王麒翔

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037； 2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，重慶 400037)

我國南方含煤盆地經(jīng)歷多期次構(gòu)造運(yùn)動，煤系地層受到復(fù)雜的地質(zhì)演化揉搓，大部分地區(qū)煤層煤體松軟[1]，煤體透氣性較差，導(dǎo)致瓦斯抽采困難，掘進(jìn)緩慢，采掘接替緊張，瓦斯治理周期長[2-3]，嚴(yán)重影響煤礦安全高效生產(chǎn)。目前較流行的煤層增透措施[4-6]有水力壓裂增透、水力割縫增透、水力造穴增透、液態(tài)CO2相變致裂增透、深孔松動爆破卸壓增透等。其中，深孔預(yù)裂爆破技術(shù)較傳統(tǒng)，但是相對前兩者有著環(huán)境污染程度低、塊煤保留率高等優(yōu)點(diǎn)[7-8]，仍為煤礦現(xiàn)場常用技術(shù)。深孔預(yù)裂爆破技術(shù)通過爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波破壞煤體結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造瓦斯解吸和運(yùn)移的通道[9-12]。而煤層條件、深孔爆破參數(shù)、爆破施工方式等對增透效果均產(chǎn)生影響，因此，研究在松軟煤層條件下深孔爆破的影響范圍及多孔耦合效應(yīng)，確定松軟煤層深孔預(yù)裂爆破合理布孔參數(shù)，仍具有重要意義。

1 深孔預(yù)裂爆破數(shù)值模擬

確定松軟煤層深孔預(yù)裂爆破合理布孔參數(shù)，擬采用COMSOL有限元軟件對單孔和多孔預(yù)裂爆破效果進(jìn)行數(shù)值模擬。貴州水礦集團(tuán)大灣煤礦11號煤層是水城礦區(qū)的主采煤層，具有我國南方松軟煤層的代表性[13-15]，滲透率集中在0.001×10-3～0.100 ×10-3μm2，煤質(zhì)較軟，堅固性系數(shù)0.16～0.29，視密度約1.33 g/cm3。以離散元固—流耦合網(wǎng)格構(gòu)建煤層條件模型，深孔爆破的應(yīng)力取10 GPa[16]，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，獲得單孔爆破下深孔預(yù)裂爆破有效影響范圍以及多孔共振爆破時爆破能量的耦合效應(yīng)參數(shù)。

1.1 單孔爆破有效影響范圍模擬

單孔爆破產(chǎn)生10 GPa的應(yīng)力，工作面煤體迎面高20 m、寬18 m，模擬爆破孔直徑94 mm，以此模擬應(yīng)力波擴(kuò)散，觀測鉆孔周圍煤巖應(yīng)力變化。單孔爆破應(yīng)力波擴(kuò)散云圖如圖1所示，爆破孔周圍煤巖應(yīng)力變化曲線如圖2所示。

圖1 單孔爆破應(yīng)力波擴(kuò)散模擬云圖Fig.1 Stress wave diffusion nephogram of single hole blasting

圖2 單孔爆破應(yīng)力波擴(kuò)散曲線Fig.2 Stress wave diffusion curve of single hole blasting

單孔進(jìn)行爆破時，中心點(diǎn)達(dá)到6～8 GPa，1.5 m半徑范圍以內(nèi)應(yīng)力波大于3.5 GPa，3.0 m半徑范圍以內(nèi)應(yīng)力波大于1.5 GPa，3.0 m以外爆破應(yīng)力波逐漸減弱，6.0 m半徑范圍以外爆破應(yīng)力波基本小于0.1 GPa，9.0 m半徑范圍以外爆破應(yīng)力波消失。因此，單孔爆破效果可分為三級圈范圍，一級圈范圍1.5 m半徑圈內(nèi)單孔爆破效果特別好，二級圈范圍3.0 m半徑圈內(nèi)單孔爆破效果明顯，三級圈范圍6.0 m半徑圈內(nèi)單孔爆破有影響。

1.2 多孔數(shù)值模擬

以雙孔為例，每個單孔爆破各自產(chǎn)生10 GPa的應(yīng)力，工作面煤體迎面高40 m、寬20 m，模擬爆破孔直徑94 mm，雙鄰近爆破孔橫向距離12 m，并在統(tǒng)一高度平行布置，以此模擬應(yīng)力波擴(kuò)散，觀測鉆孔周圍煤巖應(yīng)力變化。雙鄰近孔爆破應(yīng)力波擴(kuò)散云圖如圖3所示，雙鄰近孔爆破時爆破應(yīng)力波擴(kuò)散曲線如圖4所示。

圖3 雙孔爆破應(yīng)力波擴(kuò)散模擬云圖Fig.3 Stress wave diffusion nephogram of double hole blasting

圖4 雙孔爆破應(yīng)力波擴(kuò)散曲線Fig.4 Stress wave diffusion curve of double hole blasting

