郭育東

（山西沁和能源集團有限公司候村煤礦，山西 晉城 048000）

在高瓦斯或煤與瓦斯突出礦井的瓦斯抽采過程中，部分礦井因煤層透氣性差、局部防突措施作用范圍小等原因，導致瓦斯抽采效果差、抽采時間較長的問題，對安全生產造成較大影響。深孔預裂爆破技術是通過施工深孔并裝藥爆破，致使煤體內部增加裂隙，從而提高煤體透氣性［1-2］，在低透氣性煤層的石門揭煤、工作面消突等瓦斯抽采中對提高抽采效率具有較好的工程應用效果。侯村煤礦主采的3號煤層為低滲透煤層，3605工作面因鉆孔抽采效率低、抽放時間長等問題，決定采取深孔預裂爆破增透技術，以增強煤層透氣性，實現(xiàn)瓦斯高效抽采。

1 工程概況

沁和能源集團有限公司侯村煤礦屬高瓦斯礦井。礦井3605工作面走向長度1 380 m，傾向長度180 m?；夭?號煤層，煤層厚度2.1～8.6 m，均厚5.6 m，煤層傾角4°～8°，煤層硬度系數(shù)0.35，煤層透氣性系數(shù)為0.453 m2/MPa2·d，煤層透氣性較差，瓦斯抽采較為困難。煤層頂板為較為致密粉砂巖及中粒砂巖，底板為砂質泥巖與泥巖互層。

根據礦井瓦斯地質資料可知，3605工作面絕對瓦斯涌出量為10.3 m3/min，煤層原始瓦斯壓力為0.486 MPa，瓦斯含量平均7.12 m3/t，可解析瓦斯量為4.93 m3/t，不可解析量為2.19 m3/t，瓦斯流量衰減系數(shù)為0.046 d-1，3號煤層屬可抽采煤層。礦井采取的瓦斯治理措施為本煤層順層鉆孔預抽+頂板高位鉆孔裂隙帶抽采。該礦3號煤層雖屬可抽采煤層，但煤層松軟，鉆孔容易垮塌堵塞，導致順層鉆孔瓦斯抽采效率低，工作面回采期間仍存在風排瓦斯量較高，影響工作面安全生產，因此，決定采用深孔預裂爆破技術進行煤層增透，以提高瓦斯抽采效率。

2 深孔預裂爆破的致裂原理

深孔預裂爆破主要是利用深孔內炸藥爆炸產生高壓爆生氣體及強勁的爆破沖擊波，使被爆介質出現(xiàn)震動從而產生裂隙，其裂隙以環(huán)向及徑向的方式以鉆孔為中心向遠端擴散，環(huán)向及徑向裂隙的交叉區(qū)域被稱為爆破中區(qū)［3］，爆破中區(qū)的末端位置因受爆生氣體的靜態(tài)應力場作用出現(xiàn)應力集中，從而使爆破中區(qū)的裂隙進一步向外擴散。

采用深孔預裂爆破增透作業(yè)時，一般布置的深孔分為爆破孔和控制孔，爆破孔主要作用是裝藥爆破，控制孔不裝藥，其作用主要是進行裂隙傳導。當爆破孔內的炸藥被引爆后，其爆炸產生的爆生氣體及沖擊波會直接導致鉆孔周圍形成數(shù)米的初始裂隙［4］，初始裂隙以炮孔為中心呈交叉裂隙網形態(tài)，爆破后，孔內形成的高壓爆生氣體形成的靜態(tài)應力繼續(xù)通過初始裂隙向外傳導，傳導至交叉裂隙網的邊緣后，煤巖體內的原始裂隙受爆生氣體壓力影響進一步增大及擴散，當爆生氣體壓力通過裂隙傳導至控制孔后，使控制孔周圍形成一個次生裂隙圈，從而增大裂隙區(qū)域，直至爆生氣體的應力衰減至與裂隙末端的原巖應力一致后停止裂隙擴散，其裂隙分布情況如圖1所示。

