楊敬軒，于 斌,，匡鐵軍，劉長友，李文龍

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 2.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 大同 037003)

煤礦開采中為解決采場礦壓、無煤柱開采卸壓等問題，采取爆炸壓裂技術(shù)可實(shí)現(xiàn)巖體平面裂縫擴(kuò)展，取得定向爆破效果，有效切斷煤巖高應(yīng)力傳載路徑，減小采場圍巖變形[1-3];低滲透油氣藏開發(fā)難度大，儲層孔隙度小、滲透率低、連通性差，深孔爆炸壓裂實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化裂縫網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，增加了油氣存儲及流動通道，在致密油氣、碳酸巖鹽采礦等方面極具應(yīng)用前景[4-5]?？梢?，無論是為了卸壓還是增透，不論是生成平面型裂縫還是體積型縫網(wǎng)，巖體爆炸壓裂最終就是為了實(shí)現(xiàn)體積壓裂，取得大規(guī)模巖體壓裂體積改造效果[6]。

煤巖深孔爆破具有體積壓裂效果，孔內(nèi)炸藥爆炸瞬間能量密度大，載荷強(qiáng)度高，但強(qiáng)動載作用持續(xù)時(shí)間短，后期破巖動力不足，裂縫擴(kuò)展長度有限，爆破縫網(wǎng)空間小[7];水力壓裂具有持續(xù)的高壓水源動力補(bǔ)給，水力裂縫擴(kuò)展長度大，但裂縫主要以翼型平面擴(kuò)展為主，垂直裂縫平面致裂范圍有限[8];分段水力壓裂技術(shù)，通過縮短孔內(nèi)壓裂段距，提高單孔壓裂密度，取得了巖體近似體積壓裂效果[9-10];液體炸藥爆炸壓裂技術(shù)出現(xiàn)時(shí)間早，在19世紀(jì)60年代國外就開展了液體炸藥工程應(yīng)用嘗試[11-12]，局限于當(dāng)時(shí)炸藥生產(chǎn)、性能和工藝等因素，以及伴隨水力壓裂技術(shù)的推廣應(yīng)用[13-14]，液體炸藥爆炸壓裂研究長時(shí)間擱置。近年來，液體炸藥技術(shù)獲得長足發(fā)展，炸藥性能、用途呈現(xiàn)系列化發(fā)展態(tài)勢，種類達(dá)上百種，組分靈活可配可調(diào)[15-17]。液體炸藥深孔爆炸壓裂技術(shù)的提出，真正實(shí)現(xiàn)了巖石體積壓裂，彌補(bǔ)了深孔爆破縫網(wǎng)空間建設(shè)不足的缺陷，實(shí)現(xiàn)了煤巖體積壓裂由“平面型裂縫”向“規(guī)模化縫網(wǎng)空間”的轉(zhuǎn)變[18]。

重復(fù)爆破是實(shí)現(xiàn)巖體工程體積壓裂的有效途徑。炮孔容易變形破壞，固體炸藥難以二次裝藥，即便能再次裝藥，由于固體炸藥的起爆臨界直徑大，也難以做到炸藥在縫內(nèi)的正常引爆。液體炸藥具有流動性，可以采用泵送方式灌注炸藥，解決了巖體大角度深孔裝藥難題;同時(shí)，液體炸藥起爆臨界直徑小，“鉆入”裂縫內(nèi)能正常引爆[19]。炸藥縫內(nèi)起爆能量直接作用于裂縫壁面，在縫尖集中應(yīng)力導(dǎo)向作用下，裂縫二次動態(tài)起裂、傳播難度低，縫內(nèi)過剩爆能容易激發(fā)裂縫充分?jǐn)U展，利于巖體縫網(wǎng)空間建設(shè)[20-21]。

常規(guī)爆破巖體縫網(wǎng)空間被空氣占據(jù)，空氣介質(zhì)壓縮性強(qiáng)，固體炸藥爆轟能量在縫內(nèi)快速衰減，即便開展單孔二次爆破，巖體裂縫也未必能充分?jǐn)U展;充水承壓爆破技術(shù)，采用難以壓縮的水介質(zhì)，減小了縫內(nèi)傳播路徑上的能量損失，整個(gè)破巖過程趨于靜態(tài)壓裂，但炸藥爆炸作用過程持續(xù)時(shí)間短，縫網(wǎng)再造能力有待進(jìn)一步提高[22-23];液體炸藥爆炸壓裂作為承壓爆破技術(shù)的發(fā)展，縫內(nèi)炸藥爆轟能量持續(xù)供給，復(fù)合單孔重復(fù)爆破技術(shù)，縫內(nèi)破巖載荷強(qiáng)度大、持續(xù)作用時(shí)間長，利于巖體裂縫網(wǎng)絡(luò)建設(shè)[24-25]?？梢姡旱V井下爆破是實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬煤巖深孔預(yù)裂的有效途徑，但在具體工程實(shí)踐中也經(jīng)常遇到一些工藝難題:

