水壓爆破技術的應用

吳曉亮,路潔心,李 賀

1 水壓爆破原理

水壓爆破是將炸藥置于受約束的有限水域內,利用水作為傳能介質來傳遞炸藥爆炸時所產生的能量和壓力,以此來破碎周圍介質的一種爆破方法。

水壓爆破就是炸藥在水中爆炸時,通常產生沖擊波、氣泡和壓力波,三者都能對目標有一定程度的破壞,爆破近區產生壓縮粉碎區,形成爆破空腔,煤體固體骨架發生變形破壞,在爆炸空腔壁上產生長度約為炮孔半徑數倍的初始裂隙,空腔壁上部分原生裂隙將會擴展、張開。爆轟后沖擊波通過水作用于孔壁,沖擊波到達孔壁后迅速產生反射,反射波到達分界面后水體便達到準靜態壓力狀態,準應力場并楔入空腔壁上己張開的裂隙中,與煤層中的高壓瓦斯氣體共同作用于裂隙面上,在裂隙尖端產生應力集中,使裂隙進一步擴展,進而在爆破孔周圍形成徑向“之”字形交叉裂隙網。再加上控制孔的作用,形成反射拉伸波和徑向裂隙尖端處的應力場相互疊加,促使徑向和環向裂隙進一步擴展,大大增加了裂隙區的范圍,由于爆炸應力場的擾動,原生裂隙的瓦斯將作用于己產生的裂隙內,使裂隙進一步擴展。最后,在爆破孔的周圍形成包括壓縮圈、徑向和環向裂隙交錯的裂隙及次生裂隙圈在內的較大的連通裂隙網。

2 工作面概況

己15-31010工作面是十二礦規劃的三水平首采工作面,工作面位于三水平東翼上部,東鄰八礦、南鄰十二礦北山風井保護煤柱、西鄰三水平三條下山、北面為未開采區域。工作面地表為高山,地面最高標高為+370 m,山高路陡,地面勘探鉆孔少,己15-31010工作面及其附近 1 000多m無任何勘探資料,造成地質資料不明。

己15-31010工作面巷道設計總工程量為5 293 m,其中風巷設計 1 065 m,風巷瓦斯抽排巷 1 119 m,機巷設計 1 041 m,機巷瓦斯抽排巷 1 034 m,切眼 220 m,機風巷專回及其它輔助巷道共 594 m。工作面設計可采走向長 970 m,采高 3.2 m,可采儲量 90萬 t。

由于 2006年 3月 19日己15-31010機巷施工至機巷專用回風巷口往里 23 m處發生了一起以沖擊地壓引起的煤與瓦斯動力現象后,己15-31010機、風巷都停止施工。停止施工前風巷已施工至風巷專用回風巷口往里110 m。

3 開展的試驗和研究狀況

1)預先打好觀測孔,按測試要求測試孔中瓦斯涌出量和瓦斯濃度,并記錄各類參數。

2)打好爆破孔,并清洗鉆孔。

3)鉆孔裝藥。

4)退出試驗鉆孔中的鉆桿。

5)立即將裝好炸藥及雷管的藥管裝入鉆孔中。

6)封孔注水：不間斷注水,并保證水在孔內滲透1 h左右,孔內仍能充滿水;在距孔口 1～1.5 m處,用黃土進行封孔,同時將炮線引至炮孔外并留有足夠的長度。

7)爆破：爆破時應做好相關安全措施。

8)記錄爆破后數據：測試工觀測并記錄觀測孔內瓦斯濃度變化情況,并對爆破現象進行描述。

9)對比爆破前后觀測孔的濃度變化,繪制出表格及變化曲線圖,分析變化趨勢,找出規律。進而總結穿層鉆孔穿層水壓爆破技術的效果,論證其可行性。

4 效果分析

4.1 瓦斯壓力變化記錄

煤層原始瓦斯壓力為 2.85 M Pa,水壓爆破后,對機巷 1#,2#,3#孔進行綜合瓦斯壓力測定其值分別為0.2,0.3,0.2 MPa,從以上數據可以明顯看出煤層瓦斯壓力大幅度下降。

4.2 試驗數據分析

1)鉆孔的爆破影響半徑。根據 1#～6#孔濃度變化,可以得出濃度變化與鉆孔間距大小的一般性規律,見圖 1。根據圖 1可得出水壓爆破影響范圍為9 m左右。

圖 1 水壓爆破前后觀測孔濃度變化范圍圖

2)水的濕潤半徑。進行水壓爆破時,距爆破孔一側依次在 0.5,0.8,1.1,1.5 m處打鉆孔,取巖粉進行水分對比化驗,見圖 2。注意：在打鉆過程中務必采用風力排粉,不得采用水力排粉,以免影響水分對比化驗結果。

圖 2 濕潤半徑取樣孔示意圖

5 結 論

1)水壓爆破的現場試驗,解決了裝藥結構、裝藥工藝、封孔、防水絕緣、注水及爆破及瓦斯抽放等施工工藝問題。

2)爆破孔和觀測孔,與原來的深孔松動爆破技術相比抽放濃度大幅度提高,表明水壓爆破已經大大改善了煤層的透氣性,具有明顯的效果。

3)瓦斯抽放量維持穩定,說明水壓爆破的作用范圍大,影響半徑由原來的 6 m提高到了 9 m左右。

4)機巷掘進情況。迎頭夾鉆、噴孔等問題得到了緩解,噴孔時噴出量較小。

5)裝藥量。由以前松動爆破中 6 kg的炸藥量,減少到了 3.5 kg,提高了炸藥有效能量利用率,降低了炸藥單耗,省炸藥 40%左右。

6)裝藥后在鉆孔的剩余空間內注入水,可以起到封堵鉆孔和消焰的作用,有利于高瓦斯礦井的安全。

7)定向水壓爆破有效發揮了爆炸力和水力的優勢,并將它們的優勢有機地結合起來,改善煤層透氣性、提高瓦斯抽放率,從而達到卸壓、增透防突的效果。

[1] 王文為,張瑞林,倪金勝.掘進工作面煤與瓦斯突出的原因及防治措施[J].煤,2001,(2)：51-52.

[2] 劉相國.陽煤集團防突技術與管理日趨成熟[J].煤礦安全與環保,2001(4)：57.

[3] 黃炳香.煤巖體水力致裂弱化的理論與應用研究[J].煤炭學報,2010(10)：179-180.

[4] 孫 鑫,林柏泉,董 濤,等.穿層深孔水壓控制爆破及其在防突工程中的應用[J].采礦與安全工程學報,2010(1)：86-90.

[5] 陳士海.水壓爆破裝藥研究[J].西部探礦工程,1996(1)：60-62+67.

[6] 葉 青,李寶玉,林柏泉.高壓磨料水力割縫防突技術[J].煤礦安全,2005(12)：13-16.