水爆致裂技术在低孔隙率坚硬煤层中的应用

张茂增

(山东宏达绿洲工程科技有限公司， 山东 肥城 271600)

水爆致裂技术是一种特殊的预裂爆破技术，它是指在采用不耦合装药的情况下，处于药卷和炮孔之间的不耦合介质为水而不是空气。预裂爆破作为一种特殊的控制爆破技术，自从20世纪50年代被首次应用以来，在各种岩石开挖工程中得到越来越广泛的应用。水爆致裂主要是应用水是一种难以压缩的介质，变形能损失较少，传递能量效率高；水具有缓冲和均匀传递压力的作用，能使压力均匀平缓的作用在周围介质上；由于水是炸药和煤岩之间的缓冲层，可以延长爆炸冲击波对煤体的作用时间，提高炸药的能量利用率。

1 水爆致裂机理研究

1.1 水爆致裂技术特点

水爆致裂是明显不同于井下常规的抛掷爆破、破碎爆破、松动爆破和预裂爆破形式的一种特殊爆破形式。

与普通不耦合装药相比，水耦合装药爆破有以下优点[1-2]:

1) 基于水的不可压缩性和较高的密度、较大的流动粘度、爆轰产物的膨胀速度要慢，在耦合水中激起爆炸冲击波的作用强度高和作用时间长；

2) 在炮孔周围岩石中产生的爆炸应力波强度高，衰减慢，作用时间较长，即有较高的爆炸压力峰值，对煤岩造成的破坏作用强；

3) 因为水的不可压缩性和较高的能量传递效率，同时相当于炮泥，水又具有一定的堵塞作用，因此，传递给煤岩的爆破能量分布更加均匀、利用率高；

4) 在爆破破碎质量上，它能使破碎块度更加均匀;在爆破安全方面，它能够有效地控制爆破震动、爆破飞石、空气冲击波和爆轰有毒气体量，降低爆破粉尘；

1.2 作用机理

岩石是由多种分子组成的多晶混合体，各分子之间是相互作用的，并存在一定的作用势。岩石材料在外载荷的作用下，各分子之间的作用势将会发生变化。

根据资料，岩石是由分子结合而成的固体，分子间的作用势可表述为：

(1)

式中：r为分子间的距离，A、B、n、m分别为大于零的常数，n、m与晶粒类型有关。

由V (r) 可叠加出二维平面内的势阱图，在此二维势阱中，考虑分子体系的势能随分子之间距离r在受压方向(定义为Z方向，取拉伸方向为Z轴的正向)上投影的变化，当岩样单轴受压时，分子体系作用势随Z轴的变化如图1所示。

岩样在外载荷的作用下，应力—应变曲线呈线弹、屈服、体膨胀(弱化)的渐变过程。这时分子(或分子体系)在受力的Z方向其位能V (z) 按图1所示变化。随外载荷的增大，分子(或分子体系)的位能沿Z的反方向相应由A增加△E。随△E的增大，材料中的分子(或分子体系)穿越势垒C到D稳态的机率增大。当一个分子(或分子体系)达到D稳态就对应材料中出现一个微缺陷。从图1中可以看出E1>E2，当分子从C状态到达D状态时要放出一部分能量，这部分能量一部分以声光方式释放出去，另一部分以弹性波的形式传递到已处激化态的分子，使这个激化态的分子又从C状态到达D状态且又要放出一部分能量，因此，只要△E的能量足够高，一旦有一部分分子跃到C状态到达D稳态，就会有大部分的分子能够到达D稳态，形成一个链锁反应，这样岩石就会出现宏观裂纹直至破裂。

图1 势阱V(z)—Z曲线

对于双孔水爆致裂来说，假设两孔内的装药同时起爆(起爆误差小于40 ms)，其裂缝形成机理与单孔时有所变化，这主要表现在以下几个方面：

1) 当两个炮孔内的装药起爆后，两孔所产生的爆炸应力波形成一对压应力波，同时作用于两孔中间的介质。由于这两个压应力波是相向而行的，在两孔中间的介质中产生应力波叠加，使得两炮孔中间的应力场得到了加强。

2) 对于大多数岩石类工程材料来说，一般存在大量的裂隙、微孔穴和夹杂缺陷等初始损伤，当两个孔内的装药同时爆炸时，两孔所产生的爆炸应力波形成一对压应力波，同时作用于两孔中间的介质，使得两孔中间的岩石类工程材料介质的内摩擦角、内摩擦系数以及内凝聚力都比单孔时有了明显的提高，导致相应的抗压强度、抗剪强度得以提高，削弱了初始损伤给爆破带来的不利影响，提高了应力波的透射能力。

3) 由于爆炸应力波在介质中传播的衰减是连续的，当单孔装药爆炸后应力波所提供的能量

衰减到两炮孔之间的介质分子不能自动跃迁到C状态到达D稳态时，不能直接形成裂缝时，此时，另一个炮孔的装药爆炸后的应力波传播过来与其叠加，又使介质分子获得达到能自动跃迁到C状态到达D稳态的能量，从而又能使两炮孔之间的裂缝得到进一步扩展。

2 参数确定

所取煤体试样实测的各种物理力学参数如下表1所示。

表1 所取煤样实测物理力学参数

爆破采用2号煤矿许用乳化炸药，炸药密度ρe为1.3 g/cm3。

选择合适的不耦合系数，可避免形成较大的粉碎区并提高能量利用率[5]。综合考虑能量损耗与粉碎区范围及现场实际情况，确定不耦合系数为1.25，即选择钻孔直径75 mm，药管直径50 mm。

