汪開旺

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室)

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高壓空氣爆破影響半徑研究*

汪開旺1,2

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室)

摘要為了確定高壓空氣爆破施工時爆破孔間距的大小，需要考察高壓空氣爆破影響半徑。以丁集礦西一13-1軌道大巷聯(lián)巷為試驗點，通過在13-1煤層實施高壓空氣爆破，統(tǒng)計各考察鉆孔在爆破前后瓦斯涌出量數(shù)據(jù)，并對結(jié)果進行分析，從而得出高壓空氣爆破影響半徑。結(jié)果表明，最佳影響半徑為2.5 m，爆破影響范圍為5 m。

關鍵詞低透氣性高壓空氣爆破煤層增透影響半徑

目前，世界各主要產(chǎn)煤國均把抽采煤層氣作為防止瓦斯事故及開發(fā)新能源的有效技術(shù)措施。通過各種技術(shù)手段人為強制溝通煤層內(nèi)的原有裂隙網(wǎng)絡或產(chǎn)生新的裂隙網(wǎng)絡，使煤層透氣性增加[1-4]，以此提高低透氣性煤層氣的抽采量，同時也可防止煤礦瓦斯事故的發(fā)生。在歷年研究中，國內(nèi)外提出了交叉鉆孔、超前鉆孔、深孔松動爆破和深孔控制爆破、密集鉆孔、大直徑鉆孔、水力沖孔、水力割縫、加沙致裂預抽、地面井抽采等強化抽采瓦斯技術(shù)[5-11]，并研制應用了相配套的設備器材，進行強化抽采煤層氣，取得一定的效果。

雖然國內(nèi)外的科研人員提出了各種各樣的技術(shù)和方法增加煤層透氣性，提高瓦斯抽放性，但這些方法多數(shù)存在鉆孔工程量大、工序復雜、投入高、有效影響范圍小、抽采時間長等問題。因此，提出一種新的低透氣性煤層增透方法——高壓空氣爆破致裂增透技術(shù)[12-13]，相比較而言，利用高壓空氣進行爆破較利用炸藥進行的深孔預裂爆破增透技術(shù)具有無火藥爆炸火焰、安全隱患少、不會破壞煤層頂?shù)装宓膬?yōu)點。同時，有些煤巖體遇水易膨脹，無法進行水力化增滲措施，就需要引進氣體化技術(shù)措施。高壓空氣爆破影響半徑的確定則是爆破鉆孔施工參數(shù)的重要內(nèi)容，用以指導抽采鉆孔的布置。

1高壓空氣爆破增透技術(shù)

利用高壓空氣加壓泵站對井下巷道過濾后的空氣進行加壓，然后通過高壓管路將高壓空氣輸送至高壓空氣釋放裝置，當空氣壓力達到試驗所需壓力值(如50 MPa)時，開啟爆破閥，高壓空氣突然釋放，形成高壓空氣沖擊波，爆破沖擊煤體。利用高壓空氣沖擊波為動力源，通過噴射嘴沖擊切割鉆孔周圍的煤體，使其逐漸破碎脫離孔壁，經(jīng)過多次沖擊，煤體內(nèi)形成大小不一、相互連通孔洞網(wǎng)絡，利用這些孔洞使鉆孔周圍遠處的煤體形成卸壓、膨脹，煤體空隙增大，實現(xiàn)爆破增透的目的；同時利用高壓空氣沖擊波為動力源，借助煤層控制鉆孔所形成的自由面，通過噴嘴沿煤層對鉆孔內(nèi)煤體瞬間沖擊，使沖擊鉆孔與控制鉆孔之間的煤體震動，產(chǎn)生位移或裂隙，達到瓦斯抽采增效的目的。

2高壓空氣爆破試驗

高壓空氣爆破壓力為100 MPa以下，遠小于炸藥爆破時的壓力，其影響半徑也不同于炸藥爆破[14-15]，因此，需要通過試驗考察其爆破影響半徑，以指導煤礦現(xiàn)場實際應用。

2.1試驗地點概況

試驗選擇在丁集礦西一13-1軌道大巷聯(lián)巷，試驗煤層為13-1煤層。丁集礦13-1煤層為突出危險煤層，礦方實測瓦斯壓力為1.6 MPa，瓦斯含量為6.11 m3/t；煤層松軟，透氣性系數(shù)為0.011 12 m2/(MPa2·d)，透氣性差。

