孫維麗，楊貴儒，黃 濤

（1.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順113122；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；3.國家能源集團新疆能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊830011；4.新疆昌吉市屯寶礦業(yè)有限責任公司，新疆 昌吉831100）

國內(nèi)外專家學者對煤礦沖擊地壓機制的多年研究[1-8]表明，沖擊地壓的發(fā)生與煤層的沖擊傾向性、礦井的地質(zhì)構(gòu)造和地應力環(huán)境特征等因素有著密切的關(guān)系，尤其是堅硬厚層頂板條件下，沖擊地壓危險程度較高[5]。為解決這一問題，深孔斷頂爆破是處理堅硬頂板沖擊地壓最有效的方法之一[5-8]。根據(jù)礦井實際情況，深孔斷頂爆破一般采用一級至三級煤礦許用炸藥，炸藥爆破產(chǎn)生大量高體積分數(shù)CO 等有害氣體[9-11]，導致含有炮煙風流流經(jīng)區(qū)域CO 等有害氣體體積分數(shù)超限，這將嚴重干擾開采容易自燃或自燃煤層礦井的內(nèi)因火災預測預報。以往學者們多從定性角度分析了井下爆破作業(yè)后CO 產(chǎn)生的原因，并提出了一些防治的辦法[12-14]，也有學者通過定量分析了爆破后產(chǎn)生的CO 排放所需風量及時間，并給出了計算方法[15-17]，但深孔斷頂爆破后，由于煤層對CO 氣體存在吸附作用[17-18]，且爆破致裂后的煤巖體內(nèi)存在空隙，導致爆破產(chǎn)生的CO 等有害氣體，一部分隨風流排出，還有一部分將積存或吸附于爆破致裂的煤巖體內(nèi)，并在礦井之后的采掘活動中持續(xù)釋放，從而干擾礦井的自然發(fā)火防治及安全生產(chǎn)。

新疆神華寬溝煤礦為高瓦斯礦井，所采B2 煤層頂板為堅硬巨厚的砂巖，煤層開采后不易垮冒，導致礦井沖擊地壓災害較為嚴重，超前深孔斷頂爆破是礦井采取的日常主要沖擊地壓災害防治措施之一，但爆破后，產(chǎn)生的高體積分數(shù)CO 等有害氣體被吸附于爆破致裂的煤巖體內(nèi)而緩慢釋放，導致工作面煤層瓦斯預抽鉆孔內(nèi)長期存在較高體積分數(shù)的CO 氣體，嚴重干擾了礦井日常自然發(fā)火預警及防治工作。因此，通過分析深孔斷頂爆破炸藥用量、瓦斯預抽管路內(nèi)的CO 氣體體積分數(shù)、抽放流量等參數(shù)，計算爆破導致的煤層CO 氣體涌出量及排放時間。

1 礦井概況及工藝現(xiàn)狀

1.1 礦井概況

新疆寬溝煤礦主要開采B2 煤層，，B2 煤層為穩(wěn)定性特厚煤層，煤層走向104°～110°，傾向14°～20°，傾角12°～14°。煤層厚度穩(wěn)定，平均11.8 m，含矸0～2 層，結(jié)構(gòu)簡單。煤類屬特低-低中灰分、特低硫、特低-中磷、高發(fā)熱量的31 號不黏煤。B2 煤層基本頂為堅硬的粉砂巖、中砂巖，平均厚度19.6 m，不易垮冒，煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Roof and floor condition of coal seam

根據(jù)2012 年由北京煤科總院對寬溝煤礦B2 煤層進行沖擊傾向性鑒定和地應力測試，鑒定結(jié)果B2煤層具有弱沖擊傾向性，頂板有強沖擊危險性。

1.2 超前深孔斷頂爆破工藝

B2 煤層采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤采煤工藝，工作面斜長為200 m，機采高度3.2 m，放煤高度9.5 m 左右，日推進速度約1.2 m 左右，全部垮落法管理采空區(qū)，工作面采用全風壓通風方式，配風量為1 410 m3/min。工作面布置回風巷、上運輸巷和中部工藝巷共3 條巷道，工藝巷為深孔切頂爆破專用巷。

在工作面上運輸巷和工藝巷內(nèi)均進行深孔斷頂爆破，其工藝為：工藝巷超前工作面50 m、上運輸巷內(nèi)超前工作面10 m，采用全液壓坑道鉆機施工深孔斷頂爆破鉆孔，采用φ94 mm 合金鋼鉆頭施工爆破炮孔，每10 m 施工1 組；其中上運輸巷每組鉆孔各3 個，工藝巷內(nèi)每組鉆孔8 個，鉆孔終孔超過煤巖交界面。爆破采用三級煤礦許用乳化炸藥，炸藥填裝結(jié)束點控制在煤層頂板上方4 m 以上，不同位置深孔斷頂爆破鉆孔裝藥量統(tǒng)計表見表2。深孔斷頂爆破炮孔布置示意圖如圖1。

