申宇鵬

(西山煤電股份公司 鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203)

本文通過(guò)理論分析、數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析了高瓦斯低透氣煤層瓦斯自然排放半徑、瓦斯抽放半徑、瓦斯放散指數(shù)、煤的堅(jiān)固系數(shù)和巷道周圍松動(dòng)范圍等基礎(chǔ)參數(shù)。根據(jù)巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)、變形特征和靜壓條件下巷道支護(hù)彈塑性狀態(tài)圈模型，采用商用ANSY軟件強(qiáng)大的有限元分析功能，系統(tǒng)研究了爆破孔與導(dǎo)向孔之間應(yīng)力狀態(tài)分布、爆破孔間距、爆破孔孔徑和裝藥耦合系數(shù)對(duì)卸壓增透的影響。采用六點(diǎn)差分法建立有限差分方程式，利用鉆孔瓦斯流動(dòng)模型的計(jì)算軟件，模擬了抽放鉆孔周圍煤層瓦斯流動(dòng)狀況和鉆孔周圍煤層瓦斯壓力與孔壁距離、抽放時(shí)間之間的關(guān)系，為深孔松動(dòng)預(yù)裂爆破技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施和監(jiān)測(cè)提供了有力的技術(shù)保障。提出了一種低透氣性高瓦斯煤層瓦斯治理的新方法，即先卸壓增透后抽放的方法，形成了卸壓增透、瓦斯抽放、邊抽邊掘的瓦斯突出和超限的綜合防治體系，形成了一套煤巷掘進(jìn)工作面采用深孔松動(dòng)預(yù)裂爆破施工工藝和安全技術(shù)措施，取得了較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1 問(wèn)題提出

高瓦斯礦區(qū)隨著礦井開(kāi)采范圍的不斷擴(kuò)大，開(kāi)采深度的增加，煤與瓦斯突出成為威脅礦井安全生產(chǎn)的主要因素之一。統(tǒng)計(jì)表明，煤層內(nèi)采掘工作面的突出次數(shù)最多，占突出次數(shù)的94%?！懊号c瓦斯突出防治細(xì)則”規(guī)定，在煤與瓦斯突出煤層中施工，必須采用“四位一體”的防突措施，其中采取的防突措施合理與否，不僅影響煤層防突效果的好壞，而且對(duì)煤巷掘進(jìn)效率產(chǎn)生直接的影響。如淮南礦區(qū)C13煤層屬于低透氣性突出危險(xiǎn)煤層，煤巷掘進(jìn)過(guò)程中過(guò)去一般采用超前卸壓鉆孔排放或順層鉆孔抽放。實(shí)踐表明，不僅效果不明顯，而且由于掘進(jìn)與抽排瓦斯矛盾突出，不適應(yīng)高產(chǎn)高效的生產(chǎn)方式，制約了煤巷掘進(jìn)生產(chǎn)效率的提高。本文探討了采用深孔預(yù)裂控制松動(dòng)爆破結(jié)合巷旁走向鉆孔抽排瓦斯技術(shù)，有效地降低或消除煤巷掘進(jìn)過(guò)程中煤與瓦斯突出，取得了較好的效果，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2 試驗(yàn)區(qū)域瓦斯地質(zhì)概況

試驗(yàn)掘進(jìn)巷道為某礦550西一采區(qū)煤巷工作面下順槽，水平標(biāo)高550 m，煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，小斷層較多，上階段煤層正在回采，本階段煤層未掘進(jìn)，煤層厚度4．58 ～6．34 m，平均 4．45 m，采用沿頂掘進(jìn)，煤層傾角 6°～27°，平均 16°。屬于半亮—光亮型煤層。

該區(qū)段煤層屬高瓦斯煤層，煤層瓦斯含量為8～10 m3/t，有自東向西增加的趨勢(shì)，并且有突出危險(xiǎn)性，煤層透氣性低，其原始透氣性系數(shù)僅為1．135×10－2m2/(MPa．d)。煤塵有爆炸危險(xiǎn)性，其爆炸指數(shù)為33．3%;煤層有自燃發(fā)火危險(xiǎn)性，自燃發(fā)火期3～6個(gè)月，地溫22℃ ～23℃，地壓較大。

3 控制松動(dòng)爆破作用

含瓦斯煤體中進(jìn)行深孔控制預(yù)裂爆破既不同于普通預(yù)裂爆破又不同于松動(dòng)爆破，其目的是為了增加煤體的裂縫長(zhǎng)度和范圍，以提高爆破煤體的透氣性，因此，它不僅要求在相鄰孔間連線方向形成貫穿裂縫，而且要求其它方向盡可能多地產(chǎn)生裂隙，使煤體內(nèi)形成以炮孔為中心相互連通的裂隙網(wǎng)，為此在爆破孔周圍增加輔助自由面—控制孔。