統(tǒng)一高度的雙鄰近孔進(jìn)行爆破時，爆破范圍呈橢圓狀，以雙孔中心點(diǎn)為焦點(diǎn)，雙孔中心點(diǎn)1.5 m半徑一級圈范圍以內(nèi)應(yīng)力波大于4 GPa，雙孔中心點(diǎn)3.0 m半徑二級圈范圍以內(nèi)應(yīng)力波大于2 GPa，雙孔中心點(diǎn)6.0 m半徑三級圈范圍以內(nèi)應(yīng)力波大于0.5 GPa。同一級半徑圈范圍，雙孔爆破應(yīng)力波強(qiáng)度均大于單孔爆破應(yīng)力波強(qiáng)度，而且雙孔爆破應(yīng)力波有效影響范圍在雙孔疊加區(qū)域呈橢圓狀明顯擴(kuò)大。因此，爆破多個鉆孔較單孔爆破影響范圍擴(kuò)大，應(yīng)力波能量更高，鉆孔之間產(chǎn)生能量耦合效應(yīng)提高了爆破效果。

2 數(shù)值模擬結(jié)果工程驗證

2.1 工程應(yīng)用布孔參數(shù)

工程試驗選取在大灣煤礦中井11號煤層111103工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)面，該巷道煤體透氣性差，堅固性系數(shù)0.19，多次發(fā)現(xiàn)小型逆斷層。根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，多孔聯(lián)爆情況下，各孔中心點(diǎn)1.5 m半徑一級圈范圍以內(nèi)應(yīng)力波大于4 GPa，3.0 m半徑二級圈范圍以內(nèi)應(yīng)力波大于2 GPa，6.0 m半徑三級圈范圍外爆破應(yīng)力波逐漸消失。因此，工程應(yīng)用采用縱向不同高度五孔聯(lián)排爆破，五孔高度上間隔3 m，即單孔需保障控制1.5 m半徑一級圈范圍，應(yīng)力波應(yīng)大于4 GPa，多孔聯(lián)爆影響范圍疊加形成多孔耦合效應(yīng)，保障爆破效果達(dá)到最優(yōu)化。

2.2 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

2.2.1 爆破孔與對比孔現(xiàn)場設(shè)計

多孔聯(lián)爆試驗在大灣煤礦111103工作面運(yùn)輸巷部署3個鉆場，掘進(jìn)面鉆場、左幫1號鉆場和右?guī)?號鉆場。具體鉆孔開孔位置設(shè)計如圖5所示，左幫1號鉆場1-1、1-4、1-5、1-8、1-9號鉆孔為聯(lián)爆鉆孔，每兩孔隔3 m縱向排列，1-2、1-3、1-6、1-7、1-10號鉆孔為對比鉆孔；右?guī)?號鉆場2-1、2-4、2-5、2-8、2-9號鉆孔為聯(lián)爆鉆孔，每兩孔隔3m縱向排列，2-2、2-3、2-6、2-7、2-10號鉆孔為對比鉆孔；掘進(jìn)面鉆場3-2、3-5、3-8、3-11、3-14號鉆孔為聯(lián)爆鉆孔，每兩孔隔3 m縱向排列，掘進(jìn)面左側(cè)3-3、3-4、3-9、3-10、3-15號鉆孔和掘進(jìn)面右側(cè)3-1、3-6、3-7、3-12、3-13號為對比鉆孔。

圖5 鉆孔開孔位置Fig.5 Drilling position

2.2.2 現(xiàn)場工藝過程

深孔預(yù)裂爆破中，為了防止鉆孔時間過長存在塌孔情況，使送藥困難，必須提前準(zhǔn)備好相關(guān)材料[17-20]。裝藥過程將長320 mm、直徑32 mm的圓柱狀乳化炸藥送進(jìn)1根長4.5 m的塑料管內(nèi)，務(wù)必將藥卷之間連接牢固。每隔2根塑料管內(nèi)安插2根雷管，用絕緣膠布或防水絕緣膠布纏繞雷管的腳線與母線，將連接點(diǎn)固定在塑料管上。最后在塑料管口堵上炮泥，繼續(xù)連接下個塑料管。藥卷到達(dá)預(yù)定位置后，用塑料管推送進(jìn)爆破孔內(nèi)。裝藥中為了保證爆破網(wǎng)絡(luò)正常，每放置連接好一個雷管后必須對爆破網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行導(dǎo)通測量。

現(xiàn)場裝藥過程中，裝藥量的多少以現(xiàn)場預(yù)裂孔見煤情況決定，原則上藥卷必須過煤段才能保證爆破效果。由于揭煤設(shè)計中，有些預(yù)裂孔傾角較大，可能存在藥卷脫落或者塑料管松動的現(xiàn)象。為了防止這種現(xiàn)象，當(dāng)預(yù)裂孔傾角較大時，可以在塑料管口附近鉆通孔，用鐵絲穿透管內(nèi)的藥卷，使藥卷堵在管口，防止藥卷下滑；同時，可在送藥快結(jié)束時，在最后一節(jié)塑料管外纏繞海綿，因海綿膨脹性強(qiáng)，可防止塑料管滑出孔外。

