鶴煤六礦煤巷掘進(jìn)松動(dòng)爆破有效半徑研究

張曉鵬

（河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

0 引言

隨著淺部資源的不斷開采，我國(guó)煤炭資源開采不斷向深部延伸，開采難度不斷增加，煤層透氣性差、瓦斯災(zāi)害等制約煤炭安全高效開采。呂有廠[1]根據(jù)平煤十二礦現(xiàn)場(chǎng)工程施工條件，利用數(shù)值模擬技術(shù)模擬爆破過程，根據(jù)模擬過程中煤巖壓力變化等情況，結(jié)合深井煤層卸壓原理，設(shè)計(jì)出符合當(dāng)時(shí)條件的工程爆破方案，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了良好抽采效果。方昌才[2]在淮南礦區(qū)開展深孔預(yù)裂控制松動(dòng)爆破防突技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。通過增大孔徑和增加裝藥量，較好地解決了低透氣性煤層煤巷掘進(jìn)過程瓦斯超限的難題，提高了生產(chǎn)效率。呂淵、徐穎[3]在淮南礦業(yè)集團(tuán)謝橋煤礦進(jìn)行了巷道松動(dòng)爆破卸壓試驗(yàn)，結(jié)果表明高應(yīng)力軟巖巷道深孔爆破卸壓能改變圍巖應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)控制巷道變形有良好的效果。王國(guó)華[4]在平煤十礦24100工作面實(shí)施了松動(dòng)爆破技術(shù)措施，有效地降低了地應(yīng)力，消除了工作面前方的應(yīng)力集中。劉健[5]針對(duì)低透氣性煤層，通過分析煤層的孔隙特性，總結(jié)了瓦斯的運(yùn)移通道，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)爆破過程進(jìn)行模擬，找出合適的炮孔間距，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，取得了良好的抽采效果，為實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效開采提供了有效的技術(shù)途徑。張超[6]以赤峪煤礦C1201工作面區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)域，采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)對(duì)煤層進(jìn)行卸壓增透，以理論研究為基礎(chǔ)，結(jié)合相似模擬試驗(yàn)的結(jié)果，設(shè)計(jì)出深孔預(yù)裂爆破試驗(yàn)方案，并應(yīng)用于赤峪煤礦C1201工作面。通過赤峪煤礦C1201工作面實(shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)變化，表明深孔預(yù)裂爆破可以有效的改善煤層透氣性差、瓦斯抽采困難的局面。鄧強(qiáng)[7]針對(duì)深孔預(yù)裂爆破增透技術(shù)，采用COMSOL軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究，模擬并分析了瓦斯的流動(dòng)規(guī)律以及分布，并將其運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，達(dá)到了預(yù)期效果，加快了巷道掘進(jìn)速度。徐向宇[8]通過有限元軟件模擬并分析了煤層松動(dòng)爆破應(yīng)力波的傳播規(guī)律，并將優(yōu)化后的爆破參數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了驗(yàn)證，有效增加了煤層透氣性，提高了瓦斯采效率。饒興江[9]以貴州水城礦業(yè)股份有限公司大灣煤礦為工程背景，在9號(hào)煤層進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破增透實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，煤層深孔預(yù)裂爆破可以明顯增加煤層透氣性，有效消除瓦斯超限、瓦斯爆炸等隱患，提高開采經(jīng)濟(jì)效益。

很多學(xué)者已對(duì)控制松動(dòng)爆破技術(shù)做了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，并在煤礦生產(chǎn)中廣泛運(yùn)用，技術(shù)也相對(duì)成熟，瓦斯抽采效果也較好，但由于各個(gè)礦區(qū)的煤層賦存條件存在差異，因此對(duì)于前人研究所得出的結(jié)論需結(jié)合礦井具體情況開展具體研究。鶴煤六礦為煤與瓦斯突出礦井，目前開采的二1煤層存在較大突出危險(xiǎn)性，在采掘過程中容易發(fā)生動(dòng)力現(xiàn)象。針對(duì)該礦開采松軟煤層時(shí)的防突難題，采用煤巷掘進(jìn)松動(dòng)爆破技術(shù)，進(jìn)行有效半徑的測(cè)定，根據(jù)測(cè)定結(jié)果優(yōu)化布孔方案，并對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，為煤巷的順利掘進(jìn)打好安全基礎(chǔ)，確保高效生產(chǎn)。

