深孔松动爆破防治煤与瓦斯突出的技术研究

邵 方 张红灿 高加传

我国是发生煤与瓦斯突出非常严重的国家。煤与瓦斯突出给煤矿工人的安全和国家财产造成巨大威胁。随着产量的提高，开采深度和开采难度的增大，突出的严重性也在增大，这使得煤与瓦斯突出成了威胁煤矿井安全生产最严重的自然灾害之一。因此深入研究治理煤与瓦斯突出是煤矿安全中的一个重要课题，具有很强的经济效益和社会效益，时间上也具有紧迫性。

1 深孔松动控制爆破防治煤与瓦斯突出的技术特点

深孔松动控制爆破防治煤与瓦斯突出技术是由松动爆破和控制孔联合作用来实现防治煤与瓦斯突出的，其特点是采用连续装药工艺和在爆破孔周围增加辅助控制孔进行爆破，提高爆破孔产生松动范围的一种增透方法;它是由爆炸压力波、爆生气体和瓦斯压力共同作用煤体的结果。

在含瓦斯煤体中进行的深孔松动控制爆破既不同于普通预裂爆破又不同于松动爆破。深孔松动控制爆破的目的是为了增加煤体的裂隙长度和范围，以提高爆破煤体的透气性。

2 深孔松动控制爆破作用

2.1 爆炸应力波的作用

在应力波作用下，介质质点产生径向位移，由此在靠近压缩区的介质中产生径向压缩和切向拉伸。当切向拉伸应力超过介质的动抗拉强度时会产生径向裂隙，并随应力波的传播而扩展。当应力波衰减到低于介质抗拉强度时，裂隙便停止扩展。在应力波向前传播的同时，爆生气体紧随其后迅速膨胀，进入由应力波产生的径向裂隙中，由于气体的尖批劈作用，使裂隙继续扩展。随着裂隙的不断扩展，爆生气体膨胀，气体压力迅速降低，当压力降到一定程度时，积蓄在介质中的弹性能就会释放出来，形成卸载波，并向炮孔中心方向传播，使介质内部产生环向裂隙，通常环向裂隙较少[1]。

2.2 控制孔的作用

控制孔主要在两方面起作用:一方面，控制了爆炸能量作用的方向，提高了爆炸能量的利用率，改善了爆破的效果，使得布孔区间周围的煤体充分地利用了炸药的能量;另一方面，控制孔起到了补偿空间的作用，使得爆破后的煤体不会重新压实，破碎圈与松动圈始终存在，继续释放瓦斯和地应力。

2.3 爆生气体作用

在应力波过后，爆生气体产生准静态应力场，并楔入空腔壁上已张开的裂隙中，在裂隙尖端产生应力集中，使裂隙进一步扩展。在裂隙扩展过程中，爆生气体首先进入张开宽度大、较平直、对气体楔入阻力小的大裂隙中，然后再进入与之沟通的小裂隙中，直到爆生气体压力降到不足以使裂隙继续扩展为止[2]。爆生气体在煤体内产生的准静态应力可认为随距炮孔中心距离的增加而衰减，在煤体内存在爆生气体应力梯度。

2.4 煤层瓦斯压力对裂隙扩展的作用

深孔松动控制爆破是在煤与瓦斯流固耦合介质中进行的。瓦斯压力在裂隙的产生与扩展的整个过程中，都起到重要作用。在爆破中区的瓦斯也参与了裂隙扩展，但是与爆生气体压力相比，其作用较小，而在爆破远区，爆生气体准静态应力已明显降低，径向裂隙扩展已减缓或停止。此时，爆前处于力学平衡状态条件下的原生裂隙中的瓦斯，由于爆炸应力场的扰动将作用于已产生的裂隙内，使裂隙进一步扩展。

2.5 深孔松动控制爆破防突作用

通过以上分析可以看出爆破煤体裂隙区的形成过程主要分为:炸药在煤体爆破孔内爆破后，将产生应力波和爆生气体，在爆破近区产生压缩粉碎区，形成爆炸空腔，煤体固体骨架发生变形破坏，在爆炸空腔壁上产生初始裂隙(不同于原生裂隙)。此外，空腔壁上的部分原生裂隙将会扩展、张开。最后，在爆破孔的周围形成包括压缩粉碎圈，径向裂隙和环向裂隙交错的裂隙圈及次生裂隙圈在内的较大的连通裂隙网[3，4]。

综上所述，深孔松动控制爆破是在掘进工作面前方存在一定卸压煤体防护下(一般不小于5 m)，在工作面前方煤体中引爆深孔炮眼，使得煤体产生松动的爆破，其中控制孔在该过程中起到控制爆破方向与补偿爆破裂缝空间的作用，形成卸压槽。由于深孔松动控制爆破使工作面前方煤体裂隙增大，煤体透气性大大增强，有利于掘进工作面前方煤体瓦斯预排放，使煤体瓦斯压力降低，瓦斯含量减少从而降低了煤体瓦斯压缩内能，同时提高了煤体的机械强度，进而达到减弱或消除煤与瓦斯突出的危险[5]。

