王振鋒 ， 王 宇 ， 張 濤

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454003；2.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454003；3.神火集團許昌新龍礦業(yè)有限公司，河南 許昌 452570)

煤巷掘進對于礦井的采掘接替至關重要，掘進工作面煤層在原始瓦斯壓力和構造應力作用下形成的局部應力集中威脅著掘進工作面的安全。傳統(tǒng)的通過施工卸壓鉆孔來消除掘進工作面應力集中的方式不僅工程量大而且效果差[1-2]。聚能爆破是定向爆破的一種，利用聚能流侵徹作用在煤體中產(chǎn)生裂隙，隨之產(chǎn)生的爆生氣體促進裂隙擴展[3-6]。朱飛昊等[7-8]發(fā)現(xiàn)聚能爆破使聚能方向的裂紋擴展范圍增大，非聚能方向的裂紋擴展范圍減小，可抑制爆破掘進引發(fā)的動力災害。爆生氣體進入煤體，導致煤體孔隙壓力增大，煤體內部微裂隙明顯萌生和擴展[9-12]。竇林名等[13]提出在強沖擊危險區(qū)使用松動爆破，可使應力峰值向煤體深部轉移，使掘進工作面前方煤體應力得到有效釋放。曹湖等[14]認為松動爆破可以增加采場前方卸壓帶長度。水相較于炮孔中的空氣，具有良好的抗壓縮性，當對其壓縮，直至壓力增加至100 MPa 時，其密度僅增加5%左右，傳能效率高，將爆炸產(chǎn)生的能量均勻低耗地傳遞至炮孔周圍的巖石[15-16]。蔡永樂等[17-18]利用超動態(tài)應變測試分析煤巖體的爆炸應變，對比水和空氣2 種不耦合介質對煤巖體的作用，發(fā)現(xiàn)水能有效提高裂隙擴展。將松動爆破和高壓注水結合起來，發(fā)現(xiàn)水力耦合爆破可提升爆破效果，爆破后裂隙發(fā)育，注水效果佳[19-21]。通過對比測試孔內瓦斯參數(shù)變化，確定聚能爆破有效影響范圍[22-23]。學者們對聚能爆破、水壓爆破的卸壓原理、裝藥量、裝藥結構等進行大量研究，且學者們結合2 種技術的優(yōu)勢，創(chuàng)造出聚能水壓爆破、切槽水壓爆破等技術。然而煤體局部受到采動、遺留煤柱等影響會產(chǎn)生應力集中區(qū)，學者們對局部水力圍壓下聚能爆注研究較少，且鉆孔周邊裂隙擴展，無法進行有效的存水保壓，則需要設計一種水環(huán)保壓裝置及對煤體局部水力圍壓下聚能爆注卸壓半徑進行研究。

1 水環(huán)保壓裝置

1.1 工程背景

永城市薛湖煤礦為防止突出及解決因煤質、煤體結構、地應力及采掘活動等引起工作面前方應力集中的安全隱患，在工作面采用聚能爆注消突措施，如圖1所示。然而薛湖煤礦的聚能爆注消突措施是在聚能管前后添加水袋或者直接在鉆孔中注水，然而鉆孔周邊存在裂隙，有的鉆孔無法有效存水，形成鉆孔下部少量水，上部大量空氣的情況，水的作用效果不明顯，且聚能管和炸藥接觸鉆孔下部，爆炸能量大量作用于鉆孔下部煤體，鉆孔上部與聚能定向卸壓方向裂隙發(fā)育差，增透卸壓效果差，消除應力集中的影響非常有限，月進尺嚴重不足，不論從生產(chǎn)角度還是安全角度都嚴重影響了采掘接替，如圖2、3 所示。

圖1 煤體局部應力集中示意Fig.1 Diagram of local stress concentration of coal

圖2 聚能爆注孔內部示意Fig.2 Schematic diagram of the inside of the energyaccumulating blasting and water injection hole