深孔控制松動(dòng)爆破是在工作面前方存在一定卸壓煤體防護(hù)下，在前方引爆幾個(gè)深孔炮眼形成煤體松動(dòng)爆破，其中控制孔(不裝藥)在爆破過(guò)程中起到控制爆破方向與補(bǔ)償爆破裂縫空間作用。爆破后，炮眼周圍煤體的破裂與松動(dòng)形成卸壓圈，從而使煤層透氣性系數(shù)大大增加。這樣，一方面，使煤體瓦斯得以緩慢排放、瓦斯含量減少、瓦斯壓力下降，同時(shí)，提高了煤體的堅(jiān)固性;另一方面，使煤體原集中應(yīng)力帶及高壓瓦斯帶移向煤體深部，這樣有利于消除煤質(zhì)因軟硬不均而引起的應(yīng)力集中，及由于地質(zhì)構(gòu)造引起的應(yīng)力集中，降低煤體瓦斯壓力梯度和應(yīng)力梯度，有利于防止煤與瓦斯突出的發(fā)生和發(fā)展，為工作面掘進(jìn)創(chuàng)造較長(zhǎng)的安全區(qū)和保護(hù)區(qū)。另外，由于深孔預(yù)裂爆破使工作面前方一定范圍煤體裂隙增大，增加了煤體透氣性，可以提高低透氣性煤層工作面巷旁走向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽放率，實(shí)現(xiàn)煤巷掘進(jìn)快速掘進(jìn)。

4 具體施工工藝

4．1 深孔預(yù)裂控制松動(dòng)爆破

4．1．1 深孔預(yù)裂控制爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

1)爆破孔和控制孔孔徑。

由理論分析可知，爆破孔徑越大，裝藥量越多，爆破能量越大，導(dǎo)向及補(bǔ)償作用越顯著，因而，越有利于裂隙的形成和發(fā)展。但模擬計(jì)算和類似礦井條件經(jīng)驗(yàn)可知，隨著爆破孔孔徑的增大，透氣性系數(shù)提高，但不成正比例，當(dāng)孔徑達(dá)到一定值后，透氣性系數(shù)提高的幅度隨著爆破孔孔徑的增大而逐漸減少，說(shuō)明單純?cè)龃蟊瓶卓讖絹?lái)提高透氣性效果有限，一般爆破孔徑在42～75 mm較為合理，取d42 mm。

對(duì)于控制孔，在爆破孔與控制孔的水平線上，煤體受拉應(yīng)力，當(dāng)爆炸應(yīng)力一定時(shí)，隨著控制孔孔徑的增大，其所受拉應(yīng)力以四次冪級(jí)數(shù)增加，即隨控制孔孔徑增大，對(duì)裂隙的形成和擴(kuò)展越有利，由于受打鉆設(shè)備和工藝安全等因素的限制，增大孔徑會(huì)帶來(lái)諸多不利因素，根據(jù)實(shí)際條件，選擇控制孔孔徑為d50 mm。

2)爆破孔控制孔間距。

當(dāng)煤層條件一定時(shí)，孔間距的大小應(yīng)與爆破孔和控制孔的直徑相匹配，在一個(gè)較合理的范圍內(nèi)，才有利于裂隙的形成和發(fā)展，有利于提高煤層的透氣性。理論計(jì)算結(jié)果分析表明，合理的孔間距應(yīng)不大于1 m，結(jié)合實(shí)際情況確定爆破孔和控制孔之間的距離為600 mm。

3)爆破孔和控制孔個(gè)數(shù)。

炸藥在無(wú)限介質(zhì)中爆炸，由于爆炸產(chǎn)生的高溫高壓爆生氣體使介質(zhì)周圍產(chǎn)生粉碎、松動(dòng)和裂隙彈性震動(dòng)，其影響范圍達(dá)到裝藥半徑的數(shù)倍，而松動(dòng)裂隙區(qū)煤巖松動(dòng)，產(chǎn)生徑向、縱向裂隙，其范圍達(dá)到更遠(yuǎn)的區(qū)域。

根據(jù)西一采區(qū)掘進(jìn)工作面煤層地質(zhì)、采礦條件及巷道斷面布置瀟合煤層的瓦斯賦存情況，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)煤層條件下，綜合考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工及爆破孔松動(dòng)半徑的測(cè)定結(jié)果等因素，確定掘進(jìn)工作面布置爆破孔3個(gè)，控制孔5個(gè)。

工作面鉆孔布置示意圖見(jiàn)圖1，鉆孔布置參數(shù)見(jiàn)表1，掘進(jìn)距3．0 m，超前距5．0 m。

圖1 工作面鉆孔布置示意圖

4．1．2 施工工藝

1)鉆孔。

考慮西一采區(qū)下順槽掘進(jìn)工作面的實(shí)際條件，采用煤電鉆施工，同時(shí)根據(jù)爆破孔和控制孔孔徑的要求對(duì)鉆頭直徑進(jìn)行改造。要求在f＜0．3條件下，使成孔率達(dá)80%以上，保證鉆孔方向滿足設(shè)要求。

