深孔预裂爆破增透技术在井筒揭煤中的应用研究

摘要：为了增加煤层透气性、提高瓦斯抽采率、消除煤层突出危险性，通过数值模拟和现场试验的方法，对深孔预裂爆破煤层增透技术在低透气性高瓦斯煤层中的应用进行了系统研究，得出了煤岩不同的力学性质和控制孔的导向作用。通过对两个爆破孔与控制孔应力云图、裂隙图的数值模拟，再现了应力波在煤岩体中的传播与衰减规律，以及煤岩体裂隙的扩展变化过程。最后，在谢桥矿13-1煤层实施深孔预裂爆破试验，试验表明采用该技术显著增大了煤体透气性，提高了瓦斯抽采浓度和抽采量，故而是一种经济可行的对于防治低透气性高瓦斯煤层突出的方案。

关键词：深孔预裂爆破；低透气性煤层；卸压增透

中图分类号：TD235.33文献标志码：A文章编号：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

近些年我国的瓦斯抽采技术有较快的发展，但是总体水平仍然较低。其中一个重要原因就是绝大多数的高瓦斯和突出矿井所开采的煤层属低透气性煤层，另外随着我国煤炭工业的发展，大多数煤矿已经进入深部开采，煤层瓦斯含量和压力不断增加，煤层透气性不断降低，瓦斯抽采愈加困难。因此，在抽采瓦斯过程中，如何增加煤层透气性已成为亟待解决的技术难题。

近几年来，随着爆破技术，特别是深孔预裂爆破技术的不断完善和发展，使得这项技术在增加煤层透气性、提高瓦斯抽采率、防治煤与瓦斯突出等方面得到了广泛的应用，并取得了良好效果。国内许多学者也对深孔预裂爆破技术进行大量的研究。文献[1]从理论和模型实验两方面对深孔预裂爆破的控制孔作用进行了研究分析；文献[2]在岩石三向受力及其强度效应和Misses强度准则的基础上，推导出了在岩石中爆破后的压碎圈和裂隙圈半径公式；文献[3]利用岩石爆破理论和损伤力学理论，分析了爆破后爆炸应力波的作用机理及其作用下煤体的损失断裂准则；文献[4]在柱状空腔膨胀理论的基础上，分析研究了爆炸荷载作用下煤体的力学特性；文献[5]采用通用动力分析程序DYAN3D，模拟研究了爆破对煤体破坏的范围和瓦斯抽采的影响区域。

本文在前人研究成果基础上，分析了煤岩体爆破和深孔预裂爆破强化增透的机理，结合谢桥矿瓦斯抽采技术经验及该矿实际情况，在中央风井揭13-1煤层前，开展深孔预裂爆破强化瓦斯抽采技术的应用研究，解决了揭煤过程中回风流瓦斯浓度超限的问题，大大缩短揭煤时间，对类似情况的井筒揭煤有重要意义。

1深孔预裂爆破数值模拟分析

11深孔预裂爆破强化增透机理

利用深孔预裂爆破在煤体中新裂隙的产生和应力的降低打破了煤体中瓦斯吸附与解吸的动态平衡，使大部分吸附在煤体中的瓦斯转化成游离瓦斯，而游离瓦斯则通过裂隙运移并通过抽采钻孔进行抽采，在很大程度地释放了煤体的弹性潜能和瓦斯膨胀能，煤体的塑性增加，脆性减小，降低煤体中残存瓦斯的解吸速度。因此在煤体中形成一定范围的卸压区，在这个区域内，破坏了突出发生的基础条件，进而起到了防治煤与瓦斯突出的效果[6-8]。

12数值模型和参数设置

为了研究爆生应力波在煤岩体中的传播与衰减规律以及控制孔对爆破效果的影响， 采用三维动力有限元程序LS-DYNA3D， 以谢桥矿井筒揭13-1煤实测数据为基础，建立深孔预裂爆破几何模型（见图1），其中两边为爆破孔，中间为控制孔，爆破孔与控制孔间距20 m，模型边界距各孔边界距离为15 m，爆破孔孔径为75 mm，控制孔孔径为94 mm，沿爆破孔轴线方向依次为1 m的岩层、45 m的煤层和1 m的岩层。

本次数值模拟通过建立流固耦合模型进行爆炸模拟，数值模型中的煤、岩、炸药和空气单元均采用Solid164单元，其中煤、岩体介质采用拉格朗日网格建模，炸药、空气介质采用欧拉网格建模。建模过程中分别对煤、岩、炸药和空气材料模型进行不同的网格划分，为防止计算过程中负体积和节点速度无穷大现象的产生，使煤、岩、炸药和空气的单元尺寸比接近3∶3∶2∶2，为保证计算精度，各孔及周围进行网格加密，其它部分用sweep法进行网格划分[9-12]。炸药的相关参数根据LS-DYNA3D中的JWL状态方程确定，其参数结果如表1所示。