圖3 炸藥在鉆孔下部裂隙擴展示意Fig.3 Explosive crack propagation diagram in lower part of borehole

所以必須在保證安全的情況下采取一種高效的消除工作面應力集中的措施。為此，提出一種局部水環(huán)保壓下聚能爆注定向增透消突措施：炸藥爆炸時產(chǎn)生的能量、氣體等先作用于周圍水體上，水的低壓縮性導致能量聚集，均勻作用于水環(huán)保壓裝置上，形成聚能水體，依靠裝置內部的聚能槽，聚能水體壓縮聚能槽，形成聚能水射流作用于煤體上，沁潤切割煤體，形成初始裂隙，爆生氣體沿著初始裂隙沖擊煤體。高壓水傾入裂隙中，驅替裂隙中存在的游離態(tài)瓦斯，瓦斯涌出量增加。隨著水體能量衰減，水體不再運移，水滯留在煤體裂隙中，產(chǎn)生靜壓，在裂隙中毛細管力的作用下，置換出裂隙內部分吸附瓦斯。當瓦斯壓力下降時，滯留的靜壓水阻礙裂隙內瓦斯的解吸，煤體內部瓦斯含量降低，起到防突的作用。

1.2 設計原理

鉆孔內裂隙擴展無法有效存水；水介質低壓縮性作用能夠均勻低耗的傳遞能量；水充滿裝置，裝置膨脹擠壓鉆孔壁，對炸藥及鉆孔存在環(huán)向應力約束，環(huán)向約束有效減少炸藥爆轟損耗；在水環(huán)保壓裝置下炸藥始終處于鉆孔中心；水環(huán)保壓裝置內部設置聚能槽，使得存水保壓、聚能一體化。筆者提出一種圓筒狀聚氨酯水環(huán)保壓裝置如圖4 所示，其結構包括：① 里部聚氨酯胎囊；② 胎囊連接器；③ 中間段聚氨酯胎囊；④ 內管聚氨酯胎囊；⑤ 外管聚氨酯胎囊；⑥ PVC 聚能槽；⑦ 折疊間隙；⑧ 外部聚氨酯胎囊；⑨ 注漿嘴；⑩ 胎囊聯(lián)通孔；? 聚氨酯內管連接處；? 聚氨酯外管連接處；? 里、外部胎囊連接處；? 拉鏈；? 鏈頭。裝置總長度6 m，里、外部胎囊長度各為0.5 m，中間胎囊長度為5 m。由于聚氨酯材料具有彈性，其注水膨脹后與鉆孔壁貼合，其外直徑為75 mm，內管裝藥直徑為24 mm。

圖4 水環(huán)保壓裝置示意Fig.4 Schematic diagram of water storage and pressure maintaining device

1.3 操作步驟

打開中間段胎囊上的拉鏈，其中內管胎囊位置用于裝入炸藥、雷管及炮線，外管聚氨酯胎囊內部存在PVC 聚能槽，用于炸藥能量的聚集，內部結構示意如圖5 所示。胎囊的空隙用于漿液注入。外部胎囊上存在注漿嘴，用于注漿管的連接。胎囊連接器的下部存在胎囊聯(lián)通孔，用于胎囊間漿液的貫通。胎囊通過強力膠、熱熔槍與胎囊連接器內部連接，保持胎囊呈圓柱狀，與鉆孔緊密貼合，且內管胎囊始終處于裝置與鉆孔中心位置，連接器示意如圖6 所示，使得炸藥始終處于裝置與鉆孔中心位置。根據(jù)實際情況，若需增加裝藥長度，可通過胎囊連接器連接胎囊，增加中間段胎囊的長度。里部胎囊與外部胎囊使聚能炸藥與孔底、封孔段有一定距離，減少聚能爆注對鉆孔孔底及封孔段的影響。將注漿管與外部硅膠胎囊上的注漿嘴連接，通過注漿泵—注漿管—注漿嘴將水注滿整個裝置，裝置緊貼鉆孔壁，在孔壁與水的擠壓作用下存在一定的水環(huán)壓力，且聚氨酯胎囊不透水，得到好的存水效果，解決鉆孔裂隙發(fā)育，使用聚能爆注工藝時無法有效存水保壓的問題。

