松动爆破作用下的瓦斯抽采效率研究

白志安，吴桂义，2，张开智，钱 帅

(1.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州 贵阳 550025；3.贵州理工学院 矿业工程学院，贵州 贵阳 550025)

在国内，随着江苏、山东、河南等地区矿井进入深部开采阶段，高瓦斯压力和高地应力等地质条件使得矿井生产条件日益恶化[1]。在掘进工作面中，煤层尚未经历大范围采动，这使得裂隙连通性较差，自身渗透性远低于浅部煤层。因此，如何快速降低煤层中瓦斯含量、预防煤层动力灾害，便成为深部开采所面对的主要难题之一。目前，许多研究人员对瓦斯灾害治理开展了大量基础研究。周世宁[2]等在瓦斯赋存基础上，分析了瓦斯在煤层内的线性渗流过程，为后续瓦斯治理提供了理论基础。张铁岗[3]在平顶山矿区地质状况基础上，详细总结了保护层开采和掘进面防突分级管理经验，该方法达到了提升煤层渗透性的目的。袁亮[4]针对淮南矿区低渗透、高赋存瓦斯压力等难题，探索了卸压开采煤层以及煤与瓦斯共采等理论，为煤层群安全高效生产提供了解决方案。沈杰[5]、员小有[6]等人成功将预裂松动爆破应用于九里山矿、硫磺沟矿瓦斯灾害治理中，并取得较好效果。田立[7]提出了“采场松动爆破+综掘切割”的工艺方法，成功解决掘进面成巷效率低等难题。卢旭[8]等人在分析不同装药结构和应力波传递规律基础上，将松动爆破应用于治理高应力煤柱破坏，极大地改善了巷道收敛速率。在上述爆破治理瓦斯灾害应用中，大多数将研究重点集中于煤层变形与破坏中，而忽略了煤层渗透性的提高对瓦斯渗流的耦合影响。同时，单一裂隙下的煤层模型并不能准确揭示瓦斯在裂隙、孔隙内的解吸和渗流过程。因此，本文以煤层双重孔隙特征为研究起点，建立起掘进面松动爆破治理动力灾害气-固耦合模型。在本模型中，分析了爆破冲击载荷在孔壁处所形成的不同粉碎区域，研究了爆破冲击载荷对煤层裂隙扩展和降低地应力集中的影响，为进一步深入研究和治理掘进面煤层动力灾害提供参考。

1 煤层松动爆破瓦斯抽采气固耦合模型介绍

1.1 瓦斯赋存形态

通常而言，煤层是包含不同体积孔隙、裂隙的双重孔隙介质。孔隙内瓦斯主要以吸附态赋存于微孔表面，并且是瓦斯主要存储空间，约占总储量的70%～95%[9]。当煤层内瓦斯平衡状态被打破，一方面，促使游离态瓦斯向钻孔或工作面内转移，游离态瓦斯压力的流动，降低了裂隙内瓦斯压力和含量;另一方面，裂隙内瓦斯压力的变化，也促使基质孔隙吸附态瓦斯向游离态瓦斯转变。

1.2 象山煤矿地质条件

以韩城矿业象山煤矿21301掘进工作面迎头作为松动爆破模型来源，该掘进面布置于二水平3#主采煤层内，煤层埋深480～517m，平均厚度4.8m，倾角约5°，普氏系数平均值为1.5，煤质较为松软。掘进面走向设计长度1.4km，成巷后作为301采煤面的区段平巷。在所分采区准备巷道开掘中，发生多次煤炮与堵钻事故。3#掘进煤层透气性较差，煤层瓦斯压力2.79MPa，瓦斯自然含量约为6.8～9.3m3/t。为解决21301掘进面煤巷掘进中的瓦斯超限难题，决定使用“超前钻孔+松动爆破”的方式提高煤层透气性，达到快速降低瓦斯浓度的目的。

1.3 21301掘进面松动爆破数值模型

基于21301掘进面设计内容，取掘进面迎头方向5m(长度)×5m(高度)的煤层作为松动爆破模型来源。在数值模型中，预设3个不同功能钻孔，钻孔直径为10cm，水平间距为2m。根据钻孔功能的不同，将2号预设钻孔设为爆破钻孔，1、3号钻孔设为瓦斯抽采钻孔。21301采掘面数值模型以及爆破药安装如图1所示。

