松軟煤層深孔預裂爆破合理布孔參數的確定

王麒翔

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037； 2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037)

我國南方含煤盆地經歷多期次構造運動，煤系地層受到復雜的地質演化揉搓，大部分地區煤層煤體松軟[1]，煤體透氣性較差，導致瓦斯抽采困難，掘進緩慢，采掘接替緊張，瓦斯治理周期長[2-3]，嚴重影響煤礦安全高效生產。目前較流行的煤層增透措施[4-6]有水力壓裂增透、水力割縫增透、水力造穴增透、液態CO2相變致裂增透、深孔松動爆破卸壓增透等。其中，深孔預裂爆破技術較傳統，但是相對前兩者有著環境污染程度低、塊煤保留率高等優點[7-8]，仍為煤礦現場常用技術。深孔預裂爆破技術通過爆破產生的應力波破壞煤體結構，創造瓦斯解吸和運移的通道[9-12]。而煤層條件、深孔爆破參數、爆破施工方式等對增透效果均產生影響，因此，研究在松軟煤層條件下深孔爆破的影響范圍及多孔耦合效應，確定松軟煤層深孔預裂爆破合理布孔參數，仍具有重要意義。

1 深孔預裂爆破數值模擬

確定松軟煤層深孔預裂爆破合理布孔參數，擬采用COMSOL有限元軟件對單孔和多孔預裂爆破效果進行數值模擬。貴州水礦集團大灣煤礦11號煤層是水城礦區的主采煤層，具有我國南方松軟煤層的代表性[13-15]，滲透率集中在0.001×10-3～0.100 ×10-3μm2，煤質較軟，堅固性系數0.16～0.29，視密度約1.33 g/cm3。以離散元固—流耦合網格構建煤層條件模型，深孔爆破的應力取10 GPa[16]，進行數值模擬分析，獲得單孔爆破下深孔預裂爆破有效影響范圍以及多孔共振爆破時爆破能量的耦合效應參數。

1.1 單孔爆破有效影響范圍模擬

單孔爆破產生10 GPa的應力，工作面煤體迎面高20 m、寬18 m，模擬爆破孔直徑94 mm，以此模擬應力波擴散，觀測鉆孔周圍煤巖應力變化。單孔爆破應力波擴散云圖如圖1所示，爆破孔周圍煤巖應力變化曲線如圖2所示。

圖1 單孔爆破應力波擴散模擬云圖Fig.1 Stress wave diffusion nephogram of single hole blasting

圖2 單孔爆破應力波擴散曲線Fig.2 Stress wave diffusion curve of single hole blasting

單孔進行爆破時，中心點達到6～8 GPa，1.5 m半徑范圍以內應力波大于3.5 GPa，3.0 m半徑范圍以內應力波大于1.5 GPa，3.0 m以外爆破應力波逐漸減弱，6.0 m半徑范圍以外爆破應力波基本小于0.1 GPa，9.0 m半徑范圍以外爆破應力波消失。因此，單孔爆破效果可分為三級圈范圍，一級圈范圍1.5 m半徑圈內單孔爆破效果特別好，二級圈范圍3.0 m半徑圈內單孔爆破效果明顯，三級圈范圍6.0 m半徑圈內單孔爆破有影響。

1.2 多孔數值模擬

以雙孔為例，每個單孔爆破各自產生10 GPa的應力，工作面煤體迎面高40 m、寬20 m，模擬爆破孔直徑94 mm，雙鄰近爆破孔橫向距離12 m，并在統一高度平行布置，以此模擬應力波擴散，觀測鉆孔周圍煤巖應力變化。雙鄰近孔爆破應力波擴散云圖如圖3所示，雙鄰近孔爆破時爆破應力波擴散曲線如圖4所示。

