双预裂孔爆破在高瓦斯低渗透煤层中的应用研究.pdf

李磊． 双预裂孔爆破在高瓦斯低渗透煤层中的应用研究[J]． 矿业安全与环保,2019,46（2）84－8７． 文章编号1008－449５（2019）02－0084－04 双预裂孔爆破在高瓦斯低渗透煤层中的应用研究 李 磊1,2 1． 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 40003７; 2． 中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 40003７ 摘要以绿塘煤矿 601－3 工作面开采的 6中高瓦斯低渗透煤层为研究对象,将双预裂孔爆破技术 应用于高瓦斯低渗透煤层,分析了双预裂孔爆破机理,采用数值模拟方法研究了不同预裂孔间距条件 下裂纹扩展规律,考察了双预裂孔爆破对单孔瓦斯流量、单孔瓦斯浓度、煤层透气性系数的影响。 研究 结果表明双预裂孔爆破区域爆破后与爆破前相比,平均单孔瓦斯纯流量提高了 3． 2５ 倍,单孔瓦斯浓 度提高了 2． 28 倍,煤层透气性系数平均提高 2． 1５ 倍,有效提高了瓦斯抽采量,加快了工作面生产速 度,保障了矿井采掘安全。 关键词低渗透煤层;煤层增透;预裂爆破;双预裂孔;控制孔;抽采孔;瓦斯抽采 中图分类号ＴＤ７12． 6 文献标志码B 收稿日期2018－0５－10;2019－03－20 修订 作者简介李 磊（19７6）,男,安徽淮南人,博士研究 生,副研究员,主要从事瓦斯防治和利用方面的研究工作。 E－mailleili80mky163． com。 Study on Application of Double Pre-split Drilling Hole Blasting in Coal Seam with High Content of Gas and Low Permeability LI Lei1,2 （1. State Key Laboratory of the Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Chongqing 400037, China; 2. CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China） Abstract Ｔｈis paper takes Ｎo． 6 coal seam witｈ ｈigｈ content of gas and low permeaｂility in 601－3 working face of Lvtang Ｃoal Mine as tｈe researcｈ oｂject, tｈe douｂle pre－split ｂlasting tecｈnology was applied to tｈe coal seam witｈ ｈigｈ content of gas and low permeaｂility, tｈe douｂle pre－split ｂlasting mecｈanism was studied, numerical simulation was used to study tｈe law of crack growtｈ under different pre－split spacing conditions, and tｈe influence of douｂle pre－split ｂlasting on single－ｈole gas flow, single－ｈole gas concentration and permeaｂility coefficient of coal seam was investigated． Ｔｈe researcｈ results sｈow tｈat, compared to ｂefore ｂlasting, tｈe average pure flow of single－ｈole gas increases ｂy 3． 