水压爆破技术的应用

吴晓亮,路洁心,李 贺

1 水压爆破原理

水压爆破是将炸药置于受约束的有限水域内,利用水作为传能介质来传递炸药爆炸时所产生的能量和压力,以此来破碎周围介质的一种爆破方法。

水压爆破就是炸药在水中爆炸时,通常产生冲击波、气泡和压力波,三者都能对目标有一定程度的破坏,爆破近区产生压缩粉碎区,形成爆破空腔,煤体固体骨架发生变形破坏,在爆炸空腔壁上产生长度约为炮孔半径数倍的初始裂隙,空腔壁上部分原生裂隙将会扩展、张开。爆轰后冲击波通过水作用于孔壁,冲击波到达孔壁后迅速产生反射,反射波到达分界面后水体便达到准静态压力状态,准应力场并楔入空腔壁上己张开的裂隙中,与煤层中的高压瓦斯气体共同作用于裂隙面上,在裂隙尖端产生应力集中,使裂隙进一步扩展,进而在爆破孔周围形成径向“之”字形交叉裂隙网。再加上控制孔的作用,形成反射拉伸波和径向裂隙尖端处的应力场相互叠加,促使径向和环向裂隙进一步扩展,大大增加了裂隙区的范围,由于爆炸应力场的扰动,原生裂隙的瓦斯将作用于己产生的裂隙内,使裂隙进一步扩展。最后,在爆破孔的周围形成包括压缩圈、径向和环向裂隙交错的裂隙及次生裂隙圈在内的较大的连通裂隙网。

2 工作面概况

己15-31010工作面是十二矿规划的三水平首采工作面,工作面位于三水平东翼上部,东邻八矿、南邻十二矿北山风井保护煤柱、西邻三水平三条下山、北面为未开采区域。工作面地表为高山,地面最高标高为+370 m,山高路陡,地面勘探钻孔少,己15-31010工作面及其附近 1 000多m无任何勘探资料,造成地质资料不明。

己15-31010工作面巷道设计总工程量为5 293 m,其中风巷设计 1 065 m,风巷瓦斯抽排巷 1 119 m,机巷设计 1 041 m,机巷瓦斯抽排巷 1 034 m,切眼 220 m,机风巷专回及其它辅助巷道共 594 m。工作面设计可采走向长 970 m,采高 3.2 m,可采储量 90万 t。

由于 2006年 3月 19日己15-31010机巷施工至机巷专用回风巷口往里 23 m处发生了一起以冲击地压引起的煤与瓦斯动力现象后,己15-31010机、风巷都停止施工。停止施工前风巷已施工至风巷专用回风巷口往里110 m。

3 开展的试验和研究状况

1)预先打好观测孔,按测试要求测试孔中瓦斯涌出量和瓦斯浓度,并记录各类参数。

2)打好爆破孔,并清洗钻孔。

3)钻孔装药。

4)退出试验钻孔中的钻杆。

5)立即将装好炸药及雷管的药管装入钻孔中。

6)封孔注水：不间断注水,并保证水在孔内渗透1 h左右,孔内仍能充满水;在距孔口 1～1.5 m处,用黄土进行封孔,同时将炮线引至炮孔外并留有足够的长度。

7)爆破：爆破时应做好相关安全措施。

8)记录爆破后数据：测试工观测并记录观测孔内瓦斯浓度变化情况,并对爆破现象进行描述。

9)对比爆破前后观测孔的浓度变化,绘制出表格及变化曲线图,分析变化趋势,找出规律。进而总结穿层钻孔穿层水压爆破技术的效果,论证其可行性。

4 效果分析

4.1 瓦斯压力变化记录

煤层原始瓦斯压力为 2.85 M Pa,水压爆破后,对机巷 1#,2#,3#孔进行综合瓦斯压力测定其值分别为0.2,0.3,0.2 MPa,从以上数据可以明显看出煤层瓦斯压力大幅度下降。

4.2 试验数据分析

1)钻孔的爆破影响半径。根据 1#～6#孔浓度变化,可以得出浓度变化与钻孔间距大小的一般性规律,见图 1。根据图 1可得出水压爆破影响范围为9 m左右。

图 1 水压爆破前后观测孔浓度变化范围图

2)水的湿润半径。进行水压爆破时,距爆破孔一侧依次在 0.5,0.8,1.1,1.5 m处打钻孔,取岩粉进行水分对比化验,见图 2。注意：在打钻过程中务必采用风力排粉,不得采用水力排粉,以免影响水分对比化验结果。

图 2 湿润半径取样孔示意图

5 结 论

1)水压爆破的现场试验,解决了装药结构、装药工艺、封孔、防水绝缘、注水及爆破及瓦斯抽放等施工工艺问题。

2)爆破孔和观测孔,与原来的深孔松动爆破技术相比抽放浓度大幅度提高,表明水压爆破已经大大改善了煤层的透气性,具有明显的效果。

3)瓦斯抽放量维持稳定,说明水压爆破的作用范围大,影响半径由原来的 6 m提高到了 9 m左右。

4)机巷掘进情况。迎头夹钻、喷孔等问题得到了缓解,喷孔时喷出量较小。

5)装药量。由以前松动爆破中 6 kg的炸药量,减少到了 3.5 kg,提高了炸药有效能量利用率,降低了炸药单耗,省炸药 40%左右。

6)装药后在钻孔的剩余空间内注入水,可以起到封堵钻孔和消焰的作用,有利于高瓦斯矿井的安全。

7)定向水压爆破有效发挥了爆炸力和水力的优势,并将它们的优势有机地结合起来,改善煤层透气性、提高瓦斯抽放率,从而达到卸压、增透防突的效果。

[1] 王文为,张瑞林,倪金胜.掘进工作面煤与瓦斯突出的原因及防治措施[J].煤,2001,(2)：51-52.

[2] 刘相国.阳煤集团防突技术与管理日趋成熟[J].煤矿安全与环保,2001(4)：57.

[3] 黄炳香.煤岩体水力致裂弱化的理论与应用研究[J].煤炭学报,2010(10)：179-180.

[4] 孙 鑫,林柏泉,董 涛,等.穿层深孔水压控制爆破及其在防突工程中的应用[J].采矿与安全工程学报,2010(1)：86-90.

[5] 陈士海.水压爆破装药研究[J].西部探矿工程,1996(1)：60-62+67.

[6] 叶 青,李宝玉,林柏泉.高压磨料水力割缝防突技术[J].煤矿安全,2005(12)：13-16.