翟 華

(鄭煤集團(tuán)通風(fēng)管理部,河南省鄭州市,450042)

1 礦井概況

崔廟煤礦屬鄭煤集團(tuán)資源整合礦井,位于鄭州礦區(qū)滎鞏煤田中部,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為30萬(wàn)t/a,主采二1煤,煤層傾角10～15°,平均14°,煤層厚度0.4～11.0 m,平均5.63 m。井田內(nèi)滑動(dòng)構(gòu)造發(fā)育,滑動(dòng)面沿二1煤層及其頂板展布,煤層原生結(jié)構(gòu)遭到強(qiáng)烈破壞,呈擠壓、揉搓構(gòu)造特征,強(qiáng)度極低,指壓可碎,煤體結(jié)構(gòu)以粉粒煤為主,煤層硬度系數(shù)f值在0.2以下,破壞類(lèi)型為Ⅳ、Ⅴ類(lèi)。煤層瓦斯含量5.58～35.25 m3/t,百米瓦斯含量增加梯度7.67 m3/t,瓦斯壓力0.55～3 MPa,屬典型煤與瓦斯突出礦井。為有效治理瓦斯,于2007年開(kāi)始進(jìn)行底板巖巷穿層鉆孔聚能爆破增透卸壓預(yù)抽煤層瓦斯試驗(yàn),試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在11031B后尾抽巷。

2 大傾角上行穿層孔聚能爆破增透卸壓技術(shù)原理

穿層鉆孔爆破的目的是增透卸壓,提高瓦斯抽放效果,故將爆破鉆孔布置在穿層抽放鉆孔之間,如圖1所示。從鉆孔爆破后爆生裂隙形成及煤與瓦斯耦合作用機(jī)理進(jìn)行闡述。

圖1 穿層鉆孔卸壓爆破示意圖

在無(wú)限介質(zhì)中,炸藥在爆破孔內(nèi)爆炸后,產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波和大量高溫高壓爆生氣體。沖擊波作用于孔壁上時(shí),孔壁及周?chē)橘|(zhì)所承受的動(dòng)載荷強(qiáng)度要高出介質(zhì)的極限抗壓強(qiáng)度許多倍,致使爆破孔周?chē)慕橘|(zhì)產(chǎn)生過(guò)度粉碎,并把原來(lái)的藥室擴(kuò)大形成空腔,即產(chǎn)生了壓縮粉碎圈。當(dāng)壓縮粉碎圈形成以后,沖擊波衰減成為應(yīng)力波,并以彈性波的形式向介質(zhì)周?chē)鷤鞑?。在?yīng)力波作用下,介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移,爆破孔周?chē)a(chǎn)生徑向裂隙,并隨應(yīng)力波的傳播而擴(kuò)展。當(dāng)應(yīng)力波傳播至穿層抽放孔孔壁時(shí),立即發(fā)生應(yīng)力波的反射,使得在沿著爆破孔與穿層抽放孔連心線(xiàn)方向上的穿層抽放孔邊緣也產(chǎn)生了裂隙,并沿著連心線(xiàn)方向上與爆破孔產(chǎn)生的徑向裂隙相貫通,形成爆破孔與穿層抽放孔的貫通裂隙面。在應(yīng)力波向前傳播的同時(shí),爆生氣體緊隨其后迅速膨脹,進(jìn)入由應(yīng)力波產(chǎn)生的徑向裂隙中;由于氣體的尖劈作用,裂隙繼續(xù)擴(kuò)展。穿層鉆孔爆破是在煤與瓦斯固流耦合介質(zhì)中進(jìn)行的,瓦斯壓力在裂隙產(chǎn)生與擴(kuò)展的整個(gè)過(guò)程中,都起著重要作用。爆前處于力學(xué)平衡狀態(tài)下的原生裂隙中的瓦斯,由于爆炸應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)將作用于已產(chǎn)生的裂隙內(nèi),使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展。

綜上所述,穿層鉆孔爆破后,在煤巖體中產(chǎn)生了壓縮粉碎圈和貫穿抽放孔的爆破裂隙面,可極大提高煤層透氣性,實(shí)現(xiàn)增透卸壓。

3 穿層孔聚能爆破增透卸壓技術(shù)試驗(yàn)

