坚硬煤层爆破致裂增注技术研究及应用

刘宝敏

(河南平禹煤电有限责任公司，河南禹州 461670)

0 引言

坚硬煤层的普氏坚固性系数一般能达到2.5以上，煤质坚硬致密，煤体节理裂隙不发育。在开采过程中，常规的煤层注水很难对其煤体裂隙进行充分压裂。爆破是矿山放落矿体和破碎岩体的常用方法，爆破致裂作为增强煤体注水效果的一种手段，它明显不同于常规的井下爆破。分析爆破致裂的最终目的和作用形式，它具有下述显著特点:①爆破致裂只有一个自由面(巷道帮面)，但其与炮孔轴向垂直，且由于保护煤壁的需要，这个自由面实际上不能利用，因此顶煤预先爆破实际上没有爆破自由面，而矿山各种常规爆破中都至少存在有一个明显的爆破自由面［1－3］。②爆破致裂中，为了保护有限的作业空间环境，爆破中不允许产生抛掷或冲炮现象，应将爆破作用主要控制于对顶煤体内部的损伤破坏，因此爆破致裂不产生明显的外部作用现象，而常规爆破中都要发生爆破抛掷、爆破漏斗，或产生可以直接观察到的爆破预裂面、爆破松动裂缝等明显的外部作用现象［5－6］。③爆破致裂的炮孔深度达到40～60 m以上、单孔装药量达到及一次起爆药量相对较大，而煤矿井下常规爆破一般炮孔深度不超过4 m、单孔装药量不超过3 kg、一次起爆炸药量仅几公斤到几十公斤［7－9］。④井下常规爆破由于具有明显的外部作用现象，爆破作用结果易于直接观测，但爆破致裂爆破作用的结果不易直接观测［10－11］。

从上述特点可以看出，爆破致裂是明显不同于井下常规的抛掷爆破、破碎爆破、松动爆破和预裂爆破形式的一种特殊爆破形式。基于此，笔者以平顶山矿区某煤矿为研究对象，通过爆破致裂的方法来丰富坚硬煤层的裂隙数量，可以增加煤体的注水效果，从而更好的预湿煤体，达到降低煤层开采的难度及开采过程中的煤尘浓度的目的。

1 工作面概况

平顶山矿区某煤矿21100综采工作面位于二水平西翼。该面设计走向机巷2055m，风巷1888m，开切眼斜长160 m，机巷绕道117 m，可采走向1833 m，可采储量0.547 Mt。煤层平均倾角15°，平均煤厚1.3 m。煤层顶板一般为直接顶岩性为中粒砂岩，局部有伪顶厚度0.5至1.2 m，平均0.8 m，岩性为砂质泥岩、炭质泥岩等。煤层底板为细砂岩，伪底为多层泥岩、砂岩组合，厚0.15至0.5 m，直接底为中粒砂岩，厚约4 m。共有3条断层，落差均在2 m以下，对回采都有影响。

2 爆破致裂技术应用及效果分析

2.1 单孔爆破致裂现场实验

2.1.1 装药与封孔

爆破钻孔直径Φ75 mm，钻孔长度40 m，钻孔倾角与煤层倾角相同，为3～5°俯角。药卷直径为50 mm，其不耦合系数为1.25，药卷使用阻燃、抗静电PVC塑料管，药卷长度1000mm，相临药卷之间通过接触实现传爆。由于装药前对炮孔用高压水进行了清洗，装药比较顺利，此次装药长度24 m，药量48 kg，炸药采用正向起爆，作为起爆头的药卷距孔口9 m。装药完毕后用抽水器将距孔口4～5 m处的水抽掉，然后用黄泥封孔，扩裂爆破尽管整个炮孔的装药量较大，但是其线装药密度只有2 kg/m左右，因此，整个炮孔的能量并不大，炮孔的填塞物长度并不需要很长，一般用粘土填塞2.0～2.5 m即可。本次取封孔长度为2 m。即中间有7 m的钻孔既不装药也不封泥，作为爆炸缓冲区。

2.1.2 效果考察

起爆后，响声不大，震动效应较强，且煤壁在应力波的作用下位移量较大，爆破孔附近巷道宽度有爆破前的346 cm变为爆破后的308 cm，即煤壁向巷道内运动了38 cm;试验检测时，将封孔的炮泥掏出后，发现孔的前端已变形，不能进行封孔注水，因此，检测试验注水只能在新钻的检验孔中进行。并在爆破影响范围之外打一个对比孔进行注水效果对比。在距爆破孔4 m的地方钻一个长度15 m、孔径为53 mm的检测孔，在检测孔处注水，注水压力2.5 MPa，考察注水流量及注水总量，并在爆破影响范围以外打一个对比孔进行注水情况对比，具体注水情况见下图1。

