淺談煤層爆破機理

胡皓

摘要：本文通過分析爆破增透的機理與爆破增透的過程，可以發現煤層裂隙大發育與發展是一個非常復雜的動力學過程。這其中不僅有爆破產生的爆轟波、應波、及爆生氣體的作用，還有瓦斯的動力作用，是幾個方面的作用力共同作用的結果。在整個增透過程中炸藥爆炸的作用是最主要的。但是不同的階段兩者的作用不同，爆炸前期是炸藥爆炸的作用結果，而等炸藥作用力衰減到一定程度以后是瓦斯作用力的結果。

關鍵詞：深部開采；低透氣煤層；爆破致裂；煤層增透

1 引言

我國是當今世界上第一產煤和消費煤大國。近些年來，隨著開采深度的增加，導致開采條件更趨于復雜，出現了高地應力、高瓦斯、高非均質性、低滲透性和低強度煤體的特征（三高兩低），對于高瓦斯礦井瓦斯的抽放、粉塵危害性的工作面注水防治粉塵都造成了一定的困難。原有的適用于淺部煤層的安全技術及理論基礎已經難以適應當前煤礦安全、高效生產的迫切需求。所以需要一種技術來提高煤層透氣性。爆破致裂增透技術是針對煤層煤質堅硬、裂隙不發育、孔隙率低、煤層厚等特點而研發的新技術。爆破致裂增透法是在注水鉆孔或專用爆破鉆孔中布置一個或多個爆破藥包，通過單孔爆破或多孔同時爆破，利用炸藥爆炸能量在煤體內的內部作用，使鉆孔周圍產生徑向和環向裂隙，以提高煤層的孔隙率。因其是針對煤質堅硬、裂隙不發育、孔隙率低的煤層提出的，所以對于深部低滲透煤體增透有較好的適用性，對于深部煤層增透，提高瓦斯抽采效果與注水效果有重大的意義。

為此，針對煤質堅硬、裂隙不發育、孔隙率低、煤層厚等特點，研究爆破致裂增透機理，對煤層爆破致裂增透的過程進行分析，對于保障礦井的安全高效開采和可持續發展，具有重要的理論與現實意義，對全國的煤礦也具有重要的指導和借鑒價值。

2 煤層爆破致裂增透的機理分析

巖石爆破破碎的學說有爆轟氣體壓力作用學說、應力波作用學說和爆轟氣體和應力波共同作用學說。無論哪一種假說，巖石破碎都是由于爆破后產生的應力波或者爆轟波的壓力逐漸加大到大于巖石的抗拉強度，而使巖石原有裂隙發育并產生新的裂隙。最后將破碎的巖石拋擲的結果[1]。

爆破致裂增透的機理與巖石破碎的機理基本是相同的，主要依靠應力波動作用和高溫高壓爆生氣體靜態壓力作用來破壞煤體[2]。爆破致裂的實質就是炸藥進行劇烈的化學反應，能量在密閉空間得到急劇釋放并作用于炮孔壁上，對煤體進行破裂的過程[3]。炸藥爆炸以后能量以爆轟波、應力波、高溫高壓的爆生氣體的方式釋放，爆轟波、應力波、爆生氣體三者一次作用于炮孔壁、煤體裂隙，作用過程中炸藥能量逐漸消減直到能量不能對媒體形成作用為止[4]。

爆破致裂增透與巖石破碎兩者的不同之處就是，巖石破碎過程中，炸藥量大巖石的破碎程度大，而且爆炸作用能到達自由面并且會將巖石拋擲出巖體，破壞了巖體原有的整體性的結構[5-7]。而爆破致裂增透的過程中，由于藥柱的埋置深度很大，或藥包質量較小時，炸藥的爆炸效果達不到自由面（這種爆破也叫爆破的內部作用），只是單純的使煤體原有裂隙發育且形成新的裂隙，提高但是不會將煤體拋擲而破壞煤體結構的整體性影響采掘活動。

3 煤層爆破致裂增透的過程分析

3.1 爆轟波、應力波及爆生氣體的作用

當初始裂隙形成后，應力波壓力下降，巖石就立即釋放出壓縮過程中積蓄的彈性變形能，形成與壓應力波作用方向相反的拉應力σr，使煤體質點產生反方向的徑向運動[8]，形成環向裂隙。徑向裂隙和環向裂隙所作用的范圍被稱之為破裂區。破裂區緊隨著巖石粉碎區。在破裂區之外，爆炸所產生的能量已經不能引起煤體的破壞，但是其可以引起巖石質點的彈性震動，這個區域被稱之為震動區。

3.2 爆生氣體在煤體裂隙發育中的作用

炸藥爆炸是炸藥內部發生的一種快速的、劇烈的化學反應的過程，炸藥爆炸后會生成大量的高溫高壓氣體，其對煤體裂隙發展也有非常重要的作用。爆生氣體對煤體的作用主要是由于氣體在裂隙的尖端形成了應力集中，而促進了裂隙的發展[9]。爆生氣體先進入發展較好的大裂隙中，逐步進入小的裂隙中。由于尖端的應力集中使得裂隙進一步發展，直到爆生氣體的壓力下降到不能夠在促進裂隙發展為止。同時，爆生氣體的準靜態應力的大小與爆破中心的距離緊密相關，距離爆破孔中心距離越遠，其應力值越小，因此，在其徑向方向上的煤體氣體壓力呈現梯度分布，在爆生氣體的作用下，裂隙沿著氣體應力梯度方向擴展。

3.3 瓦斯在煤體裂隙發育中的作用

當對煤體進行爆破時，瓦斯對于煤體的作用表現為氣體與固體之間的作用，稱之為流固耦合。游離態的瓦斯首先進入裂隙并將煤體裂隙進一步發展，隨后吸附態的瓦斯解吸，瓦斯能進一步釋放[4]，瓦斯又一次進入煤體原有以及新形成的煤體裂隙內，也對煤體裂隙的形成起到的一定的促進作用。

3.4 煤層中裂隙網的形成

通過以上的討論我們可以知道，當煤體爆破孔炸藥爆炸后形成了以炮孔為中心的煤層裂隙網，分別為粉碎區、裂隙區和震動區。爆破增透技術的實施是為了在整個煤層中形成大范圍的煤層裂隙網，但是由于煤體的厚度較大、走向長度非常長而且炸藥的作用范圍是以每個爆破孔為中心的，所以單一的炮孔不能形成交完整的裂隙網[10]。所以，通過計算炮孔的裝藥量 使爆破的影響范圍適當的擴大但不要影響煤層頂底板的應力狀態，以及合理的布置炮孔位置，使相鄰的炮孔之間的裂隙可以相互貫通。使爆破得到較好的效果，以使在整個煤層中形成較完整的裂隙網。

參考文獻：

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[2]李杭州，堅硬煤層放頂煤弱化研究.碩士論文西安科技大學2003

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[4]鈕 強.巖石爆破機理[M].沈陽： 東北工學院出版社，1990

[5]程慶迎.低透煤層水力致裂增透與驅趕瓦斯效應研究，中國礦業大學2012年博士學位論文，2012

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[9]李杭州，堅硬煤層放頂煤弱化研究.碩士論文西安科技大學2003

[10]龔敏，王德勝. 黃毅華突出煤層深孔控制爆破時控制孔的作用[J]. 爆炸與沖擊.2008.08，28（4）：310-315