基于深孔控制爆破技術的低透氣性煤層瓦斯抽采研究

吉 軍 軍

（大同煤礦集團臨汾宏大礦業有限責任公司 ，山西 臨汾 041000）

隆博煤業屬瓦斯礦井，開采的2下# 煤層屬于低透氣性煤層，瓦斯抽放效果差。長期以來，提高煤層瓦斯抽放率一直是安全生產中亟待解決的難題。近幾年來，隨著煤礦大功率機械化采掘裝備投入生產及開采技術水平的提高，采掘規模日益擴大，礦井瓦斯涌出量大幅度上升，造成瓦斯頻繁超限，嚴重制約了煤礦的安全生產，先進的采掘裝備不能充分發揮應有的作用。另一方面，伴隨著煤礦開采深度和開采強度的增加，井下地質構造的日益復雜，用過去傳統方法治理瓦斯已遠遠滿足不了當前生產和安全的需要，急需研究新的瓦斯治理技術。

尋求一種科學的提高煤層透氣性的關鍵技術是解決低透氣性難抽煤層迫在眉睫的事情，雖然對提高瓦斯抽放效果和瓦斯治理做過許多嘗試，但都未取得根本的突破，采用控制爆破技術對提高煤層透氣性在技術上明顯優于其它的方法，為此，必須實施控制爆破技術，以提高煤層的透氣性，達到徹底治理瓦斯的目的。

1 工程概況

5009 工作面回采到 700m 位置處（距巷口640m），工作面瓦斯涌出量較大，5009 工作面最大絕對瓦斯涌出量達到14.35m3/min，工作面回采時引起圍巖及鄰近層裂隙發育，透氣性增加，使得鄰近層解吸瓦斯會通過這些裂隙向2 下號煤層采煤工作面涌出，出現瓦斯異常涌出現象。

2 深孔控制爆破技術

2.1 可行性分析

在通過增大煤層透氣性，提高瓦斯抽放率的方法中，控制爆破技術明顯優于其它技術，從前景上也被認為是最有可能得到實際應用的方法。它的作用有三個方面：爆破后抽放孔擴大、煤層形成可控的裂隙網以增加抽出量；使煤層中共生的吸附瓦斯通過振動由吸附狀態變成游離態便于排出；還可通過爆破改變煤層的應力分布，大幅度降低瓦斯壓力，防止瓦斯突出。

在理論研究方面可利用國際上先進的高速激光全息光測系統和大型動態數值模擬分析軟件，對鉆孔條形藥包爆破特性及相關問題進行系統研究，從技術上研究是可行的。以多方位、多手段揭示條形藥包爆破的本質屬性，在實際爆破技術研究中取得了關鍵技術的突破，克服過去同類研究無法真正用于生產和理論研究的缺陷，研究出致裂有效、安全可靠、易于操作和便于推廣的爆破方法，爆破后瓦斯抽放效果極為顯著，對提高瓦斯抽放率、防止瓦斯突出具有重要的作用。

2.2 方案總體

為徹底解決本煤層抽放中遇到的問題，針對煤礦瓦斯抽放中的具體問題，結合礦區的地質條件和煤層分布狀況，確立了煤層超長鉆孔預裂爆破項目的總體目標和技術路線?？傮w目標是：以煤礦生產中面臨的瓦斯問題為攻關目標，實現超長炮孔（50～100m）的煤礦預裂控制爆破技術，使之用于本煤層等多種抽放方式中，探索水壓控制爆破技術在下向孔煤層中的應用。將爆破后的瓦斯抽放率較爆破前提高50%以上，抽放時間縮短抽放時間縮短三分之一，總體抽放成本降低。通過攻關達到技術上安全可靠、操作簡便、成本較低。該爆破技術以最終將爆破技術運用于瓦斯抽放日常工作為目的。

技術路線是：實行產學研相結合，以爆破技術為支撐。根據全息動光彈、全息干涉方法確定的條形藥包爆破應力位移場特點，運用DYNA 軟件進行數值模擬所確定的爆破參數和鉆孔參數，結合煤礦的實際情況進行現場關鍵爆破技術的研究。抓住主要技術矛盾，突破過去預裂爆破存在的線裝藥密度不能調整、裝藥易堵孔、炸藥選擇違反規程、操作有安全隱患等諸多技術瓶頸。

關鍵爆破技術的確定：

1）炮孔裝藥方式和裝藥結構。由于抽放孔大多為水平孔，向上或向下的角度較小，無法像一般工程爆破的垂直炮孔利用重力作用裝藥，加之煤層松軟易塌孔、瓦斯壓力較大等，裝藥相當困難，因此裝藥方式是瓦斯孔控制爆破能否成功的關鍵，在試驗開始根據以往的同類研究的得失和我們的設想，逐步采取以下三種方式進行對比：第一種利用壓風裝藥器進行裝藥；第二種利用塑料管裝藥；第三種利用柔性材料串聯連接裝藥法。