圖5 內部結構示意Fig.5 Internal structure diagram

圖6 連接器示意Fig.6 Connector schematic diagram

2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬使用2.4 節(jié)中的材料參數(shù)。主要目的是證明裝置優(yōu)勢和針對礦井問題提出解決方法。

2.1 不同耦合介質

為了合理研究氣體耦合和水耦合對爆破的影響，利用ANSYS/LSDYNA 數(shù)值模擬軟件建立計算模型。此模型煤體半徑7.25 cm，中心為炮孔，鉆孔半徑0.45 cm，裝藥半徑0.082 4 cm。氣體耦合模型由煤體、空氣、及炸藥組成，空氣及炸藥共節(jié)點，如圖7 所示；研究水耦合作用時，模型由煤體、空氣、水及炸藥組成，空氣、水及炸藥共節(jié)點，如圖8 所示。在模型的前后平面施加Z方向的固定約束，在模型的上下左右邊界施加無反射邊界條件約束。

圖7 氣體耦合模型示意Fig.7 Schematic diagram of the air coupling model

圖8 水耦合模型示意Fig.8 Schematic diagram of the water coupling model

運用軟件中測量按鈕，從圖9～10 中可以看出，水介質耦合時炸藥爆破的影響范圍大于空氣耦合。當鉆孔與炸藥之間介質為氣體時，煤體完全損傷的長度為0.29 cm，損傷裂紋長度為2.07 cm；當鉆孔與炸藥之間介質為水時，煤體完全損傷的長度為0.91 cm，損傷裂紋長度為5.61 cm。水介質耦合時煤體完全損傷范圍為空氣耦合時的3.14 倍；水介質耦合時煤體損傷裂紋長度范圍為空氣耦合時的2.71 倍。水的低壓縮性能夠聚集炸藥爆炸的能量，煤體損傷范圍顯著增大。

圖9 氣體耦合爆破Fig.9 Air coupling blasting diagram

圖10 水耦合爆破Fig.10 Water coupling blasting diagram

2.2 水耦合聚能爆破

運用ANSYS/LSDYNA 數(shù)值模擬軟件，針對水介質在聚能炸藥與鉆孔間的影響，建立煤體、空氣、水、炸藥、聚能管模型，如圖11 所示。模型尺寸600 cm×600 cm×1 cm，鉆孔半徑4.2 cm，炸藥半徑1.2 cm，聚能管厚度0.2 cm。聚能管使得炸藥成V 型結構，聚能槽處于水平方向。炸藥與鉆孔間充滿水，處于不耦合裝藥?？諝狻⒄ㄋ?、水流體共節(jié)點，聚能管、煤體固體。兩者間流固耦合。模型正、后面設置z方向固定約束，四周為無反射邊界。模型中質量單位為g，長度單位cm，時間單位μs，應力單位105MPa。

圖11 模型示意Fig.11 Model diagram

從圖12 可以看出，空氣耦合聚能爆破時聚能方向的裂隙長度大于非聚能方向，聚能方向裂隙長度為300 cm，非聚能方向裂隙長度為116.1 cm。聚能方向爆炸空腔的面積大于非聚能方向，聚能方向空腔長度為24.96 cm，非聚能方向空腔長度為7 cm。

圖12 空氣耦合聚能爆破Fig.12 Air coupling cumulative blasting diagram

從圖13 可以看出，水耦合聚能爆破時聚能方向的裂隙長度與非聚能方向相同，聚能方向裂隙長度為220 cm，非聚能方向裂隙長度為189.82 cm。聚能方向爆炸空腔的面積等于非聚能方向，聚能方向空腔長度為11.16 cm，非聚能方向空腔長度為10.1 cm。

