深孔松動爆破防治煤與瓦斯突出的技術(shù)研究

邵 方 張紅燦 高加傳

我國是發(fā)生煤與瓦斯突出非常嚴(yán)重的國家。煤與瓦斯突出給煤礦工人的安全和國家財產(chǎn)造成巨大威脅。隨著產(chǎn)量的提高，開采深度和開采難度的增大，突出的嚴(yán)重性也在增大，這使得煤與瓦斯突出成了威脅煤礦井安全生產(chǎn)最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。因此深入研究治理煤與瓦斯突出是煤礦安全中的一個重要課題，具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，時間上也具有緊迫性。

1 深孔松動控制爆破防治煤與瓦斯突出的技術(shù)特點(diǎn)

深孔松動控制爆破防治煤與瓦斯突出技術(shù)是由松動爆破和控制孔聯(lián)合作用來實(shí)現(xiàn)防治煤與瓦斯突出的，其特點(diǎn)是采用連續(xù)裝藥工藝和在爆破孔周圍增加輔助控制孔進(jìn)行爆破，提高爆破孔產(chǎn)生松動范圍的一種增透方法;它是由爆炸壓力波、爆生氣體和瓦斯壓力共同作用煤體的結(jié)果。

在含瓦斯煤體中進(jìn)行的深孔松動控制爆破既不同于普通預(yù)裂爆破又不同于松動爆破。深孔松動控制爆破的目的是為了增加煤體的裂隙長度和范圍，以提高爆破煤體的透氣性。

2 深孔松動控制爆破作用

2.1 爆炸應(yīng)力波的作用

在應(yīng)力波作用下，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生徑向位移，由此在靠近壓縮區(qū)的介質(zhì)中產(chǎn)生徑向壓縮和切向拉伸。當(dāng)切向拉伸應(yīng)力超過介質(zhì)的動抗拉強(qiáng)度時會產(chǎn)生徑向裂隙，并隨應(yīng)力波的傳播而擴(kuò)展。當(dāng)應(yīng)力波衰減到低于介質(zhì)抗拉強(qiáng)度時，裂隙便停止擴(kuò)展。在應(yīng)力波向前傳播的同時，爆生氣體緊隨其后迅速膨脹，進(jìn)入由應(yīng)力波產(chǎn)生的徑向裂隙中，由于氣體的尖批劈作用，使裂隙繼續(xù)擴(kuò)展。隨著裂隙的不斷擴(kuò)展，爆生氣體膨脹，氣體壓力迅速降低，當(dāng)壓力降到一定程度時，積蓄在介質(zhì)中的彈性能就會釋放出來，形成卸載波，并向炮孔中心方向傳播，使介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生環(huán)向裂隙，通常環(huán)向裂隙較少[1]。

2.2 控制孔的作用

控制孔主要在兩方面起作用:一方面，控制了爆炸能量作用的方向，提高了爆炸能量的利用率，改善了爆破的效果，使得布孔區(qū)間周圍的煤體充分地利用了炸藥的能量;另一方面，控制孔起到了補(bǔ)償空間的作用，使得爆破后的煤體不會重新壓實(shí)，破碎圈與松動圈始終存在，繼續(xù)釋放瓦斯和地應(yīng)力。

2.3 爆生氣體作用

在應(yīng)力波過后，爆生氣體產(chǎn)生準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場，并楔入空腔壁上已張開的裂隙中，在裂隙尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展。在裂隙擴(kuò)展過程中，爆生氣體首先進(jìn)入張開寬度大、較平直、對氣體楔入阻力小的大裂隙中，然后再進(jìn)入與之溝通的小裂隙中，直到爆生氣體壓力降到不足以使裂隙繼續(xù)擴(kuò)展為止[2]。爆生氣體在煤體內(nèi)產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力可認(rèn)為隨距炮孔中心距離的增加而衰減，在煤體內(nèi)存在爆生氣體應(yīng)力梯度。