3.1 穿層抽放鉆孔布置

以11031B后尾抽巷作為試驗(yàn)研究地點(diǎn),該巷沿傾向布置在二1煤層的底板灰?guī)r中,上距二1煤層18 m,斷面10 m2。對(duì)上部二1煤層長(zhǎng)約100 m、寬20 m的條帶進(jìn)行底板穿層鉆孔抽放方案設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的鉆孔間距分別為4～6 m,分4個(gè)區(qū)段進(jìn)行控制,4個(gè)區(qū)段煤層的代表標(biāo)高和其瓦斯壓力、瓦斯含量見(jiàn)表1。

表1 區(qū)段瓦斯參數(shù)

鉆孔設(shè)計(jì)與施工從2007年9月份開(kāi)始,當(dāng)年12月施工完畢,共施工16組88個(gè)抽放鉆孔,鉆孔直徑75 mm,仰角28～47°,鉆孔布置見(jiàn)圖2。先期施工Ⅰ、Ⅱ區(qū)鉆孔,進(jìn)行了3個(gè)月原始應(yīng)力區(qū)抽放,后期施工III、IV區(qū)鉆孔,直接開(kāi)展增透卸壓抽放。前后并網(wǎng)抽放共計(jì)6個(gè)月時(shí)間。

3.2 聚能爆破增透卸壓試驗(yàn)

由于二1煤層與底板抽放巷間距較大,常用的本煤層控制爆破技術(shù)和小角度或負(fù)角度穿層控制爆破技術(shù)都不適用,結(jié)合負(fù)角度穿層爆破技術(shù)和聚能爆破裝藥技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),對(duì)大傾角上行穿層孔聚能爆破技術(shù)開(kāi)展了試驗(yàn)研究。

圖2 穿層鉆孔布置示意圖

3.2.1 爆破藥包結(jié)構(gòu)

爆破采用雙面對(duì)稱(chēng)線(xiàn)性爆破藥包裝藥結(jié)構(gòu),剖面如圖3所示。聚能槽選用楔形,聚能槽母線(xiàn)長(zhǎng)13 mm左右,厚度1 mm,楔形槽頂角85～95°,如圖4所示。

3.2.2 試驗(yàn)材料

采用礦用三級(jí)乳化炸藥,單卷炸藥長(zhǎng)200 mm,直徑40 mm左右,重量0.22 kg;雷管為礦用瞬發(fā)電雷管,實(shí)測(cè)電阻值4.0～4.2Ω;深孔預(yù)裂管選擇直徑40 mm的抗靜電PVC管;放炮母線(xiàn)及長(zhǎng)腳線(xiàn)選擇4×1.5 mm2電纜;選用MFD-200型發(fā)爆器,引爆能力200發(fā),脈沖電壓峰值2800 V,允許最大負(fù)載電阻1220Ω;另備足夠水泥、沙、石膏粉等。

3.2.3 施工

(1)鉆孔。試驗(yàn)鉆孔布置如圖2所示,首先在15組和16組鉆孔之間施工爆破孔B1。采用ZDY-1250型液壓鉆機(jī)施工,鉆頭直徑75 mm,風(fēng)力排渣,平行于抽放孔布置。爆破孔仰角29.4～33.5°,穿煤長(zhǎng)度9～19 m。

(2)裝藥及聯(lián)線(xiàn)。采用深孔預(yù)裂管裝藥,預(yù)裂管長(zhǎng)度可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì),藥卷之間必須彼此接觸,所有預(yù)裂管捆綁在一根10號(hào)鉛絲上。裝藥前,必須用壓風(fēng)管清除炮眼內(nèi)煤粉。捆好預(yù)裂管且雷管聯(lián)線(xiàn)后,依次送入炮孔,直達(dá)孔底。進(jìn)行到最后一根PVC管時(shí),用直徑10 mm探桿推頂。

每個(gè)深孔預(yù)裂管內(nèi)放置2個(gè)雷管,并聯(lián)連接,預(yù)裂管之間采用串聯(lián)方式連接。每個(gè)線(xiàn)頭必須用砂布打磨,接頭接線(xiàn)方法為“8”字形扭結(jié),每個(gè)接頭必須用絕緣膠布包扎,腳線(xiàn)與放炮母線(xiàn)的接頭及放炮母線(xiàn)必須懸空吊掛,避開(kāi)淋水和其他導(dǎo)電體。

