高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破增透技术研究及应用.pdf

第16卷第9期 2020年9月 Vo l . 16 No . 9 Sep . 2020 中国安全生产科学技术 Jo u r n a l o f Sa f et y Sc ien c c a n d Tec h n o l o g y SoI 10. 11731/j . issn . 1673-193x . 2020. 09. 011 高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破增透技术研究及应用* * 收稿日期收稿日期2020 -07 -22 *基金项目基金项目国家自然家自然科学基金项目 51904081 , ,51964008 ；贵州省本科高校一一流专业建设设项目SJZY2017006 ；；贵州省科技计划项目黔科 合平台人才〔 〔2018〕 〕5781号 作者简介作者简介李元林， ，硕士研究生， ，主要研究方向为煤矿安全幵采 通信作者通信作者刘 勇， ，博士， ，教授， ，主要研究方向为矿业系统工程 李元林1 ,刘 勇3，王 沉V，王麒翔3 “贵州大学矿业学院，贵州贵阳550025 ； 2贵州省复杂地质矿山开采安全技术工程中心，贵州贵阳550025 ； 3.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400000 摘要摘要为解决高瓦斯矿井开采过程中煤体透气性差、瓦斯预抽周期长、抽采效果不佳的难题，提出利用深孔预裂爆破技术提高 煤体裂隙发育度，增加煤体透气性，从而提高瓦斯抽采率的方法。通过现场调研、理论分析、数值模拟及工业性试验等方法，分析 深孔预裂爆破卸压增透内在机理,确定爆破影响半径为4.5 5. 3叫并在A110605工作面进行现场应用，同时考察煤层增透效 果。研究结果表明煤层爆破致裂后，平均瓦斯抽采浓度提高了 2. 17倍平均瓦斯抽采纯量提高了 2.02倍，煤层透气性系数提 高了近5.3倍，煤层卸压增透效果显著，很大程度上消除了煤与瓦斯突出危险性为实现工作面的安全开采及正常接替提供了 保障。 关键词关键词深孔预裂爆破;低透气性煤层；卸压增透；瓦斯抽采 中图分类号中图分类号X936 文献标志码文献标志码A 文章编号文章编号1673 - 193X 2020 -09 -0071 -06 Rsarch and app encat non of dp ho e prpspentnng beastnng tchnoeogy for prmabnenty nhancmnt nn h ngh gas and eow prmabnenty coaesam LI Yu a n oin1 LIU Yo n g12 WANG Ch en12 WANG Qix ia n g3 1. Min in g Co l l ey e Gu izh o u Un iv er sit y Gu iy y n g Gu izh o u 550025 Ch in a ； 2. Gu izh o u En g in eer in g Cen t er f o r Sa f e Min in g Tec h n o l o g y Un d er Co mp l ex Gec l o g ic Co n d it io n Gu iy y n g Gu izh o u 550025 Ch in a ； 3. Ch in a Co a t Tec h n o l o g y En g in eer in g Gr o u p Ch o n g qin g Resea r c h In st it u t e Ch o n g qin g 400000 Ch in a Abstract In o r d er t o so l v e t h e d iVic u l t p r o bl ems o f p o o r g a s p er mex bil it y in c c a l, l o n g c y c l e o f g a s p r e-d r a in a a e a n d p o o r d r a in a a e ef f ec t in t h e min in g p r c c ss o f h ig h g a s min e, a met h o d o f u sin g d eep h o l e p r -s p l it t