图1 21301采掘面数值模型及爆破药安装

在爆破模型研究中，瓦斯在煤层内流动符合经典的Naiver-Stokes方程形式[10]，瓦斯渗流速度受流体质量和煤层渗透性共同影响。另一方面，在爆破药起爆过程中，爆炸所产生的动载荷、爆破温度和爆生气体变化受J-W-L状态方程控制。在爆生气体状态方程中，爆破药组分既是起爆的动力，也是数值模型计算的基础。基于此，瓦斯流动方程与爆破动载荷方程如式(1)所示。

同理，瓦斯渗流速度可写为：

vmg=(Pmg·kmg)/ug

(3)

vfg=(Pfg·kfg)/ug

(4)

式中，Mfg、Mmg分别为裂隙、基质内瓦斯质量；ρmg、ρfg分别为裂隙、基质内瓦斯密度；Qs为质量源，通常为瓦斯初始含量；vmg、vfg分别为裂隙和基质内瓦斯流动速度；D为瓦斯扩散系数；ug为瓦斯的动力粘度。

在J-W-L方程中，爆破冲击载荷与爆破药质量方程可写为：

式中，Pb为爆破所产生气体冲击载荷；ρ0为爆破药密度；ρb为引线药密度；A、B、R1、R2、w分别为爆破药材料参数；Em为单位质量爆破药所释放能量。

最后，上述方程中均包含研究参量的微分项，需使用COMSOL Multiphysics软件进行求解。爆破模型参数与边界条件见表1—表3。

表1 松动爆破数值模型边界条件 MPa

表2 气体流动边界条件

表3 松动爆破模型参数

2 松动爆破数值模拟结果与分析

2.1 松动爆破后煤层损伤范围变化

在爆破模型研究中，根据采掘作业循环图表，可分为爆破、安检两组不同作业过程。在应用中，煤层破坏范围是评价爆破效果的主要因素之一。因此，分析深孔爆破后的裂隙范围变化更具有现实意义。假设爆破作用时间为1min，爆破后安检、掘进作业为1d。根据现场数据采集时间，该模型中研究总时长为10d。则不同爆破作用时间下，2#爆破孔附近煤层破坏范围如图2所示。

图2 2#松动爆破煤层破坏范围

由图2可知，在爆破所形成的塑性破坏区中，爆破所释放能量会在煤层中形成辐射状传播的切向应力和径向应力，并迫使煤体形成粉碎区、裂隙区和震动区三组不同区域[11]。在不同时间点，裂隙破坏区以爆破孔为中心并向外部逐渐扩展至稳定。当到达爆破后期，爆破模型内破坏范围扩展至4.3m，较好的反映了松动爆破过程。在松动爆破治理动力灾害原理中，爆破药起爆所形成的动载荷破坏了煤层的完整性，使得应力集中区向迎头前方煤层内转移。同时，爆破裂隙数量的增多，促使瓦斯向外界环境快速的释放，并形成较大范围的瓦斯卸压区。对比其它局部瓦斯消突措施，负压钻孔抽采(排)、注水消尘(瓦斯)、水力冲孔[12]等方案虽然可达到治理瓦斯的目的，但相较于爆破作用，其降低瓦斯含量所需时间更长、效率较低，无法满足安全快速生产的要求。

2.2 爆破后煤层渗透性变化

在掘进前，虽然采用“提前预抽+边抽边采”的方法解决瓦斯积聚难题[13]，但受限于煤层初始渗透性和钻孔开掘工程量的影响，难以最大化的达到瓦斯治理效果。同时，煤层渗透性变化是评价瓦斯流动难易程度的主要指标，煤层的卸压作用也有助于渗透性的快速增加，从而提高瓦斯的抽采量。至此，为便于分析，首先将煤层初始渗透性简化为渗透率比率的形式(渗透率参数见表3)，则爆破前后，煤层渗透性变化如图3所示。

