陳軍偉，陳紹杰，程紹強

(1.淮南礦業(yè)集團(tuán)顧橋煤礦，安徽淮南 032300;2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

0 引言

深孔預(yù)裂爆破技術(shù)是依靠專用煤層藥柱［1］在煤層中爆破，使煤體產(chǎn)生大量裂隙，從而增加低透氣性突出煤層透氣性的技術(shù)，我國在深孔預(yù)裂爆破技術(shù)方面的研究和實踐已有30多年［1］，已成功應(yīng)用到巷道掘進(jìn)、工作面回采及井筒揭煤中，成為煤礦生產(chǎn)中成熟而普遍的技術(shù)。針對淮南礦區(qū)井筒揭穿低透氣性突出煤層施工周期長，制約礦井采掘接替等問題，相關(guān)學(xué)者在淮南礦區(qū)開展了深孔控制預(yù)裂爆破試驗［2－3］，并通過井筒揭煤鉆孔布置方案的優(yōu)化設(shè)計，提高了煤層的透氣性系數(shù)，取得了較好的瓦斯抽采效果。馬春明等［4］將深孔預(yù)裂爆破技術(shù)應(yīng)用到鶴壁三礦新副井井筒揭煤區(qū)域防突中，增加了煤層透氣性，縮短了瓦斯抽放時間，加快了井筒建設(shè)速度，實現(xiàn)了深井井筒安全揭煤。井筒揭煤如僅采用預(yù)抽煤層瓦斯而不采用煤層增透技術(shù)措施，揭一個突出煤層揭煤時間一般需6個月以上，而水力沖孔增透技術(shù)措施按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》［5］(八十一條)規(guī)定在井筒揭煤中不宜采用。相比而言，深孔預(yù)裂爆破技術(shù)在井筒揭穿低透氣性突出煤層中應(yīng)用更為符合煤礦安全生產(chǎn)實際情況。

1 礦井概況

淮南礦業(yè)集團(tuán)顧橋煤礦屬深部礦井，其主采煤層8煤層埋深955.49～958.34m(基巖面下697.19 m)，煤層厚度2.85m，傾角1°～5°，結(jié)構(gòu)簡單，厚度較穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)斷層破碎帶，無地層傾角劇變等構(gòu)造現(xiàn)象。深部進(jìn)風(fēng)井井筒區(qū)域地層總體上為一走向近南北，向東傾斜的單斜構(gòu)造，煤層松軟，煤的普氏系數(shù)在0.2～0.6。從井筒檢查孔資料看，井筒過煤段巖性極不穩(wěn)定，裂隙發(fā)育，巖性破碎。8煤層的瓦斯含量一般在5～13 m3/t。8號煤層滲透率低，屬于難以抽采煤層;煤層瓦斯壓力在1～6MPa，預(yù)計進(jìn)風(fēng)井井筒揭8煤層的瓦斯壓力約1.60 MPa。實測8煤的堅固性系數(shù)為0.44，瓦斯放散初速度為6mmHg，突出危險性綜合指標(biāo)K為13.64。

2 深孔預(yù)裂爆破技術(shù)及應(yīng)用

2.1 深孔預(yù)裂爆破增透作用機理分析［6］

低透氣性突出煤層透氣性增加，主要是依靠爆破藥柱在煤層中爆破，使煤體產(chǎn)生大量裂隙，在爆破孔周邊形成一個為爆破孔直徑5～10倍的破碎圈，其次是爆生氣體傳播到與爆破孔相鄰的抽采孔時，由于抽采孔的存在使應(yīng)力波反向拉伸，促進(jìn)裂隙的進(jìn)一步發(fā)展，當(dāng)爆破應(yīng)力波全部衰減后，爆破遠(yuǎn)區(qū)的煤體受到爆破擾動，煤體中的瓦斯壓力對煤體裂隙的產(chǎn)生起促進(jìn)作用，整個過程煤體原始應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，爆破孔周圍煤體發(fā)生大幅度位移變化，促使煤體應(yīng)力重新分布，集中應(yīng)力帶向深部轉(zhuǎn)移，煤體有效應(yīng)力降低，同時由于煤體中新裂縫、裂隙的產(chǎn)生和應(yīng)力水平的降低，打破了煤體中瓦斯吸附與解吸的動態(tài)平衡，使部分吸附瓦斯轉(zhuǎn)化成游離瓦斯，而游離瓦斯則通過裂隙運移并由抽采鉆孔進(jìn)行抽采，很大程度地釋放了煤體及圍巖中的彈性潛能和瓦斯膨脹能，煤體瓦斯透氣性得到大幅提高，提高了煤體瓦斯抽采率，從而使煤體的塑性增加，脆性減小，煤體中殘存瓦斯的解吸速度降低，因此，在煤體中形成一定范圍的卸壓抽采瓦斯區(qū)域，在這個安全區(qū)域內(nèi)，煤與瓦斯突出發(fā)生的基礎(chǔ)條件被破壞，進(jìn)而起到了有效防治突出的目的。