表2 不同位置深孔斷頂爆破鉆孔裝藥量統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of hole charge for deep hole broken-top blasting at different positions

深孔斷頂爆破時封孔長度大于孔深的30%，采用黃土和水泥錨固劑聯(lián)合封孔。同組炮孔必須在全部施工完畢后，進行一次性裝藥并立即起爆，上運輸巷炮孔嚴禁同時起爆，同組炮孔采用孔內(nèi)并聯(lián)孔外串聯(lián)的爆破方式一次爆破。工藝巷超前深孔斷頂爆破為間隔50 m 爆破1 次，1 次5 組，工作面前方200 m 區(qū)域為深孔預裂已爆破區(qū)域；上、運輸巷超前深孔斷頂爆破均為間隔10 m 爆破1 次。

2 深孔斷頂爆破產(chǎn)生CO 氣體測算

圖1 深孔斷頂爆破炮孔布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of blasting hole arrangement in deep hole top-breaking blasting

由于工作面上運輸巷深孔切頂爆破作業(yè)時，與工作面后部采空區(qū)約10 m，此區(qū)域內(nèi)煤層瓦斯預抽鉆孔早已斷開，因此不會影響瓦斯預抽鉆孔內(nèi)CO氣體的體積分數(shù)，而工藝巷超前深孔斷頂爆破與工作面距離較遠，工作面前方200 m 范圍均為深孔斷頂爆破區(qū)，該區(qū)域內(nèi)煤層瓦斯預抽鉆孔仍在持續(xù)抽放，且抽放負壓較大，在抽放負壓作用下，斷頂爆破后殘存或吸附于破裂煤巖體內(nèi)的CO 氣體向瓦斯預抽鉆孔方向運移，并通過抽放鉆孔進入礦井瓦斯抽放管路內(nèi)，因此瓦斯預抽鉆孔內(nèi)CO 體積分數(shù)主要受到工作面前方工藝巷超前深孔斷頂爆破影響。

爆破產(chǎn)生的有害氣體主要為CO 和氮氧化物，CO 占絕大多數(shù)，氮氧化物量相比CO 量很小，幾可忽略不計，但其毒性是CO 的6.5 倍[9-10]。有害氣體體積分數(shù)與炸藥使用量直接有關(guān)[16]，如炸藥爆破后產(chǎn)生的有害氣體全部為CO，則CO 氣體產(chǎn)生量QCO為：

式中：QCO為炸藥產(chǎn)生的CO 氣體總量，m3；M 為炸藥使用量，kg；b 為單位炸藥爆破后產(chǎn)生的CO 氣體量，GB 18095—2000《乳化炸藥》標準要求炸藥爆炸后有毒氣體含量≤80 L/kg。

2019 年1 月13 日、1 月26 日及3 月8 日，礦井分別進行了工藝巷超前深孔斷頂爆破頂板預裂，每次爆破所用炸藥量約在5 500 kg 左右，假設(shè)爆破產(chǎn)生的有害氣體產(chǎn)生的炮煙全部排入工作面風流內(nèi)，則一次爆破產(chǎn)生的CO 總量為440 m3，排入風流后其體積分數(shù)應不超過0.312%，是《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的0.002 4%的允許體積分數(shù)的13 000 倍。

實際條件下，深孔爆破后炮煙并不能瞬間排入礦井風流內(nèi)，其存在一定的排放時間。通過調(diào)取工作面回風巷口附近距離分風口10～15 m 的CO 傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在進行深孔斷頂爆破后極短時間內(nèi)，爆破產(chǎn)生的CO 等氣體快速釋放入工作面風流內(nèi)，含有炮煙風流內(nèi)的CO 體積分數(shù)短時間內(nèi)大幅陡升，體積分數(shù)快速超過24×10-6，甚至持續(xù)較長時間超過CO 傳感器的最大檢出限（1 000×10-6）并維持一段時間后，CO 體積分數(shù)又迅速下降至24×10-6以下，并最終檢測不到。超前深孔斷頂爆破后回風流內(nèi)CO 傳感器CO 體積分數(shù)隨時間變化曲線圖如圖2。

圖2 超前深孔斷頂爆破后回風流內(nèi)CO 傳感器CO 體積分數(shù)隨時間變化曲線圖Fig.2 Time-dependent curves of CO concentration of CO sensor in return air flow after advanced deep-hole broken roof blasting

由圖2 可知，深孔斷頂爆破后，CO 氣體從鉆孔迅速排出進入工作面風流內(nèi)，其排放時間約在1 h左右，這說明爆破后，鉆孔排出的CO 氣體對工作面風流內(nèi)CO 等自然發(fā)火標志氣體的影響是暫時性的。但由于CO 氣體體積分數(shù)已超過CO 傳感器的上限檢測體積分數(shù)，因此無法計算出爆破后短期排入工作面風流內(nèi)由爆破產(chǎn)生的CO 氣體量。