表1 深孔松動(dòng)控制爆破鉆孔布置參數(shù)表

2)裝藥結(jié)構(gòu)和裝藥工藝。

鉆孔完孔后，裝藥前對(duì)爆破孔用壓氣仔細(xì)吹凈鉆孔內(nèi)鉆粉。為了提高炮孔利用率、爆破效果和裝藥速度，采用特制藥卷，正向起爆的裝藥結(jié)構(gòu)，如圖2所示。每個(gè)爆破孔中放雷管2個(gè)，采用串聯(lián)起爆，雷管腳線用特制塑料電線加長(zhǎng)，以防止瞎炮，炸藥卷用活節(jié)木炮棍送入孔底。

圖2 爆破孔裝藥結(jié)構(gòu)圖

3)封孔工藝。

對(duì)爆破孔，兩段藥卷之間及第二段藥卷后部裝入不少于0．5m的水炮泥，水炮泥外充填長(zhǎng)度不小于2m的略潮的黃泥，并封嚴(yán)實(shí)。

對(duì)控制孔，孔口用適量的水炮泥和黃泥封孔，放炮后最好能及時(shí)處理掉封孔煤泥，以利于排放煤層瓦斯。

4．2 巷旁鉆孔抽排瓦斯

巷旁走向鉆孔抽排瓦斯的作用主要是對(duì)深孔預(yù)裂控制松動(dòng)爆破措施的補(bǔ)充和加強(qiáng)，充分利用預(yù)裂控制松動(dòng)爆破對(duì)煤體產(chǎn)生的裂隙，提高煤層瓦斯抽放率;另外，在煤巷掘進(jìn)過(guò)程中起到輔助探煤的作用。為了利用松動(dòng)爆破使煤體透氣增大的特點(diǎn)，增加本煤層卸壓抽排瓦斯量，又盡可能減少鉆孔工程量，在煤巷兩旁分別布置鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)間距40 m，鉆場(chǎng)之間的壓岔距離為10 m，每個(gè)鉆場(chǎng)布置4個(gè)鉆孔，見(jiàn)圖3，鉆孔布置參數(shù)見(jiàn)表2。

圖3 巷旁瓦斯抽放鉆場(chǎng)及鉆孔布置示意圖

表2 巷旁鉆場(chǎng)鉆孔布里參數(shù)

5 結(jié)論及分析

5．1 煤巷瓦斯涌出趨于均勻

高瓦斯低透氣性煤層掘進(jìn)工作面，往往在放炮瞬間會(huì)使煤層瓦斯突然大量涌出，造成工作面瓦斯?jié)舛瘸?，?duì)掘進(jìn)工作面安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。采取上述綜合措施后，由于爆破產(chǎn)生裂隙及集中應(yīng)力帶前移，工作面前方煤體透氣性系數(shù)增大，使放炮前煤體預(yù)排瓦斯量大大增加，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定結(jié)果表明，工作面瓦斯涌出均勻，炮后瓦斯超限基本消除。

5．2 煤層突出危險(xiǎn)性大大降低

由于煤體瓦斯含量降低，煤體的機(jī)械強(qiáng)度可以增高約1．2～1．56倍，煤的瓦斯放散初速度可以降低約1．13 ～1．43 倍。

5．3 巷旁鉆孔瓦斯抽放量增加

采取了深孔預(yù)裂控制松動(dòng)爆破后，工作面前方煤體裂隙增大，使掘進(jìn)工作面前方卸壓煤體中鉆孔瓦斯抽排量大大增加，與采取該措施前相比抽排瓦斯量提高20%～30%。但由于在煤層中的封孔困難，封孔質(zhì)量較難保證，抽放瓦斯?jié)舛容^低。

5．4 提高生產(chǎn)效率

實(shí)施深孔預(yù)裂控制松動(dòng)爆破技術(shù)結(jié)合巷旁走向長(zhǎng)鉆孔抽排瓦斯綜合措施以前，該突出危險(xiǎn)煤層掘進(jìn)工作面掘進(jìn)過(guò)程中，主要采用超前鉆孔排放瓦斯或掘進(jìn)面超前預(yù)抽。一個(gè)完整循環(huán)至少需要2～4天，每天平均進(jìn)度約1．0 m，月進(jìn)尺約20～30 m。

實(shí)施上述綜合技術(shù)措施以后，其作用機(jī)理和作業(yè)循環(huán)如前所述，由于優(yōu)化了作業(yè)程序，正常情況下，一個(gè)小班能完成爆破孔和控制孔的打鉆、裝藥、封孔和爆破整個(gè)過(guò)程，這樣可以實(shí)現(xiàn)每天平均進(jìn)度約3．0 m，月進(jìn)尺達(dá)80～90 m，大大提高了生產(chǎn)效率。

［1］ 劉吉昌．礦井設(shè)計(jì)指南［M］．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版，1994：85－103．

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