圖3 雙孔爆破應力波擴散模擬云圖Fig.3 Stress wave diffusion nephogram of double hole blasting

圖4 雙孔爆破應力波擴散曲線Fig.4 Stress wave diffusion curve of double hole blasting

統一高度的雙鄰近孔進行爆破時，爆破范圍呈橢圓狀，以雙孔中心點為焦點，雙孔中心點1.5 m半徑一級圈范圍以內應力波大于4 GPa，雙孔中心點3.0 m半徑二級圈范圍以內應力波大于2 GPa，雙孔中心點6.0 m半徑三級圈范圍以內應力波大于0.5 GPa。同一級半徑圈范圍，雙孔爆破應力波強度均大于單孔爆破應力波強度，而且雙孔爆破應力波有效影響范圍在雙孔疊加區域呈橢圓狀明顯擴大。因此，爆破多個鉆孔較單孔爆破影響范圍擴大，應力波能量更高，鉆孔之間產生能量耦合效應提高了爆破效果。

2 數值模擬結果工程驗證

2.1 工程應用布孔參數

工程試驗選取在大灣煤礦中井11號煤層111103工作面運輸巷掘進面，該巷道煤體透氣性差，堅固性系數0.19，多次發現小型逆斷層。根據數值模擬計算結果，多孔聯爆情況下，各孔中心點1.5 m半徑一級圈范圍以內應力波大于4 GPa，3.0 m半徑二級圈范圍以內應力波大于2 GPa，6.0 m半徑三級圈范圍外爆破應力波逐漸消失。因此，工程應用采用縱向不同高度五孔聯排爆破，五孔高度上間隔3 m，即單孔需保障控制1.5 m半徑一級圈范圍，應力波應大于4 GPa，多孔聯爆影響范圍疊加形成多孔耦合效應，保障爆破效果達到最優化。

2.2 現場工業性試驗

2.2.1 爆破孔與對比孔現場設計

多孔聯爆試驗在大灣煤礦111103工作面運輸巷部署3個鉆場，掘進面鉆場、左幫1號鉆場和右幫2號鉆場。具體鉆孔開孔位置設計如圖5所示，左幫1號鉆場1-1、1-4、1-5、1-8、1-9號鉆孔為聯爆鉆孔，每兩孔隔3 m縱向排列，1-2、1-3、1-6、1-7、1-10號鉆孔為對比鉆孔；右幫2號鉆場2-1、2-4、2-5、2-8、2-9號鉆孔為聯爆鉆孔，每兩孔隔3m縱向排列，2-2、2-3、2-6、2-7、2-10號鉆孔為對比鉆孔；掘進面鉆場3-2、3-5、3-8、3-11、3-14號鉆孔為聯爆鉆孔，每兩孔隔3 m縱向排列，掘進面左側3-3、3-4、3-9、3-10、3-15號鉆孔和掘進面右側3-1、3-6、3-7、3-12、3-13號為對比鉆孔。

圖5 鉆孔開孔位置Fig.5 Drilling position

2.2.2 現場工藝過程

深孔預裂爆破中，為了防止鉆孔時間過長存在塌孔情況，使送藥困難，必須提前準備好相關材料[17-20]。裝藥過程將長320 mm、直徑32 mm的圓柱狀乳化炸藥送進1根長4.5 m的塑料管內，務必將藥卷之間連接牢固。每隔2根塑料管內安插2根雷管，用絕緣膠布或防水絕緣膠布纏繞雷管的腳線與母線，將連接點固定在塑料管上。最后在塑料管口堵上炮泥，繼續連接下個塑料管。藥卷到達預定位置后，用塑料管推送進爆破孔內。裝藥中為了保證爆破網絡正常，每放置連接好一個雷管后必須對爆破網絡進行導通測量。

現場裝藥過程中，裝藥量的多少以現場預裂孔見煤情況決定，原則上藥卷必須過煤段才能保證爆破效果。由于揭煤設計中，有些預裂孔傾角較大，可能存在藥卷脫落或者塑料管松動的現象。為了防止這種現象，當預裂孔傾角較大時，可以在塑料管口附近鉆通孔，用鐵絲穿透管內的藥卷，使藥卷堵在管口，防止藥卷下滑；同時，可在送藥快結束時，在最后一節塑料管外纏繞海綿，因海綿膨脹性強，可防止塑料管滑出孔外。

