李雅莊礦2- 226 工作面深孔預(yù)裂爆破增透抽采技術(shù)應(yīng)用

程 千 博

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司李雅莊礦，山西 霍州 031400）

1 工程概況

山西霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司李雅莊煤礦為高瓦斯礦井，礦井2- 226 工作面位于二采區(qū)，工作面傾斜長度為180m，傾斜長度為1350m，開采2#煤層，2# 煤層位于山西組中部，為本井田的主要可采煤層，厚度0.65m～4.27m，平均2.75m，煤層堅(jiān)固性系數(shù) f 為 0.54～0.68，煤層含 0- 3 層夾矸，夾矸厚度為0.10～0.40m，平均厚度為0.22m，夾矸巖性一般為黑色泥巖，煤層頂板為粉砂巖或泥巖，底板一般為灰色細(xì)砂巖或粉砂巖，具微波狀層理，局部為黑色泥巖。工作面采用綜合機(jī)械化開采，采用“U”型通風(fēng)，工作面的配風(fēng)量為2000m3/min。

根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，2- 226 工作面區(qū)域的絕對瓦斯涌出量為10m3/min，工作面內(nèi)原始瓦斯壓力0.475MPa，噸煤瓦斯含量為6.569m3/t，可解吸瓦斯量為4.727m3/t，不可解吸量為1.842m3/t。煤層透氣性系數(shù)為0.4625m2/MPa2·d，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.043d-1，結(jié)合表1 中的煤層的抽采難以程度劃分標(biāo)準(zhǔn)可知2# 屬于可以抽采煤層。基于上述數(shù)據(jù)可知，雖然2# 煤層屬于可抽采煤層，但由于其煤層透氣性較低會致使瓦斯抽采較為困難，現(xiàn)采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)進(jìn)行增透，以提高瓦斯抽采率。

表1 煤層的抽采難以程度劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 深孔預(yù)裂爆破技術(shù)原理

深孔預(yù)裂爆破技術(shù)主要是使用乳化炸藥產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波使得煤層內(nèi)部的孔隙率有效增大，該技術(shù)的主要目的是增加煤體內(nèi)部裂隙的長度的數(shù)量。在無限介質(zhì)中，炸藥在鉆孔爆炸后，會產(chǎn)生大量的高溫高壓爆生氣體和強(qiáng)大的沖擊波，在高壓氣體和沖擊波的作用下，煤巖體內(nèi)的會產(chǎn)生環(huán)向裂隙和徑向裂隙區(qū)域，兩種裂隙的交叉區(qū)域即為爆破中區(qū)，在爆破力作用下被爆介質(zhì)僅出現(xiàn)震動，將該區(qū)域稱為震動區(qū)。炸藥產(chǎn)生的爆生氣體會產(chǎn)生準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場，其會在被爆煤巖體中的裂隙尖端位置處出現(xiàn)應(yīng)力集中，使得煤巖體內(nèi)部的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)散，且裂隙在爆生氣體的作用下，其擴(kuò)展方向始終朝著應(yīng)力較低的區(qū)域擴(kuò)展[1]。

深孔預(yù)裂爆破作業(yè)時一般布置兩種鉆孔，一種為裝藥的爆破孔，另一種為不裝藥的控制孔，當(dāng)炸藥在爆破孔內(nèi)爆炸后，會在孔周圍形成3 倍炮孔長度的初始裂隙，且其會使得煤巖體內(nèi)原有的裂隙進(jìn)行一步張開與擴(kuò)展，在爆炸應(yīng)力波過后，爆破中區(qū)煤巖體內(nèi)的裂隙仍會在爆生氣體的作用下進(jìn)一步擴(kuò)展，便會在爆破孔周圍形成交叉裂隙網(wǎng)。爆破遠(yuǎn)區(qū)的煤巖體，在控制孔的作用下，其內(nèi)部徑向裂隙尖端處的應(yīng)力場與反射拉伸波相互疊加，促使煤巖體內(nèi)部的環(huán)向和徑向裂隙進(jìn)一步發(fā)育，增大裂隙區(qū)的范圍。深孔預(yù)裂爆炸后，爆破孔周圍的煤巖體會形成壓縮粉碎圈、環(huán)向和徑向裂隙圈、次生裂隙圈，各項(xiàng)裂隙相互連通形成裂隙網(wǎng)絡(luò)[2]，具體深孔預(yù)裂爆破后煤巖體內(nèi)裂隙的分布情況如圖1 所示。

圖2 深孔預(yù)裂爆破后裂隙分布示意圖

3 深孔預(yù)裂爆破增透方案

3.1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述深孔預(yù)裂爆破原理，結(jié)合2- 226 工作面的特征，進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破方案的設(shè)計(jì)，具體如下：

1）鉆孔布置：根據(jù)眾多理論試驗(yàn)研究與工程實(shí)踐結(jié)果表明[3-4]，當(dāng)控制孔與爆破孔的間距大于10m時，深孔爆破對鉆孔抽采瓦斯?jié)舛鹊挠绊戄^小，當(dāng)孔間距在8m 時，深孔預(yù)裂爆破對瓦斯抽采鉆孔的影響開始顯著，基于上述結(jié)論，并考慮經(jīng)濟(jì)因素，綜合確定爆破孔與控制孔的孔間距為7m。