2）炸藥品種的選擇。以前的瓦斯孔控制爆破技術之所以不能真正推廣，除了具有安全隱患、操作復雜工人不接受外，另一個重要的原因是只能使用粉狀的銨梯炸藥，無法使用防水炸藥。這樣無法在眾多有水的煤層中運用，另外新的《煤礦安全規程》明確規定在瓦斯突出礦必須使用含水炸藥，這成了以往控制爆破難以突破的障礙?，F采用煤礦許用3# 安全炸藥。

3）爆破參數的確定：①鉆孔直徑的確定。鉆孔的直徑大小取決于煤層的賦存條件、煤的力學性能和鉆孔設備的類型、型號等，同時也受預抽等多方面條件的影響。一般來說，煤質越硬，鉆孔越不容易塌孔，所以鉆孔直徑可以適當減小，在鉆機型號和煤層賦存條件一定的條件下，鉆孔直徑越大，鉆孔速度越慢，鉆孔成本越高。另外，煤層的賦存條件越復雜，地質構造變化大，煤層與夾矸交互越大的地段，鉆孔直徑越不適宜太大。其次，鉆機型號一定的條件下，鉆孔直徑大，鉆孔速度也就越慢。所以就煤層條件、地質構造和鉆孔設備幾方面的條件而言，鉆孔直徑不宜太大，否則鉆孔速度將明顯降低，成本也將增加。②鉆孔間距的確定。合理的鉆孔間距的大小取決于抽放率和抽放成本的高低，鉆孔間距小，鉆孔密，對抽放有利，但鉆孔工作量和成本將大大增加。利用先進的美國大型爆炸問題計算軟件DYNA- 2D 對煤層在控制爆破作用條件下應力分布、煤層的應變狀態和產生的裂隙擴展進行模擬，根據數值模擬的結果，在現場進行不同階段的試驗，以便驗證模擬結果，摸索出爆后裂隙相連，工程量合理，經濟低廉的炮孔間距。分別對孔間距為6，7，8m 進行試驗，采用隔孔爆破，即爆破孔之間的間距為12m，14m，16m，并最終確定孔距。

2.3 方案實施

1）鉆孔布置方式與施工參數。采煤工作面機、風巷順層鉆孔沿煤層布置（如圖1），與工作面推進時的煤壁平行，以防止工作面提前割穿鉆孔，造成鉆孔漏氣而影響鉆孔抽放濃度和鉆孔提前報廢。鉆孔濃度80～120m，當機巷進行設備安裝影響鉆孔施工時，風巷順層鉆孔盡量加長。鉆孔傾角與煤層傾角保持一致，鉆孔間距3～6m，即抽放半徑1.5m，采用深孔預裂控制爆破提高煤層透氣性時，抽放半徑為3m，機、風巷鉆孔終孔點間距10m，距邊界（切眼） 處煤幫10～15m。開孔孔徑115mm（長12 m），便于安裝孔口捕塵器和封孔，終孔孔徑87mm ～65mm。

圖1 工作面順層、穿層鉆孔布置圖

2） 鉆孔方式及封孔工藝。采用ZY—200 型、MYZ—150 型液壓鉆機施工鉆孔，仰孔采用水壓排渣，俯孔采用風力排渣，孔口安裝捕塵器除塵。用KFB 型封孔泵封孔，封孔長度10～12m。封孔材料為水：水泥：石膏，按一定比例攪拌成漿體，經封孔泵聯接孔內注漿管，由里向外進行封孔。風巷施工順層鉆孔317 個，穿層鉆孔84 個，機巷順層86 個，穿層鉆孔86 個，由于煤層傾角變化和斷層影響，鉆孔深度在60～130 m 之間，并間隔對順層和穿層鉆孔實施了深孔預裂控制爆破，爆破孔長度50 m 以上。

3 爆破后瓦斯抽放效果

表1 風巷控制爆破瓦斯自排量對比表

從表1 瓦斯自排量看，對比孔的瓦斯自排量為0.011～0.019m3/h，51～55 號孔爆破時，平均自排量0.014m3/h；爆破鄰近孔的瓦斯自排量為0.034～0.058m3/h，爆破孔自排量為0.068～0.266m3/h，是對比孔的5～14 倍。100～106 號孔爆破時，由于該區段煤層裂隙發育，發生了三次爆破孔與鄰近孔的貫穿，最為突出的是106 孔爆破后與107 號貫通，后者自排量最高達10.78m3/h，瓦斯濃度為90%，圖2 為兩個爆破孔、一個爆破鄰近孔及爆破遠區孔在爆后5～24 天的自排量進行對比，爆破效果相當明顯。

4 結 語

利用深孔預裂爆破提高低透氣煤層瓦斯抽放率的效果是非常好的，達到了技術上安全可靠、操作簡便、成本較低的目標、具備在眾多高瓦斯礦推廣的條件。在相關爆破理論和爆破技術突破后，利用爆破方法進行提高瓦斯抽放率的效果是相當明顯，它的推廣前景十分光明。