3 深孔松动控制爆破参数设计

3.1 孔径的选择

1)爆破孔径选择。煤炭科学研究总院某分院曾经用有限元分析方法，分析过爆破孔径与煤层透气性系数的关系，其结果见图1。

图1说明随着爆破孔径的增大，煤层透气性提高。但并不成比例关系，煤层透气性系数提高的速度随着爆破孔径的增大而逐渐减小。说明单靠增大爆破孔径的办法提高煤层透气性效果是有限的，而且打过大的钻孔既耗费时间，打钻的难度也大。根据煤矿一般的现场机具可取:D=42 mm或89 mm。

2)控制孔径选择。同上，根据该院的分析结果，控制孔直径对透气性系数的影响如图2所示。

从图2可看出，控制孔孔径越大，导向及补偿作用越显著。因而，对裂隙的形成和扩展越有利，但提高幅度较小。因此，可以认为控制孔直径对提高煤层透气性的作用有限。受现场钻孔设备和工艺安全(孔径过大容易引起塌孔，卡钻等事故)等因素的限制，一般在90 mm～150 mm之间可达到导向和补偿作用。

3.2 炸药选择

松动爆破应该选用的炸药要爆速低，爆力小。此外，需要应用深孔松动控制爆破的煤层一般都是高瓦斯煤层，所以，炸药还需具有如下特点:1)能量要有一定的限制，其爆热、爆温都要求低。2)具有较高的起爆敏感度和较好的传爆能力。3)组分中不能含有金属粉末，以防爆炸后产生高温固体颗粒。

3.3 装药结构及起爆方式

不耦合装药，可以降低对孔壁的冲击压力，减少粉碎区，激起的应力波在岩体内的作用时间加长，从而加大裂隙区的范围，充分利用了炸药能量。为了使爆炸能量充分作用在裂隙区，形成尽可能大的裂隙范围，因此采用不耦合装药。

3.4 爆破孔与控制孔间距

突出煤层大都属于低阻抗岩石，所以其破坏以爆生气体的破坏为主。因此裂隙区半径应按爆生气体准静压作用来计算，计算公式如下:

其中，Rp为裂隙区半径;P0为爆生气体压力;σt为岩石的抗拉强度;rb为炮孔半径。松动控制爆破中增加了控制孔，也就是增加了自由面，式(1)中计算的裂隙区是无限介质中爆破作用的结果，因此考虑到控制孔的作用，爆破孔和控制孔的间距可比上面论述的裂隙区半径稍大。有关试验也证明这一点。

3.5 爆破孔封孔长度

合理的封孔长度既要保证煤体松动破裂，同时又不能产生抛掷爆破漏斗。一般离工作面2 m～3 m处为卸压带，3处～5处为应力集中带，远处为原始应力带。当封孔长度超出应力集中带，爆破产生的裂隙扩展将受到应力集中带的遏制，可使裂隙不易向工作面扩展，从而保证工作面附近的煤体不被破坏而崩塌。

3.6 装药量计算

由药量计算的体积原理，有:

其中，Q为药包重量，kg;V为设计爆落的介质体积，m3;K为在一定爆破条件和特定效果要求下的单位用药量系数，kg/m3。

对于松动控制爆破，其炸药消耗量取标准爆破炸药消耗量的1/3估算。但在实际应用时，还需进行现场试爆。

4 结语

1)爆破裂隙的形成主要是爆生气体准静态压力作用的结果，冲击波只是对孔壁附近产生初始裂隙起作用。2)探讨了地应力、瓦斯压力对裂隙扩展的影响，认为地应力对爆破裂隙扩展起阻碍作用，瓦斯压力起促进作用。3)深孔松动控制爆破由于控制了炸药能量作用的方向，产生了较大的破碎圈带和裂隙圈带，消除了煤体结构不均现象，避免应力集中现象的产生，所以大大降低了诱导煤与瓦斯突出的可能性。

[1] 宋守志.固体介质中的应力波[M].北京:煤炭工业出版社，1989.

[2] 王仲琦，张 奇，白春华.孔深影响爆炸应力波特性的数值分析[J].岩石力学与工程学报，2002，21(4):550-553.

[3] 姚尚文.高瓦斯低透性煤层强化增透抽放瓦斯技术研究[D].合肥:安徽理工大学硕士学位论文，2005.

[4] 黄秋林.深孔松动预裂爆破提高瓦斯抽放率数值模拟及应用探讨[D].北京:北京科技大学硕士学位论文，2005.

[5] 蒋承林，俞启香.煤与瓦斯突出的球壳失稳机理及防治技术[M].徐州:中国矿业大学出版社，1998.