(1)大角度深孔裝藥問題。煤礦安全炸藥以乳化、水膠、硝銨炸藥為主，均以固體形式呈現(xiàn)。大角度深孔內(nèi)固體裝藥，藥卷易破皮卡藥、難固定，裝藥深度及裝藥量經(jīng)常難以滿足要求;采用塑料管輔助裝藥，存在藥管固定困難，增加了輔助裝藥工藝流程。

(2)深長鉆孔的封孔問題。鉆孔封孔質(zhì)量決定著深孔爆破效果。普通炮泥較松散，炮泥封堵、固定困難，封孔長度及質(zhì)量受限，炮孔易發(fā)生沖孔現(xiàn)象，降低了炸藥爆炸能量利用率，提高了礦井安全爆破風(fēng)險(xiǎn)。

(3)深孔爆破的起爆問題。煤礦井下常規(guī)爆破選用電雷管起爆，雷管深孔內(nèi)起爆存在拒爆風(fēng)險(xiǎn)，炮孔封孔質(zhì)量越好，孔內(nèi)雷管拒爆處理難度越大。

綜上所述，煤礦井下深孔爆破普遍存在著固體炸藥大角度深孔裝藥、長距離封孔、炸藥安全起爆等問題。采用粉狀硝銨炸藥情況下，孔內(nèi)炸藥爆炸還具有管道效應(yīng)，孔內(nèi)裝藥爆炸不完全，或由爆炸轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，增加了爆破安全隱患。液體炸藥流動性好、起爆臨界直徑小，配合煤礦導(dǎo)爆索起爆安全可靠，較好地解決了巖體工程規(guī)?；w積壓裂、應(yīng)力夾持、長孔濾失及大角度深孔裝藥工藝難題。液體炸藥爆破基于爆炸波和高溫高壓氣體的綜合作用破裂巖體，構(gòu)建裂縫網(wǎng)絡(luò)空間，生成的巖石顆粒自支撐裂縫，改善了地層滲透特性，提高了油氣儲層產(chǎn)量，是一種安全高效、低成本的卸壓、增裂、解堵技術(shù)[26-27]。目前，關(guān)于煤礦用液體炸藥研發(fā)及其在礦井中的應(yīng)用鮮有報(bào)道[28]。這里以三級煤礦許用水膠炸藥配方為基底，率先開展煤礦用液體炸藥研發(fā)工作，結(jié)合大同礦區(qū)云岡煤礦具體條件，實(shí)踐檢驗(yàn)液體炸藥爆破效果，為性能更加優(yōu)越的液體炸藥研發(fā)及煤巖深孔內(nèi)液體炸藥爆破技術(shù)應(yīng)用提供借鑒。

1 煤礦許用型液體炸藥研發(fā)

液體炸藥具有煤巖深孔爆破適用性，目前還尚未見到煤礦用液體炸藥研究報(bào)道。這里以三級煤礦許用水膠炸藥配方為基底[29]，通過除去炸藥組分中的膠凝劑和交聯(lián)劑，改變硝酸甲胺、硝酸銨、硝酸鈉等成分配比，研發(fā)一種新型煤礦用液體炸藥。

1.1 液體炸藥配置條件

(1)實(shí)驗(yàn)儀器。煤礦用液體炸藥配置過程中常用儀器有:恒溫水浴、攪拌器、負(fù)壓真空裝置、電子秤、燒杯、量筒、酸堿度測量儀、玻璃攪拌棒、密度計(jì)、溫度計(jì)等，如圖1所示。

(2)實(shí)驗(yàn)材料。煤礦用液體炸藥配置成分選材主要有:86%的高濃度硝酸甲胺溶液、硝酸銨晶體、硝酸鈉晶體、瓜爾膠、珍珠巖、亞硝酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉表面活性劑等，如圖2所示。