2.4 煤層瓦斯壓力對裂隙擴(kuò)展的作用

深孔松動控制爆破是在煤與瓦斯流固耦合介質(zhì)中進(jìn)行的。瓦斯壓力在裂隙的產(chǎn)生與擴(kuò)展的整個過程中，都起到重要作用。在爆破中區(qū)的瓦斯也參與了裂隙擴(kuò)展，但是與爆生氣體壓力相比，其作用較小，而在爆破遠(yuǎn)區(qū)，爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力已明顯降低，徑向裂隙擴(kuò)展已減緩或停止。此時，爆前處于力學(xué)平衡狀態(tài)條件下的原生裂隙中的瓦斯，由于爆炸應(yīng)力場的擾動將作用于已產(chǎn)生的裂隙內(nèi)，使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展。

2.5 深孔松動控制爆破防突作用

通過以上分析可以看出爆破煤體裂隙區(qū)的形成過程主要分為:炸藥在煤體爆破孔內(nèi)爆破后，將產(chǎn)生應(yīng)力波和爆生氣體，在爆破近區(qū)產(chǎn)生壓縮粉碎區(qū)，形成爆炸空腔，煤體固體骨架發(fā)生變形破壞，在爆炸空腔壁上產(chǎn)生初始裂隙(不同于原生裂隙)。此外，空腔壁上的部分原生裂隙將會擴(kuò)展、張開。最后，在爆破孔的周圍形成包括壓縮粉碎圈，徑向裂隙和環(huán)向裂隙交錯的裂隙圈及次生裂隙圈在內(nèi)的較大的連通裂隙網(wǎng)[3，4]。

綜上所述，深孔松動控制爆破是在掘進(jìn)工作面前方存在一定卸壓煤體防護(hù)下(一般不小于5 m)，在工作面前方煤體中引爆深孔炮眼，使得煤體產(chǎn)生松動的爆破，其中控制孔在該過程中起到控制爆破方向與補(bǔ)償爆破裂縫空間的作用，形成卸壓槽。由于深孔松動控制爆破使工作面前方煤體裂隙增大，煤體透氣性大大增強(qiáng)，有利于掘進(jìn)工作面前方煤體瓦斯預(yù)排放，使煤體瓦斯壓力降低，瓦斯含量減少從而降低了煤體瓦斯壓縮內(nèi)能，同時提高了煤體的機(jī)械強(qiáng)度，進(jìn)而達(dá)到減弱或消除煤與瓦斯突出的危險[5]。

3 深孔松動控制爆破參數(shù)設(shè)計

3.1 孔徑的選擇

1)爆破孔徑選擇。煤炭科學(xué)研究總院某分院曾經(jīng)用有限元分析方法，分析過爆破孔徑與煤層透氣性系數(shù)的關(guān)系，其結(jié)果見圖1。

圖1說明隨著爆破孔徑的增大，煤層透氣性提高。但并不成比例關(guān)系，煤層透氣性系數(shù)提高的速度隨著爆破孔徑的增大而逐漸減小。說明單靠增大爆破孔徑的辦法提高煤層透氣性效果是有限的，而且打過大的鉆孔既耗費(fèi)時間，打鉆的難度也大。根據(jù)煤礦一般的現(xiàn)場機(jī)具可取:D=42 mm或89 mm。

2)控制孔徑選擇。同上，根據(jù)該院的分析結(jié)果，控制孔直徑對透氣性系數(shù)的影響如圖2所示。

從圖2可看出，控制孔孔徑越大，導(dǎo)向及補(bǔ)償作用越顯著。因而，對裂隙的形成和擴(kuò)展越有利，但提高幅度較小。因此，可以認(rèn)為控制孔直徑對提高煤層透氣性的作用有限。受現(xiàn)場鉆孔設(shè)備和工藝安全(孔徑過大容易引起塌孔，卡鉆等事故)等因素的限制，一般在90 mm～150 mm之間可達(dá)到導(dǎo)向和補(bǔ)償作用。

