高瓦斯低透气性煤层深孔爆破增透技术.pdf

第1 5卷 第 1 期 总第 9 2期 2 0 1 0年 2月 煤 矿 开 采 Co a l mi n i ng Te c hn o l o g y Vo 1 ． 1 5 No ． 1 S e r i e s N o ． 9 2 Fe b r u a r y 2 01 0 高瓦斯低 透气性煤层深孔爆破增透技术 马小涛’ ，李智勇 ，屠洪盛 ，孙璐璐 ，隋晓东 1 ． 中国矿、 l 大学 矿业工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 长春吉煤集团，吉林 长春 1 3 0 0 2 2 [ 摘要] 通过理论分析和 芦岭煤矿 l I 1 0 4 8工作面现场工程试验 ，给 出 了高 瓦斯低透 气性深孔 爆破增透技术的基本原理、钻孔布置、爆破及工艺设备等具体参数。深孔爆破后，增大 了钻孔瓦斯有 效抽放半径和高瓦斯煤层渗透性，成倍地提高了瓦斯抽放率，而且降低了煤与瓦斯突出的危险性，从 而有效地解决 了高 瓦斯突出煤层采掘 工作 面瓦斯超 限和煤 与瓦斯 突出问题 。 [ 关键词] 高瓦斯；低透气性煤层；深孔爆破；增透技术；瓦斯抽放 [ 中图分类号]T D 7 1 2 ． 6 [ 文献标识码]B [ 文章编号]1 0 0 6 6 2 2 5 2 0 1 0 0 l -0 0 9 2 - 0 2 Te c hno l o g y o f De e p ho l e Bl a s t i ng f o r M a g n i f y i n g Pe r me a b i l i t y i n Co a l S e a m wi t h Hi g h M e t ha n e c o n t e nt a n d Lo w Pe r me a b i l i t y 高瓦斯低透气性煤层赋存具有低压力 、低渗透 性 、低饱和度及非均质性强 的 “ 三低一 强”特性 ， 尤其是低渗透性 ，给高瓦斯煤层瓦斯直接抽采带来 众多技术难题。深孔爆破增透技术是通过爆炸载荷 的作用 ，在煤层中形成压碎 区和裂隙区 ，并通过控 制孔 的作用 ，进一步扩大裂隙区的范围，从而使煤 层松动 ，透气性增大 ，有效地卸载地应力和瓦斯压 力 ，增加了瓦斯抽采量，最终保证煤矿安全生产 。 1 深孔爆破增透技术原理及工艺参数 透气性较低的高瓦斯煤层 ，必须采用专门的措 施来增加煤层的透气性 ，才能有效地抽出瓦斯。国 内外使用方法有 煤层注水 、水力压裂 、水力割 缝 、深孔爆破 和酸液处理等。对 于不 同 的瓦斯地 层 ，各种方法的效果也不 同，理论研究和试验都表 明，采用深孔爆破的方法可以增加瓦斯地层的透气 性 ，从而提高瓦斯抽放率 。 1 ． 1 深孔爆破增透技术原理 在爆破初始阶段 ，爆破产生的动压迅速摧毁爆 孔附近煤体的抵抗 ，在其周围产生破裂带和少量裂 纹 ，为进一步破坏煤体提供弱面。由爆破产生的应 力波在煤体中以爆破孔为中心呈同心圆状向煤体中 传播，应力波相交后产生叠加效应加速了煤体的破 坏。两爆孔问的裂纹无疑增加了煤体的透气性 ，为 瓦斯抽放提供了通道。