圖1 液體炸藥配置常用儀器Fig.1 Instruments for liquid explosive configuration

圖2 煤礦用液體炸藥配置成分選材Fig.2 Material selection for liquid explosive

1.2 液體炸藥配置方案

1.2.1液體炸藥析晶點(diǎn)溫度控制

礦井正常生產(chǎn)適宜溫度在25～30 ℃，為保證液體炸藥存儲及使用期間穩(wěn)定，不析晶失效，炸藥析晶點(diǎn)溫度至少應(yīng)控制在25 ℃以下。為此，實(shí)驗(yàn)測試炸藥組分及其含量對炸藥析晶點(diǎn)溫度的影響，見表1。

表1 液體炸藥析晶點(diǎn)溫度測試方案Table 1 Test solution for crystallization temperature of liquid explosive

按照1.0 kg煤礦水膠炸藥中的硝酸甲胺質(zhì)量m0(g)標(biāo)準(zhǔn)，稱取適量高濃度硝酸甲胺溶液水浴加熱，直至溶液中的硝酸甲胺晶體完全溶解，測量溶液此時(shí)的溫度和密度，如圖3所示。根據(jù)硝酸甲胺溶液密度和溫度關(guān)系，確定含有硝酸甲胺m0時(shí)的溶液總量m1。

圖3 硝酸甲胺加熱溶解及其溶液密度測試Fig.3 Methylamine nitrate heating dissolution and its solution density test

用3個(gè)燒杯分別盛裝質(zhì)量為m1的高濃度硝酸甲胺溶液，置于恒溫水浴內(nèi)溶解保存，記為1，2，3號，如圖4所示。

圖4 硝酸甲胺溶解及其溶液的恒溫保存Fig.4 Methylamine nitrate dissolution and its isothermal storage

(1)水及硝酸銨對溶液析晶點(diǎn)溫度影響。根據(jù)硝酸甲胺溶液及水膠炸藥的含水量，確定煤礦用液體炸藥配置中的水添加量為m2，分別加入2,3號燒杯中，如圖5所示。

圖5 硝酸甲胺溶液加水稀釋過程Fig.5 Dilution process of methylamine nitrate solution with water

按照煤礦水膠炸藥中的硝酸銨含量標(biāo)準(zhǔn)，量取硝酸銨晶體m3，加入3號燒杯中，攪拌至晶體完全溶解，靜置后的溶液呈現(xiàn)透明狀，如圖6所示。

圖6 溶液中硝酸銨晶體的攪拌溶解Fig.6 Dissolution of ammonium nitrate crystal in solution

標(biāo)定1～3號燒杯試樣分別為1-1，2-1，3-1，待3組溶液試樣溫度降低，燒杯中出現(xiàn)析晶現(xiàn)象時(shí)，測量此時(shí)的溶液溫度，即為溶液析晶點(diǎn)溫度，如圖7所示。

圖7 溶液的析晶現(xiàn)象Fig.7 Crystallization of solution

上述實(shí)驗(yàn)完成后，用量筒量取m2的水加入2號燒杯中;再量取m2水和m3硝酸銨晶體加入3號燒杯中，攪拌至晶體完全溶解。測量此時(shí)2，3號燒杯溶液的析晶點(diǎn)溫度，記為2-2，3-2，如圖8所示。

圖8 溶液析晶點(diǎn)溫度測試Fig.8 Solution crystallization temperature test

繼續(xù)稱取m3硝酸銨晶體加入到3號燒杯溶液中，攪拌至晶體完全溶解，再次測量此時(shí)的溶液析晶點(diǎn)溫度，記為3-3。

實(shí)驗(yàn)測試得到的水及硝酸銨對硝酸甲胺溶液析晶點(diǎn)溫度影響，見表2。

表2 水及硝酸銨對溶液析晶點(diǎn)溫度影響Table 2 Effect of water and ammonium nitrate on the crystallization temperature of solution

實(shí)驗(yàn)測試分析得到，86%的高濃度硝酸甲胺溶液析晶點(diǎn)溫度為34.4 ℃;加入m2的水后，溶液析晶點(diǎn)溫度降到了15.2 ℃;加水2m2的溶液析晶點(diǎn)溫度為14.8 ℃?？梢姡邼舛认跛峒装啡芤合♂尩揭欢ǔ潭群?，溶液析晶點(diǎn)溫度逐漸趨于穩(wěn)定，如圖9所示。

圖9 水對溶液析晶點(diǎn)溫度影響Fig.9 Effect of water on crystallization temperature of solution

液體炸藥中的硝酸甲胺為敏化劑，通常選用硝酸銨和硝酸鈉作為氧化劑配合使用[29]。實(shí)驗(yàn)測試表明，硝酸甲胺溶液析晶點(diǎn)溫度對硝酸銨含量并不敏感。伴隨硝酸銨組分含量的增加，溶液析晶點(diǎn)溫度基本保持在19.3～19.5 ℃，如圖10所示。