3 煤層內(nèi)積存或吸附的爆破產(chǎn)生CO 實測

在爆破后，工作面上運輸巷瓦斯預抽鉆孔內(nèi)CO體積分數(shù)也迅速上升，通過在工作面前方200 m 范圍瓦斯預抽管路上安設(shè)瓦斯管道多種氣體檢測儀，爆破前1 d 安設(shè)好后開始監(jiān)測，爆破后瓦斯預抽管路內(nèi)的CO 氣體體積分數(shù)回復至爆破前體積分數(shù)后停止監(jiān)測，為分析數(shù)據(jù)方便，將每天監(jiān)測結(jié)果取平均值，分別得到的煤層瓦斯預抽管路內(nèi)CO 體積分數(shù)平均值隨時間變化曲線圖如圖3。

圖3 煤層瓦斯預抽管路內(nèi)CO 體積分數(shù)平均值隨時間變化曲線圖Fig.3 Time-varying curves of average CO concentration in coal seam gas pre-drainage pipeline

從圖3 可以看出，深孔斷頂爆破后，上運輸巷瓦斯預抽抽放管內(nèi)CO 體積分數(shù)爆破當天即開始迅速升高，之后隨時間的延長，鉆孔內(nèi)CO 的體積分數(shù)逐漸降低，CO 排放時長在7～9 d 左右。這說明爆破后，吸附或積存于破碎煤巖體內(nèi)的CO 氣體，對預抽鉆孔內(nèi)CO 氣體體積分數(shù)的影響時間較長，對工作面自然發(fā)火防治將產(chǎn)生非常不利的影響。

對瓦斯預抽鉆孔內(nèi)CO 體積分數(shù)進行統(tǒng)計的同時，對瓦斯抽放流量也進行了統(tǒng)計，煤層瓦斯預抽管路瓦斯抽放流量統(tǒng)計圖如圖4。

圖4 煤層瓦斯預抽管路瓦斯抽放流量統(tǒng)計圖Fig.4 Statistics of gas drainage flow in coal seam gas pre-drainage pipeline

不考慮常溫下煤氧復合反應生成的CO 氣體，則可利用下式可計算出由于爆破導致的CO 氣體涌出速率：

將統(tǒng)計出的瓦斯抽放管路內(nèi)的瓦斯抽放流量和CO 體積分數(shù)代入式（2），可計算出由于爆破導致的CO 氣體涌出速度，爆破導致的煤層CO 涌出速度統(tǒng)計圖如圖5。

圖5 爆破導致的煤層CO 涌出速度統(tǒng)計圖Fig.5 Statistical Diagram of CO emission velocity in coal seam caused by blasting

從圖5 可以看出，爆破導致的煤層CO 氣體涌出流量平均為0.002 6 m3/min，爆破后煤層內(nèi)CO 涌出速度與抽放時間有關(guān)，抽放時間越長，CO 涌出速度越小，抽放管路內(nèi)CO 體積分數(shù)越低，這也說明了瓦斯預抽管路內(nèi)的CO 氣體并非是隨著抽放工作的開展而由煤氧化產(chǎn)生的，而是由于爆破后產(chǎn)生積存或吸附于破裂煤體內(nèi)的。

4 深孔斷頂爆破CO 不同排放方式分析

根據(jù)對煤層瓦斯預抽管路內(nèi)CO 體積分數(shù)及瓦斯抽放流量的統(tǒng)計可計算出由瓦斯抽放系統(tǒng)排出的爆破產(chǎn)生的CO 氣體量，可用下式計算：

將每天的統(tǒng)計結(jié)果代入式（3），并進行累加可得到3 次深孔斷頂爆破后，經(jīng)由煤層瓦斯預抽管路排出的CO 總量分別為40、74、79 m3，平均為64 m3，分別占到爆破產(chǎn)生的CO 總量的9%、17%、18%，平均15%。因此，深孔斷頂爆破后75%左右產(chǎn)生的CO 將在爆破后1 h 的短時間內(nèi)大量排入工作面風流內(nèi)，15%的CO 仍將積存或吸附于破裂的煤巖體內(nèi)，并在7～9 d 內(nèi)隨瓦斯預抽排出。

5 結(jié) 論

1）深孔斷頂爆破后產(chǎn)生大量CO 氣體，如全部瞬間排入礦井風流內(nèi)，風流內(nèi)CO 的體積分數(shù)將是《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的0.002 4%的允許體積分數(shù)的13 000 倍。

2）深孔斷頂爆破后產(chǎn)生大量CO 氣體，這些氣體中的75%將在1 h 內(nèi)大量排入工作面風流內(nèi)并隨風流排出；剩余的15%將積存或吸附于破裂的煤巖體內(nèi)，并隨瓦斯預抽在7～9 d 內(nèi)逐漸排出。