超深孔聚能定向爆破技術在本煤層抽放瓦斯中的應用研究

摘要：針對龐莊煤礦張小樓鉆孔抽放瓦斯中存在的抽放效率低、濃度低、衰減速度快等技術難題，基于聚能爆破定向增透效應，創造性地設計出多縫線射流聚能藥卷，并進行了主要爆破參數的設計，同時將超深孔聚能爆破技術成功應用于實際瓦斯抽放工程中。工程實踐表明：采用超深孔聚能定向爆破技術，鉆孔瓦斯平均抽放濃度提高了近200%，預抽率大于30%，瓦斯壓力低于0.74MPa，有效解決了高瓦斯、低透氣性煤層的瓦斯抽排放問題，可為煤層預抽瓦斯提供一定的借鑒價值。

關鍵詞：超深孔聚能定向爆破 預抽瓦斯 多縫線射流聚能藥卷 順層鉆孔

0 引言

我國礦井中僅有1/3的礦井具有開采保護層的條件，且隨著采掘深度的增加，有些保護層轉變為有突出危險或不可采，使具有開采保護層條件的突出礦井越來越少，單一突出煤層瓦斯治理問題日益加重[1]。隨著國內外瓦斯抽排放技術的日益完善，針對單一突出煤層，本煤層鉆孔抽放瓦斯在國內外諸多礦井成功應用，有效緩解了礦井生產過程中瓦斯帶來的安全壓力[2]。針對龐莊煤礦張小樓井本煤層抽放瓦斯存在的問題，主要是瓦斯抽采效率低、抽采濃度低、衰減速度快等問題，基于聚能爆破定向致裂增透效應，創造性地設計出多縫線射流聚能藥卷，將超深孔聚能爆破技術應用于工作面預抽瓦斯工程中，對高瓦斯、低透氣性煤層安全開采的具有十分積極的意義。

1 工程概況

龐莊煤礦張小樓井隸屬于徐州礦務集團有限公司，礦井位于徐州市西北銅山縣柳新鎮和劉集鎮境內，距徐州市區13km。東鄰江蘇天能集團柳新煤礦，西鄰徐州礦務集團夾河煤礦，南鄰龐莊井。張小樓井采用立井、多水平開拓，主要開采煤層為下石盒子組2煤及山西組七煤和9煤。新主井和新副井落底水平為-1025m水平，回風水平為-400m水平，現生產水平為-1025m水平，采用上、下山開采。

2008年張小樓井瓦斯相對涌出量8.92m3/t，絕對瓦斯涌出量22.61m3/min。相對涌出量小于10m3/t，但根據江蘇省經濟貿易委員會公布的《2008年度全省煤礦礦井瓦斯等級鑒定結果》，本礦按高瓦斯礦井管理，因此必須進行瓦斯抽放，本設計建議設置地面抽放站，選擇水環式真空瓦斯抽放泵。工作面瓦斯抽放量采用開采層順層鉆孔預抽的方法。采用傳統本煤層順層預抽瓦斯，但抽放孔抽放瓦斯濃度基本在20%左右，鉆孔預抽瓦斯存在抽放濃度低、瓦斯濃度不穩定等問題，在很大程度上影響礦井的安全高效生產。

2 聚能定向爆破增透效應

爆轟產物運動方向具有與表面垂直或大體垂直的基本規律。利用這一基本規律將藥包制成特殊形狀（如半球形空穴，拋物形空穴、雙曲線形空穴、錐形空穴等），爆炸時靠空穴閉合產生高壓、高密度、高速度的運動氣體流，使爆轟產物集聚，能量密度提高。沿軸線向外射出的高能量、高密度聚能流的現象稱之為聚能效應，又稱諾爾曼效應[3]。

聚能藥卷維持了炸藥爆轟的穩定傳播，高壓爆生氣體的“氣楔效應”是聚能方向的壓縮徑向裂紋得到擴展的主要驅動力，同時也抑制了非切縫方向壓縮徑向裂紋的發展，在定向裂紋擴展中占有主要的地位[4]。

3 超深孔聚能爆破主要參數設計

鉆完炮孔后應立即裝藥。裝藥前，首先按設計要求制作聚能藥包，然后將藥包送入孔內。

3.1 鉆孔選址

聚能爆破工藝中鉆孔選址是整個工程實施的首要工序，科學合理的選址對爆破效果至關重要。針對煤層超深孔聚能爆破鉆孔選址，兩個因素至關重要：安全因素，在選址時盡量使爆破影響半徑內不存在瓦斯、地質及水文地質安全隱患；施工因素，在實施過程中需要一定的操作空間[5]。

