深部开采低渗透煤层深孔预裂控制爆破增透机理研究

王海东

(中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 150080)

由于地应力的增高，深部煤层开采面临的冲击地压频率和强度均有所增加。那么，如何解决深部开采条件下煤体的透气性和应力集中成为瓦斯治理的首要问题。在矿井中浅部开采过程中，采用深孔预裂控制爆破技术进行煤与瓦斯突出及冲击地压的防治已取得了非常好的效果；同时，《煤矿井下深孔控制预裂爆破技术条件(MT1036-2007)》规范2007年已经发布，但根据中浅部埋深情况下，得出的爆破孔与控制孔的相关参数在矿井深部开采条件下是否能够有很好的适用性还有待通过实践来检验。本文在前人研究的基础上，采用理论分析、室内模型实验、数值模拟及与现场工业试验相结合的方法，研究了深孔预裂控制爆破技术在矿井深部开采条件下进行煤与瓦斯突出及冲击地压防治的机理、影响因素和适用性。论文主要完成了以下工作：

(1) 高应力低透气性煤层深孔预裂控制爆破增透的影响因素的确定。通过对前人关于煤岩体爆破研究成果的总结，结合深部高应力低渗透煤层的赋存特点，为后续的理论分析、模型实验、数值模拟和现场工程应用研究的顺利开展奠定基础。

(2) 高应力低透气性煤层深孔预裂控制爆破增透的理论分析。给出了煤体深孔爆破裂纹扩展长度的计算公式，为煤层深孔预裂控制爆破工艺孔间距的确定提供了理论基础。

(3) 含瓦斯煤体的深孔预裂控制爆破相似材料模型实验研究。通过室内相似材料模型实验，系统地研究了地应力、瓦斯压力、煤的硬度三个主要影响因素与裂隙扩展的关系；研究了煤体爆破中的孔径、孔间距等布孔参数对爆破致裂效果的影响。

(4) 高应力低透气性煤层深孔预裂控制爆破增透的数值模拟研究。基于动力有限差分求解模块，通过数值模拟的方法，定量地分析了爆炸波和爆生气体对煤体深孔爆破增透效果的影响。

(5) 高应力低透气性煤层深孔预裂控制爆破增透的现场工程应用。研制了适应深部开采条件下高应力低透气性煤层打钻成孔专用钻头；对两个典型的高地应力低渗透高瓦斯煤层进行了现场试验及试验结果的分析，评价了深孔预裂控制爆破技术在深部开采低透气性高瓦斯煤层增透防突、防冲的效果及适用性，同时也得出原规范及相关研究中的孔间距5～8 m应适当减为3～3.5 m。