設(shè)置深孔預(yù)裂鉆孔布置在回風(fēng)順槽內(nèi)，鉆孔距巷道底板1.4m，布置鉆孔時每兩個控制孔中間布置一個爆破孔，設(shè)置爆破孔與控制孔的孔徑分別為Φ73mm 和95mm。爆破孔與控制孔間的間距為7m，爆破孔間的間距為14m，控制孔與爆破孔均垂直于巷道幫部布置，具體工作面區(qū)域鉆孔布置形式及裝藥量等參數(shù)如表1 所示，具體深孔預(yù)裂鉆孔布置形式如圖2 所示。

表1 深孔預(yù)裂爆破鉆孔參數(shù)表

圖2 深孔預(yù)裂爆破鉆孔布置示意圖

2）裝藥與封孔:現(xiàn)在被筒前端進(jìn)行鉆出細(xì)孔，將導(dǎo)爆索從細(xì)孔中穿過，同時將導(dǎo)爆索固定在第一節(jié)被筒前端，隨后依次將被筒穿過導(dǎo)爆索，逐節(jié)送入鉆孔內(nèi)，當(dāng)裝藥長度達(dá)到設(shè)計(jì)長度后，進(jìn)行起藥包的制作，將兩個電雷管插入被筒內(nèi)，隨后將兩個電雷管并聯(lián)，當(dāng)起爆藥包制作完畢后，隨后采用木質(zhì)炮棍將被筒送至封孔位置，并將母線引出值放炮地點(diǎn)，具體預(yù)裂爆破裝藥結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 深孔預(yù)裂爆破鉆孔裝藥示意圖

爆破孔采用ZQF 封孔器壓風(fēng)噴泥技術(shù)進(jìn)行封孔作業(yè)。當(dāng)鉆孔裝藥完畢后，先使用炮棍在起爆藥包后采用炮泥封堵300mm，以防止使用封孔器進(jìn)行壓風(fēng)噴泥時出現(xiàn)誤爆現(xiàn)象[6]，隨后將炮泥裝入封孔器內(nèi)，在封孔器內(nèi)壓力達(dá)到0.6MPa 時打開噴泥閥門，在距離炮頭0.6m 的位置處進(jìn)行噴泥作業(yè)，在噴泥壓力降低至0.3MPa 時關(guān)閉閥門，等待壓力升高至0.6MPa 時，再次打開噴泥閥門，如此反復(fù)進(jìn)行噴泥作業(yè)，持續(xù)至封孔長度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2 效果分析

2- 226 工作面主要采用高位裂隙鉆孔+ 高位鉆場+ 本煤層抽采相結(jié)合的瓦斯抽采方案，現(xiàn)為驗(yàn)證分析2- 226 工作面深孔預(yù)裂爆破增透效果，在爆破鉆孔實(shí)施后，本煤層抽采作業(yè)時，持續(xù)進(jìn)行兩個月瓦斯抽采濃度和流量數(shù)據(jù)的監(jiān)測記錄，根據(jù)記錄結(jié)果得出預(yù)裂爆破后本煤層抽采鉆孔參數(shù)及抽采瓦斯參數(shù)如表3 所示。

根據(jù)2- 226 工作面鄰近工作面本煤層瓦斯抽采參數(shù)可知，在未采用深孔預(yù)裂爆破時，本煤層單孔瓦斯抽采濃度平均約為13%，根據(jù)表3 中的數(shù)據(jù)可知，采用深孔預(yù)裂爆破后，本煤層單孔平均瓦斯抽采濃度提升至36%，提升幅度顯著，從工作面整體抽采率分析，當(dāng)工作面采用深孔預(yù)裂爆破后，抽采率達(dá)到46%，未采用深孔預(yù)裂爆破時，本煤層瓦斯抽采時間為6 個月，采用預(yù)裂爆破后的預(yù)抽時間縮短為三個月，預(yù)抽時間縮短一倍。基于上述分析可知，深孔預(yù)裂爆破技術(shù)有效提升了煤層的透氣性，提升了工作面瓦斯抽采效率。

表3 深孔預(yù)裂爆破后本煤層鉆孔及抽采瓦斯情況數(shù)據(jù)表

4 結(jié) 論

根據(jù)2- 226 工作面的地質(zhì)條件，通過具體分析深孔預(yù)裂爆破理論，進(jìn)行工作面深孔預(yù)裂爆破方案的具體設(shè)計(jì)，確定爆破孔裝藥長度為55m，封孔長度為14m，并具體進(jìn)行裝藥及封孔工藝的設(shè)計(jì)。通過對本煤層鉆孔抽采數(shù)據(jù)的分析可知，深孔預(yù)裂爆破后，瓦斯抽采濃度明顯增大，有效縮短了本煤層鉆孔預(yù)抽時間，煤層增透效果顯著。