坚硬煤层含大直径控制孔爆破增透技术

李振武，闵 祺，边新永，郭文佳

（1.济宁能源发展集团有限公司，山东 济宁 272000；2.济宁矿业集团，山东 济宁 272000；3.霍州煤电集团，山西 临汾 041000）

0 引 言

煤体瓦斯既是潜在的清洁能源，也是瓦斯爆炸以及煤与瓦斯突出事故的有害源，据2020 年统计，在我国有840 处高瓦斯及719 处煤与瓦斯突出煤矿[1]。因此，合理地对煤体瓦斯进行抽采，既能够保障矿井安全，也能够充分利用清洁能源。然而，我国煤体渗透率普遍偏低，地质构造形态复杂多样，瓦斯抽采难度大、效率低，煤体增透是实践矿山绿色开采、安全高效发展的必然选择[2]。

目前，被广泛应用的增透技术主要有水力压裂技术、C02气体增透技术、深孔爆破增透技术。水力压裂技术，常用于石油开采业，是指利用地面上的高压泵，通过井筒向油层后者岩层挤注具有化学压裂液，进行压裂作业，以产生人造裂缝，释放气体，该技术常会伴随各种环境问题，如自来水自燃，诱发小幅地震等[3-5]，赵宝友采用文献综述的方法研究了水力压裂增透技术的适用性，说明水力压裂在煤层增透上获得理想效果，需要针对煤层、地下水资源的二次污染、高压水抑制瓦斯解析、高压水堵塞裂纹等重要问题在理论基础上以及增透工艺进一步研究[6]。二氧化碳致裂技术，利用液态二氧化碳受热气化膨胀原理，快速释放高压气体，常用于土木、矿山凿岩作业，具有可重复操作优点[7]。深孔爆破增透技术是指利用低爆速炸药在爆孔内被引爆，产生冲击波冲击、致裂煤体[8-9]，与前两种增透技术相比，具有技术成熟稳定、经济效益好的特点，适用于坚硬煤层[10]。

目前，研究控制孔直径大小对瓦斯抽采效果的影响较少，本文以沙坪煤矿坚硬煤层深孔爆破增透技术为背景，采用离散元方法开展了不同控制孔大小爆破增透实验，研究应力波传播规律，分析爆破裂隙演化机制，通过工业试验检验瓦斯抽采应用效果。

1 工程概况

沙坪矿18204 工作面所在8 号煤层，平均煤厚6.5 m，煤体的坚固性系数f=2.63，节理裂隙不发育，为坚硬煤层，渗透率0.009 14×10-15～0.019 45×10-15m2，属于低渗透煤层。采用顺层钻孔方式对18204 工作面原岩应力区煤体瓦斯进行预抽作业，由于爆破后煤体破碎程度增大，不利于控制孔成孔效果，故在爆破前打设控制孔，孔间距2 m，钻孔布置图如图1 所示。爆破增透作业炸药类别为矿用许可乳化炸药，爆破孔孔径为60 mm，采用耦合装药。

图1 18204 工作面顺层钻孔爆破增透布置方式示意Fig.1 No.18204 Face bedding borehole blasting antireflection arrangement diagram

2 数值试验

以18204 工作面煤层赋存条件，建立煤体爆破增透离散元模型，模型长为6.5 m，宽为6.5 m，采随机三角形节理算法表征煤体细观尺度节理，zone单元最小尺寸为2 mm。块体采用弹性本构模型，节理采用库仑摩尔本构模型，材料参数见表1，采用文献[11]记录的质点压力爆破应力波。

表1 煤体材料参数Table 1 Coal material parameters

3 结果分析

3.1 速度场

图2 为临近控制孔的监测点质点速度-时间监测曲线，由图2 可知，3 种工况质点峰值速度分别为1.59、1.12、0.78 m/s，较无控制孔监测点峰值速度分别降低了29.6%、50.9%。当时间超过0.9 ms 时，监测点速度呈衰减的特点，随着控制孔的半径增大，质点的振动幅度逐渐减弱。说明控制孔直径越大，用于振动的能量越少，而用于破碎煤体的能量越多，利于瓦斯抽采。

图2 监测点速度曲线Fig.2 Monitoring point velocity curve

3.2 应力场

图3 为最大主应力云图。由图3（a）可知，当无控制孔时，在应力波的叠加作用影响下，爆孔中间区域，最大主应力数值为181 MPa，由图3（b）～图3（d）可知，当存在控制孔时，临近控制孔的最大主应力数值分别为107.1、28.1、9、1.5 MPa。说明随着控制孔的直径增大，应力波的耗散作用增强，在控制孔周围形成的应力松弛区逐渐增大，控制孔周围的煤体被破坏的趋势逐渐增强。

图3 最大主应力场计算结果Fig.3 Maximum principal stress field calculation results

3.3 裂隙场

图4 为不同工况下的裂隙场计算结果，图4（a）为无控制孔方案，图4（b）～图4（d）分别为控制孔半径为60、80、100 mm 工况的计算结果。从图中可以看出，当无控制孔时，2 个爆孔之间在应力波的叠加作用影响下，裂隙没有充分连接，以孤立状为主，整体发育程度较差；当控制孔半径为60 mm 时，在应力波的反射作用下，在爆孔周围形成了1 组贯通爆孔的宏观裂隙；当控制孔半径为80 mm 时，爆孔之间的裂隙贯通趋势增强，形成了3 组贯通爆孔的宏观裂隙；当控制孔半径为100 mm 时，形成了4 组贯通爆孔的宏观裂隙，由于应力波的反射作用持续增强，此时裂隙以网格状为主，整体发育程度最好。说明随着控制孔的孔径增大，煤体爆破裂隙发育密度明显增大，透气性提升明显，有利于保障矿井煤层瓦斯抽采效果。

图4 裂隙场计算结果Fig.4 Fracture field calculation results

4 工业试验

18204 工作面爆破试验段1 号控制孔、2 号控制孔孔深分别为18.1 m 和19.3 m，平均18.7 m，孔半径为100 mm，1 号爆破孔、2 号爆破孔、3 号爆破孔孔深分别为17.6、19.8 及18.5 m，平均18.6 m，孔半径为50 mm。1 号控制孔爆破前平均瓦斯浓度为16.1%，爆破后为32.1%，增加了99.3%；2号控制孔爆破前平均瓦斯浓度为15.4%，爆破后为30.3%，增加96.7%，如图5 所示。

图5 控制孔爆破前、爆破后瓦斯抽采浓度Fig.5 Gas extraction concentration before and after control hole blasting

5 结 论

采用离散元方法和工程实践，研究了不同孔径控制孔的爆破增透效果，计算了不同方案的煤体爆破速度场、应力场、裂隙场，最后通过工业试验验证，得到以下结论。

（1）随着控制孔直径的增大，应力波的反射程度越大、应力集中区范围越大，爆破的效果越好。

（2）随着控制孔的直径越大，控制孔周围裂隙发育频次、连通程度越大，越有利于裂隙沿着“爆孔-控制孔-爆孔”连心线的方向扩展。

（3）通过工业试验瓦斯抽采浓度数据，表明采用大直径控制孔爆破技术，平均瓦斯浓度显著增加，经济效益明显，有利于瓦斯抽采效果。