浅谈煤层爆破机理

胡皓

摘要：本文通过分析爆破增透的机理与爆破增透的过程，可以发现煤层裂隙大发育与发展是一个非常复杂的动力学过程。这其中不仅有爆破产生的爆轰波、应波、及爆生气体的作用，还有瓦斯的动力作用，是几个方面的作用力共同作用的结果。在整个增透过程中炸药爆炸的作用是最主要的。但是不同的阶段两者的作用不同，爆炸前期是炸药爆炸的作用结果，而等炸药作用力衰减到一定程度以后是瓦斯作用力的结果。

关键词：深部开采；低透气煤层；爆破致裂；煤层增透

1 引言

我国是当今世界上第一产煤和消费煤大国。近些年来，随着开采深度的增加，导致开采条件更趋于复杂，出现了高地应力、高瓦斯、高非均质性、低渗透性和低强度煤体的特征（三高两低），对于高瓦斯矿井瓦斯的抽放、粉尘危害性的工作面注水防治粉尘都造成了一定的困难。原有的适用于浅部煤层的安全技术及理论基础已经难以适应当前煤矿安全、高效生产的迫切需求。所以需要一种技术来提高煤层透气性。爆破致裂增透技术是针对煤层煤质坚硬、裂隙不发育、孔隙率低、煤层厚等特点而研发的新技术。爆破致裂增透法是在注水钻孔或专用爆破钻孔中布置一个或多个爆破药包，通过单孔爆破或多孔同时爆破，利用炸藥爆炸能量在煤体内的内部作用，使钻孔周围产生径向和环向裂隙，以提高煤层的孔隙率。因其是针对煤质坚硬、裂隙不发育、孔隙率低的煤层提出的，所以对于深部低渗透煤体增透有较好的适用性，对于深部煤层增透，提高瓦斯抽采效果与注水效果有重大的意义。

为此，针对煤质坚硬、裂隙不发育、孔隙率低、煤层厚等特点，研究爆破致裂增透机理，对煤层爆破致裂增透的过程进行分析，对于保障矿井的安全高效开采和可持续发展，具有重要的理论与现实意义，对全国的煤矿也具有重要的指导和借鉴价值。

2 煤层爆破致裂增透的机理分析

岩石爆破破碎的学说有爆轰气体压力作用学说、应力波作用学说和爆轰气体和应力波共同作用学说。无论哪一种假说，岩石破碎都是由于爆破后产生的应力波或者爆轰波的压力逐渐加大到大于岩石的抗拉强度，而使岩石原有裂隙发育并产生新的裂隙。最后将破碎的岩石抛掷的结果[1]。

爆破致裂增透的机理与岩石破碎的机理基本是相同的，主要依靠应力波动作用和高温高压爆生气体静态压力作用来破坏煤体[2]。爆破致裂的实质就是炸药进行剧烈的化学反应，能量在密闭空间得到急剧释放并作用于炮孔壁上，对煤体进行破裂的过程[3]。炸药爆炸以后能量以爆轰波、应力波、高温高压的爆生气体的方式释放，爆轰波、应力波、爆生气体三者一次作用于炮孔壁、煤体裂隙，作用过程中炸药能量逐渐消减直到能量不能对媒体形成作用为止[4]。

爆破致裂增透与岩石破碎两者的不同之处就是，岩石破碎过程中，炸药量大岩石的破碎程度大，而且爆炸作用能到达自由面并且会将岩石抛掷出岩体，破坏了岩体原有的整体性的结构[5-7]。而爆破致裂增透的过程中，由于药柱的埋置深度很大，或药包质量较小时，炸药的爆炸效果达不到自由面（这种爆破也叫爆破的内部作用），只是单纯的使煤体原有裂隙发育且形成新的裂隙，提高但是不会将煤体抛掷而破坏煤体结构的整体性影响采掘活动。