图3 煤层渗透性变化

在煤层渗透性变化中，钻孔开掘和爆破卸压效应对煤层渗透性均有明显提高，但两者对煤层增透范围却有明显不同。在爆破钻孔中，随着爆破时间的增加，爆破破坏煤层中增透范围远大于抽采钻孔。当爆破时间达到t=6×10-4s后，爆破煤层中增透范围扩展至最大状态，此时增透范围是钻孔半径的5倍以上。参考渗透性图例，增透后的渗透性是煤层初始渗透性的10倍以上。对比相邻抽采钻孔，钻孔开掘对煤层增透范围仅为钻孔半径的1～2倍。在此过程中，爆破在破坏煤层完整性的同时，也极大改善了煤层自身渗透性。

2.3 爆破后煤层钻屑量的变化

目前，在动力灾害治理评价中，采用《防治煤与瓦斯突出规定》第七十五条钻屑法预测掘进面突出危险性作为评价标准[14]。在本标准中，钻屑量是煤层地应力集中、煤层强度和瓦斯含量三者共同作用的结果，钻屑量临界值为6kg/m。通过对比爆破前后，煤层钻屑量的变化，便可以考察煤层内应力变化，其钻屑结果见表4。

表4 爆破后煤层钻屑量统计

在钻屑法评估煤层灾害研究中，煤层内应力的提高和自身强度的降低，会促使钻屑量明显降低。从松动爆破实施前后钻屑量可看出，爆破前，最大钻屑量为9.566kg/m，平均钻屑量为7.716kg/m，此时煤层动力灾害指标明显偏高，煤层处于较为危险状态。当采取松动爆破措施后，煤层的塑性破坏有助于降低自身强度参数，裂隙数目的广泛增加使得内应力得到有效降低和解除，这使得爆破后平均钻屑量下降为5.19kg/m，比实施前降低了23.4%，这说明松动爆破可有效降低煤层力学强度，并减少煤层内积聚弹性能。

2.4 爆破后瓦斯涌出量变化

爆破后，瓦斯压力和含量变化也是安全掘进的重要参考[15]。因此，在 21301掘进迎头采用瓦检仪对污风内瓦斯浓度进行记录。在采集方案中，分别记录每日放炮前后风流内瓦斯浓度，直至瓦斯浓度降低至安全线以下，测量间隔20min，共3d，则瓦斯浓度观测值见表5。污风内瓦斯浓度变化曲线如图4所示。

图4 污风内瓦斯浓度变化曲线

表5 爆破后瓦斯浓度数据

在爆破后的瓦斯涌出规律中，可简单划分为3个不同阶段。第一阶段为快速上升期，在爆破后的0.5h内，爆破裂隙数目的增加，不仅降低了煤层内应力集中状态，提高了自身渗透性，同时还减小了瓦斯流动阻力，促使了瓦斯向周围环境转移，使得污风内瓦斯浓度呈现快速升高的趋势，此时，瓦斯最高浓度达到8%左右。在随后第二阶段为通风降尘阶段，在该阶段中，煤层内裂隙不再破坏，因此瓦斯含量成为主导流动的主导因素：一方面，在游离态瓦斯含量梯度作用下，为高浓度瓦斯向低浓度环境中扩散提高动力；另一方面，新鲜风流的涌入，也达到稀释污风内瓦斯浓度的目的，此时瓦斯逐渐衰减至3.5%。最后为安全检查阶段，在此阶段，瓦斯下降至安全浓度以下，污风内瓦斯浓度在0.4%，可开展后续掘进作业。

3 结 论

1)根据21301掘进面地质赋存条件，建立了煤层双孔特性的松动爆破数值模型，借助有限元的方法分析了煤层渗透率、爆破损伤范围变化过程。数值模型结果说明，松动爆破极大的破坏了煤层完整性，爆破所形成的损伤破坏区为瓦斯流动提供空间，达到快速降低瓦斯压力的目的。

2)松动爆破所产生的动载荷远超煤层抗拉强度，可在完整掘进面煤层中形成较大范围的爆破损伤区域。显然，掘进面煤层损伤区域范围与爆破动载荷、煤层自身强度密切相关。爆破损伤区域的存在改变了煤层内应力集中程度，从而达到改造煤层的目的。

3)在掘进面瓦斯涌出灾害治理中，瓦斯涌出量是瓦斯压力和煤层渗透性共同耦合作用的结果。环绕爆破裂隙和抽采钻孔附近煤层可形成明显的瓦斯压力降低区，最终达到快速释放和抽采瓦斯的目的。