深孔預(yù)裂爆破揭煤過程中，每個預(yù)裂孔裝藥完成后，馬上開始封孔。封孔前開始拌料，把粉煤灰和水泥按同等比例倒入拌料桶，并加一半比例的水同步攪拌，用水量約為封孔材料的一半，狀態(tài)達(dá)到“手攥成團(tuán)，松手散開”為標(biāo)準(zhǔn)。其中，需要注意的是要嚴(yán)格控制封孔材料的粒徑，避免拌料堵住出料管口，因此需準(zhǔn)備篩網(wǎng)篩出拌料，選用粒度小于5 mm直徑的水泥粉煤灰混合不燃性材料。篩出的封孔拌料倒入封孔器，檢查封孔器各個連接處閥門的開閉情況，檢查無誤后，把送料管推入孔內(nèi)，即可開啟封孔器閥門開始送料工作。

為保證多孔爆破預(yù)裂應(yīng)力波產(chǎn)生耦合效應(yīng)，應(yīng)同時啟爆15組爆破預(yù)裂孔。然而當(dāng)巷道多組鉆孔施工后容易引起瓦斯超限事故，應(yīng)當(dāng)有足夠的鉆孔封孔長度，以保證封孔質(zhì)量。

3 抽采與防突效果考察

3.1 抽采效果考察

1個月內(nèi)，對比鉆孔瓦斯抽采濃度為26%～47%，深孔爆破鉆孔瓦斯抽采濃度為78%～94%，平均抽采濃度提高95%(圖6)；對比鉆孔單孔瓦斯抽采流量為0.05～0.13 m3/min，深孔爆破鉆孔單孔瓦斯抽采流量為0.15～0.25 m3/min，平均單孔瓦斯抽采流量提高115%，如圖7所示。

圖6 瓦斯抽采濃度數(shù)據(jù)對比Fig.6 Comparison of gas drainage concentration data

圖7 瓦斯抽采流量數(shù)據(jù)對比Fig.7 Comparison of gas drainage flow rate

3.2 防突指標(biāo)考察

試驗1個月后，對防突指標(biāo)K1值、炮后瓦斯?jié)舛取堄嗤咚购窟M(jìn)行考察。爆破預(yù)裂后，左幫1號鉆場K1值考察最大值為0.36 mL/(g·min1/2)，掘進(jìn)面鉆場K1值考察最大為0.18 mL/(g·min1/2)，右鉆場K1值考察最大為0.26 mL/(g·min1/2)，均未超標(biāo)；爆破預(yù)裂后，掘進(jìn)面瓦斯?jié)舛冗B續(xù)19 d分別為0.32%、0.64%、0.78%、0.93%、0.66%、0.43%、0.52%、0.41%、0.55%、0.69%、0.44%、0.46%、0.50%、0.32%、0.44%、0.62%、0.33%、0.37%、0.34%，未出現(xiàn)瓦斯超標(biāo)現(xiàn)象；8次取樣殘余瓦斯含量值均達(dá)標(biāo)，瓦斯含量小于8 m3/t，而以往大灣煤礦11號煤層在抽采半年后仍有殘余瓦斯含量超標(biāo)的情況。

4 結(jié)論

(1)利用COMSOL有限元軟件進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破影響范圍及多孔耦合效應(yīng)數(shù)值模擬計算，多孔聯(lián)爆應(yīng)力波強(qiáng)度大于單孔爆破應(yīng)力波強(qiáng)度，而且多孔聯(lián)爆應(yīng)力波有效影響范圍明顯擴(kuò)大。

(2)爆破影響范圍分三級圈，雙孔一級影響圈中心點(diǎn)1.5 m半徑范圍以內(nèi)應(yīng)力波大于4 GPa，雙孔二級影響圈中心點(diǎn)3.0 m半徑范圍以內(nèi)應(yīng)力波大于2 GPa，雙孔三級影響圈中心點(diǎn)6.0 m半徑范圍以內(nèi)應(yīng)力波大于0.5 GPa。

(3)在大灣煤礦11號煤層111103工作面運(yùn)輸巷工程實(shí)踐中，采用一級1.5 m半徑影響圈3.0 m孔間距進(jìn)行布置，以多孔聯(lián)爆方式進(jìn)行深孔爆破增透，1個月內(nèi)平均抽采濃度提高95%，平均單孔瓦斯抽采流量提高115%，防突參數(shù)K1值、炮后瓦斯?jié)舛取⒊椴闪髁亢蜐舛鹊戎笜?biāo)未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。