸所产生的能量，使被爆破对象产生裂隙，并逐渐成为裂隙发育体，从而是被爆破对象得到有效松动的爆破技术。在掘进工作面前方一定卸压煤体(不小于5 m)防护下，在前方引爆几个深孔眼形成煤体松动，其中的控制孔(不装药)在爆破过程中起到控制爆破方向与补偿爆破裂缝空间作用，形成卸压槽。爆破后，炮眼周围煤体的破裂与松动形成卸压圈，其煤层透气性系数大大增加，使煤体瓦斯得以提前缓慢排放瓦斯压力下降，瓦斯含量减少，从而提高了煤体的坚固性，结果使煤体原集中应力带及高压瓦斯带移向煤体深部，同时有利于消除因煤质软硬不均而引起的应力集中及由地质构造引起的应力集中，降低煤体瓦斯梯度和应力梯度，有利于防止煤与瓦斯突出的发生和发展，为工作面掘进创造了较长的安全区和防护区。另一方面，由于深孔预裂爆破使工作面前方煤体裂隙增大，即煤体透气性系数增大，使工作面前方煤体内瓦斯得以缓慢排放，这样既可以提高工作面巷帮走向钻孔瓦斯抽放率，又可以减少排放时间，从而提高掘进工作面的掘进速度。 2 深孔爆破增透技术原理及工艺参数 透气性较低的高瓦斯煤层, 必须采用专门的措施来增加煤层的透气性, 才能有效地抽出瓦斯。国内外使用方法有: 煤层注水、水力压裂、水力割缝、深孔爆破和酸液处理等。对于不同的瓦斯地层, 各种方法的效果也不同, 理论研究和试验都表明, 采用深孔爆破的方法可以增加瓦斯地层的透气性, 从而提高瓦斯抽放率。 1.1 深孔爆破增透技术原理 在爆破初始阶段, 爆破产生的动压迅速摧毁爆孔附近煤体的抵抗, 在其周围产生破裂带和少量裂纹, 为进一步破坏煤体提供弱面。由爆破产生的应力波在煤体中以爆破孔为中心呈同心圆状向煤体中传播, 应力波相交后产生叠加效应加速了煤体的破坏。两爆孔间的裂纹无疑增加了煤体的透气性, 为瓦斯抽放提供了通道。一方面中断或减弱了围岩中径向和切向应力的传递, 降低了围岩的应力, 有利于瓦斯的解吸, 另一方面增加了炮孔附近煤体的透气性, 如下公式所示, 为游离瓦斯的抽放创造了条件。 λ = - λ′e- Ax , 0 ≤ x ≤L0 λ =λ0 , x ≥L0 式中, λ′为煤壁暴露面处的透气系数; λ0 为煤层原始透气系数; A 为系数; L0 为爆破松动圈半径。在爆破区内, 虽然没有形成可见的宏观裂缝,但爆生气体产生的准静态应力场使煤体中原有的微观孔隙(裂纹) 发生了损伤, 煤体储存的弹性变形能部分得以耗散, 应力水平趋于下降, 瓦斯变得易于抽放。从爆破的后期效应看, 炮孔附近煤体中水和瓦斯的排放及迁移进一步降低了煤体的应力水平, 使得瓦斯的排放成为一个由近区到远区的连续过程。深孔预裂控制爆破目的是为了增加煤体的裂隙和透气性, 降低煤体的瓦斯压力, 使煤体的应力得到重新分布, 以减小抽放阻力, 提高瓦斯抽放率和防止煤与瓦斯的突出。 1.2 深孔爆破增透技术工艺参数 爆破孔和控制孔的布置一般要遵循以下原则：不仅要求在相邻炮孔连线方向形成贯通裂隙，而且要求在其它方向上产生尽可能多的裂隙；尽可能使爆破影响范围大，两帮控制范围要在2m以上；在保证爆破效果的前提下，尽可能减少孔数、缩小孔径、增大孔深。 1.2.1 钻孔布置参数 （1）钻孔布置参数主要包括爆破孔和抽放孔孔径选择、爆破孔和抽放孔间距选择。由有限元数值计算结果可知, 随着爆破孔孔径的增大, 透气性系数提高, 但不成正比关系。当孔径达到一定值后, 透气性提高的幅度随着爆破孔孔径的增大而逐渐减小, 说明单纯靠增大爆破孔孔径来提高透气性效果是有限的。一般爆破孔直径在75～100mm较为合理, 抽放孔直径在90 ～100mm即可达到导向和补偿的目的。 (2) 理论分析和模拟实验表明: 在煤层条件一定时, 随着孔间距的增大, 透气性系数迅速降低, 当孔间距达到一定值时, 透气性已接近原始煤体, 即孔间没有形成新的裂隙, 反之, 当孔间距减少时, 透气性迅速上升, 但孔间距越小, 工程量就越大, 成本也就越高。因此, 应在保证良好的预裂效果的同时, 尽可能加大孔间距。现场试验表明,当爆破孔径为73mm、抽放孔直径为91mm时, 贯通裂隙长度可达7m, 合理的孔间距应为2～4m。 1.2.2 炸药的选择 工程爆破中，炸药的选取应该结合最佳爆破效果、安全性及爆破成本等因素的综合考虑。首先，为得到最佳爆破效果，就要考虑爆破的岩体波阻抗大小：低透气性煤体为阻抗，适合选用爆速低、威力小的炸药，而且从爆破的目的看，松动爆破要求煤体产生大量的裂隙，而不是大面积的破坏，适合选用爆速低、直径小的炸药；其次，从安全性角度考虑，在深孔爆破钻孔打钻过程中往往采用水力排渣打钻，炮孔含水量较大，适合选用抗水性能较好、传爆能力较强的乳化炸药、水胶炸药。综上所述，在瓦斯煤层中进行深孔松动爆破要选用具有爆速低、威力小、抗水性能好、传爆能力强等特点的安全炸药。根据煤矿的现场实际情况，选用三级煤矿许用乳化炸药。 1.2.3 药量计算 在一定的岩石条件和装药量条件下，爆落的岩体体积与所用的炸药成正比，即：