深孔預裂爆破揭煤過程中，每個預裂孔裝藥完成后，馬上開始封孔。封孔前開始拌料，把粉煤灰和水泥按同等比例倒入拌料桶，并加一半比例的水同步攪拌，用水量約為封孔材料的一半，狀態達到“手攥成團，松手散開”為標準。其中，需要注意的是要嚴格控制封孔材料的粒徑，避免拌料堵住出料管口，因此需準備篩網篩出拌料，選用粒度小于5 mm直徑的水泥粉煤灰混合不燃性材料。篩出的封孔拌料倒入封孔器，檢查封孔器各個連接處閥門的開閉情況，檢查無誤后，把送料管推入孔內，即可開啟封孔器閥門開始送料工作。

為保證多孔爆破預裂應力波產生耦合效應，應同時啟爆15組爆破預裂孔。然而當巷道多組鉆孔施工后容易引起瓦斯超限事故，應當有足夠的鉆孔封孔長度，以保證封孔質量。

3 抽采與防突效果考察

3.1 抽采效果考察

1個月內，對比鉆孔瓦斯抽采濃度為26%～47%，深孔爆破鉆孔瓦斯抽采濃度為78%～94%，平均抽采濃度提高95%(圖6)；對比鉆孔單孔瓦斯抽采流量為0.05～0.13 m3/min，深孔爆破鉆孔單孔瓦斯抽采流量為0.15～0.25 m3/min，平均單孔瓦斯抽采流量提高115%，如圖7所示。

圖6 瓦斯抽采濃度數據對比Fig.6 Comparison of gas drainage concentration data

圖7 瓦斯抽采流量數據對比Fig.7 Comparison of gas drainage flow rate

3.2 防突指標考察

試驗1個月后，對防突指標K1值、炮后瓦斯濃度、殘余瓦斯含量進行考察。爆破預裂后，左幫1號鉆場K1值考察最大值為0.36 mL/(g·min1/2)，掘進面鉆場K1值考察最大為0.18 mL/(g·min1/2)，右鉆場K1值考察最大為0.26 mL/(g·min1/2)，均未超標；爆破預裂后，掘進面瓦斯濃度連續19 d分別為0.32%、0.64%、0.78%、0.93%、0.66%、0.43%、0.52%、0.41%、0.55%、0.69%、0.44%、0.46%、0.50%、0.32%、0.44%、0.62%、0.33%、0.37%、0.34%，未出現瓦斯超標現象；8次取樣殘余瓦斯含量值均達標，瓦斯含量小于8 m3/t，而以往大灣煤礦11號煤層在抽采半年后仍有殘余瓦斯含量超標的情況。

4 結論

(1)利用COMSOL有限元軟件進行深孔預裂爆破影響范圍及多孔耦合效應數值模擬計算，多孔聯爆應力波強度大于單孔爆破應力波強度，而且多孔聯爆應力波有效影響范圍明顯擴大。

(2)爆破影響范圍分三級圈，雙孔一級影響圈中心點1.5 m半徑范圍以內應力波大于4 GPa，雙孔二級影響圈中心點3.0 m半徑范圍以內應力波大于2 GPa，雙孔三級影響圈中心點6.0 m半徑范圍以內應力波大于0.5 GPa。

(3)在大灣煤礦11號煤層111103工作面運輸巷工程實踐中，采用一級1.5 m半徑影響圈3.0 m孔間距進行布置，以多孔聯爆方式進行深孔爆破增透，1個月內平均抽采濃度提高95%，平均單孔瓦斯抽采流量提高115%，防突參數K1值、炮后瓦斯濃度、抽采流量和濃度等指標未出現超標現象。