圖13 水耦合聚能爆破Fig.13 Water coupling cumulative blasting diagram

如圖14 所示，在鉆孔聚能方向選擇節(jié)點173064，在鉆孔非聚能方向選擇節(jié)點172328、162076。由于測點100 μs 后作用應力為0，則顯示測點150 μs 前的應力情況，從圖15 中得出，173064 節(jié)點的殘余應力為0～1.39 MPa，應力作用于煤體的時間為0～29 μs，172328、162076 節(jié)點的殘余應力為0～0.5 MPa，應力作用時間為0～40 μs。聚能方向與非聚能方向的殘余應力范圍、作用時間差距小。

圖14 節(jié)點選取示意Fig.14 Node selection diagram

圖15 節(jié)點應力隨時間變化Fig.15 Variation diagram of node stress with time

從爆炸空腔、裂隙與殘余應力得出水介質使聚能炸藥能量均勻作用在煤體上，減弱聚能管的定向作用，使得聚能方向作用于煤體上的應力與非聚能方向差值小，鉆孔周圍裂隙均勻發(fā)育擴展，無定向裂隙擴展。

2.3 聚能管包裹水體

運用ANSYS/LSDYNA 數(shù)值模擬軟件，針對在水介質與鉆孔間設置聚能管對聚能爆注的影響，建立煤體、空氣、水、炸藥、聚能管模型，如圖16 所示。模型尺寸600 cm×600 cm×1 cm，鉆孔半徑4.2 cm，炸藥半徑1.2 cm, 聚能管厚度0.2 cm。聚能管使得炸藥與水介質成V 型結構，聚能槽處于水平方向。炸藥與鉆孔間充滿水，處于不耦合裝藥。空氣、炸藥、水流體共節(jié)點，聚能管、煤體固體，兩者間流固耦合。模型正、后面設置Z方向固定約束，四周為無反射邊界。模型中質量單位為g，長度單位為cm，時間單位為μs，應力單位為105MPa。

圖16 模型示意Fig.16 Model diagram

2.3.1 結果分析

運用軟件測量按鈕，從圖17 中得出，非聚能方向的爆炸空腔長度為16 cm，裂隙長度為59.5 cm，聚能方向的爆炸空腔長度為21 cm，裂隙長度為287 cm。說明在水介質和鉆孔壁間增加聚能管，能夠起到有效的聚能定向作用，聚能方向的爆破空腔和裂隙擴展長度均大于非聚能方向。

圖17 聚能爆注裂隙Fig.17 Energy-accumulating blasting and water injecting diagram

如圖18、19 所示，由于測點100 μs 后作用應力為0，則顯示測點150 μs 前的應力情況,在聚能方向選擇92316 節(jié)點，其殘余應力取值為0～0.9 MPa，作用于煤體時間為0～30 μs，在非聚能方向選擇193186、182064 節(jié)點，其節(jié)點的殘余應力取值為0～1.2 MPa，作用于煤體的時間為0～45 μs。因聚能方向的爆炸空腔與裂隙長度大于非聚能方向，則聚能方向的殘余應力與非聚能方向的差值小。

圖18 節(jié)點選取示意Fig.18 Node selection diagram

圖19 節(jié)點應力隨時間變化Fig.19 Variation diagram of node stress with time

由于水的低壓縮性，聚能炸藥能量通過水介質會增加，水均勻傳播能量，水介質會減弱聚能槽的定向擴展裂隙的作用，通過在水介質和鉆孔壁間設置聚能管，聚能方向的爆破空腔大于非聚能方向，聚能方向的裂隙長度大于非聚能方向，對比未在鉆孔與水介質間設置聚能管時，爆破空腔面積增大，節(jié)點殘留應力增大，則在水介質和鉆孔壁間設置聚能管能夠有效聚能和定向擴展裂隙。