。爆破漏斗体积，；单位耗药量，式中，33m-V kg/m-q)53(qVQ 

公式（3-5）是目前爆破工程中采用各种类型爆破时计算装药量的基本公式，对于松动、加强松动、标准抛掷、加强抛掷爆破等不同效果的要求，根据岩性的不同，都有单位耗药量的经验值或经验公式。对于长钻孔松动爆破，每段钻孔的装药量的经验公式为：

Q=（0.33~0.55）qw^3 （3-6）

式中，Q-每段钻孔的装药量，kg； Q-普通爆破所用的单位耗药量，kg/m^3； W-炮眼深度，m。 1.2.4 装药结构 装药结构是指炸药在炮眼内的装填情况，按炮眼直径与装药直径的不同，可分为耦合装药和不耦合装药；按炸药在炮眼中是否连续，分为连续装药和间隔装药；按爆轰波的传播方向的不同，分为正向起爆和反向起爆装药。 1）耦合装药和不耦合装药 所谓耦合装药就是装药直径与炮眼直径相同。不耦合装药就是装药直径小于炮眼直径。炮眼直径与装药直径之比，称为不耦合值或不耦合系数，即

mm-----d -----d ------K7-3ddK cbdcbd装药直径，爆破孔直径，不耦合系数；式中，）（

在煤岩体爆破中采用耦合装药结构时，爆破瞬间产生爆轰波，强大的作用力会形成较大的压碎区，这样炸药的性能没有被有效的利用，也不符合松动爆破的要求；而采取不耦合装药结构时，周围环形的空气结构会对爆破孔周围的煤体起到一个缓冲作用，不仅使得压碎区的范围大大缩小，而且加强了应力波在煤岩体内的振荡作用，炸药的性能得以有效的利用。

在光面爆破中，周边眼就常常采用不耦合装药结构，煤体的松动爆破同样适合采用不耦合装

药。另外，大量的实验结果表明，一些硝铵类的混合炸药在采用小直径的连续装药时，如果不耦合系数选取不当，会由于管道效应发生爆轰中断，发生“残炮”现象。所以，现场实践中要结合炸药的性能、不耦合系数和岩体性质，对装药结构进行设计改良，尽量避免和消除管道效应。 2）连续装药和间隔装药 在间隔装药中，一般可以采用炮泥间隔、木垫间隔和空气柱间隔三种方式。实验表明，在较深的炮眼中采用孔底间隔装药结构可以使炸药在炮眼全长分布的更均匀，产生的裂隙扩展度就更均匀。采用空气柱间隔装药结构爆破时可以有效提高炸药能量的利用率，节约爆破成本，其作用原理如下: （1）降低了爆破孔周围的爆轰波压力峰值。内部非连续的空气结构会对爆破孔周围的煤体起到一个缓冲作用，使得压碎区的范围大大缩小。 （2）增加了应力波在岩体中的传播时间。起爆点的炸药起爆后，各个炸药之间的空气柱产生两组相向传播的压力波，各组压力波在爆破孔内同时产生多次反射和碰撞，增加了压力波在岩体中的作用时间，使得岩体产生更多的微小裂隙。 （3）正向起爆装药和反向起爆装药 连续的柱状药包起爆后，会形成以起爆点为中心的爆炸应力波，该爆炸应力在对爆破孔四周岩体作用的同时，孔的轴向上也受到爆生气体的强大压力。当采用反向起爆时，由于封孔段A相对于煤岩体为抗压能力较小，炸药产生的爆轰波产物以起爆点B为中心集中向封孔段A处作用，会加强外围岩石的破碎度，而且如果封孔质量不佳，爆生气体可能会逸出，影响爆破效果；采用正向起爆时，爆轰波是从起爆点A向孔底B传播，爆炸应力波主要作用于岩体内部，不容易发生爆生气体的逸出，有利于深部岩体的裂隙扩展。所以，深孔松动爆破一般采用正向起爆装药结构。 1.2.5封孔长度 炮泥的作用是保证炸药的充分反应，使之放出最大热量和减少有毒气体生成量；降低爆破气体逸出自由面的温度和压力，使炮眼内保持较高的爆轰压力和较长的作业时间。实验表明，爆炸应力波参数与炮泥材料、炮泥封孔长度和封孔质量有关，合理的封孔长度应与装药长度或炮眼直径成一定的比例关系。生产中常取封孔长度相当于0.35~0.50倍的装药长度。在有瓦斯的工作面，可以采用水泡泥，以降低喷出气体的温度，有利于安全。 柱状药包爆炸时，煤体抗爆力随炮孔深度增加而增加，而炸药破煤能力与封孔长度和煤体抗爆力有关。如果封孔长度过短而装药量大，高压爆生气体可能造成孔口成漏斗形状的危险，降低炸药能量利用率；如果封孔长度过长而装药量较小，爆炸时炮孔深部的煤体就不能形成较多的裂隙。因此，深孔松动爆破中，需要考虑封孔长度与装药量、封孔质量的关系，既要使煤体内部产生足够多的裂隙，又不能产生抛掷爆破漏斗，需保证工作面附近的煤体不被破坏而崩塌。实际爆破工程中，可根据现场试爆的情况来确定。深孔松动爆破的孔深在60~80m时，封孔长度一般为8~10m。 1.2.6炮眼的布置