煤矿用水胶液体炸药研发及其在坚硬顶板深孔内的爆炸压裂测试

研发起止时间：2017.9～2019.12

完成单位：大同煤矿集团有限责任公司、中国矿业大学

成果水平：国内领先

1 项目背景

现有凝聚态工业炸药在煤岩深孔爆破中存在装药难、药卷拒爆频次高、哑炮处理困难、震动效应强等问题。为了解决以上深孔爆破中的问题，研究采用液体炸药爆破预裂方法开展深孔爆炸压裂作业。相比常规的水力压裂，液体炸药爆炸压裂技术应用不需要投入大量装备，技术成本低，具有深孔体积压裂效果，孔内炸药全耦合装药，借助液体炸药优越的流动性，可实现单孔反复爆炸压裂，较好地扩展了孔壁围岩压裂范围，对于提高孔壁围岩体积压裂有利；运用该技术还能实现低渗致密岩层的增裂增透效果，对于提高油气资源的回收率极为有利；同时，配合专用定向装置，该爆破技术能实现坚硬顶板的切顶卸压效果，是一项具有较好发展前景的新型爆破技术。

2 研究内容

（1）研发了煤矿用水胶液体炸药，实现了炸药物理形态上的流动特性，测试分析得到了液体炸药爆炸力学性能参数。

煤矿用液体炸药配置成分选材主要有：86%的高浓度硝酸甲胺溶液、硝酸铵晶体、硝酸钠晶体、瓜尔胶、珍珠岩、亚硝酸钠、十二烷基苯磺酸钠表面活性剂等，如图1所示。

矿井正常生产适宜温度在25～30℃之间，为保证液体炸药存储及使用期间稳定，炸药析晶点温度至少应控制在25℃以下。高浓度硝酸甲胺溶液稀释到一定程度后，溶液析晶点温度逐渐趋于稳定。液体炸药中的硝酸甲胺为敏化剂，选用硝酸铵作为氧化剂使用,随硝酸铵含量增加，溶液析晶点温度保持在19.3～19.5℃。

图1 煤矿用液体炸药配置成分选材

硝酸甲胺溶液中添加适量硝酸钠晶体，可作为氧化剂调节炸药组分的氧平衡，同时能与溶液中的硝酸铵形成低沸共溶混合物，降低溶液析晶点温度。测试分析得到，硝酸钠含量是硝酸甲胺溶液析晶点温度控制的敏感因素。最终得到一种煤矿用液体炸药配置方案，炸药性能参数达到了煤矿安全炸药标准，并实现了炸药物理形态上的流动性，如图2所示。

图2 煤矿用液体炸药配置

（2）建立了液体炸药孔内的爆炸力学模型，分析了药液-围岩中的波动传载规律，揭示了液体炸药深孔内爆炸压裂破岩机理。

液体炸药爆破起爆后，爆轰产物激发的冲击波作用于孔壁围岩，应力波扩散过程中，沿切线方向产生拉应力，在孔壁围岩近区形成径向裂隙；液体炸药作为含水炸药，液体炸药深孔爆破作用下，孔壁围岩充满液体基质。与空气介质存在条件下的破岩机理不同，液体炸药孔内爆破裂缝扩展特征，如图3所示。

图3 不同爆破阶段含水药液的作用特征

爆炸波传播遇到结构面会发生反射、透射，随后应力波在结构面尖端发生衍射。产生的衍射波、反射波等在结构面尖端叠加，产生了局部的应力集中，如图4所示。当反射波和入射波相位同步时，会增加应力波对煤岩体的破坏；当二者相位完全相反，会减弱应力波强度，如图5所示。爆炸波经过结构面，压力的峰值呈现逐渐降低趋势，如图6所示。

图4 结构模型失效应力

图5 结构模型一破坏

图6 结构面两侧测点压力变化

（3）开展了液体炸药在煤矿坚硬顶板预裂中的应用测试，研发了液体炸药配套泵送系统及封孔工艺，取得了硬岩深孔爆破效果。

液体炸药爆炸压裂技术实践选在大同矿区云冈煤矿12#层406盘区新408轨道巷内开展。该巷属于硬岩巷道，巷道变形不明显，支护结构完整。实测分析得到，液体炸药威力满足煤矿炸药性能要求。同时，对于不同品类矿用炸药爆破效果，如图7所示。

图7 三种煤矿炸药破岩效果

相同装药量情况下，液体炸药和乳化炸药孔内爆炸压裂效果相似，孔壁致裂密度大，裂缝分布均匀；水胶炸药受药筒护壁作用影响，孔壁致裂密度小，以主裂缝扩展为主。液体炸药配合聚能管定向爆破定向致裂效果最佳，如图8所示。

图8 液体炸药聚能爆破效果

3 主要研究成果

（1）通过配方和工艺调整，成功研发可流动的煤矿新型水胶液体炸药。确定了炸药密度调节剂的品种、成份，通过硝酸钠调节炸药析晶点，给出了合理配比，测试分析了液体炸药爆炸力学性能参数。

（2）利用LS-DYNA3D程序研究新型炸药爆破的波动传播特性，分析了爆生气体联合孔内承压介质的岩体增裂原理，揭示了新型炸药深孔爆破高效压裂破岩机理。

（3）研发了液体炸药配套泵送系统及封孔技术，开展了新型炸药在煤矿坚硬顶板预裂中的现场应用，并与乳化炸药、聚能爆破的爆破作用进行了对比，验证了新型炸药在硬岩深孔爆破的良好效果。

4 应用效益

研究成果在大同矿区云冈矿进行了成功应用，共计新增产量89万吨，推广应用于塔山2#层三盘区8305工作面，有效解决了中厚煤层回采巷道切顶卸压无煤柱开采问题，工作面沿空留巷矿压显现强度低，取缔了留巷内木垛加强支护的使用，节省了巷道返修费用及打钻成本，巷道断面变形小，满足巷道通风与断面使用要求，保障了工作面的高效生产，经济效益显著。

本项目获授权发明专利4项，实用新型专利2项，发表论文6篇，出版专著1部，于2020年6月通过中国煤炭工业协会组织的专家鉴定，研究成果达到国内领先水平。

（供稿：大同煤矿集团有限责任公司技术中心：臧欢欢）