1 松動(dòng)爆破有效性考察方案

1.1 工作面概況

鶴煤六礦2125工作面地面正上為農(nóng)田耕地。2125工作面地面位置東北部約66 m為李古道村，東南部有鶴湯公路穿過，南部、西部及東部為農(nóng)田耕地。2125工作面地面有丘陵、耕地，標(biāo)高為+194.16～+212.09 m。

2125工作面二1煤層有一層構(gòu)造軟煤，堅(jiān)固性系數(shù)f值0.25～0.35；原始瓦斯含量14.5～17.0 m3/t，原始瓦斯壓力1.6 MPa。瓦斯相對(duì)涌出量計(jì)算結(jié)果q=15.755～18.578 m3/t。

2125工作面下順槽與上順槽平行，巷道沿煤層頂板掘進(jìn)。巷道原采用U型鋼棚支護(hù)，現(xiàn)改為錨網(wǎng)支護(hù)，巷道斷面設(shè)計(jì)參數(shù)為：凈寬×凈高=5.0 m×3.4 m，凈斷面積17.00 m2，工程量708.0 m。

1.2 松動(dòng)爆破有效性考察方案

在試驗(yàn)地點(diǎn)2125下順槽掘進(jìn)工作面進(jìn)行了松動(dòng)爆破現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試試驗(yàn)前后的煤層瓦斯含量、效果檢驗(yàn)指標(biāo)參數(shù)的變化情況，考察確定2125下順槽掘進(jìn)松動(dòng)爆破防突措施有效性，為后期試驗(yàn)應(yīng)用研究提供依據(jù)。考察情況如下：

在2125下順槽掘進(jìn)工作面16 m和24 m處分別進(jìn)行了松動(dòng)爆破試驗(yàn)。在施工抽采鉆孔后，測(cè)定了爆破前試驗(yàn)區(qū)域的煤層瓦斯含量，分別為5.64 m3/t、5.86 m3/t；爆破后，在進(jìn)尺前的防突措施的效果檢驗(yàn)時(shí)測(cè)定了爆破后試驗(yàn)區(qū)域的煤層殘余瓦斯含量，分別為5.07、4.79 m3/t。可見，實(shí)施控制松動(dòng)爆破后，明顯降低了煤層殘余的瓦斯含量，為安全掘進(jìn)提供了安全保障。

在2125下順槽掘進(jìn)工作面16 m和24 m處分別進(jìn)行松動(dòng)爆破試驗(yàn)，測(cè)試試驗(yàn)前后的工作面效果檢驗(yàn)指標(biāo)參數(shù)的變化情況。爆破前試驗(yàn)區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)q最大值分別為3.86、3.67 L/min；爆破后，在進(jìn)尺前的防突措施的效果檢驗(yàn)時(shí)q最大值分別為3.28、3.10 L/min。可以看出松動(dòng)爆破措施后，相比預(yù)測(cè)指標(biāo)，爆破后效果檢驗(yàn)指標(biāo)q最大值整體上均有明顯降低，降低幅度接近于20%，表明松動(dòng)爆破措施具有較好的防突效果。

綜上，松動(dòng)爆破后，煤層瓦斯含量和防突措施效果檢驗(yàn)指標(biāo)明顯降低，證明了松動(dòng)爆破防突措施對(duì)于2125工作面的適應(yīng)性和有效性。

2 松動(dòng)爆破有效半徑測(cè)定方案

在2125切眼中部、距下順槽35～55 m段的煤壁內(nèi)，采用瓦斯抽采流量法在現(xiàn)場(chǎng)布置爆破鉆孔和測(cè)試孔進(jìn)行測(cè)試，在抽采負(fù)壓和流量等條件不變的情況下，瓦斯?jié)舛缺碚鞒椴傻募兞浚瑴y(cè)試中主要考察鉆孔內(nèi)的瓦斯?jié)舛茸兓闆r。共測(cè)試2組，選用最小的結(jié)果確定為有效影響半徑，測(cè)試結(jié)果圖2和圖3所示。具體測(cè)試情況如下：