圖10 硝酸銨對溶液析晶點(diǎn)溫度影響Fig.10 Effect of ammonium nitrate on crystallization temperature of solution

綜上分析，加水稀釋后的硝酸甲胺溶液析晶點(diǎn)溫度控制在14～15 ℃;添加硝酸銨晶體后的溶液析晶點(diǎn)溫度提高到19 ℃左右，仍保持在煤礦井下適宜溫度區(qū)間。

(2)硝酸鈉對溶液析晶點(diǎn)溫度影響。硝酸甲胺溶液中添加適量硝酸鈉晶體，一方面可作為氧化劑調(diào)節(jié)炸藥組分的氧平衡，另一方面能與溶液中的硝酸銨形成低沸共溶混合物，降低溶液析晶點(diǎn)溫度。以煤礦水膠炸藥中的硝酸鈉質(zhì)量(m4)為基礎(chǔ)，測試分析含有(0.3～1.0)m4硝酸鈉對硝酸甲胺溶液析晶點(diǎn)溫度影響，如圖11所示。

圖11 不同硝酸鈉含量對應(yīng)的溶液析晶情況Fig.11 Crystallization of solution corresponding to different sodium nitrate content

以試樣溶液3-1配置組分為基底，將0.3m4的硝酸鈉晶體加入溶液中攪拌至完全溶解，測試溶液析晶點(diǎn)溫度，記為4-1;再加入0.2m4硝酸鈉晶體攪拌溶解，測試溶液析晶點(diǎn)溫度記為4-2;依此步驟，逐步完成硝酸鈉含量(0.65～1.00)m4條件下的溶液析晶點(diǎn)溫度測試工作，記為4-3～4-5。得到的硝酸鈉含量對溶液析晶點(diǎn)溫度影響，見表3。

表3 不同含量硝酸鈉對應(yīng)的溶液析晶點(diǎn)溫度Table 3 Crystallization temperature of solution corres- ponding to different sodium nitrate content

伴隨硝酸鈉質(zhì)量的增加，硝酸甲胺溶液析晶點(diǎn)溫度逐漸增大。當(dāng)硝酸鈉質(zhì)量大于0.65m4時(shí)，溶液析晶點(diǎn)溫度發(fā)生突變，達(dá)到35 ℃以上，不再適應(yīng)煤礦井下溫度環(huán)境，如圖12所示。

圖12 硝酸鈉質(zhì)量對溶液析晶點(diǎn)溫度影響Fig.12 Effect of sodium nitrate content on crystallization temperature of solution

由此可知，含有硝酸鈉質(zhì)量是硝酸甲胺溶液析晶點(diǎn)溫度控制的敏感因素。根據(jù)煤礦井下適宜溫度環(huán)境，單位質(zhì)量溶液中的硝酸鈉質(zhì)量應(yīng)控制在0.5m4以下，對應(yīng)的硝酸甲胺溶液析晶點(diǎn)溫度保持在15.0～16.9 ℃。

1.2.2煤礦用液體炸藥密度調(diào)節(jié)

液體炸藥密度對炸藥爆炸性能具有重要影響。常用的炸藥密度調(diào)節(jié)方式有物理和化學(xué)2種方法，分別采用珍珠巖和亞硝酸鈉作為輔助添加劑，如圖13所示。

圖13 液體炸藥密度調(diào)節(jié)劑Fig.13 Liquid explosive density regulator

實(shí)驗(yàn)測試中，分別量取質(zhì)量為m1的硝酸甲胺溶液2杯，置于水浴中恒溫保存，記為4,5號;然后分別加入m2的水、m3的硝酸銨晶體、0.5m4的硝酸鈉晶體以及m5的瓜爾膠，攪拌至完全溶解;最后，稱取適量的珍珠巖和亞硝酸鈉，分別加入4,5號燒杯中，攪拌均勻、靜置。采用100 mL量筒盛裝混合溶液，置于電子秤上讀取質(zhì)量，計(jì)算2種試劑調(diào)節(jié)下的溶液密度，見表4。

表4 不同配方液體炸藥密度Table 4 Liquid explosive density of different formula

亞硝酸鈉和珍珠巖2種試劑調(diào)節(jié)下的液體炸藥密度控制在0.9～1.2 g/cm3，滿足煤礦炸藥常用密度標(biāo)準(zhǔn)。考慮到液體炸藥不含膠凝劑和交聯(lián)劑，珍珠巖密度調(diào)節(jié)降低了液體炸藥中的氣泡保存期，最終確定采用亞硝酸鈉化學(xué)發(fā)泡方式調(diào)節(jié)炸藥密度，此時(shí)亞硝酸鈉及活性劑含量分別為0.15%和0.12%。