3 现场应用

3.1 单孔水爆致裂现场实验

3.1.1 装药与封孔

其装药结构示意图如图2所示。

图2 单孔爆破装药结构示意图

设计炮孔长度33 m，装药长度24 m，药量48 kg，炸药采用正向起爆，作为起爆头的药卷距孔口9 m。采用黄泥封孔，封孔长度2 m。即中间有7 m的钻孔既不装药也不封泥，作为爆炸缓冲区。

3.1.2 效果考察

起爆后煤壁在应力波的作用下位移量较大，爆破孔附近巷道宽度由爆破前的346 cm变为爆破后的308 cm，即煤壁向巷道内运动了38 cm。在距爆破孔4 m的地方钻一个长度15 m、孔径为53 mm的检测孔，在检测孔处注水，注水压力2.5 MPa，考察注水流量及注水总量，并在爆破影响范围以外打一个对比孔进行注水情况对比，具体注水情况见下图3。

图3 单孔爆破注水效果对比图

从图3来看，爆破后检验钻孔注水速率与注水量较对比孔明明显增加，注水13个小时后，注水量比没有采用水爆致裂的高3.2倍，注水速度提高2.59倍。这说明爆破孔爆破后的裂纹扩展范围已到达距爆破孔4 m的地方。

3.2 双孔水爆致裂现场实验

3.2.1 参数设计

双孔同时爆破时，激起的压应力波沿两炮孔的连心线相向传播，相遇时发生相互叠加，结果沿炮孔连心线的压应力σ压相互抵消，拉应力σ拉得到加强，如图4所示，若两炮孔相距较近，叠加后的拉应力超过煤体的抗拉强度时，则沿炮孔连心线产生径向裂隙，使两炮孔间裂隙相互贯通。

图4 应力加强示意图

根据爆破的一般经验，双孔同时起爆时，双孔之间破裂区的半径可达单孔爆破裂隙区半径的1.5倍左右。由于单孔的破裂半径达到了4 m，所以本次双孔爆破的孔间距为12 m，在两孔中间钻凿一个30 m深的检测孔，检验孔距离两爆破孔分别为5 m和7 m。装药量1号孔为75.68 kg；2号孔75.2 kg。在两爆破孔间打一检验孔，如下图5所示。

图5 钻孔布置示意图

3.2.2 效果考察

较单孔爆破，双孔爆破采取了多种手段验证其爆破效果：

1) 孔口破坏情况、巷道煤壁及顶底板位移量

爆破后，爆破残孔破坏较小，只在孔口很小范围内产生坍塌，对巷道煤壁基本没有影响，通过爆破前后的定点测量，最大煤壁位移量为33 cm，顶底板下沉量为2 cm。

2) 钻孔窥视

通过爆破前后对两爆破孔之间的检验孔进行裂隙窥视，窥视结果如下图6，通过对爆破前后检验孔内距孔口2 m、10 m、17 m处的裂隙探视，发现爆破后各处裂隙大小、数量及孔型较爆破前变化明显，足以说明爆破后裂隙扩展到了检验孔位置处。

图6 检验孔爆破前后裂隙探视效果图

3) 检验钻孔注水

爆破完毕后，对两爆破孔之间的Φ53mm检验孔进行注水，注水压力2.5Mpa，采用封孔器封孔。注水情况如下表2：

表2 检验孔注水情况统计

从表2中可看出，随注水时间的增加注水量上升比较快，总注水时间为90分钟，累计注水量为3.295 m3，注水流量达到2.2m3/h左右。注水90分钟后， 1号爆破残孔内出水，并且1号爆破孔与检验孔之间的煤壁出现大范围渗水，说明1号爆破孔与检验孔之间5 m范围内的裂隙已经贯通。

4) 煤机推进至爆破处时现场检验

为进一步考察爆破效果，在煤机推进至爆破地点时进行现场观察。结果表明，两爆破孔之间的煤体裂隙明显，说明经过双孔水爆致裂，两孔之间的煤体裂隙已全部贯通。

从以上各检验方式可看出，双孔水爆致裂效果显著，其裂隙扩展范围达到6 m左右，爆破裂隙扩展范围为单孔爆破裂隙扩展范围的1.5倍左右。所得裂隙区范围在所给公式计算范围内，从而验证了本文计算公式的正确性。

4 结论

1) 结合目前坚硬低孔隙率煤层注水困难的现状，提出了采用水爆致裂技术提高煤层注水效果，分析了水爆致裂技术的作用机理。

2) 现场水爆致裂采用连续装药，炮孔直径为75 mm，药卷直径为50 mm，其不耦合系数为1.25。单孔爆破爆破后检验钻孔注水速率与注水量较对比孔明明显增加，注水13个小时后，注水量比没有采用水爆致裂的高3.2倍，注水速度提高2.59倍。这说明爆破孔爆破后的裂纹扩展范围已到达距爆破孔4 m的地方。

3) 双孔同时爆破与单孔爆破相比具有能量利用率高、增加裂隙区范围等优点，双孔爆破具有应力叠加作用，双孔水爆致裂后，通过钻孔窥视、检验钻孔注水、煤机推进至爆破处时现场检验等方式进行了效果考察。结果表明：双孔水爆致裂效果显著，其裂隙扩展范围达6m，爆破裂隙扩展范围为单孔爆破裂隙扩展范围的1.5倍左右。

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