3.2 爆破孔孔徑及孔深

考慮到裝藥不耦合系數和裝藥長度及封孔長度等因素，根據現場經驗并結合具體施工工藝，確定孔徑75mm，孔深約40m。

3.3 孔間距

超深孔聚能爆破孔間距取決于爆破影響區域的大小。如孔間距過大，則爆破裂隙無法相互貫通；但爆破孔間距過小，裂隙會相互重疊，會造成爆破能量浪費。通過實驗室分析和現場試驗對比，孔間距設計在10m左右。

3.4 聚能藥包

對傳統藥包在結構上進行了改造，聚能藥包由PVC套管、礦用乳化炸藥等組成，設計出多縫線射流聚能藥卷，其原理是在PVC套管上管壁環向映射布置加工成多條狹長縫形成多縫線射流聚能藥卷，示意圖見圖1所示，可在炮孔徑向形成多股聚能射流，實現爆炸主裂紋多方向擴展，多縫線射流聚能藥卷定向預裂爆破技術可在煤層內獲得較大范圍爆生裂隙網，增大炮孔間距，大大減少鉆孔工作量，提高煤層透氣性，可解決高瓦斯、低透氣性煤層的瓦斯抽放問題。

3.5 封孔長度

超深孔聚能爆破不僅要避免沖孔，也要保證巷幫煤體不因震動而破壞；封孔長度必須超過巷幫煤體卸壓帶的寬度，防止因爆破產生漏氣影響抽放效果；封孔長度不能太大，以免造成人力和物力浪費[6]。通過對小樹林煤礦具體施工條件的封孔長度綜合分析，結合爆破裂隙圈理論，確定出超深孔聚能爆破鉆孔合理封孔長度為10m。

4 應用效果

基于聚能定向爆破增透機理，充分分析張小樓井工程概況，根據設計的聚能爆破主要參數，得出了相應的聚能爆破瓦斯抽放施工工藝，在工作面軌道平巷進行了超深孔聚能爆破試驗。選取其中一個爆破孔附近的四個抽放孔進行瓦斯濃度測量，對比爆破前后抽放瓦斯濃度，測量數據如圖2所示：

通過測量得出爆破后抽放鉆孔瓦斯濃度平均在60%左右，瓦斯平均抽放濃度較爆破前提高了近200%，使整個工作面瓦斯含量遠低于10m3/t，瓦斯壓力低于0.74MPa，保證了礦井的安全生產。

5 結論

①利用聚能定向斷裂爆破技術，通過改進煤層超深孔聚能爆破裝藥結構，可減小粉碎圈半徑，擴大煤體裂隙帶范圍，提高煤體滲透性，改善煤層鉆孔瓦斯抽放效果。

②基于聚能爆破定向致裂增透效應，創造性地設計出多縫線射流聚能藥卷，可在煤層獲得較大范圍爆生裂隙網，增大炮孔間距，大大減少鉆孔工作量，提高煤層透氣性。

③現場實踐結果表明，采用超深孔聚能定向爆破技術，合理設計爆破主要參數，有效解決了高瓦斯、低透氣性煤層的安全開采難題，對煤層預抽瓦斯有一定的借鑒價值。

參考文獻：

[1]劉杰，程遠平，侯少杰，王亮.單一突出煤層瓦斯治理輔助設計系統[J].煤礦安全，2011（2）：67-70.

[2]林府進，江萬剛，舒貴德.豐城礦區順層預抽鉆孔合理布置參數研究[J].礦業安全與環保，2011，38（5）：47-49.

[3]郭德勇，裴海波，宋建成等.煤層深孔聚能爆破致裂增透機理研究[J].煤炭學報，2008，33（12）：1381-1385.

[4]李清，梁媛，任可可.聚能藥卷的爆炸裂紋定向擴展過程試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2010，29（8）：1684-1689.

[5]郭德勇，宋文健，李中州.煤層深孔聚能爆破致裂增透工藝研究[J].煤炭學報，2009，34（8）：1086-1089.

[6]郭德勇，楊雄，單智勇，呂鵬飛.煤層深孔聚能爆破封孔技術[J].北京科技大學學報，2011，33（7）：785-789.