1.3 液體炸藥性能參數(shù)

1.3.1炸藥爆速測試

爆速是炸藥的基本性能參數(shù)，首先開展液體炸藥爆速測量工作。參考GB/T 13228—2015工業(yè)炸藥爆速測定方法，炸藥爆速測試原理及WB5-2爆速測試儀，如圖14所示。實(shí)測得到的液體炸藥爆速為3 852 m/s，達(dá)到了煤礦炸藥安全使用標(biāo)準(zhǔn)。

圖14 炸藥爆速測試原理及測速儀Fig.14 Explosive detonation test principle and velocimeter

1.3.2其他性能參數(shù)

根據(jù)液體炸藥組分配比，以1.0 kg炸藥為基準(zhǔn)，確定單位質(zhì)量液體炸藥元素組成及其克原子數(shù)，見表5。

表5 單位質(zhì)量液體炸藥元素組成及其克原子數(shù)Table 5 Elemental composition and gram atom number of liquid explosive per unit mass

炸藥爆炸完全反應(yīng)條件下，含有金屬元素的爆炸化學(xué)反應(yīng)，一般先將金屬完全氧化，生成對應(yīng)的氧化物;再按照B-W規(guī)則，將炸藥體系中的H氧化成H2O;剩余的氧將C先氧化成CO;再將CO繼續(xù)氧化為CO2;N元素主要生成N2[16]。根據(jù)表5中的炸藥元素組成，確定炸藥爆轟反應(yīng)方程式為

1.325CO+2.845CO2+30.755H2O+8.775N2

根據(jù)蓋斯及Avogadro定律等，以炸藥實(shí)測爆速為基準(zhǔn)，計(jì)算分析得到液體炸藥的爆炸性能參數(shù)，見表6。

研發(fā)的液體炸藥配方基于煤礦水膠炸藥組分改進(jìn)而來，炸藥性能參數(shù)均達(dá)到了煤礦安全炸藥標(biāo)準(zhǔn)。通過改變硝酸甲胺、硝酸銨、硝酸鈉等成分配比，取得了炸藥零氧平衡，減少了爆破有毒有害氣體生成，最終得到一種煤礦用液體炸藥配置方案，實(shí)現(xiàn)了炸藥物理形態(tài)上的流動性，如圖15所示。

表6 煤礦用液體炸藥爆炸性能參數(shù)Table 6 Explosive performance parameters of liquid explosive

圖15 煤礦用液體炸藥配置成品Fig.15 Configuration product of liquid explosive in coal mine

液體炸藥主要組分比例接近三級煤礦許用型水膠炸藥，因此測試分析得到的液體炸藥性能參數(shù)與水膠炸藥基本一致。三級煤礦許用水膠炸藥適用于高瓦斯突出礦井，炸藥機(jī)械感度極低，如圖16(a)所示。液體炸藥通過減配用于調(diào)和炸藥物理形態(tài)的輔助添加劑得到，炸藥感度變化不大，測試給出的3次撞擊感度為0，火焰感度測試，如圖16(b)所示。

圖16 煤礦炸藥感度測試Fig.16 Sensitivity test of coal mine explosives

通過減配水膠炸藥中的交聯(lián)劑和凝膠劑含量，液體炸藥物理形態(tài)上具有流動性。輔助添加劑雖不參與炸藥爆炸化學(xué)動力反應(yīng)，但在一定程度上降低了炸藥物理形態(tài)的穩(wěn)定，導(dǎo)致炸藥主成分中的硝酸甲胺容易結(jié)晶析出，尤其對低溫環(huán)境較敏感，影響了炸藥的貯存和使用。

液體炸藥現(xiàn)場爆破測試期間，大同地區(qū)時(shí)值冬季12月冰雪天氣，白天溫度低于-10 ℃，夜晚溫度甚至低于-20 ℃。液體炸藥自生產(chǎn)、運(yùn)輸、爆破前期準(zhǔn)備至井下正常測試，前后經(jīng)歷13 d，炸藥流動性及均勻度保存較好，如圖15(b)所示?？梢姡幢阍诘蜏丨h(huán)境下，液體炸藥的穩(wěn)定期至少保持在13 d。

2 煤礦用液體炸藥現(xiàn)場測試

液體炸藥地面測試正常，炸藥性能參數(shù)的實(shí)測和理論分析結(jié)果均滿足煤礦安全炸藥標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步開展煤礦井下爆破測試工作。