2.3.2 炸藥處于鉆孔下部

運用ANSYS/LSDYNA 數(shù)值模擬軟件，針對在水介質中炸藥在鉆孔下部位置對聚能爆注的影響，建立煤體、空氣、水、炸藥、聚能管模型，如圖20 所示。模型尺寸600 cm×600 cm×1 cm，鉆孔半徑4.2 cm，炸藥半徑1.2 cm, 聚能管厚度0.2 cm。聚能管使得炸藥與水介質成V 型結構，聚能槽處于水平方向。炸藥與鉆孔間充滿水，且炸藥處于鉆孔下部?？諝?、炸藥、水流體共節(jié)點，聚能管、煤體固體。兩者間流固耦合。模型正、后面設置z向固定約束，四周為無反射邊界。模型中質量單位為g，長度單位為cm，時間單位為μs，應力單位為105MPa。

圖20 模型示意Fig.20 Model diagram

2.3.3 結果分析

從圖21 得出，炸藥處于鉆孔下部位置時，鉆孔上部的爆炸空腔長度為6.38 cm，鉆孔下部的爆炸空腔長度為13.35 cm，裂隙長度為52.3 cm，聚能方向的爆炸空腔長度為9.37 cm，裂隙長度為257 cm。當炸藥處于鉆孔下部位置時，炸藥距離鉆孔下部煤體較近，水介質使得炸藥能量均勻，炸藥能量作用于鉆孔下部煤體的時間早于鉆孔上部，煤體失效，鉆孔下部的能量損耗，應力降低，鉆孔上部炸藥能量與聚能方向能量向鉆孔下部轉移，鉆孔下部的爆破空腔擴大，下部裂隙發(fā)育擴展。在水介質和鉆孔壁間聚能管的聚能、定向作用下，聚能方向有明顯裂隙擴展。

圖21 聚能爆注Fig.21 Energy-accumulating blasting and water injecting diagram

綜上所述，水的低壓縮性能夠聚集炸藥爆炸的能量，使得作用于煤體上的能量增大，然而水使能量均勻作用在煤體上，減弱聚能管的定向作用。在水介質和鉆孔間設置聚能管，能夠起到有效的聚能定向作用。當炸藥處于鉆孔下部時，鉆孔周邊裂隙擴展弱于炸藥在鉆孔中心時。

水環(huán)保壓裝置使炸藥始終處于鉆孔、水體中心，環(huán)向約束炸藥，減少炸藥爆炸徑向能量損失，增強炸藥作用于煤體上的能量。水環(huán)保壓裝置內部設置聚能槽，使得存水保壓、聚能一體化，起到有效的聚能定向卸壓作用。

2.4 材料參數(shù)

對于模擬中煤體材料參數(shù)見表1。

表1 煤體參數(shù)Table 1 Coal parameters

煤體采用彈塑性材料本構模型，通過LSDYNA中關鍵字MAT_PLASTIC_KINEMATIC 進行定義。

聚能管用LSDYNA 中MAT_PLASTIC_KINEMATIC 進行定義，見表2。

表2 聚能管參數(shù)Table 2 Parameters of concentrator

炸藥采用三級乳化炸藥， 用LSDYNA 中MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 定義炸藥，用JWL狀態(tài)方程描述炸藥變化，見表3。

表3 炸藥參數(shù)Table 3 Explosive parameters

水采用LSDYNA 中的MAT_NULL 材料模型，狀態(tài)方程通過GRUNEISEN 定義，參數(shù)見表4。

表4 水參數(shù)Table 4 Water parameters

空氣采用LSDYNA 中的MAT_NULL 材料模型，狀態(tài)方程通過LINEAR_POLYNOMIAL 定義，參數(shù)見表5。

表5 空氣參數(shù)Table 5 Air parameters

3 聚能爆注理論分析

當聚能爆注在煤體中作用時，根據(jù)煤體的破壞特征，可將爆注影響區(qū)域分為3 個區(qū)域：粉碎區(qū)、裂隙區(qū)及爆注震動區(qū)。由于聚能爆注中聚能管有聚集能量的作用，水環(huán)保壓裝置的環(huán)向約束減少炸藥徑向能量損失作用，則在聚能槽方向的影響范圍會比深孔爆破的范圍大，在計算中使用高爆速來替代聚能管中聚能槽的聚能作用。參數(shù)使用2.4 節(jié)中數(shù)值參數(shù)。此數(shù)值參數(shù)為文中礦井參數(shù)，得出的結果與后文現(xiàn)場試驗對照。印證數(shù)值模擬中破碎區(qū)、裂隙區(qū)階段。