1）測(cè)試鉆孔布置設(shè)計(jì)：在2125切眼內(nèi)側(cè)巷幫、下順槽向上35～55 m范圍內(nèi)，自下而上布置2組測(cè)試鉆孔。每組包括1個(gè)爆破孔和5個(gè)抽采鉆孔，第一組爆破孔Ⅰ和1～5號(hào)抽采鉆孔，第二組爆破孔Ⅱ和6～10號(hào)抽采鉆孔。

2）爆破孔和抽采孔呈單排孔布置，均垂直于煤壁、平行于煤層，開孔高度距巷道底板1.0～1.5 m。

3）爆破孔Ⅰ和爆破孔Ⅱ間距13 m，1～10號(hào)孔10個(gè)抽采鉆孔施工在爆破孔Ⅰ和爆破孔Ⅱ之間，如圖1所示。第一組爆破孔Ⅰ和1～5號(hào)抽采鉆孔間距分別為2.0、2.7、3.4、4.0、4.7 m，第二組爆破孔Ⅱ和6～10號(hào)抽采鉆孔間距分別為4.9、4.2、3.5、2.8、2.1 m。

4）爆破孔直徑42 mm、孔深10 m，抽采鉆孔直徑80 mm、孔深10 m。

5）1～10號(hào)10個(gè)抽采孔先施工，封孔深度3 m，聯(lián)網(wǎng)抽采，孔口安裝采樣測(cè)試濃度裝置，每隔1h～1.5h測(cè)試孔內(nèi)瓦斯?jié)舛取?/p>

6）一般聯(lián)網(wǎng)抽采4 h以后，測(cè)試瓦斯?jié)舛确€(wěn)定，開始進(jìn)行松動(dòng)爆破。松動(dòng)爆破封孔段長(zhǎng)度5.5～6.0 m，裝藥段長(zhǎng)度4.0～4.5 m。

7）爆破時(shí)，嚴(yán)格執(zhí)行爆破相關(guān)要求。

8）爆破后，每10 min測(cè)試一次1～10號(hào)抽采孔內(nèi)瓦斯?jié)舛龋B續(xù)測(cè)試2 h以上。

9）采用抽采流量法分析爆破前后各測(cè)試鉆孔瓦斯抽采濃度幅度變化情況，如果增幅明顯增大50%以上，則為在有效范圍內(nèi)，該抽采孔與爆破孔間距為有效半徑；否則，為未受太大影響[10]。

10）共測(cè)試2組，根據(jù)測(cè)定情況，經(jīng)對(duì)比，選用最小的結(jié)果，確定為爆破有效影響半徑。圖1為有效影響半徑測(cè)試孔布置圖。

圖1 有效影響半徑測(cè)試鉆孔布置圖

根據(jù)圖2和圖3分析可知，第一組爆破孔（1號(hào)到5號(hào)）的爆破前后瓦斯抽采濃度漲幅超過50%的有4個(gè)，視為爆破后的瓦斯抽采濃度較爆破前有了明顯的改進(jìn)。對(duì)應(yīng)的距第一組爆破孔的距離分別為2、2.7、3.4、4 m。因此，根據(jù)第一組的爆破孔的抽采濃度分析，松動(dòng)爆破有效影響半徑確定為4 m。

圖2 第一組爆破前后瓦斯?jié)舛惹闆r

第二組爆破孔（6～10號(hào)）的爆破前后瓦斯抽采濃度漲幅超過50%的有4個(gè)，視為爆破后的瓦斯抽采濃度較爆破前有了明顯的改進(jìn)。對(duì)應(yīng)的距第二組爆破孔的距離分別為2.1、2.8、3.5、4.2 m。因此，根據(jù)第二組的爆破孔的抽采濃度分析，松動(dòng)爆破有效影響半徑確定為4.2 m。

圖3 第二組爆破前后瓦斯?jié)舛惹闆r

比較第一組和第二組的考察結(jié)果，2125工作面松動(dòng)爆破的有效影響半徑在4.0～4.2 m。據(jù)此，考慮安全因素，確定松動(dòng)爆破有效半徑為4.0 m。

3 松動(dòng)爆破優(yōu)化布孔方案及效果檢驗(yàn)