2.1 現(xiàn)場實(shí)施條件

堅(jiān)硬頂板深孔內(nèi)液體炸藥爆破技術(shù)實(shí)踐選在大同礦區(qū)云岡煤礦。為避免新型炸藥首次爆破嘗試對礦井生產(chǎn)帶來影響，液體炸藥深孔爆破在礦井12號層406盤區(qū)新408軌道巷內(nèi)開展。該巷屬于硬巖廢棄巷道，重新開啟后發(fā)現(xiàn)巷道變形不明顯，圍巖壁面幾乎無破皮，支護(hù)結(jié)構(gòu)完整，如圖17所示。

新408軌道巷爆破實(shí)驗(yàn)段對應(yīng)礦井406盤區(qū)8414工作面停采煤柱保護(hù)段，巷道寬度5.4 m，高度為3.3 m，巷道頂?shù)装逡陨百|(zhì)巖性為主，上覆厚度約28.5 m的中粒砂巖和粗粒砂巖，巖層結(jié)構(gòu)完整，巖性堅(jiān)硬致密，如圖18所示。

圖17 重新開啟的新408軌道巷Fig.17 New 408 track roadway reopened

液體炸藥爆炸壓裂技術(shù)實(shí)踐目的在于測試炸藥的起爆性能及破巖效果，爆破孔深度選擇2.5和8.0 m兩種類型。爆破實(shí)踐主要器材，如圖19所示。

圖18 液體炸藥現(xiàn)場測試條件Fig.18 Field test condition of liquid explosive

圖19 煤礦用液體炸藥爆破實(shí)踐器材Fig.19 Blasting practice equipment of liquid explosive in coal mine

圖21 液體炸藥起爆性能測試裝藥Fig.21 Charge test of liquid explosive

2.2 工程實(shí)踐及效果

2.2.1液體炸藥起爆性能測試

首先開展液體炸藥在孔內(nèi)的起爆性能測試。采用地質(zhì)鉆機(jī)在新408軌道巷靠煤柱側(cè)鉆孔，深度2.5 m，孔徑65 mm，仰角85°。鉆孔布置方式，如圖20所示。

液體炸藥單卷長度400 mm，藥卷直徑35 mm，單卷藥量為700 g。取兩卷液體炸藥捆綁導(dǎo)爆索后塞入孔內(nèi)，裝藥長度800 mm，如圖21所示。采用膨脹水泥藥卷封孔，封孔長度1.0 m。

導(dǎo)爆索連接8號電雷管塞回孔內(nèi)封堵，人員撤離后引爆，實(shí)驗(yàn)測試液體炸藥在孔內(nèi)能正常起爆。采用窺視儀觀測鉆孔爆破前后孔壁圍巖破裂情況，如圖22所示。

對比液體炸藥爆破前后相同孔位的孔壁圍巖破裂情況，確定液體炸藥能用導(dǎo)爆索正常起爆，炸藥威力滿足煤礦炸藥性能要求，能順利壓裂鉆孔硬巖;鉆孔裝藥段(1.7～2.5 m)的爆破致裂密度大，裂縫分布均勻，主次裂縫區(qū)別不明顯;裝藥段以外孔壁裂縫密度減小，由均勻分布狀態(tài)逐漸演化成3～4條主裂縫向孔口方向延展。

2.2.2煤礦安全炸藥性能對比實(shí)驗(yàn)

前述實(shí)驗(yàn)測試得到液體炸藥能在孔內(nèi)正常引爆，為此繼續(xù)開展堅(jiān)硬頂板深孔內(nèi)的液體炸藥、水膠炸藥、乳化炸藥爆破對比實(shí)驗(yàn)。其中，三級煤礦水膠炸藥筒徑為62 mm，單筒藥量為1.5 kg;三級煤礦乳化炸藥直徑32 mm，單卷長度400 mm，質(zhì)量為0.4 kg，如圖23所示。

為適應(yīng)水膠炸藥裝藥條件，堅(jiān)硬頂板鉆孔直徑調(diào)整為70 mm，鉆孔深度8.0 m，仰角85°，鉆孔間距1.0 m，每孔裝藥約4.5 kg。液體炸藥、水膠炸藥單卷逐個(gè)裝藥，乳化炸藥2卷捆成一束進(jìn)行裝藥，如圖24所示。

