井巷揭煤深孔预裂爆破增透技术的应用

吴 伟

（淮南矿业集团顾桥矿，安徽 淮南232174）

1 引言

高瓦斯低透气性煤层赋存具有低压力、低渗透性、低饱和度及非均质性强的特性，这给低透气性煤层瓦斯抽采带来技术难题［1］。煤层瓦斯抽采既是瓦斯灾害防治的一项重要措施，也是开发利用煤层气的关键技术，影响煤层瓦斯抽采效果的主要因素是煤层透气性系数［2］。实施深孔松动爆破后能有效的改善煤层地应力状况，提高瓦斯解吸能力、增加突出阻力［3］。

Nilson［4、5］基于理论分析表明爆生气体准静态作用对裂纹扩散的影响。炸药在煤岩体深部爆炸后，利用炸药爆炸瞬间产生的高温高压气体，在爆破孔周围依次产生爆腔、压碎区、破裂区（裂隙区）和震动区，如图1所示。爆破产生的冲击波对煤层顶板进行有效地切割，破坏其完整性，在压碎区和裂隙区内形成纵横交错的径向裂隙和环状裂隙，煤体透气性大大增加，大量瓦斯由吸附状态解吸为游离状态，有利于瓦斯的解吸和穿层钻孔的抽采，提高抽采效果。

图1 炸药在岩体内的爆破作用

2 工程概况

淮南矿业集团顾桥矿南区南二13－1下盘区煤层回风大巷巷道设计全长1 122m，标高－730～－686m。属于13－1煤突出危险区，瓦斯压力2.96 MPa，瓦斯含量10.36 m3／t，煤厚5.32m，倾角4°～8°，煤层坚固性系数0.76～0.99。采用－730m 轨道大巷施工穿层钻孔预抽区域防突措施，－730 m 轨道大巷敷设一路直径219mm 抽采管路，地面永久抽采泵站2BE3－720泵抽采。

南二13－1下盘区煤层回风大巷揭煤工作面共设计区域防突措施钻孔429个，2013年3月23日开始施工区域措施钻孔，8月9日施工完毕全部钻孔，抽采干管浓度22%，抽采混合量0.65m3／min，抽采纯量0.12～0.18m3／min，抽采纯量平均0.143m3／min，日平均抽采量206m3，百孔抽采纯量0.04 m3／min。

截止8月9日累计抽采总量2.6×104m3，抽采率8.8%，需要继续抽采瓦斯1.07×105m3才能达标，每天抽采量按206m3计算，至少需要18个月抽采率才能达45%。

为了提高钻孔抽采效果，增加煤层透气性，减少预抽时间，决定实施深孔预裂爆破增透技术。

3 爆破实施方案

3.1 爆破孔布孔方式

在南二13－1下盘区煤层回风大巷揭煤钻孔控制范围内共布置74 个孔径113 mm的爆破孔，先后进行了8次深孔预裂爆破，见表1。爆破孔开孔分别位于南二13－1下盘区轨道大巷及其行人联行内，爆破影响范围控制到南二13－1下盘区煤层回风大巷外15 m 左右，开孔间距原则上按照3m 的影响半径进行设定，所以开孔间距为6m 左右，开孔时如果与已有的抽采钻孔位置重合，可做适当调整，实际上是按每个2组抽采孔布置一组爆破孔，如图2所示。

表1 南二13－1下盘区煤层回风大巷预裂爆破孔统计

图2 区域防突措施钻孔与预裂爆破孔布置平面图

3.2 装药及封孔工艺

3.2.1 爆破材料

炸药选用淮南舜泰化工有限公司生产的长度Φ75mm×1 000mm 煤矿瓦斯抽采水胶药柱，每根重量5kg。雷管选用淮南舜泰化工有限公司生产的煤矿许用8毫秒延期电雷管。

3.2.2 装药要求

采用正向连续不耦合装药结构，单孔装药长度为全煤段以及煤层底板3～5m 范围内，封孔采用水灰比为0.7∶1水泥浆，封孔长度为药卷外的剩余部分，且不得少于10m。

3.2.3 装药的工艺

探孔。为保证装药顺畅，爆破孔施工至设计孔深起钻前，用压风将孔内残碴吹净后方可起钻。起钻后用Φ75mm 专用探孔管对爆破孔进行全孔深探孔，并记录钻孔深度。

起爆药卷。采用双雷管串联起爆药卷。为防止接线头和雷管电引火元件受潮或受腐蚀导致拒爆，雷管脚线和母线连接必须采用反向双扭式，炮眼内的母线不得有接头，雷管脚线和母线连接处以及整个雷管必须用高压胶布进行全包裹（不少于10圈）的防水处理，两个雷管必须并列并靠近导爆索完全插入炸药内，且在炸药底盖里侧对母线打结固定并扭结成短接，炸药底盖必须填塞棉纱并用胶布包裹。

装药。装药时，从爆破孔孔底位置开始装药，每次装1～2卷，装药时用力要均匀、连续，不得用力过猛来回冲撞炸药。必须有专人记录装药数量，确保每卷炸药彼此紧密接触，起爆药卷和返浆管最后一起装入。返浆管选用壁厚1.5mm 内径12mm PVC 整体管，返浆管里端用3根钢丝穿孔固定在返浆头上。在距里侧返浆管口1～1.2m 范围内等间距挖3个返浆眼，返浆眼的大小约为返浆管单位长度表面积的1／3。为防止装进的药柱下滑，必须用2～3根细铁丝横穿每个药柱做一个倒刺。根据爆破需要，可在炮孔底部留有1～2的空气柱，如图3、图4所示。装药时及封孔后，在装药地点前后设置警戒，禁止闲杂人员进入警戒范围。