可采煤層頂?shù)装逡话阋阅鄮r、砂質(zhì)泥巖為主，厚度小，抗壓強度為19.60～58.70 MPa，單向抗拉強度為1.04～2.21 MPa，易坍塌冒落。粉砂巖平均抗壓強度為72.34 MPa，單向抗拉強度為0.63～4.60 MPa，砂泥巖互層抗壓強度為48.90～82.50 MPa。13-1煤頂板砂巖抗壓強度為37.0～131.1 MPa，單向抗拉強度為1.20～4.93 MPa，巖性較為致密堅硬，強度較高，不易坍落。頂?shù)装骞こ塘W性質(zhì)均屬不穩(wěn)定～穩(wěn)定。礦床工程地質(zhì)條件為中等。

2.2鉆孔參數(shù)

在試驗巷道布置1#爆破鉆孔，在其兩側(cè)不等距布置2#～7#考察鉆孔，要求6個鉆孔基本同時完成布置，立即封孔。2#～7#鉆孔用φ94 mm鉆頭一次性鉆透煤層見頂0.5 m，完孔后下2寸管封孔，安裝鉆孔專用接頭，自然排放瓦斯，用多級流量計測量鉆孔瓦斯流量。1#爆破孔先用φ94 mm鉆頭開孔，然后用φ135 mm鉆頭擴孔5 m，完孔后下φ108 mm管封孔5 m，安裝爆破鉆孔專用接頭，最后用φ94 mm鉆頭一次性鉆透煤層見頂0.5 m。爆破完成后，將孔口封死。鉆孔布置及參數(shù)見圖1、表1。

圖1　鉆孔布置

鉆孔類別孔號方位角/(°)傾角/(°)孔徑/mm見煤深度/m煤孔長度/m備注爆破孔1#1355095223爆破后封孔考察孔2#1355095213自然排放3#1355095213自然排放4#135509522.53自然排放5#135509519.73.1自然排放6#1355095213自然排放7#135509521.42.6自然排放

2.3現(xiàn)場測定

試驗采用單點爆破釋放裝置，爆破壓力為50 MPa。測定各考察鉆孔的瓦斯涌出量Qi(t),然后進行對比分析，獲得高壓空氣爆破影響半徑及增透影響范圍。爆破前后2#～7#鉆孔瓦斯涌出量變化情況見表2、圖2、圖3。

表2　爆破前后2#～7#鉆孔瓦斯涌出變化情況

注：爆破后鉆孔瓦斯?jié)舛仁侵笣舛绕椒€(wěn)后值。

對各考察鉆孔瓦斯自然涌出量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)，距離爆破鉆孔2.5 m處考察鉆孔瓦斯流量在高壓空氣爆破后變化率達到最大值，大于2.5 m后考察鉆孔瓦斯流量變化率降低，所以，爆破影響半徑2.5 m為最佳距離，爆破影響范圍為5 m。

圖2　爆破前后鉆孔瓦斯涌出量變化情況

圖3　2#～7#鉆孔爆破后瓦斯涌出變化率

3結(jié)論

(1)通過高壓空氣爆破試驗，證明高壓空氣爆破技術(shù)應用于煤層增透不僅在理論上是可行的，而且在試驗時能產(chǎn)生很大的效果，可以較大幅度增加鉆場瓦斯涌出量。

(2)通過丁集煤礦不等距考察鉆孔瓦斯自然涌出量試驗得出，在實施單點爆破，爆破壓力為50 MPa時，爆破影響半徑2.5 m為最佳距離，爆破影響范圍為5 m。實施高壓空氣爆破增透技術(shù)可以增加鉆孔間距，減少抽采鉆孔布置數(shù)量，降低生產(chǎn)成本，同時提高煤層氣產(chǎn)量。

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(收稿日期2015-11-17)

*國家“十二五”大型油氣田及煤層氣開發(fā)科技重大專項(編號：2011ZX05041-003)。

汪開旺(1985—)，男，助理研究員，碩士，110016 遼寧省沈陽市沈河區(qū)東濱河路108號。