从图2可以看出，炸药爆炸后，A、B、C三单元的有效应力曲线变化趋势相同，都经历了先增大、然后减小、最后稳定的过程。爆破孔附近处A单元的有效应力峰值为15 MPa，稳定后的有效应力为13 MPa，均大于煤体的抗压强度，在爆破孔05 m范围内煤体被强烈压缩粉碎，形成爆炸空腔区；B单元的有效应力峰值为75 MPa，稳定后的有效应力为27 MPa；C单元的有效应力峰值为9 MPa，稳定后的有效应力为38MPa。B、C单元的有效应力值均大于煤体的抗拉强度，可促使煤体裂隙的产生。由于控制孔的导向作用，控制孔附近C单元的有效应力峰值和稳定后的有效应力均大于B单元，进一步地促进了裂隙的发育。在爆破后期，爆生气体与煤层中的瓦斯压力共同作用于已张开的裂隙中，并在其尖端产生应力集中，促使了裂隙的进一步扩展，大大增加了裂隙区的范围，显著提高了煤层的透气性（见图3）。（a） 孔口处0 m （b） 距离孔口处15 m（c） 距离孔口处3 m （d） 距离孔口处45 m

图3X-Y切面上距爆破孔孔口不同距离处的裂隙（煤层段）从图3中可以看出，炸药爆炸后，对于两个爆破孔与控制孔模型，由于应力波的叠加和反射拉伸作用，在整个煤体内部形成了错综复杂的贯穿裂隙，显著提高了煤体的透气性。

2深孔预裂爆破卸压增透试验

21谢桥矿井筒揭13-1煤层概况

谢桥矿中央风井井口永久锁口设计标高为+262 m，井筒设计净直径为75 m，设计深度为9862 m，壁厚500 mm。中央风井井筒已掘砌720 m，距13-1煤顶板法距11m。 13-1煤为突出煤层， 煤层厚45 m， 煤层产状为186°～196°、 倾角∠12°～14°。煤层特征以黑色块状和暗煤为主，兼有少许粉末状和亮煤，并夹有一层厚约03 m的炭质泥岩。

揭煤区域煤层瓦斯压力为21 MPa，瓦斯含量为497 m3/t，煤层的瓦斯放散初速度ΔP为13，为突出煤层；煤层透气性系数为0004 m2/（MPa2・d），钻孔自然瓦斯涌出量衰减系数为0083 d-1，为难以抽采煤层。

22爆破孔设计和爆破工艺

1） 布孔方式。根据谢桥矿中央风井井筒揭13-1煤层防突设计，在待揭13煤层布置8圈共163个瓦斯抽采钻孔，其中对抽采钻孔中的第1圈、第3圈和第5圈采用深孔爆破增透试验，爆破孔为36个，所有抽采钻孔合茬抽采，钻孔布置如图4所示。图4井筒揭13-1煤层爆破孔与抽采孔的布置（单位：m）

2） 爆破工艺。先用一段深孔预裂爆破专用药管、两发一段毫秒电雷管和放炮用的胶质线做炮头，为了防止短路和断路用绝缘胶带将其裹紧，在爆破孔见煤至终孔段装药，装药时采用正向装药方式。装药完毕，采用粒度5mm以下的略潮黄土进行压风喷泥封孔，当压风不足04MPa时禁止封孔，封孔长度大于12 m。

23试验效果分析

分别对爆破前后抽采钻孔的瓦斯浓度和纯量进行系统性的数据处理，绘制出深孔预裂爆破前后的对比如图5～图6所示。

t/h

爆破后瓦斯抽采浓度和纯量明显上升，抽采浓度从爆破前最低189%提高到爆破后最高79%，平均抽采浓度比爆破前提高约24倍，抽采纯量从最低02 m3/min提高到最高223 m3/min，平均抽采流量比爆破前提高约4倍；经测定煤层透气性比爆破前提高了10倍以上，瓦斯抽采效果显著提高。

揭13-1煤过程中回风流瓦斯浓度为015%，没有发生回风流瓦斯浓度超限现象，且13-1煤层控制区域内瓦斯抽采率达到了75%。

4结论

1） 分析了深孔预裂爆破的卸压增透防突机理，炸药在煤层中爆破后，形成了一定范围的卸压圈和错综复杂的裂隙圈，同时，爆破孔周围岩体发生大幅度位移，显著提高了煤体透气性和瓦斯抽采率，降低了煤层中的瓦斯压力和含量，进而达到了消弱或防止煤与瓦斯突出的目的。

2） 通过两个爆破孔与控制孔的数值计算模型，分析了在控制孔的影响下，炸药在煤层中爆炸应力和裂隙发展的变化规律，爆破孔周边的煤体在爆轰应力波作用下产生大量裂隙，完全处于破碎状态。

3） 通过在谢桥矿13-1煤层实施深孔预裂爆破试验，结果显示：深孔预裂爆破增透效果显著提高了煤体透气性，表明在低透气性高瓦斯煤层实施深孔预裂爆破卸压增透技术是一种积极可行的方案。

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