3.1 聚能爆注粉碎區(qū)范圍計算

在聚能爆注時，炸藥所形成的爆破沖擊波遠大于煤體的抗壓強度，煤體受力破碎。由于粉碎區(qū)處于煤體的約束條件下,沖擊波的大部分能量消耗于煤體的塑性變形、粉碎和加熱等方面，致使沖擊波的能量急速下降，沖擊波能量不足以壓碎煤體，則粉碎區(qū)的半徑小，其估算公式[24]為

式中，Rc為粉碎區(qū)半徑，m；Rb為聚能爆注后的空腔半徑，m；σc為煤體的單軸抗壓強度，Pa；ρs為煤體密度，kg/m3；c為煤體縱波波速，取1 200～1 500 m/s。

聚能爆注后形成的空腔半徑為

式中，rb為炮孔半徑，0.037 5 m；pm為炸藥的平均爆壓，Pa；σ0為多向應力條件下的煤體強度，Pa。

式中，D為炸藥爆速，m/s。

將參數(shù)代入式(1)得Rc=0.112 m。

3.2 聚能爆注裂隙區(qū)范圍計算

當沖擊波通過粉碎區(qū)后，繼續(xù)向煤體傳播，其能量衰減，不足以引起煤體變形破碎，這時高溫高壓氣體通過粉碎區(qū)，進入煤體裂隙中，在裂隙中形成拉伸應力。由于煤體的抗拉強度遠遠小于其抗壓強度，則煤體易形成拉伸破壞。當氣體形成的拉伸應力大于煤體的抗拉強度時，煤體拉伸破壞，裂隙擴展。按爆生氣體的準靜壓作用下，聚能方向的裂隙區(qū)計算公式[24]為

其中，pj為作用于炮孔壁的準靜壓力，Pa;σt為煤體的抗拉強度，Pa。炮孔不耦合裝藥時為

式中，rc為水體和炸藥總體半徑，0.035 5 m。將參數(shù)代入式(5)得Ra=2.509 m。

3.3 聚能爆注震動區(qū)范圍計算

在裂隙區(qū)外，爆破沖擊波和高溫高壓氣體所產(chǎn)生的應力不足以引起煤體的拉壓破壞，只能引起煤體單位質點的振動，煤體局部震動。震動區(qū)的計算公式[24]為

式中，Rs為聚能爆注震動區(qū)半徑，m；q為單位體積煤體裝藥量，1.2 kg/m3。

將參數(shù)代入式(7)得Rs=1.59 m。

綜上所述，本次研究聚能爆注工藝的擴展裂隙影響范圍，其范圍包括聚能爆注粉碎區(qū)和聚能爆注裂隙區(qū)，則影響范圍R為

將參數(shù)代入式(8)得R=2.621 m。

4 工業(yè)性試驗

4.1 工程概況

薛湖煤礦29020 回風巷掘進工作面位于-780 m水平，巷道標高為-770～-841 m，地面標高為+37.8～+38.1 m，29020 回風巷位于井田東翼29 采區(qū)西部，東鄰29 采區(qū)回風大巷，西為未開采區(qū)域，南鄰東翼軌道大巷，北鄰29020 回風巷底抽巷。二2 煤層瓦斯壓力0.16～1.9 MPa，瓦斯含量6.2～15.0 m3/t，二2 煤層破壞類型屬于Ⅲ～Ⅳ類煤，煤層堅固性系數(shù)為0.220 0～0.405 9，煤層的瓦斯放散初速度為12.957～14.000。

