郭家河煤礦CO2深孔預裂爆破鉆孔間距優選

狄存緒 崔宏磊 邢立杰

(1.陜西郭家河煤業有限公司；2.煤科集團沈陽研究院有限公司)

二氧化碳預裂爆破屬于松動爆破[1-3]，在對工作面進行爆破初期，需要估算其爆破影響范圍。近年來，國內學者對深孔控制預裂爆破工藝進行了大量研究，魏殿志[4]運用爆炸沖擊波理論分析了爆炸應力波在巖石中的傳播規律，給出了爆破參數選取的理論依據；索永錄[5]等采用X射線攝影技術研究了不耦合裝藥爆破擴腔過程；田利軍[6]采用大煤樣試驗方法探索了堅硬頂煤的合理爆破參數取值；劉澤功等[7]對深孔預裂爆破提髙低滲透性煤層的瓦斯抽放率進行了數值模擬研究，認為深孔預裂爆破可為高瓦斯低滲透性煤層提供增透作用；龔敏[8]通過數值模擬試驗，并結合煤礦現場爆破試驗結果，探討了不同爆破介質的動應力分布及抽放效果。上述成果大多涉及爆破機理及爆破裝藥參數優化取值，但對于二氧化碳在低透氣性煤層中松動爆破孔間距取值的研究涉及較少，因此本研究以郭家河煤礦1302工作面為例，通過現場試驗對該工作面CO2深孔預裂爆破鉆孔間距取值進行探討。

1 工程概況

郭家河煤礦1302工作面為該礦I盤區西翼采區第3個工作面。1302工作面所采煤層為中侏羅統延安組3#煤層，煤層黑色，煤巖類型以半亮型為主，條痕褐黑色，瀝青光澤，條帶狀結構，層狀構造，階梯狀斷口，垂向裂隙發育，有3層夾矸，夾矸厚0.1～0.8 m，煤層厚0～12.8 m，平均7.96 m。該工作面走向長度為1 284 m，其南側為1304綜放工作面采空區，北側為主副斜井，西側為零點邊界，東側為1301綜放工作面采空區。礦井絕對瓦斯涌出量為54.05 m3/min，相對瓦斯涌出量為8.15 m3/t，礦井絕對CO2涌出量為8.37 m3/min，相對CO2涌出量為1.26 m3/t，屬高瓦斯礦井，且煤層透氣性較差，屬較難抽放煤層。

2 試驗分析

2.1 試驗方案

為保障回采期間工作面生產安全，在抽采本煤層瓦斯期間，于1302工作面420 m處實施了二氧化碳致裂煤層增透技術試驗，試驗內容為有效致裂半徑確定和致裂增透效果考察。本研究1302工作面二氧化碳致裂增透技術試驗布置6個抽放孔。試驗位置選擇于1302皮帶順槽5#鉆場外側，試驗地點見圖1。設計施工爆破鉆孔2個，孔徑94 mm，孔深150 m，爆破深度40 m。非爆破鉆孔4個。

圖1 二氧化碳致裂爆破增透試驗鉆孔及抽采布置

首先測試深孔預裂爆破炸藥對煤層預裂半徑的影響范圍，第1組試驗由3個鉆孔組成，1#孔為爆破孔，孔徑為94 mm，2#、3#孔為控制孔，也為增透效果考察孔，孔徑均為94 mm；第2組試驗由3個鉆孔組成，4#孔為爆破孔，孔徑為94 mm，5#、6#孔為控制孔，也為增透效果考察孔，孔徑均為94 mm(圖2)。鉆孔參數見表1。

圖2 煤層預裂半徑測試鉆孔布置示意

試驗鉆孔編號傾角/(°)與巷道夾角/(°)鉆孔長度/m距爆破孔距離/m孔別第1組1#09050爆破孔2#090503.0考察孔3#090503.5考察孔第2組4#09050爆破孔5#090502.5考察孔6#90504.0考察孔

井下試驗主要工作有打鉆、裝爆破筒、布線、封孔、起爆、效果考察。垂直于巷道走向在工作面煤體中交替布置爆破孔和控制孔，鉆孔布置見圖3。

圖3 1302工作面皮帶順槽預裂爆破鉆孔布置

爆破后對爆破孔以及控制孔進行聯網抽采瓦斯，測定其瓦斯濃度、流量等參數，與在1302運順其他未受爆破影響的鉆孔進行比較，進一步分析預裂效果。

2.2 試驗結果

為排除地質等外在因素對鉆孔封孔效果的影響，本研究選擇試驗區域前后2段的帶壓封孔鉆孔(共5個)作為對比孔。對比孔瓦斯抽采濃度及純量與爆破孔瓦斯抽采濃度及純量對比結果如圖4、圖5所示。

分析圖4、圖5可知：6#、3#孔距離爆破孔較遠，但爆破后對煤層透氣性起到了一定的改善作用，預裂爆破半徑能夠達到4 m；隨著爆破孔與抽采孔距離的減小，如2#、5#孔的瓦斯抽采濃度及純量均成倍增加，增加量約為初始濃度及純量的4～5倍，但隨著抽采時間的增加，濃度及純量衰減較快，在抽采第18 d時，瓦斯抽采濃度及純量接近未爆破鉆孔；5#、2#孔數據對比表明，當鉆孔與爆破孔的距離減小至一個定值時，對抽采的影響效果趨于穩定，因此在對工作面進行預裂爆破抽采鉆孔設計時，綜合考慮抽采效果及成本，本研究將鉆孔間距設計為3 m。

圖4 抽采孔瓦斯濃度

圖5 抽采孔瓦斯純量

3 結 語

以郭家河煤礦1302工作面為例，通過現場試驗，分析了不同鉆孔間距對瓦斯抽采效果的影響。研究表明，當鉆孔間距減小時，瓦斯抽采濃度及純量顯著增加，當鉆孔間距減小至一定程度時，對瓦斯抽采濃度及純量的影響很小，因此本研究將適宜的鉆孔間距確定為3 m。

[1] 魏 剛，夏洪滿，姜鳳崗，等.液態二氧化碳爆破器落煤試驗研究[J].煤礦開采，2009，14(1)：22-24.

[2] 張子飛，來興平.復雜條件下急斜厚煤層高階段綜放開采超前預爆破[J].煤炭學報，2008，33(8)：846-849.

[3] 丁學丞.煤層預裂爆破鉆孔合理間距數值模擬研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2013.

[4] 魏殿志.爆炸沖擊波對煤體的變形和破壞作用分析[J].中國煤炭，2004，30(5)：41-42.

[5] 索永錄，王小林.煤體不偶合裝藥爆腔擴展過程[J].爆炸與沖擊，2005，25(1)：54-58.

[6] 田利軍.放頂煤開采爆破破碎硬頂煤研究[J].煤炭學報,2003,28(1):17-21.

[7] 劉澤功，蔡 峰，肖應棋.煤層深孔預裂爆破卸壓增透效果數值模擬分析[J].安徽理工大學學報(自然科學版)，2008，28(4)：16-20.

[8] 龔 敏.突出煤層深孔控制爆破時控制孔的作用[J].爆炸與沖擊，2008，28(4)：310-315.