3.2 炸藥選擇

松動爆破應(yīng)該選用的炸藥要爆速低，爆力小。此外，需要應(yīng)用深孔松動控制爆破的煤層一般都是高瓦斯煤層，所以，炸藥還需具有如下特點(diǎn):1)能量要有一定的限制，其爆熱、爆溫都要求低。2)具有較高的起爆敏感度和較好的傳爆能力。3)組分中不能含有金屬粉末，以防爆炸后產(chǎn)生高溫固體顆粒。

3.3 裝藥結(jié)構(gòu)及起爆方式

不耦合裝藥，可以降低對孔壁的沖擊壓力，減少粉碎區(qū)，激起的應(yīng)力波在巖體內(nèi)的作用時間加長，從而加大裂隙區(qū)的范圍，充分利用了炸藥能量。為了使爆炸能量充分作用在裂隙區(qū)，形成盡可能大的裂隙范圍，因此采用不耦合裝藥。

3.4 爆破孔與控制孔間距

突出煤層大都屬于低阻抗巖石，所以其破壞以爆生氣體的破壞為主。因此裂隙區(qū)半徑應(yīng)按爆生氣體準(zhǔn)靜壓作用來計算，計算公式如下:

其中，Rp為裂隙區(qū)半徑;P0為爆生氣體壓力;σt為巖石的抗拉強(qiáng)度;rb為炮孔半徑。松動控制爆破中增加了控制孔，也就是增加了自由面，式(1)中計算的裂隙區(qū)是無限介質(zhì)中爆破作用的結(jié)果，因此考慮到控制孔的作用，爆破孔和控制孔的間距可比上面論述的裂隙區(qū)半徑稍大。有關(guān)試驗(yàn)也證明這一點(diǎn)。

3.5 爆破孔封孔長度

合理的封孔長度既要保證煤體松動破裂，同時又不能產(chǎn)生拋擲爆破漏斗。一般離工作面2 m～3 m處為卸壓帶，3處～5處為應(yīng)力集中帶，遠(yuǎn)處為原始應(yīng)力帶。當(dāng)封孔長度超出應(yīng)力集中帶，爆破產(chǎn)生的裂隙擴(kuò)展將受到應(yīng)力集中帶的遏制，可使裂隙不易向工作面擴(kuò)展，從而保證工作面附近的煤體不被破壞而崩塌。

3.6 裝藥量計算

由藥量計算的體積原理，有:

其中，Q為藥包重量，kg;V為設(shè)計爆落的介質(zhì)體積，m3;K為在一定爆破條件和特定效果要求下的單位用藥量系數(shù)，kg/m3。

對于松動控制爆破，其炸藥消耗量取標(biāo)準(zhǔn)爆破炸藥消耗量的1/3估算。但在實(shí)際應(yīng)用時，還需進(jìn)行現(xiàn)場試爆。

4 結(jié)語

1)爆破裂隙的形成主要是爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)壓力作用的結(jié)果，沖擊波只是對孔壁附近產(chǎn)生初始裂隙起作用。2)探討了地應(yīng)力、瓦斯壓力對裂隙擴(kuò)展的影響，認(rèn)為地應(yīng)力對爆破裂隙擴(kuò)展起阻礙作用，瓦斯壓力起促進(jìn)作用。3)深孔松動控制爆破由于控制了炸藥能量作用的方向，產(chǎn)生了較大的破碎圈帶和裂隙圈帶，消除了煤體結(jié)構(gòu)不均現(xiàn)象，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的產(chǎn)生，所以大大降低了誘導(dǎo)煤與瓦斯突出的可能性。

[1] 宋守志.固體介質(zhì)中的應(yīng)力波[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1989.

[2] 王仲琦，張 奇，白春華.孔深影響爆炸應(yīng)力波特性的數(shù)值分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21(4):550-553.

[3] 姚尚文.高瓦斯低透性煤層強(qiáng)化增透抽放瓦斯技術(shù)研究[D].合肥:安徽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

[4] 黃秋林.深孔松動預(yù)裂爆破提高瓦斯抽放率數(shù)值模擬及應(yīng)用探討[D].北京:北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

[5] 蔣承林，俞啟香.煤與瓦斯突出的球殼失穩(wěn)機(jī)理及防治技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1998.