3 煤层爆破致裂增透的过程分析

3.1 爆轰波、应力波及爆生气体的作用

当初始裂隙形成后，应力波压力下降，岩石就立即释放出压缩过程中积蓄的弹性变形能，形成与压应力波作用方向相反的拉应力σr，使煤体质点产生反方向的径向运动[8]，形成环向裂隙。径向裂隙和环向裂隙所作用的范围被称之为破裂区。破裂区紧随着岩石粉碎区。在破裂区之外，爆炸所产生的能量已经不能引起煤体的破坏，但是其可以引起岩石质点的弹性震动，这个区域被称之为震动区。

3.2 爆生气体在煤体裂隙发育中的作用

炸药爆炸是炸药内部发生的一种快速的、剧烈的化学反应的过程，炸药爆炸后会生成大量的高温高压气体，其对煤体裂隙发展也有非常重要的作用。爆生气体对煤体的作用主要是由于气体在裂隙的尖端形成了应力集中，而促进了裂隙的发展[9]。爆生气体先进入发展较好的大裂隙中，逐步进入小的裂隙中。由于尖端的应力集中使得裂隙进一步发展，直到爆生气体的压力下降到不能够在促进裂隙发展为止。同时，爆生气体的准静态应力的大小与爆破中心的距离紧密相关，距离爆破孔中心距离越远，其应力值越小，因此，在其径向方向上的煤体气体压力呈现梯度分布，在爆生气体的作用下，裂隙沿着气体应力梯度方向扩展。

3.3 瓦斯在煤体裂隙发育中的作用

当对煤体进行爆破时，瓦斯对于煤体的作用表现为气体与固体之间的作用，称之为流固耦合。游离态的瓦斯首先进入裂隙并将煤体裂隙进一步发展，随后吸附态的瓦斯解吸，瓦斯能进一步释放[4]，瓦斯又一次进入煤体原有以及新形成的煤体裂隙内，也对煤体裂隙的形成起到的一定的促进作用。

3.4 煤层中裂隙网的形成

通过以上的讨论我们可以知道，当煤体爆破孔炸药爆炸后形成了以炮孔为中心的煤层裂隙网，分别为粉碎区、裂隙区和震动区。爆破增透技术的实施是为了在整个煤层中形成大范围的煤层裂隙网，但是由于煤体的厚度较大、走向长度非常长而且炸药的作用范围是以每个爆破孔为中心的，所以单一的炮孔不能形成交完整的裂隙网[10]。所以，通过计算炮孔的装药量 使爆破的影响范围适当的扩大但不要影响煤层顶底板的应力状态，以及合理的布置炮孔位置，使相邻的炮孔之间的裂隙可以相互贯通。使爆破得到较好的效果，以使在整个煤层中形成较完整的裂隙网。

参考文献：

[1]李尧斌.高瓦斯煤层深孔控制预裂爆破增透技术研究，安徽理工大学2006年硕士学位论文，2006

[2]李杭州，坚硬煤层放顶煤弱化研究.硕士论文西安科技大学2003

[3]王家来，刘积铭，岩石爆破破岩机理的损伤力学分析[J].岩石力学与工程学报，199615（S1）：515-518

[4]钮 强.岩石爆破机理[M].沈阳： 东北工学院出版社，1990

[5]程庆迎.低透煤层水力致裂增透与驱赶瓦斯效应研究，中国矿业大学2012年博士学位论文，2012

[6]弓美疆，池 鹏，张明杰. 低透气性高瓦斯煤层深孔控制预裂爆破增透技术. 煤炭科学技术，第40卷，第10期：2012年10月

[7]吕鹏飞.聚能爆破煤体增透及裂隙生成机理研究.硕士论文，中国矿业大学（北京），2014

[8]郭德勇，商登莹，吕鹏飞，王升宇，王金明，深孔聚能爆破坚硬顶板弱化试验研究，煤炭学报.2013：第 38 卷第7期

[9]李杭州，坚硬煤层放顶煤弱化研究.硕士论文西安科技大学2003

[10]龚敏，王德胜. 黄毅华突出煤层深孔控制爆破时控制孔的作用[J]. 爆炸与冲击.2008.08，28（4）：310-315