一方面中断或减弱了围岩中 径向和切 向应力的传递 ，降低 了围岩的应力 ，有利 于瓦斯的解吸，另一方面增加了炮孔附近煤体的透 气性，如下公式所示，为游离瓦斯的抽放创造了条 件 。 e 一 ’ L 。≤ L 。 A A 0 ， ≥ 0 J 式 中，A 为煤壁暴露 面处 的透 气系数 ；A 。为煤层 原始透气系数 ；A为系数 ；L 。 为爆破松动圈半径 。 在爆破区内，虽然没有形成可见的宏观裂缝 ， 但爆生气体产生的准静态应力场使煤体 中原有 的微 观孔隙 裂纹 发生 了损伤 ，煤体储存 的弹性变 形能部分得以耗散，应力水平趋于下降，瓦斯变得 易于抽放。从爆破的后期效应看 ，炮孔附近煤体中 水和瓦斯的排放及迁移进一步降低了煤体的应力水 平 ，使得瓦斯 的排放成为一个由近区到远区的连续 过程。深孔预裂控制爆破 目的是为了增加煤体的裂 隙和透气性 图 1 ，降低煤体的瓦斯压力，使煤 体 的应力得到重新分布，以减小抽放阻力 ，提高瓦 斯抽放率和防止煤与瓦斯的突出。 图 l 煤壁 附近煤层透 气系数 变化 1 ． 2 深孔爆破增透技术工艺参数 深孔爆破增透技术参数主要包括钻孔布置参数 和工艺设备参数等。 [ 收稿 日期]2 0 0 9 0 7 0 9 【 作者简介]马小涛 1 9 8 4 一 ，男，安徽宿州人， 硕士研究生，从事采煤方法与工艺研究。 9 2 马小涛等高瓦斯低透气性煤层深孔爆破增透技术 2 0 1 0年第 1期 1 ． 2 ． 1 钻孔布 置参 数 钻孔布置参数主要包括爆破孔和抽放孔孔径选 择 、爆破孔和抽放孔间距选择。 由有限元数值计算结果可知 ，随着爆破孔孔径 的增大 ，透气性系数提高 ，但不成正比关系。当孔 径达到一定值后 ，透气性提高的幅度随着爆破孔孔 径的增大而逐渐减小 ，说明单纯靠增大爆破孔孔径 来提高透气性效果是有 限的。一般 爆破孔直径 在 7 51 0 0 m m较为合理 ，抽放孑 L 直径在 9 0～1 0 0 m m 即可达到导向和补偿的 目的。 2 理论分析和模拟 实验表 明在煤层条件 一 定时 ，随着 孔问距 的增 大 ，透气性 系数迅速 降 低 ，当孔间距达到一定值时，透气性 已接近原始煤 体 ，即孔间没有形成新的裂隙 ，反之 ，当孔间距减 少时，透气性迅速上升 ，但孔 间距越小 ，工程量就 越大 ，成本也就越高。因此 ，应在保证 良好的预裂 效果的同时 ，尽可能加 大孔 间距 。现场试验表 明， 当爆破孔径为 7 3 ra m、抽放孔直径为 9 1 m i l l 时 ，贯 通裂隙长度可达 7 m，合理的孔间距应为 2～ 4 m。 1 ． 2 ． 2 工艺设备参数 1 采用风力排渣技术 ，选用 S G Z一 3 0 0型液 压钻机 ，利用直径 为 4 2 m m，7 3 ra m 或 9 1 r n m 的麻 花钻杆进行 施工钻孑 L 。控 制钻进 的速度 在 1 ． 0 2 ． 0 m ／ rai n ，尽可能避 免反复进 钻退钻 ，以确保 钻 孔成形较好 ，保证成孔率在 7 0 ％以上。 2 采用 2支雷管 同时起爆 ，煤破孔一次起 爆。爆破药柱 的装药参数如表 1 ，装药结构如图 2 。 