2.2 井筒揭煤深孔預(yù)裂爆破方案設(shè)計

2.2.1 爆破孔布孔方式及施工

圖1 爆破孔布置主視圖

圖2爆破孔布置俯視圖

共布置10個爆破孔，在第5圈(半徑13.5m，直徑為27 m的圓周上)的抽采孔中取10個抽采孔作為爆破孔。具體布孔方式見圖1和圖2，鉆孔參數(shù)見表2所示。先施工抽采鉆孔，當(dāng)所有抽采孔施工結(jié)束后，施工爆破孔，起鉆前，用壓風(fēng)對孔內(nèi)進(jìn)行掃孔。當(dāng)10個爆破孔施工結(jié)束后，裝藥實施爆破作業(yè)。

表1 深孔預(yù)裂爆破試驗孔參數(shù)表

2.2.2 裝藥

為保證裝藥順暢，爆破孔嚴(yán)禁用水打孔，當(dāng)鉆機起鉆前，用壓風(fēng)將孔內(nèi)殘碴吹清后方可起鉆。并用專用探孔管對爆破孔進(jìn)行探孔，并記錄鉆孔深度;采用雙雷管起爆頭，為了防止接線頭和雷管電引火元件進(jìn)水引起不爆，需對每發(fā)雷管接線處和雷管端部進(jìn)行嚴(yán)格的防水處理;裝藥采用正向裝藥結(jié)構(gòu)，先將一根藥柱的前端(外絲蓋子端)鉆一孔徑為6 mm的孔，取下外絲蓋子，將一根直徑為5 mm的細(xì)鋼絲繩插入藥柱中打結(jié)，再蓋上蓋子后，將這藥柱的前端放入炮孔中，再依次連接第二和第三根藥柱，最后連接炮頭，慢慢放入炮孔中，同時記錄鋼絲繩的長度，直至放入炮孔底部。

2.2.3 封孔

為防止沖孔，封孔長度必須滿足大于或等于10 m。由于炮孔深，若孔中有水，應(yīng)先將孔中的水吹完，再用水泥漿封孔。其中水泥與水的配比為7∶5混合后倒入孔中，5 h后即可起爆。水泥消耗量約為每米8 kg。具體封孔方法見圖3。

2.2.4 爆破網(wǎng)絡(luò)連接方式及起爆

孔外所有雷管串聯(lián)起爆。如果孔中有一發(fā)雷管短路、斷路或電阻與原實測值不符時，則這發(fā)雷管腳線不得接入主爆網(wǎng)路。按揭煤遠(yuǎn)距離放炮要求進(jìn)行警戒，井下所有設(shè)備防護(hù)到位后方可起爆。

圖3 爆破孔封孔示意圖

3 應(yīng)用效果分析

在爆破前后的 63#、78#、93#、111#、130#、151#共計6個抽采孔安裝煤氣表進(jìn)行了流量考察，通過人工讀數(shù)對瓦斯流量、濃度進(jìn)行考察。