3.1 松動(dòng)爆破布孔方案

對(duì)松動(dòng)爆破鉆孔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》（2019年版）規(guī)定松動(dòng)爆破鉆孔的孔徑一般為42 mm，孔深不得小于8 m。以煤層厚度8.0 m為例進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，在試驗(yàn)工作面上方布置3個(gè)爆破孔，將3個(gè)抽采孔布置在爆破孔之下，爆破孔直徑42 mm，抽采孔直徑80 mm。1號(hào)孔的開口位置距頂2 m，距底1.4 m，投影孔深11 m，2號(hào)孔和3號(hào)孔分別位于1號(hào)孔兩側(cè)，孔口間距1 m，孔底間距4 m，高度與1號(hào)孔一致；4號(hào)孔開孔為主在1號(hào)孔正下方0.4 m處，孔底距離1號(hào)孔3 m，5號(hào)孔和6號(hào)孔位于4號(hào)孔兩側(cè)，孔口距離4號(hào)孔1 m，孔底位于2號(hào)孔和3號(hào)孔正下方3 m處。鉆孔布置具體情況如圖4所示，其中1，2，3為爆破孔，4，5，6為抽采孔。

3.2 松動(dòng)爆破效果檢驗(yàn)

按照優(yōu)化后的松動(dòng)爆破技術(shù)方案，在2125下順槽掘進(jìn)工作面進(jìn)行了松動(dòng)爆破措施的效果考察。在實(shí)施松動(dòng)爆破措施實(shí)施過程中，爆破前進(jìn)行試驗(yàn)區(qū)域的煤層瓦斯含量測(cè)定，結(jié)果為4.89～5.92 m3/t；爆破實(shí)施后，進(jìn)行防突措施效果檢驗(yàn)，再次測(cè)定試驗(yàn)區(qū)域的煤層殘余瓦斯含量，結(jié)果為4.68～5.16 m3/t。掘進(jìn)工作面松動(dòng)爆破措施前預(yù)測(cè)指標(biāo)及爆破后效果檢驗(yàn)指標(biāo)q對(duì)比變化情況如圖5所示。可以看出松動(dòng)爆破措施后的效果檢驗(yàn)指標(biāo)q最大值比爆破前的預(yù)測(cè)值整體上均有明顯降低，從而瓦斯含量降低，瓦斯涌出量減小。工作面原防突措施為單一抽采鉆孔防突措施，巷道平均月掘進(jìn)速度25 m，實(shí)施松動(dòng)爆破措施后的月平均掘進(jìn)速度由未實(shí)施松動(dòng)爆破措施之前的每月25 m提高到84 m。掘進(jìn)速度較原來的防突措施提高了3倍以上，大大地提高了生產(chǎn)效率，確保了該掘進(jìn)工作面下順槽安全順利貫通。

圖4 松動(dòng)爆破措施工作面布置設(shè)計(jì)示意圖

圖5 松動(dòng)爆破預(yù)測(cè)指標(biāo)q最大值變化情況

4 結(jié)論

1）以煤層瓦斯含量、效果檢驗(yàn)指標(biāo)參數(shù)的變化情況，在試驗(yàn)地點(diǎn)2125下順槽掘進(jìn)工作面進(jìn)行了松動(dòng)爆破有效性考察。在實(shí)施控制松動(dòng)爆破后，煤層殘余的瓦斯含量、效果檢驗(yàn)指標(biāo)參數(shù)明顯下降，證明了松動(dòng)爆破的有效性。

2）采用瓦斯抽采流量法在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了松動(dòng)爆破有效半徑的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，將爆破前后瓦斯?jié)舛鹊臄?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，確定松動(dòng)爆破的有效半徑為4 m。

3）依據(jù)爆破有效半徑，合理布置了2125煤巷掘進(jìn)工作面松動(dòng)爆破鉆孔實(shí)施方案，在試驗(yàn)工作面上方布置3個(gè)爆破孔，3個(gè)抽采孔布置在爆破孔之下，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該方案可有效降低局部突出危險(xiǎn)性。

4）在實(shí)施松動(dòng)爆破防突措施后，掘進(jìn)頭前方煤層瓦斯?jié)舛让黠@下降，可提高抽采效率，縮短突出煤層掘進(jìn)的時(shí)間，從而有效解決礦井工作面接替緊張的局面。