2５ times, tｈe concentration of single－ｈole gas increases ｂy 2． 28 times, and tｈe permeaｂility coefficient of coal seam increases ｂy 2． 1５ times on average in douｂle pre－ split ｂlasting ｚone． Ｔｈe amount of gas extraction is effectively increased, tｈe production speed of working face is accelerated, and tｈe safe production of mine excavation is guaranteed． Keywordslow permeaｂility coal seam; permeaｂility enｈanced of coal seam; pre－split ｂlasting; douｂle pre－split drilling ｈole; control drilling ｈole; gas extraction drilling ｈole; gas extraction 我国煤与瓦斯突出矿井呈现出煤层高瓦斯、低 渗透性特点,严重影响了煤层瓦斯抽采率和抽采效 果。 国内外采用较多的煤层增透方法有水力压裂、 二氧化碳致裂、水力冲孔和深孔预裂爆破等。 深孔 预裂爆破技术是能提高煤矿瓦斯抽采率[1]的主要方 法之一,因其具有改变围岩的应力分布[2]、强化瓦斯 抽放消除回采工作面突出危险性[3]、控制坚硬顶板 垮落[4]等优势而被广泛应用。 目前研究较多的是针 对不同钻孔布置的单预裂深孔爆破增透,一定程度 上实现了煤层的增透和瓦斯抽采量的提高,缩短了 预抽时间,提高了工作面推进速度。 但是,随着我国 煤矿开采水平的延伸,煤层瓦斯含量和压力会进一 步增大,煤层透气性不断降低,突出危险性风险加 大,迫切需要增透效果更佳的深孔预裂爆破技术。 笔者基于双预裂孔爆破机理,将双预裂孔爆破技术 应用于绿塘煤矿高瓦斯低透气性煤层中,通过设计 和试验双预裂孔爆破参数,达到煤层气的瓦斯强化 48 Vol． 46 Ｎo． 2 Ａpr． 2019 矿业安全与环保 Mining Safety 在 ７． 210 －4 s 时刻,在爆破孔周围形成环向网状裂纹,裂纹与应 力波传播方向垂直,裂纹由爆炸气体和叠加应力波 驱动;在 12． 010 －4 s 时刻,两爆破孔间裂纹贯通交 叉,形成贯穿的裂纹网格区,爆炸裂纹区面积进一 步扩大。 双预裂爆破孔间距 ５ m 和 6 m 时均出现 了贯穿控制孔的主裂纹,6 m 间距的预裂爆破裂纹 带数量、宽度和面积明显低于 ５ m 间距,在孔间距 为 ７ m 时出现相互连通细微贯通裂纹,裂纹密度低 于 ５ m 和 6 m 孔间距的。 对比图 2（a） （c）,控制 ５8 第 46 卷 第 2 期 2019 年 4 月 矿业安全与环保 Mining Safety 1抽采孔衰减较为明显,抽采 瓦斯浓度从最高的 40 衰减至 18,衰减了将近 68 Vol． 46 Ｎo． 2 Ａpr． 2019 矿业安全与环保 Mining Safety 该孔瓦斯浓度及纯流量变化较大,主 要是受考察钻孔施工影响,流量衰减较为明显,14 d 内抽采瓦斯浓度衰减了 63,纯流量衰减了 68。 3抽采孔抽采瓦斯浓度、纯流量较预裂爆破前分别 提高100、84,14 d 内共抽采1 339 m3瓦斯;3抽 采孔的瓦斯浓度及纯流量从第 ５ 天开始出现较大幅 度降低,之后一直处于平稳状态。 4抽采孔抽采瓦 斯浓度、纯流量较预裂前分别提高 2５0、298, 14 d内共抽采 2 104 m3瓦斯;而第 11 天抽采瓦斯浓 度、纯流量开始出现较大幅度的增加,主要是受掘进 煤岩体扰动影响。 实施双预裂孔爆破前,抽采孔平均单孔抽采瓦 斯纯流量为 0． 36 m3/ min、瓦斯浓度为 13． 