3.1 抽采孔爆破后的瓦斯流量分析

爆破前后流量變化見圖4、圖5。由圖4可以看出，爆破后煤層鉆孔抽采瓦斯流量顯著提高。其中93#孔距62#爆破孔3 m，爆破后流量提高十分明顯，從原來的0提高至最高0.563 m3/min;130#考察孔距62#爆破孔距離6 m，爆破后流量提高近11倍。且兩考察孔都在徑向。63#考察孔距62#爆破孔3 m，在環(huán)向，在爆破前后，流量變化不明顯，說明深孔預(yù)裂爆破封孔質(zhì)量良好，藥柱能量基本消耗在環(huán)向煤體裂隙產(chǎn)生過程中。

由圖5可以看出，爆破后煤層鉆孔抽采瓦斯效果顯著提高。其中111#考察孔距62#爆破孔3 m，且在徑向，爆破后流量提高近4.7倍;151#孔距77#爆破孔距離6 m，距111#考察孔3 m，且在徑向，爆破后流量提高近2.6倍。78#考察孔距77#爆破孔3 m，在環(huán)向，在爆破后初始一段時間流量降低，其原因一是因為爆破使得78#考察孔與其他抽采孔溝通，78#考察孔的抽采負(fù)壓比其他抽采孔抽采負(fù)壓小，致使抽采流量減小;二是因為自10月8號開始礦檢修，抽采泵的實際抽采負(fù)壓4～5 kPa，致使單孔抽采流量都開始出現(xiàn)下降趨勢。

圖4 62#爆破孔周圍考察孔爆破前后流量

圖5 77#爆破孔周圍考察孔爆破前后流量

3.2 抽采瓦斯?jié)舛瓤疾旖Y(jié)果分析

抽采瓦斯?jié)舛瓤疾旖Y(jié)果見圖6。從圖上可以看出，78#、93#、63#、151#考察孔瓦斯?jié)舛仍诒魄昂鬀]有明顯變化，其原因一是煤中瓦斯賦存的不均勻性;二是在放炮前煤層中的瓦斯已經(jīng)被抽采了部分，在放炮后每個抽采孔的實際負(fù)壓不同，導(dǎo)致抽采出的瓦斯?jié)舛葲]有明顯變化。111#、130#在爆破后瓦斯?jié)舛仍黾用黠@，說明爆破后煤層透氣性得到提高，促進(jìn)了煤體中瓦斯的解吸。

3.3 抽采干管在爆破后抽采流量與濃度變化情況分析

由抽采干管放炮前后流量、濃度變化圖(圖7、圖8)可以看出，在放炮前后，抽采干管內(nèi)的瓦斯流量和濃度都有明顯的增加。其中瓦斯抽采流量提高近3倍，濃度提高近8倍。

圖6 爆破前后單孔濃度

圖7 抽采干管放炮前后流量變化

圖8 抽采干管放炮前后濃度變化

4 結(jié)語

綜上所述，深孔預(yù)裂爆破在顧橋礦深部進(jìn)風(fēng)井井筒揭煤時，很大程度上釋放了煤體及圍巖的彈性潛能和瓦斯膨脹能，煤體中不斷產(chǎn)生新的裂隙、煤體應(yīng)力重新分布，打破了煤體中瓦斯吸附與解吸的動態(tài)平衡，使部分吸附瓦斯解吸，增大煤層透氣性，提高了瓦斯抽采效果，煤與瓦斯突出的基本條件受到破壞，起到了有效的防治煤與瓦斯突出效果。

［1］ 池鵬.低透氣性煤層深孔控制預(yù)裂爆破強化抽采技術(shù)研究［D］.河南理工大學(xué)，2012.

［2］ 劉健，劉澤功.深孔預(yù)裂爆破技術(shù)在井筒揭煤中的應(yīng)用研究［J］. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40(2):19 －21，24.

［3］ 袁亮.淮南礦區(qū)瓦斯治理技術(shù)與實踐［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2000，28(1):7 －11，50.

［4］ 馬春明，董正亮，邵長增，等.深孔預(yù)裂爆破技術(shù)在深井井筒揭煤區(qū)域防突中的應(yīng)用［J］.煤炭工程，2011，11:114－116.

［5］ 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2009.5

［6］ 康紅普，司林坡.深部礦區(qū)煤巖體強度測試與分析［J］.演示力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(7):1312－1320.