in g bl a st in g t ec h n o l o g y t o im p r o v e t h e d ev el o p men t d ey r e o f c c a l f r a c t u r e, in c r x se t h e c c a l p er mex bil it y a n d t h u s imp r o v e t h e g a s d r a in a a e r a t e w a s p r o p o sed . Th r o u g h t h e o n -sit e in v est ia a t io n , t h ea r t ic a l a n a l y sis , n u mer ic a l simu l a t io n a n d in d u st r ia l t es t, t h e in h er en t mec h a n ism o f d eep h o l e p r -s p l it t in g bl a st in g f o r p r essu r e r el ief a n d p er mex bil it y en h a n c c me n t w a s a n a l y ze d, a n d t h e bl a st in g in f l u en c c r d iu s w a s d et er min ed t o ba 4.5 5.3 m. Th e o n -sit e a p p l ic a t io n w a s c c n d u c t ed in Al 10605 w o r kin g f a c c, a n d t h e p er mex - bil it y en h a n c c me n t ef f ec t o f c c a l sea m w a s in v est ia a t ed . Th e r esu l t s sh o w ed t h a t a f t er t h e bl a st in g -in d u c c d f r a c t u r in g o f c c a l sea m, t h e a v er a a e g a s d r in a a e c c n c en t r t io n in c r x sed by 2. 17 t imes , t h e a v er a a e g a s d r in a a e p u r a mo u n t in c r x sed by 2. 02 t imes , a n d t h e p er mex bil it y c c ef f ic ien t o f c c a l sea m in c r x sed by n ex r l y 5. 3 t imes. Th e p r essu r e r el ief a n d p er mex bil it y en h a n c c men t ef f ec t o f c c a l sea m w a s sia n if ic a n t, w h ic h el imin a t ed t h e r isk o f c c a l a n d g a s o u t bu r st t o a g r x t ex t e n t, a n d p r o v id ed g u a r a n t ee f o r t h e sa f e min in g a n d n o r ma l r p l a c eme n t o f t h e w o r kin g f a c c . Key words d eep h o l e p r -s p l it t in g bl a st in g ;刘 等*7 、 、姜二龙等*8 、 、高新宇等*9 相似模拟试 验， ，研究不同 载 体裂 .展发 特征和力学特性， ， 深预裂 的 机理及工 艺流程； ；粟爱国*10 了深孔预裂爆破作用下煤体的 损伤断裂机理，通过数值模拟分析煤体 裂 规 律，确定了 合理间距 综上所述， ，应用深孔预 裂 技术 ， ， 高 了 体 性 ， ， 显 本文以贵州某矿A110605工作面为研究对象， ，结合 现场调查、 、理论分析及数值模拟等研究方法， ，系统分析 深孔预裂 机理， ，提出深孔预裂爆破强 化 方案及工艺流程并 运用， ，现场实测 ， ，有 高了 率, ,可为类似条件 性煤层 f 借鉴 1 工程概况 某矿A110605工作面位于一分区南东翼， ，第12勘 探线和第15 间， ，一分区总回风上山南面， ，工作 面布置图如图1所示工作面长度180 m,可推进长度 908 m， ，全区稳定性较好， ，大部分可采，含，含0〜2层夹肝， 主要为泥岩和炭质泥岩，厚度为0〜1.5 m。