圖5 封孔注漿示意圖

(3)封孔及爆破。如圖5所示,采用水泥、沙漿配合石膏粉進(jìn)行封孔,當(dāng)用探桿將預(yù)裂管推頂?shù)筋A(yù)定深度時(shí)停止,安裝注漿管,然后用聚氨脂對(duì)孔口進(jìn)行封孔,封孔長(zhǎng)度0.5 m,同時(shí)將探桿固定,開(kāi)始向孔內(nèi)注漿,等返漿管向外返漿時(shí)繼續(xù)注5 min左右停止,并及時(shí)將注漿管、返漿管用聚氨脂封實(shí)。

本次爆破試驗(yàn)在10月9日爆破了B1孔,觀(guān)察了15 d后爆破了B2和B3孔。在爆破B2和B3孔時(shí)出現(xiàn)了退孔現(xiàn)象,其原因?yàn)榉饪诐{體未徹底凝固,將支撐管從孔口沖出,影響了爆破效果。

3.2.4 效果分析

爆破后各組鉆孔抽放濃度均有不同程度的增加,其中爆破孔周?chē)@孔抽放瓦斯?jié)舛壬仙?～5倍;中間各組鉆孔抽放濃度也有不同幅度的上升;試驗(yàn)條帶邊緣的1組、2組鉆孔瓦斯?jié)舛壬仙黠@,變化最大的1組2號(hào)孔抽放濃度從0.5%上升到了50%。1組鉆孔平均抽放濃度大幅上升,見(jiàn)圖6,原因在于試驗(yàn)條帶邊緣存在采掘作用形成的較大裂隙,但因時(shí)間較長(zhǎng),地應(yīng)力達(dá)到了新的平衡,原來(lái)發(fā)育的裂隙又重新閉合,在爆生沖擊波的作用下,原有裂隙又重新張裂,所以煤層透氣性大幅增加。

圖6 第一組鉆孔平均抽放濃度變化

將部分鉆孔爆破前后實(shí)際測(cè)定參數(shù)輸入計(jì)算機(jī),利用鉆孔流量法計(jì)算透氣性系數(shù),每孔取平均值,結(jié)果見(jiàn)表2。表中爆破前指的是第一個(gè)爆破孔施工前,爆破后指的是第一個(gè)爆破孔施工后開(kāi)始計(jì)時(shí)測(cè)量。爆破前煤層透氣性系數(shù)平均值為0.046 m2/(MPa2·d),爆破后煤層透氣性系數(shù)平均值為22.44 m2/(MPa2·d),透氣性系數(shù)提高487倍。

表2 爆破前后不同天數(shù)透氣性系數(shù)變化m2/(MPa2·d)

表3 兩個(gè)區(qū)段不同時(shí)間的抽出率%

將Ⅰ區(qū)段、Ⅱ區(qū)段和Ⅳ區(qū)段爆破前后不同時(shí)間的抽出率列于表3,并繪出了抽出率與時(shí)間關(guān)系的曲線(xiàn)圖,見(jiàn)圖7。

圖7 各區(qū)段爆破前后抽出率變化

從表3和圖7可以看出,I區(qū)段和II區(qū)段在抽放3個(gè)月后,其抽出率接近穩(wěn)定時(shí),聚能爆破使其抽出率又邁上了一個(gè)新臺(tái)階。I區(qū)段爆破后90 d的抽出率為57.0%,II區(qū)段爆破后90 d的抽出率為48.5%。I區(qū)段煤層殘余瓦斯含量為6.56 m3/t,II區(qū)段煤層殘余瓦斯含量為7.65 m3/t。IV區(qū)段在聚能爆破后開(kāi)始抽放,抽放10 d其抽出率即達(dá)到了19.5%,90 d后其抽出率達(dá)到48.6%,其殘余瓦斯含量為7.45 m3/t,3個(gè)區(qū)段的殘余瓦斯含量均低于8 m3/t,消除了措施范圍內(nèi)煤層的突出危險(xiǎn)性。

4 結(jié)論

采用穿層鉆孔聚能爆破后,實(shí)現(xiàn)了煤層增透卸壓,提高了瓦斯抽放效果:鉆孔抽放濃度均有不同程度的增加,其中爆破孔周?chē)@孔抽放瓦斯?jié)舛壬仙?～5倍范圍內(nèi);爆破孔周?chē)后w透氣性系數(shù)提高了487倍;煤層變得易于抽放,抽放90 d可使煤層殘余瓦斯含量降至8 m3/t以下,消除煤層突出危險(xiǎn)性。