采用膨脹水泥藥卷封孔，封孔長度為3.0 m，煤礦安全導(dǎo)爆索全長起爆。3孔同時(shí)引爆后，窺視孔壁圍巖破裂效果，如圖25所示。

圖22 液體炸藥孔內(nèi)爆破前后圍巖破裂情況Fig.22 Surrounding rock fracture before and after the liquid explosive blasting

圖23 煤礦安全炸藥類型Fig.23 Safety explosive types in coal mine

圖24 炸藥裝藥過程Fig.24 Charging process of coal mine explosive

圖25 3種煤礦炸藥破巖效果Fig.25 Rock-breaking effect of three explosives in coal mine

與1.4 kg液體炸藥孔內(nèi)爆破相比，4.5 kg液體炸藥爆破效果更明顯，孔壁裂縫開口尺寸顯著增大;相同裝藥量情況下，液體炸藥和乳化炸藥孔內(nèi)爆炸壓裂效果相似，孔壁致裂密度大，裂縫分布均勻，說明液體炸藥爆炸威力達(dá)到了煤礦安全炸藥性能標(biāo)準(zhǔn);水膠炸藥受藥筒護(hù)壁作用影響，孔壁致裂密度小，以主裂縫擴(kuò)展為主，但水膠炸藥威力大，鉆孔局部有塌孔堵塞現(xiàn)象。

2.2.3液體炸藥配合聚能管定向爆破

前述實(shí)驗(yàn)主要檢測煤礦用液體炸藥爆炸性能，以堅(jiān)硬頂板單孔爆炸壓裂測試為主。煤礦實(shí)際生產(chǎn)過程中，經(jīng)常遇到巖體裂縫平面壓裂需求，考慮液體炸藥能均勻流動、傳爆性能好，不受盛裝容器形狀限制，配合定向爆破聚能管可以實(shí)現(xiàn)管內(nèi)全耦合裝藥，取得良好定向爆破效果。為此，繼續(xù)開展煤礦堅(jiān)硬頂板定向爆破技術(shù)實(shí)踐，采用液體炸藥定向爆破聚能管，如圖26所示。

在礦井新408軌道巷靠近煤柱側(cè)300 mm位置，沿巷道軸向鉆設(shè)單排鉆孔3個(gè)，分別記為1,2,3號，其中2號為爆破孔，孔間距為0.6 m。液體炸藥配合聚能管定向爆破，鉆孔長度為2.5 m，仰角85°，單孔裝藥1管，單管裝藥量1.5 kg，聚能管長度0.5 m，管徑62 mm。聚能管內(nèi)液體炸藥引爆后，鉆孔窺視孔壁裂縫擴(kuò)展情況，如圖27所示。

圖26 爆破聚能管及其井下裝藥Fig.26 Jet blast tube and its underground charging

圖27 液體炸藥聚能爆破效果Fig.27 Blasting effect of liquid explosive

與1.4 kg袋裝液體炸藥爆破裂縫形態(tài)不同，1.5 kg的液體炸藥配合聚能管定向爆破，孔壁致裂密度小，但裂縫開口尺寸大，以3～5條爆生裂縫為主，自孔底向孔口延伸。分析原因在于，液體炸藥作為均勻連續(xù)介質(zhì)，在定向聚能管內(nèi)能實(shí)現(xiàn)全耦合對稱裝藥，導(dǎo)爆索自藥管中心引爆，爆炸波徑向等速傳播，于聚能槽中心對稱面位置實(shí)現(xiàn)正碰，聚能切縫效果顯著，炸藥爆轟能量主要伴隨導(dǎo)向裂縫的擴(kuò)展而耗散;聚能管其它方位由于受到管材護(hù)壁作用以及缺乏裂縫導(dǎo)向影響，孔壁破裂范圍有限。

綜上分析，液體炸藥配合聚能管定向爆破效果良好，實(shí)現(xiàn)了孔壁圍巖的非均勻加載。聚能切縫誘導(dǎo)炸藥高爆能主要用于導(dǎo)向裂縫的充分?jǐn)U展，爆生裂縫容易貫穿孔口壁面連通1和3號觀測孔，如圖28所示。

生產(chǎn)實(shí)踐中，炮孔延米裝藥3.0 kg條件下，孔壁圍巖裂縫擴(kuò)展長度0.3～0.5 m。液體炸藥配合聚能管定向爆破切縫，采用1.5 kg炸藥就能取得0.6 m間距硬巖的平面造縫效果。

圖28 液體炸藥聚能爆破裂縫在孔口貫穿Fig.28 Crack run through the roadway surface adopting the liquid explosive concentrated blasting