其中，6煤 层 自 层， ，具有突出危险性，煤体结构 卡片 状、 ， ，灰黑色型煤，其厚 为2〜3.5 m, ,坚固性系 数/二0.34，破坏类型为）类。煤层瓦斯含量为14.454 2 m3/t,瓦斯压力为1.15 MPa,煤层透气性系数约为0.414 4 m2/MPo2 d，瓦斯流量衰减系数0.253 4 d-1，属于典型 的低透气性难 性层 程中，由于体中瓦 吸附性强， ， 难度大、 、周期长, ,难以 有 序正常生产 图1工作面布置示意 Fig. 1 Layout of workicg face 2 深孔预裂爆破卸压增透机理 深孔预裂爆破卸压增透*11-12 实质在于通过利用药 柱爆破时产生的强大能量增加煤体破碎度，使煤体产生 较大范围的贯通裂 ， ，为 运 ，从 高 层 性 ， ， 层 量 和 ； ； 此 外 ， ， 引起煤体内应力二次分布，迫使高应 向深部转 移，有利于释放地应力，消除煤与瓦斯突出危险 实施预裂爆破后，孔壁遭受高 量波的冲 ，煤，煤体骨架结构受构受到变形变形与 ，致使 ，致使 周围 介质变得较为粉碎,出现爆破空腔,形 塑性粉碎区。 波 量 的 减 ， ， 波 在 外 以 应 波的形 向四周传播， ，煤体在径向压缩与切向拉伸 的协同 产生 向裂缝, ,与此同时，爆生的大 量 高 温 高 体 入裂 形 应 场 ， ， 与 层 ，促进裂 外 、 、相互 ； ；另 外，当，当应 波传播至 时， ， 生 并使煤 体产生拉伸破坏，进一步提高了裂隙发育程度，由此形 相互 的裂 。当应波不足以致裂煤体 t 时, ,应力波转变为地震波在煤体中传播，逐渐消散，将这 区域称为震动区 3深孔预裂爆破数值模拟 3. . 数值模型建立及材料参数数值模型建立及材料参数 为探究 应力波在煤体中的传播衰减规律及应 力演化分布特征，本文以贵州某矿A110605回采工作面 为工程背景, ,运用有限元软件LS - DYNA建立流固耦合 模型，如图2所示。鉴于 深度远大于其直径，故把 爆破过程看作平面应变问题。模型中将煤体与瓦斯视 第9期中国安全生产科学技术・73・ 为均匀介质，在模型外部施加透射边界条件以防止边界 应, 模型对称性,为 运 程,截模型1/4 于数值计算， 计结 对 图2深孔爆破数值模型 Fig. 2 Numerical model diagram of deep hole blasting 煤体采用* MAT_PLASTIC_KINEMATIC弹 塑性材 料,模型中单 SOLIN164单元*13 现场 ； 测定得到煤体物理力学参数,密度1 400 kg /m3,弹性模 量2.3 GPo,抗拉强度1.5 MPo,抗压强度20 MPo,泊松 比0.3 0.094 m,炸药详细参数见表1，根 据JWL 方程 高 药 时间点的压 * “4 , ““ 式中为爆轰压力，MPo； Q,W为炸药参数,GPo； Ri,R2,3均为炸药特性常数,无量纲；O为 药 产 物比内能,MJ； 为炸药爆轰产物体积,m3 表1炸药参数 Table 1 Explosive parameters 密度爆速QW O0 R“ R2 / /kg - m3/ m ・ s/GPa/GPa/MJ 1 3003 600420.44 3.55 0.16 0.413.15 3..模拟结果分析模拟结果分析 不同时刻煤体有效应力云图如图3所示。由图3 可知，炸药引 ，煤体原始应力平衡状态发生 ，在 高 的 波 挤 ， 体 质受到严重变形与破坏,形成了“十字型”爆破空腔和 压缩粉碎区；随后冲击波转变为环形应力波继续在煤体 中扩散传播,并且对煤体 同时施加径向压缩应力与 切向拉伸应力，由于 体抗拉强度小，导致煤体发生拉 伸破坏，粉碎区外煤体出现初始径向破断裂隙 由图3 c 可知,在 2 500 e-时，爆炸产生的气体 环状应力波 a 1 200 |is 有效应力/Pa r 4.629x 107 4.166X107 j - 3.703x 107 厂 厂 3.240 x l 07 2.777X107 H- 2.314x l 07 ■ 1.851X107 H- 1.389x107 H- 9.257x 106 ■ 