4.2 確定聚能爆注半徑方法

由于無法有效觀測煤體內部裂隙擴展情況，為了合理確定水環(huán)保壓下聚能爆注的影響半徑，通過瓦斯參數(shù)測試儀測定測試孔內爆注前后的瓦斯參數(shù)變化，如圖22 所示。

爆注后，由于裂隙擴展，會引起鉆孔內的瓦斯參數(shù)變化，則在現(xiàn)場采用聚能爆注前后觀測孔內瓦斯參數(shù)的變化差值來衡量爆注影響范圍的方法。在實施爆注前測量各測試孔穩(wěn)定的鉆孔流量、瓦斯體積分數(shù)，并計算純量；爆注后，測量各測試孔鉆孔流量、瓦斯?jié)舛?，并計算純量。通過對比測試孔在爆注前后的瓦斯參數(shù)差值，確定測試孔是否在爆注影響范圍內，從而得出爆注影響范圍的大小。

在29020 回風巷掘進工作面同一水平位置上順煤層施工聚能爆注孔和測試孔，爆注孔直徑為75 mm，測試孔直徑為42 mm，乳化炸藥與雷管裝入裝置內管胎囊，裝藥長度5 m。聚能爆注孔和測試孔1 間距1.5 m，其余各測試孔與前一測試孔間隔0.5 m，如圖23、24 所示。為消除測試孔中空隙對爆注沖擊波的影響，后一測試孔的深度大于前一測試孔1 m。聚能爆注孔深度8 m，測試孔1 深度3 m，測試孔2 深度4 m 等。

圖24 聚能爆注孔剖視Fig.24 Section view of energy-accumulating blasting hole

將聚能槽水平放置，插入鉆孔，裝置深入孔底。聚能爆注孔使用水泡泥封孔，封孔長度2 m。雷管一根。測試孔插入篩管與實管，封孔劑封孔，聯(lián)通負壓抽采管路。瓦斯參數(shù)儀通過管路上孔嘴測試孔內瓦斯參數(shù)。根據(jù)學者們研究和工程經(jīng)驗，爆注的裝藥量[24]為

式中，Qs為爆注裝藥量，kg；W為最小抵抗線，m。

將參數(shù)代入式(9)中得Qs=4.8 kg。則試驗中裝藥量取5 kg。

4.3 結果分析

從圖25 可以看出，測試孔1 聚能爆注前鉆孔流量為0.050～0.105 m3/min，純量為0.45～0.55 m3/min，聚能爆注后鉆孔流量為0.110～0.135 m3/min，純量為0.55～0.85 m3/min，鉆孔流量平均增長40.07%，純量平均增長52.86%。測試孔1 受聚能爆注應力波和爆生氣體的影響，鉆孔周圍裂隙擴展，周邊煤體滲透性增加，瓦斯涌入測試孔中。聚能爆注后鉆孔內瓦斯參數(shù)變化明顯。

圖25 測試孔1 爆注前后參數(shù)對比Fig.25 Comparison of parameters before and after blasting of holes 1

從圖26 可以看出，測試孔2 聚能爆注前鉆孔流量為0.20～0.22 m3/min，純量為0.40～0.55 m3/min，聚能爆注后鉆孔流量為0.30～0.36 m3/min，純量為0.6～0.9 m3/min，鉆孔流量平均增長65.11%，純量平均增長70.37%。測試孔2 受聚能爆注應力波和爆生氣體的影響，鉆孔周圍裂隙擴展，由于測試孔的布置方式為階梯式布置，測試孔1 孔深較短，測試孔1 深部煤體裂隙擴展至測試孔2，瓦斯涌入測試孔2。聚能爆注后鉆孔內瓦斯參數(shù)變化明顯。

圖26 測試孔2 爆注前后參數(shù)對比Fig.26 Comparison of parameters before and after blasting of holes 2