从图3来看，爆破后检验钻孔注水速率与注水量较对比孔明明显增加，注水13个小时后，注水量比没有采用爆破致裂的高3.2倍，注水速度提高2.59倍。这说明爆破孔爆破后的裂纹扩展范围已到达距爆破孔4 m的地方。

2.2 双孔爆破致裂现场实验

2.2.1 参数设计

双孔同时爆破时，激起的压应力波沿两炮孔的连心线相向传播，相遇时发生相互叠加，结果沿炮孔连心线的压应力σ压相互抵消，拉应力σ拉得到加强，若两炮孔相距较近，叠加后的拉应力超过煤体的抗拉强度时，则沿炮孔连心线产生径向裂隙，使两炮孔间裂隙相互贯通。爆轰气体产生的准静压作用，使两炮孔连心线上各点均产生很大的切向拉应力，在炮孔连线和炮孔壁相交处产生应力集中。因而，拉伸裂隙首先出现在炮孔壁，然后沿炮孔连心线向外延伸，贯通两个炮孔。

图1 单孔爆破注水效果对比图

根据爆破的一般经验，双孔同时起爆时，双孔之间破裂区的半径可达单孔爆破裂隙区半径的1.5倍左右。由于单孔的破裂半径达到了4 m，所以本次双孔爆破的孔间距为12 m，在两孔中间钻凿一个30 m深的检测孔，检验孔距离两爆破孔分别为5 m和7 m。考虑到钻机打俯角钻孔难度大，另外俯角钻孔冲孔比较困难，容易在孔内留有煤泥，影响装药，本次所有钻孔均为仰角钻孔。由于上次单孔爆破时孔口煤壁破坏较为严重，本次孔口预留20 m不装药，填塞长度2 m，即留18 m作为爆破缓冲区。装药量为1号孔75.68 Kg;2号孔75.2 Kg。在两爆破孔间打一检验孔。

2.2.2 效果考察

较单孔爆破，双孔爆破采取了多钟手段验证其爆破效果:①孔口破坏情况、巷道煤壁及顶底板位移量。爆破后，爆破残孔破坏较小，只在孔口很小范围内产生坍塌，对巷道煤壁基本没有影响。②钻孔窥视。通过爆破前后对两爆破孔之间的检验孔进行裂隙窥视，发现爆破前后在检验孔同一位置孔壁裂隙有明显变化，说明爆破后裂隙扩展到了检验孔位置。③检验钻孔注水。爆破完毕后，对两爆破孔之间的Φ53mm检验孔进行注水，注水压力2.5MPa，采用封孔器封孔。注水情况见表1。从表1中可看出，随注水时间的增加注水量上升比较快，总注水时间为90分钟，累计注水量为3.295 m3，注水流量达到2.2 m3/h左右。注水90分钟后，1号爆破残孔内出水，并且1号爆破孔与检验孔之间的煤壁出现大范围渗水，说明1号爆破孔与检验孔之间5 m范围内的裂隙已经贯通。④煤机推进至爆破处时现场检验为进一步考察爆破效果，在煤机推进至爆破地点时进行现场观察。结果表明，两爆破孔之间的煤体裂隙明显，说明经过双孔爆破致裂，两孔之间的煤体裂隙已全部贯通。从以上各检验方式可看出，双孔爆破致裂效果显著，其裂隙扩展范围达到6 m左右，爆破裂隙扩展范围为单孔爆破裂隙扩展范围的1.5倍左右。所得裂隙区范围在所给公式计算范围内，从而验证了本文计算公式的正确性。

表1 检验孔注水情况统计

3 结语

双孔同时爆破破坏机理比单孔爆破复杂，与单孔爆破相比具有能量利用率高、增加裂隙区范围等优点。双孔爆破致裂后，通过钻孔窥视、检验钻孔注水、煤机推进至爆破处时现场检验等方式进行了效果考察。结果表明:双孔爆破致裂效果显著，其裂隙扩展范围达6 m，爆破裂隙扩展范围为单孔爆破裂隙扩展范围的1.5倍左右。采用双孔爆破致裂技术，明显提高了注水量，进一步降低了工作面开采过程中的粉尘浓度。

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