4.629x 106 ■- 4.5247X106 径向裂隙 有效应力/Pa r 2.865x 107 2.581X107 I |- 2.296X107 J 2.011X107 卜 卜 1.726x 107 1.442x107 ■ 1.157x 107 H- 8.721X106 H- 5.873x l 06 .3.025x 106 ■- 1.778x 106 裂隙尖端 有效应力/Pa ■- 1.936x 107 1- 1.549x107 -1.356X107 c 2 500 ps 1.742X107 b 1 700 pis 有效应力/Pa -1.338x 107 ■- 1.148X107 H- 9.573x 106 ■ 7.667X106 ■ 5.762x l 06 ■ 3.856x 106 H- 1.950X106 ■- 4.463x l O4 d 3 200 |1S r 1.910 x 107 1.720X107 -1.529x 107 图3不同时刻煤体有效应力云图 Fig. 3 Cloud map of effective stress it coal at different time 入裂隙尖端引起局部应 中,裂 有效应力高 19.4 MPo, 裂 一步 延伸，驱动向裂隙 与环向裂隙相互 ，致使体结构更为破裂疏松，从 有 高煤层 性。由图3 d知,在3 200 e- 时， 周围煤体有效应 显 ，裂 停止 ，此 时在 周围形成了较大范围的裂 ，其 为 5 .3 m 4现场工业性试验 4. . 深孔预裂爆破影响半径深孔预裂爆破影响半径 于 体 裂 内 时 , 和 大幅提高,为此， 对比分 同间距 ・74・中国安全生产科学技术第16卷 件 参数， ， 深孔预裂爆破 影响半径，优化钻孔布置 现场试验方案为 在工作面 回风巷中布置1个爆破孔和4个顺层抽采钻孔，孔径94 mm， ，孔深孔深60 m, ,孔间距依次为孔间距依次为2.5， ，3.5， ，4.5， ，5.5 m, ,钻孔钻孔 布置方式如图4所示。不同间距 结 见 2 图4钻孔布置示意 Fig. 4 Schematic diagram of borehole layout 表2 瓦斯抽采效果对照 Table 2 Comparison table of gas drainage effect 一 平均瓦斯抽采纯量 抽采孔 平均瓦斯抽采浓度/ 3 . 1 / m3 ・ min 编号 爆破前 爆破后 爆破前 爆破后 15.1 6.40.0140.015 24.5 13.00.0130.030 36.0 6.90.0150.017 47.3 13.20.0160.029 通过表2数据可知，爆破后,2和4孔瓦斯抽采效 率明显提高，平均抽采浓度比爆破前分别提高2. 89， l . 81倍， ， 围内煤体裂隙高 ， ，有 了瓦 斯解吸；而1,3孔的瓦斯抽采浓度与抽采纯量相对而 幅度较小， ， 在体裂 围 内 结合数值模拟和现场对比试验结果， ，基于上述分 析， ，推出深孔预裂 有 为4.5-5.3 m, , 最佳抽采范围为3.5 -4.5 m 4.2深孔预裂爆破方案深孔预裂爆破方案 根据工作面情况,现场以3个爆破孔为1组,在 A110605工作面回风巷和运输巷中分别实施3组，交错 平齐布置，共布置炮孔18个,1次起爆1组钻孔直径 94 mm， ， 80 m， ， 间 距 “0 m， ， 装 药 70 m， ， 装 药 量 66.5 kg 4.3深孔预裂爆破工艺深孔预裂爆破工艺 1 结合现场实际情况, ,使用ZY - 15250型钻 机进行钻孔施工在起钻过程中，严格保持钻机慢速稳 定推进，确保爆破钻孔与孔壁垂直,同时全程需在孔内 注入一定压力的风量，将孔内残渣清除干净 为防止产 生塌孔现象， 工结束后，利用探孔管对钻孔进 行检验。 。 2 装药采用正向装药方式，炸药为乳化炸药，直径 28 mm，长度300 mm，将每节炸药依次连续装进PVC瓦 管中， ，每隔10 m安放2个毫秒延期 管，重复 上述步骤直至装药完成。。为避免出现瞎炮， ，装药时使用 绝缘性胶布 管 与母线的联结点固定到PVC管 上 装药结构见图5 母线 封孔材料雷管乳化炸药PVC管防拒爆缓冲介质 6 m 74〜79 m 图5炮孔装药结构简图 Fig. 5 Schematic diagram of blasthole charge structere 3封孔爆破孔全部进行装药完成之后，使用压风 封 对爆破孔进行封堵处理，封孔材料为粒度小于 ①5 mm的水泥、沙子混合不燃性材料，孔口封堵深度为 10 m 4“启动预裂为提高爆破安全性，预裂前需组织专 职 对作业地点附近瓦斯含量、CO含量进行测定，待 空气中瓦斯含量低于0.8、CO浓度低于1.2时方可 动 4.4煤层增透效果考察及分析煤层增透效果考察及分析 4.4. 