從圖27 可以看出，測試孔3 聚能爆注前鉆孔流量為0.40～0.55 m3/min，純量為0.6～0.8 m3/min，聚能爆注后鉆孔流量為0.600～0.705 m3/min，純量為0.85～1.20 m3/min，鉆孔流量平均增長34.36%，純量平均增長53.80%。測試孔3 受聚能爆注應力波和爆生氣體的影響，鉆孔周圍裂隙擴展，孔2 深部煤體裂隙擴展，孔3 和孔4 間煤體裂隙擴展貫通孔3，但未貫通孔4，煤體瓦斯進入孔3，聚能爆注后鉆孔內瓦斯參數(shù)變化明顯。

圖27 測試孔3 爆注前后參數(shù)對比Fig.27 Comparison of parameters before and after blasting of holes 3

從圖28 可以看出，測試孔4 聚能爆注前鉆孔流量為0.50～0.75 m3/min，純量為0.205～0.250 m3/min，聚能爆注后鉆孔流量為0.43～0.50 m3/min，純量為0.125～0.150 m3/min，鉆孔流量平均增長-35.65%，純量平均增長-41.03%。測試孔4 受聚能爆注影響，由于孔3 和孔4 間煤體裂隙擴展貫通孔3，但未貫通孔4，孔3 和孔4 之間的煤體瓦斯解吸涌入孔3，導致聚能爆注后鉆孔4 內瓦斯參數(shù)對比聚能爆注前均有所下降。

圖28 測試孔4 爆注前后參數(shù)對比Fig.28 Comparison of parameters before and after blasting of holes 4

從圖29 可以看出，測試孔5 聚能爆注前鉆孔流量為0.004～0.043 m3/min，純量為0.04～0.27 m3/min，聚能爆注后鉆孔流量為0.010～0.033 m3/min，純量為0.05～0.28 m3/min，鉆孔流量平均增長13.58%，純量平均增長21.15%。測試孔5 未受聚能爆注應力波和爆生氣體的影響，鉆孔周圍裂隙不擴展，聚能爆注后鉆孔內瓦斯參數(shù)對比聚能爆注前變化不明顯。

綜上，確定聚能爆注孔到測試孔3 的距離為薛湖煤礦局部水環(huán)保壓下聚能爆注卸壓的影響半徑，為2.5 m。在薛湖煤礦工作面以鉆孔間距5 m 布置聚能爆注孔，局部裂隙擴展，集中應力得到轉移與釋放，瓦斯鉆孔驗證指標有所下降，通過對比分析，解吸值Δh2由試驗前的130～150 Pa 降至100～120 Pa，鉆屑量S由試驗前的3.3～4.5 kg/m 降至3.0～3.8 kg/m。

5 結 論

(1)設計一種水環(huán)保壓裝置，對局部聚能爆注有著良好的存水效果，炸藥始終處于鉆孔、水體的中心。水的低壓縮性能夠聚集炸藥能量，炸藥能量均勻作用于煤體，且鉆孔壁、裝置的環(huán)向約束能夠使聚能爆注環(huán)向受壓，減少聚能爆注徑向能量損失。水環(huán)保壓裝置內部設置聚能槽，使得存水保壓、聚能一體化，能夠起到有效的聚能定向卸壓作用。

(2)通過數(shù)值模擬，水耦合能夠聚集炸藥爆炸的能量，減少炸藥爆轟時環(huán)向能量損失，均勻作用在煤體上，但減弱了聚能爆注的定向作用。通過在水介質和鉆孔間設置聚能管，能夠起到有效的聚能定向作用，定向擴展裂隙。炸藥處于鉆孔、水體中心時裂隙擴展、爆注空腔面積均優(yōu)于炸藥處于鉆孔、水體下部時。證明了水環(huán)保壓裝置的優(yōu)勢。

(3)在薛湖煤礦進行工業(yè)性試驗，通過對比聚能爆注前后鉆孔內瓦斯參數(shù)的變化，確定薛湖煤礦局部水環(huán)保壓下聚能爆注定向卸壓的影響半徑為2.5 m，且實施聚能爆注后解吸值 Δh2和鉆屑量S指標均有所下降。