表 1 煤矿瓦斯抽排孔爆破药柱装药 参数 l 一封泥 ；2 一水炮泥 ；3 一 药卷 ；4 一 雷管 ；5 一炮 泥 图2 装药结构示意 2 现 场工 程试验 2 ． 1工程地质概况 淮北矿业芦岭煤矿 Ⅱ1 0 4 8综 采工作面 ，走 向 长 9 6 0 m，倾斜宽 1 5 0 m，上下巷及切眼均沿煤层底 板掘进 。煤层厚度 在 3 ． 2～4 ． 5 m，平均 3 ． 7 m，顶 部除有厚约 0 ． 5 m的硬煤外 ，余下煤层较松散 ，局 部含有 1～ 2层 0 ． 1～0 ． 3 m的透镜体夹矸 ，伪顶厚 0 ． 1 5 m，直接顶 为泥岩 ，厚 3 ． 5 m，基本顶 为细砂 岩，坚硬 ，厚 4 ． 0 m。工作 面 相对 瓦 斯涌 出量 为 7 ． 0 m ／ t 。上邻 Ⅱ1 0 4 8工作面 的切 眼掘进时 曾发生 一 起瓦斯突出，冒落煤约 4 2 t ，涌 出瓦斯 2 0 0 m 左 右 ，在掘进时也多次发生顶煤冒落现象 ，最大冒落 高度达 5 ． 0 m。 2 ． 2 增透技术现场工艺措施 1 采用风力排粉技术 ，在钻进过 程 中，保 证风压在 0 ． 5 MP a ，控制风压稳定 ；准确确定钻机 的位置和角度后 打钻 ，记录所穿过煤层段 的孔深 ， 同时确定装药的长度 ，孔打好后 ，尽量使孔 内煤渣 排出，当钻杆拔 出后 ，立 即用探 孔管探孔 验正孔 深 ，为防止垮孔 ，验孑 L 完毕即装药 。 2 在爆破钻孔煤层段装药 ，每个炮孔先用 2 支一段毫秒 电雷 管和放炮用 的胶质 线各作 2个 炮 头 ，并用绝缘胶带裹紧，防止短路和断路。在装药 前应进行探孑 L ，探孔用专用探孔杆 ，在探孔杆刚拔 出时 ，立即进行装药 ，确定炮孑 L 深度和装药长度 ， 然后将煤层深孔松 动控制爆破 专用药管 参数见 表 1 按其 自身螺纹一管一管对接装入炮孔 中。 3 装药完 毕 ，即采 用压风 喷泥封孔器用 略 潮的专用封孑 L 黄土 粒度为 5 mm以下 封孔 ，封 孔时应注意 防止孔 内煤泥沙 被压风 冲出伤人 ，因 此 ，要求支撑封孔器输送管的操作人员 ，在孔 口用 麻袋片护住孔 口，以免煤泥沙冲出。孔外 2支雷管 的胶质线并联 ，每个孔问串联 网路起爆 ，一次起爆 炮孔 。按煤矿深孔爆破有关安全规程放炮 ，具体操 作由矿专职爆破作业队负责实施 。 2 ． 3增透效果评价 爆破前 ，对工作面、机巷和风巷风流中的瓦斯 浓度 、风量进行一次全面测量 ，巷道帮抽采钻孔内 的瓦斯流量 、瓦斯浓度进行一次精确的测定 ，以确 定实施本措施前后的抽采效果 。放炮 3 0 rai n后 ，对 工作 面进行巷道风流中风量测量 ，对巷道抽采钻孔 的瓦斯流量 、瓦斯浓度进行单孔测定 、计量 ，以后 每隔 3 0 ra i n重复 上述测试 内容 ，总达 8 h 。根据 8 个爆破孔抽采 管 内瓦斯参数爆 破前后测定结果 显 示 ，工作面瓦斯抽采管道 内的瓦斯浓度平均提高 4 ～ 5倍 ，同 时 管 道 内 的抽 采 负 压 平 均 降 低 了 3 ． 5 k P a 。2 4 h后 ，管道内的瓦斯浓度保持在爆破前 的 3 ． 5倍左右 。结果可 以看 出爆破后煤层的透气性 下转 3 7页 93