1 瓦斯抽采浓度及瓦斯抽采纯量 为考察现场应用深孔预裂 技术后的煤层增透 效果， 情况，对爆矽 参数 31 d 监测， 监测结果绘制出 T 化曲线，如图6所示 平均抽米浓度 平均抽釆纯量 4 8 12 16 20 24 28 时间/d 图6爆破前后瓦斯抽采变化曲线 Fig. 6 Change curves of gas drainage before and after blasting 从图6可以看出，爆破前钻孔瓦斯抽采浓度和瓦斯 抽采纯量处于较低水平,实 和抽 第9期中国安全生产科学技术-75 - 采纯量迅速上升，在爆破后11 d达到峰值，随后开始逐 渐衰减，最终保持基本稳定。煤层爆破增透后22 d内处 于高效抽采平稳期，瓦斯抽采效果得到明显改善。其 中，瓦斯抽采浓度达到11-6 - 14. 9 ,平均抽采浓度 较爆破前提高约2. 17倍，瓦斯抽采纯量达到0. 027 0. 034 m3/min，平均抽采纯量较爆破前提高约2.02倍 4.4.2 煤层透气性 煤层透气性系数能很好地表征瓦斯抽采的难易程 度，因此，通过对深孔预裂爆破前后煤层透气性系数进 行测定比较,从而考察煤层卸压增透效果。采用径向流 量法[15]可计算得到煤层透气性系数，煤体未致裂前，6 煤层初始透气性系数为0.414 4 m2/ MPa2 - d，实施深 孔预裂爆破后，煤层透气性系数增加至2. 191 5 m2/ MPa2 - d“，比爆破前提高近5.3倍，煤层透气性得 到较大改善 5结论 1 “利用LS- DYNA进行数值模拟，分析爆破后煤体 内裂隙的萌生、发育及扩展贯通过程，得到爆破应力波 在煤体内的传播衰减规律和应力分布特征，根据数值模 拟及工业性试验结果，确定深孔预裂爆破有效影响半径 为 4.5 5.3 m 2现场应用结果表明实施深孔预裂爆破后，平均 瓦斯抽采浓度与瓦斯抽采纯量比爆破前分别提高了近 2. 17 ,2.02倍，煤层透气性系数比爆破前提高约5.3倍， ， 煤层增透效果相当显著，瓦斯抽采率得到明显提高 3 深孔预裂爆破技术具备单位钻孔量小、炸药消耗 量低、适应性强等特点，有利于增强煤层透气性，缩短瓦 斯抽采工期，对于解决高瓦斯低透气性煤层的瓦斯防治 难题提供了有效技术手段,具有良好的社会经济效益。 参考文献 1刘健,刘泽功，高魁，等.深扎预裂爆破在深井高瓦斯低透气性煤 层瓦斯抽采中的应用[J] 中国安全生产科学技术，2014，10 5 148-153. 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Jo u r n a l o f Ch in a Co o l So c iet y, 1990 1 15-24. 责任编辑郭利责任编辑郭利 全国应急管理“互联网监管”系统推广应用视频会召开 效能导向以用促建协同提升“互联网监管” 系统建设应用水平 2020年9月22日，应急管理部召开“互联网监管”系统推广应用视频会议，部署推动应急管理全系统“互联网 监管”建设应用应急管理部党委委员、副部长尚勇出席会议并讲话。 会议指出，作为国务院部「丁互联网监管”五家试点单位之一，部党委高度重视，经过一年多的建设实践，系统 建设应用成效初步显现 会议强调，加快推进“互联网监管”系统建设应用，是贯彻落实党中央、国务院重大决策部署的根本要求，是以 信息化助力应急管理现代化的重要举措，对于创新监管机制,牢牢守住安全底线,推进应急管理工作转型升级意义 大 会议要求，要以“互联网执法”为突破口，率先在全系统推广普及，坚持以用促建，在使用中不断完善，加快迭 代升级;要利用好安全生产风险监测预警系统，提高监管效能和水平,为化解风险隐患、遏制事故灾难提供科学支 撑;要推进完善监管数据归集报送制度，逐步建立分类管理、集成融合的大数据库;要加快实现系统应用“一网通 管”，完善协同监管和信用监管，强化数据共享，提升线上监管服务能力;要加强系统运维保障，确保系统安全可靠 运行 会上，有关司局通报了“互联网监管”系统建设应用情况并进行了系统演示。山东、四川、浙江、陕西省应急管 理厅，陕西省铜川市应急管理局负责人作了交流发言。中国地震局、国家煤矿安监局，部消防救援局、机关有关司局 及部有关直属事业单位负责人在主会场参加会议，各省、市、县应急管理部门负责人在分会场参加会议 信息 应 管理