0５;而 爆破后抽采孔平均单孔抽采瓦斯纯流量上升至 1． 1７ m3/ min,瓦斯浓度增至 29． ７５,单个钻孔抽采 瓦斯纯流量提高了 3． 2５ 倍、浓度提高 2． 28 倍。 通 过对比分析可以得出,瓦斯抽采纯流量和抽采浓度 比未采取爆破措施明显提高,双预裂孔爆破技术能 有效提高瓦斯抽采效果,缩短掘进工作面的预抽 时间。 瓦斯抽采难易程度通常用煤层透气性系数指标 来衡量,未预裂爆破顺层钻孔抽采时,6中煤层透气 性系数平均为 1． 00５ m2/ （MＰa2d）;双预裂孔爆破 后煤层透气性系数平均为 2． 1５７ m2/ （MＰa2d）,比 爆破前平均提高了 2． 1５ 倍,说明双预裂孔爆破增大 了煤体内部裂纹扩展范围,形成了大范围的裂纹网 络,有助于提高煤层透气性和可抽性。 5 结论 1）通过双预裂孔爆破裂纹扩展数值模拟分析, 得出双预裂孔爆破控制孔区域裂纹带分布密度和面 积随着预裂孔间距增大而出现减小趋势,控制孔诱 导爆生裂隙向孔间连线方向偏转程度减弱。 小间距 预裂爆破孔贯穿控制孔主裂纹数量、宽度及裂纹带 密度明显增加,而较大孔间距仅具有细微贯通裂纹。 2）试验掘进工作面双预裂孔爆破现场接抽 14 d 后,煤层透气性系数平均提高了 2． 1５ 倍;平均单孔 抽采瓦斯纯流量提高了 3． 2５ 倍;单孔抽采瓦斯浓度 提高了 2． 28 倍,瓦斯增透和瓦斯抽采效果显著。 3）实施双预裂孔爆破后,预裂爆破增透区域煤 层透气性系数、抽采瓦斯纯流量和浓度皆得到了显 著提高,双预裂孔爆破缩短了工作面预抽时间,减少 了瓦斯钻孔工程量,提高了瓦斯抽采效果,保障了矿 井的安全高效生产。 参考文献 [1] 张天经,吕闹,宗琦． 爆破参数对煤体预裂爆破效果的影 响[J]． 煤炭技术,2018（4）163－16５． [2] 吕渊,徐颖． 深井软岩大巷深孔爆破卸压机理及工程应 用[J]． 煤矿爆破,200５（4）30－33． [3] 张兴华． 利用深孔控制预裂爆破强化瓦斯抽放消除回采 工作面突出危险性[J]． 煤矿安全,2006,3７（2）22－24． [4] 李重情,盛恒,刘健． 深孔预裂爆破对含坚硬顶板高瓦斯 煤层的综合作用研究[J]． 中国安全生产科学技术, 201５,11（1）７1－７6． [５] 刘健,刘泽功,石必明,等． 突出煤层快速掘进深孔预裂 爆破预抽瓦斯技术[J]． 煤炭科学技术,2008,36（8）4５ －48． [6] 刘世明,王国超,陈维新,等． 坚硬薄煤层长钻孔爆破松 动半径范围研究[J]． 现代矿业,201５（７）14－16． [７] 田会礼,周茂普． 大断面岩巷中深孔爆破试验研究[J]． 煤炭工程,2004（9）62－63． [8] 刘殿中． 工程爆破实用手册[M]． 北京冶金工业出版 社,1999． [9] 韦爱勇,王玉杰,高文学． 控制爆破技术[M]． 成都电子 科技大学出版社,2009． [10] 中国力学学会爆破专业委员会． 爆破工程[M]． 北京 冶金工业出版社,1992． [11] 郑明钗． 预裂爆破在矿山开挖边界上的应用[J]． 工程 爆破,2008,14（4）５７－５9． [12] 尹光志,李铭辉,李生舟,等． 基于含瓦斯煤岩固气耦合 模型的钻孔抽采瓦斯三维数值模拟[J]． 煤炭学报, 2013,38（4）５3５－５41． [13] 杨洪兴,杨天全,唐睿． 卸压预裂爆破沿空留巷技术在 急倾斜煤层中的应用[J]． 矿业安全与环保,2016,43 （4）8７－89． [14] 徐景德,杨鑫,赖芳芳,等． 国内煤矿瓦斯强化抽采增透 技术的现状及发展[J]． 矿业安全与环保,2014,41（4） 100－103． [1５] 商登莹,吕鹏飞,于学洋,等． 低透气性煤层深孔聚能爆 破增透技术及实践[J]． 煤炭科学技术,2012,40（12） 48－５1． （责任编辑李 琴） ７8 第 46 卷 第 2 期 2019 年 4 月 矿业安全与环保 Mining Safety Environmental Ｐrotection Vol． 46 Ｎo． 2 Ａpr． 2019 万方数据