高壓空氣爆破影響半徑研究*

汪開旺

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司；2.煤礦安全技術國家重點實驗室)

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高壓空氣爆破影響半徑研究*

汪開旺1,2

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司；2.煤礦安全技術國家重點實驗室)

摘要為了確定高壓空氣爆破施工時爆破孔間距的大小，需要考察高壓空氣爆破影響半徑。以丁集礦西一13-1軌道大巷聯巷為試驗點，通過在13-1煤層實施高壓空氣爆破，統計各考察鉆孔在爆破前后瓦斯涌出量數據，并對結果進行分析，從而得出高壓空氣爆破影響半徑。結果表明，最佳影響半徑為2.5 m，爆破影響范圍為5 m。

關鍵詞低透氣性高壓空氣爆破煤層增透影響半徑

目前，世界各主要產煤國均把抽采煤層氣作為防止瓦斯事故及開發新能源的有效技術措施。通過各種技術手段人為強制溝通煤層內的原有裂隙網絡或產生新的裂隙網絡，使煤層透氣性增加[1-4]，以此提高低透氣性煤層氣的抽采量，同時也可防止煤礦瓦斯事故的發生。在歷年研究中，國內外提出了交叉鉆孔、超前鉆孔、深孔松動爆破和深孔控制爆破、密集鉆孔、大直徑鉆孔、水力沖孔、水力割縫、加沙致裂預抽、地面井抽采等強化抽采瓦斯技術[5-11]，并研制應用了相配套的設備器材，進行強化抽采煤層氣，取得一定的效果。

雖然國內外的科研人員提出了各種各樣的技術和方法增加煤層透氣性，提高瓦斯抽放性，但這些方法多數存在鉆孔工程量大、工序復雜、投入高、有效影響范圍小、抽采時間長等問題。因此，提出一種新的低透氣性煤層增透方法——高壓空氣爆破致裂增透技術[12-13]，相比較而言，利用高壓空氣進行爆破較利用炸藥進行的深孔預裂爆破增透技術具有無火藥爆炸火焰、安全隱患少、不會破壞煤層頂底板的優點。同時，有些煤巖體遇水易膨脹，無法進行水力化增滲措施，就需要引進氣體化技術措施。高壓空氣爆破影響半徑的確定則是爆破鉆孔施工參數的重要內容，用以指導抽采鉆孔的布置。

1高壓空氣爆破增透技術

利用高壓空氣加壓泵站對井下巷道過濾后的空氣進行加壓，然后通過高壓管路將高壓空氣輸送至高壓空氣釋放裝置，當空氣壓力達到試驗所需壓力值(如50 MPa)時，開啟爆破閥，高壓空氣突然釋放，形成高壓空氣沖擊波，爆破沖擊煤體。利用高壓空氣沖擊波為動力源，通過噴射嘴沖擊切割鉆孔周圍的煤體，使其逐漸破碎脫離孔壁，經過多次沖擊，煤體內形成大小不一、相互連通孔洞網絡，利用這些孔洞使鉆孔周圍遠處的煤體形成卸壓、膨脹，煤體空隙增大，實現爆破增透的目的；同時利用高壓空氣沖擊波為動力源，借助煤層控制鉆孔所形成的自由面，通過噴嘴沿煤層對鉆孔內煤體瞬間沖擊，使沖擊鉆孔與控制鉆孔之間的煤體震動，產生位移或裂隙，達到瓦斯抽采增效的目的。

2高壓空氣爆破試驗

高壓空氣爆破壓力為100 MPa以下，遠小于炸藥爆破時的壓力，其影響半徑也不同于炸藥爆破[14-15]，因此，需要通過試驗考察其爆破影響半徑，以指導煤礦現場實際應用。

2.1試驗地點概況

試驗選擇在丁集礦西一13-1軌道大巷聯巷，試驗煤層為13-1煤層。丁集礦13-1煤層為突出危險煤層，礦方實測瓦斯壓力為1.6 MPa，瓦斯含量為6.11 m3/t；煤層松軟，透氣性系數為0.011 12 m2/(MPa2·d)，透氣性差。

可采煤層頂底板一般以泥巖、砂質泥巖為主，厚度小，抗壓強度為19.60～58.70 MPa，單向抗拉強度為1.04～2.21 MPa，易坍塌冒落。粉砂巖平均抗壓強度為72.34 MPa，單向抗拉強度為0.63～4.60 MPa，砂泥巖互層抗壓強度為48.90～82.50 MPa。13-1煤頂板砂巖抗壓強度為37.0～131.1 MPa，單向抗拉強度為1.20～4.93 MPa，巖性較為致密堅硬，強度較高，不易坍落。頂底板工程力學性質均屬不穩定～穩定。礦床工程地質條件為中等。