图3 南二13－1下盘区轨道大巷爆破钻孔布置示意图

图4 爆破孔装药结构示意图

封孔。装药结束后，往孔内下整体PVC或DN15铁管（里端一根为花管）至药柱下方作为返浆管，返浆口距离起爆药卷1m 左右。另下4m 长的DN15铁管作为注浆管，孔口向里1m 范围内用彩条布将上述管路包扎牢固，并在彩条布内下入一根注聚氨酯4分铁管。孔口1m 用聚氨酯坐底，待聚氨酯反应完全后，向孔内注入已添加速凝剂（2%）的水泥浆（水灰比为0.7∶1），直至从返浆管返浆，10min后再注浆并充满整个返浆管。封孔、注浆时要对爆破母线进行盘起保护，不得将聚氨酯或水泥沾到母线上，如图5所示。

图5 封孔示意图

爆破网路连接方式。起爆药卷内的雷管采用串联方式连接。连线前先逐个检查单孔雷管电阻，如果发现孔中雷管短路、断路或电阻与原实测值不符（误差超过±10），则该钻孔雷管母线不得接入主爆网路。

起爆。封孔注浆结束48h后，方可进行爆破作业，起爆前警戒范围内的电气设备必须停电。

4 增透效果分析

4.1 预裂爆破前后抽采效果对比

爆破前抽采干管瓦斯浓度22%，混合量0.65m3／min，纯量0.143m3／min，通过八次爆破后抽采干管瓦斯浓度14%，混合量8.7 m3／min，纯量1.1m3／min。通过人工测量和自动计量对比效果明显，见表2、表3，如图6、图7所示。

表2 预裂爆破增透前后抽采干管参数变化对比

表3 预裂爆破增透前后单孔流量对比

图6 －730爆破前抽采干管纯流量自动计量监控曲线

图7 －730爆破后抽采干管纯流量自动计量监控曲线

4.2 增透爆破后钻孔有效影响半径分析

第三次预裂爆破钻孔共5 个，分别在10－10、13－10、16－10、19－10、22－10 孔附近500 mm 处施工，爆破结束后选择在10－10爆破孔四周的11－9、11－11、10－13、2钻孔作为抽采效果考察钻孔，在考察钻孔孔口安装浮子流量计或G1.6流量表如图9所示。每隔2～4h测定一次流量，根据考察钻孔流量变化情况，及其与爆破钻孔的间距分析爆破钻孔的有效影响半径，见表4。

图8 第三次爆破钻孔与考察钻孔布置平面图

图9 第三次爆破考察钻孔抽采纯量变化曲线图

表4 第三次增透爆破前后考察孔流量统计

4.3 结果分析

距离10－10爆破钻孔4.2m 以外的11－9考察钻孔炮后4h单孔流量比炮前增加1.3倍，炮后9h单孔流量比炮前增加0.7倍，离10－10爆破钻孔8.9m 以外的10－13增加幅度较小，可以推算出爆破钻孔有效影响半径为4m 左右。

5个考察炮孔炮后4～5h的单孔流量达到最大值，炸药在煤岩体深部爆炸后，利用炸药爆炸产生的应力波和高温高压气体，破坏煤层及顶底板，使煤层破裂，在煤体内形成了纵横交错密集的裂隙区，裂隙数量大大增加，煤层透气性和解吸瓦斯量突然增大。炮后5～9 h考察钻孔的单孔流量又逐渐下降到炮前数值，说明煤体裂隙又逐渐压实，煤层透气性和解吸瓦斯量又逐渐减小，但煤体内仍然产生有不可恢复的破裂，所以爆破后的煤层透气性最终仍高于未爆破煤层的透气性。为实现抽采最大化，应加大爆破后9h内的抽采力度。

5 结论

深孔预裂爆破对于高瓦斯低透气性煤层的增透效果明显，爆破产生的动压迅速摧毁爆破孔附近煤体的抵抗，在其周围产生破裂带和裂隙，裂隙与抽采钻孔沟通，增加了煤体的透气性，为瓦斯抽采提供了通道，提高了抽采效果。

未采取预裂爆破前，规定时间内不可能达到45%预抽率；采取预裂爆破后，抽采干管混合量增加12倍，纯量增加7倍，日抽采量增加6倍，比预抽时间减小15个月，抽采效果明显。

深孔预裂爆破减弱了揭煤工作面前方的应力集中，使应力集中向煤体深部转移；同时由于增加了爆破裂隙，煤体内的吸附瓦斯解吸为游离瓦斯，降低了煤层瓦斯压力，达到了预防煤与瓦斯突出的目的。

［1］马小涛，李智勇，屠洪盛，等.高瓦斯低透性煤层深孔爆破增透技术［J］.煤矿开采，2010，15（1）：92－94.

［2］郭德勇，裴海波.煤层深孔聚能爆破致裂机理研究［J］.煤 炭 学 报，2008，33（12）：1381－1384.

［3］李济堂.深孔松动爆破在防治煤与瓦斯突出中的应用［J］.煤矿安全，1991，22（11）：1－7.

［4］Nilson R H，Proffer W J，Duff R E.Modelling of gas driven fractures induced bypropellant combustion within aborehole［J］.international Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，1985，22（1）：3－19.

［5］Nilson R H.An integral method for predicting hydraulic fracture propagation driven by gases or liquids［J］.international Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，1986，10（1）：191－211.