3 液體炸藥深孔爆破技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

工程實(shí)踐中采用的液體炸藥物理形態(tài)上具有流動性，8號電雷管能可靠起爆，炸藥機(jī)械和火焰感度低，使用安全性高，爆炸威力接近常規(guī)炸藥。原因在于，該炸藥是基于三級煤礦許用水膠炸藥成分的二次開發(fā)，影響炸藥性能及安全性的組分比例未做大的改變。既保障了液體炸藥在現(xiàn)場測試中的安全性，又能說明液體炸藥在煤礦深孔爆破中具備廣闊應(yīng)用前景，同時(shí)還為性能更加優(yōu)越的液體炸藥品類研發(fā)提供借鑒。除此外，在煤礦爆破工藝方面，液體炸藥深孔爆破技術(shù)優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在:

(1)液體炸藥具有流動性，炸藥感度接近煤礦水膠炸藥標(biāo)準(zhǔn)，可以采用泵送方式孔內(nèi)注藥，降低了固體炸藥深孔裝藥難度;孔內(nèi)泵注液體炸藥，不受裝藥長度限制;鉆孔提前封堵，工序單一，封孔質(zhì)量容易保證，一次性解決了大角度深孔裝藥及長距離封孔難題。

(2)液體炸藥起爆臨界直徑小，“鉆入”巖體裂縫內(nèi)能正常起爆，為巖體單孔重復(fù)爆破提供了條件。鉆孔深部三向應(yīng)力夾持作用強(qiáng)，深孔圍巖以變形破裂為主，少有坍塌(圖29)。液體炸藥縫內(nèi)起爆利于巖體縫網(wǎng)空間建設(shè)，體積壓裂效果顯著，解決了炸藥一次爆破致裂范圍受限問題。液體炸藥單孔內(nèi)重復(fù)爆破為致密油氣儲層的高效致裂和增透也提供了技術(shù)途徑。

圖29 深孔爆破孔壁圍巖變形破裂特征Fig.29 Deformation and rupture characteristics of drilling in deep hole blasting

(3)液體炸藥作為均勻連續(xù)介質(zhì)，傳爆性能好，孔內(nèi)全耦合裝藥爆破不存在管道效應(yīng)，配合煤礦安全導(dǎo)爆索全長引爆，既強(qiáng)化了煤巖深孔柱狀裝藥爆炸威力，又解決了炸藥的可靠起爆問題，杜絕了深孔拒爆現(xiàn)象。

(4)針對堅(jiān)硬煤巖定向爆破需求，配合專用爆破聚能管件，液體炸藥管內(nèi)裝藥不受管材形狀限制，藥液與管壁間無縫耦合，利于實(shí)現(xiàn)爆炸沖擊波在既定方向上的精準(zhǔn)碰撞，促使聚能管件真正發(fā)揮聚能爆破定向切縫作用。

需要說明的是，限于煤礦井下煤安泵注裝備的使用條件，本次工程實(shí)踐主要用于測試炮孔內(nèi)液體炸藥的起爆可靠性、深孔內(nèi)藥液爆炸性能及其破巖效果，亟待開展深孔長距離的液體炸藥泵注測試。

4 結(jié) 論

(1)針對煤巖深孔爆破技術(shù)工藝難題，提出了堅(jiān)硬煤巖深孔內(nèi)液體炸藥爆炸壓裂技術(shù)?；谝后w炸藥的流動性和小臨界直徑起爆特點(diǎn)，解決了巖體大角度深孔裝藥難題，為巖體單孔重復(fù)爆破提供了條件，利于巖體縫網(wǎng)空間建設(shè)，體積壓裂效果顯著。

(2)以三級煤礦水膠炸藥配方為基底，除去炸藥組分中的膠凝劑和交聯(lián)劑，通過改變硝酸甲胺、硝酸銨、硝酸鈉等成分配比，得到一種煤礦用液體炸藥配方。實(shí)驗(yàn)測試液體炸藥析晶點(diǎn)溫度為15.0～16.9 ℃，密度為1.2 g/cm3，炸藥爆速等性能參數(shù)均達(dá)到了煤礦安全炸藥標(biāo)準(zhǔn)。

(3)堅(jiān)硬頂板爆炸壓裂工程實(shí)踐中，測試了煤礦用液體炸藥的起爆性能，對比分析了液體炸藥、水膠炸藥、乳化炸藥深孔爆炸壓裂效果。液體炸藥威力大，滿足煤礦炸藥性能要求，破巖效果顯著，配合專用聚能管使用可實(shí)現(xiàn)大間距硬巖鉆孔的定向切縫。