2.2鉆孔參數

在試驗巷道布置1#爆破鉆孔，在其兩側不等距布置2#～7#考察鉆孔，要求6個鉆孔基本同時完成布置，立即封孔。2#～7#鉆孔用φ94 mm鉆頭一次性鉆透煤層見頂0.5 m，完孔后下2寸管封孔，安裝鉆孔專用接頭，自然排放瓦斯，用多級流量計測量鉆孔瓦斯流量。1#爆破孔先用φ94 mm鉆頭開孔，然后用φ135 mm鉆頭擴孔5 m，完孔后下φ108 mm管封孔5 m，安裝爆破鉆孔專用接頭，最后用φ94 mm鉆頭一次性鉆透煤層見頂0.5 m。爆破完成后，將孔口封死。鉆孔布置及參數見圖1、表1。

圖1　鉆孔布置

鉆孔類別孔號方位角/(°)傾角/(°)孔徑/mm見煤深度/m煤孔長度/m備注爆破孔1#1355095223爆破后封孔考察孔2#1355095213自然排放3#1355095213自然排放4#135509522.53自然排放5#135509519.73.1自然排放6#1355095213自然排放7#135509521.42.6自然排放

2.3現場測定

試驗采用單點爆破釋放裝置，爆破壓力為50 MPa。測定各考察鉆孔的瓦斯涌出量Qi(t),然后進行對比分析，獲得高壓空氣爆破影響半徑及增透影響范圍。爆破前后2#～7#鉆孔瓦斯涌出量變化情況見表2、圖2、圖3。

表2　爆破前后2#～7#鉆孔瓦斯涌出變化情況

注：爆破后鉆孔瓦斯濃度是指濃度平穩后值。

對各考察鉆孔瓦斯自然涌出量數據統計分析后發現，距離爆破鉆孔2.5 m處考察鉆孔瓦斯流量在高壓空氣爆破后變化率達到最大值，大于2.5 m后考察鉆孔瓦斯流量變化率降低，所以，爆破影響半徑2.5 m為最佳距離，爆破影響范圍為5 m。

圖2　爆破前后鉆孔瓦斯涌出量變化情況

圖3　2#～7#鉆孔爆破后瓦斯涌出變化率

3結論

(1)通過高壓空氣爆破試驗，證明高壓空氣爆破技術應用于煤層增透不僅在理論上是可行的，而且在試驗時能產生很大的效果，可以較大幅度增加鉆場瓦斯涌出量。

(2)通過丁集煤礦不等距考察鉆孔瓦斯自然涌出量試驗得出，在實施單點爆破，爆破壓力為50 MPa時，爆破影響半徑2.5 m為最佳距離，爆破影響范圍為5 m。實施高壓空氣爆破增透技術可以增加鉆孔間距，減少抽采鉆孔布置數量，降低生產成本，同時提高煤層氣產量。

參考文獻

[1]胡千庭，蔣時才，蘇文叔.我國煤礦瓦斯災害防治對策[J].礦業安全與環保，2000,27(1):1-4.

[2]彭成.我國煤礦瓦斯抽采與利用的現狀及問題[J].中國煤炭，2007，33(2)：60-62．

[3]易麗軍,俞啟香.低透氣性煤層瓦斯抽采增透技術[J].礦業安全與環保,2005,32(6):46-48.

[4]陳靜,王繼仁,賈寶山.低透氣性煤層瓦斯抽采技術與應用[J]．煤炭技術,2009,28(3):70-73．

[5]張興華.利用深孔控制預裂爆破強化瓦斯抽放消除回采工作面突出危險性[J].煤礦安全，2006,37(2):22-24．

[6]張英華,倪文,尹根成，等.穿層孔水壓爆破法提高煤層透氣性的研究[J].煤炭學報，2004，29(3)：298-302．

[7]富向.井下點式水力壓裂增透技術研究[J].煤炭學報，2011，36(8)：1317-1321.

[8]王耀鋒，李艷增．預置導向槽定向水力壓穿增透技術及應用[J]．煤炭學報，2012，37(8)：1326-1331．

[9]翟成，李賢忠，李全貴.煤層脈動水力壓裂卸壓增透技術研究與應用 [J].煤炭學報，2011，36(12):1996-2001.

[10]蘇現波，馬耕，孫平，等．地面煤層頂板順層水平壓裂井抽采瓦斯方法：中國，CN102080526A[P]．2011-06-01．

[11]馬耕，蘇現波，張明杰，等．煤層順層水力壓裂抽放瓦斯的方法：中國，CN101963066A[P]．2011-02-02．

[12]王魁軍，高坤，李守國，等.高壓氣體沖擊破裂煤體瓦斯預抽方法與裝備：中國，NO.200910012055[P].2009-11.

[13]高坤，王繼仁，賈寶山，等.高壓空氣沖擊煤體增透技術實驗研究[J].礦業安全與環保，2011，38(6)：9-14.

[14]謝友友，張連軍，林柏泉，等.穿層深孔控制爆破有效影響半徑的確定[J].煤礦安全.2008，39(11):11-14.

[15]倪小軍.深孔爆破松動半徑試驗研究[D].淮南：安徽理工大學，2009.

(收稿日期2015-11-17)

*國家“十二五”大型油氣田及煤層氣開發科技重大專項(編號：2011ZX05041-003)。

汪開旺(1985—)，男，助理研究員，碩士，110016 遼寧省沈陽市沈河區東濱河路108號。