圖1 深孔預裂爆破裂隙分布

3 3605工作面煤層深孔預裂爆破方案

根據深孔預裂爆破的致裂原理，結合3605工作面傾斜長度、煤層傾角等參數(shù)，對3605工作面煤層深孔預裂爆破方案設計如下：

3.1 鉆孔布置與參數(shù)設計

根據深孔預裂爆破相關理論、試驗及工程實踐結果表明［2-3］，深孔預裂爆破的致裂范圍與被爆介質的物理力學特征相關。查詢相關工程實踐結果可知，在硬度系數(shù)0.15～0.5間的煤層內采取深孔預裂爆破進行煤層致裂增透時，爆破孔與控制孔間距宜控制在10 m以內，且隨鉆孔間距的縮小致裂程度增大。綜合考慮經濟因素，將3605工作面煤層深孔預裂爆破的爆破孔與控制孔間距設計為8 m。

在工作面回風順槽、運輸順槽的煤層中均布置深孔進行預裂爆破，孔深均設計為84 m，開孔位置為距巷道底板1.5 m處，鉆孔方位為垂直于巷道幫部，鉆孔傾角與現(xiàn)場煤層傾角一致，爆破孔與控制孔交替布置，孔間距8 m，爆破孔孔徑為73 mm，控制孔孔徑為95 mm，鉆孔布置如圖2所示。

圖2 爆破孔與控制孔布置

3.2 裝藥與封孔工藝

（1）裝藥工藝：炸藥采用?30 mm×300 mm的乳化炸藥，為防止鉆孔施工到位后裝藥前鉆孔塌孔，在鉆孔施工到位并退桿后立即采用?50 mm的聚乙烯管下套管，然后在套管內裝藥爆破［5］。裝藥期間，先將導爆索穿過第一支炸藥并固定在末端防止拽出，然后將第一支炸藥送入孔底，再將逐節(jié)炸藥穿過導爆索通過套管送入鉆孔內。裝入孔內的炸藥要盡量保證緊密，一次性推入孔內的炸藥不要超過5節(jié)，防止推藥期間堵孔。裝藥長度達到70 m后，停止裝藥，并將最外面的兩節(jié)炸藥各插入一發(fā)瞬發(fā)起爆電雷管作為起爆藥包，兩發(fā)電雷管腳線采用并聯(lián)方式與爆破母線連接，完成裝藥工藝。

（2）封孔工藝：裝藥完成后，將裝藥段外端的鉆孔全部采用炮泥封堵，先將套管內空間進行封堵，前500 mm采用人工推送炮泥搗實的方式進行封堵，其余外端及套管外的孔壁間采用ZQF封孔器進行壓風噴泥封堵。采用封孔器噴泥封堵期間，由里向外進行封堵，確保封堵嚴實，防止封堵不嚴造成爆破期間孔口泄壓，影響爆破致裂效果。裝藥結構如圖3所示。

圖3 鉆孔裝藥結構

4 效果分析

為評估煤層深孔預裂爆破的致裂增透效果，通過在3605工作面回風順槽內選取煤厚及原始瓦斯含量均相近的兩段巷道的順層鉆孔瓦斯抽采數(shù)據作為對比，其中，回42號至回49號孔段為未采用深孔預裂爆破的順層預抽鉆孔，回22號至回29號孔段采取深孔預裂爆破的順層預抽鉆孔；并對兩段巷道內的連續(xù)8個預抽鉆孔持續(xù)觀測2個月內的瓦斯抽采濃度并統(tǒng)計平均值，以及單孔瓦斯抽采濃度降至5%以下的抽采時長；最后統(tǒng)計兩組鉆孔的均值進行對比分析，兩組鉆孔瓦斯抽采情況數(shù)據統(tǒng)計如表1所示。

通過表1可知，未采用煤層深孔預裂爆破段的順層鉆孔前兩個月的平均瓦斯抽采濃度均值為30.2%，抽采濃度降至5%以下平均用時185 d；而采用煤層深孔預裂爆破段的順層鉆孔前兩個月的平均瓦斯抽采濃度均值達56.7%，其抽采濃度是前者的1.8倍，抽采濃度降至5%以下平均用時91 d，其用時為前者的一半。通過以上數(shù)據對比分析可知，采用煤層深孔預裂爆破后對煤層的致裂增透效果明顯，能有效提高工作面順層鉆孔的瓦斯抽采效率。

表1 順層鉆孔瓦斯抽采情況數(shù)據統(tǒng)計

5 結語

深孔預裂爆破在一定條件下可對透氣性較差煤層有效致裂增透8 m，針對煤層透氣性差、瓦斯抽采效率低的工作面，可根據工作面參數(shù)設計合理的爆破孔及控制孔，通過煤層深孔預裂爆破后，瓦斯抽采效率可提高一倍，有效解決了瓦斯抽采濃度低、預抽時間長的問題。