低透气性煤层松动爆破增透效应研究(2).pdf

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第35卷 第2期 2018年6月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 2 Jun. 2018 doi10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2018. 02. 007 低透气性煤层松动爆破增透效应研究* 郑吉玉, 王公忠 ( 河南工程学院安全工程学院, 郑州451191) 摘 要 松动爆破是防治瓦斯突出的有效措施。针对煤层透气性差, 突出危险预测指标高的问题, 采用松 动爆破技术对煤层进行卸压增透。结合某矿工作面煤体和爆破参数, 理论计算了爆破后裂隙圈范围, 主要包 括应力波作用和静压破坏作用两部分, 分别为0. 41 m和1. 47 m; 通过布置钻孔并观测瓦斯流量变化, 裂隙 圈范围与理论计算较为接近, 略小于应力波和静压破坏两部分理论计算之和; 在理论计算和现场观测的基础 上, 确定合理的钻孔间距为3 m。采煤工作面经卸压爆破后, 突出预测指标S(钻屑量)和q(瓦斯涌出初速 度)分别下降了16. 7%和57.1%, 有效降低了工作面突出危险性。 关键词 透气性;煤层;爆破;增透 中图分类号 X923 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X(2018)02 -0037 -04 Study on Permeability Increase of Loosening Blasting in Low Permeability Coal Seam ZHENG Ji-yu,WANG Gong-zhong (School of Safety Science Engineering,Henan University of Engineering,Zhengzhou 451191,China) Abstract Loosening blasting is an effective measure to prevent gas outburst. Aiming at the problem of low per- meability of coal seam and high risk prediction index,the loosening blasting technology is adopted to increase the permeability and pressure unloading of coal seam. Combined with the coal body and blasting parameters of a certain mine working face,the theory calculates the range of fracture circle after blasting,mainly including stress wave action and static pressure damage,0. 41 m and 1. 47 m respectively. By arranging boreholes and observing the change of gas flow,the fracture circle range is relatively close to the theoretical calculation,and it is slightly smaller than the two parts of theoretical calculation. Based on theoretical calculation and field observation,reasonable drilling spacing is determined. After the blasting of the coal mining face,the outburst prediction index S and the initial velocity of gas e- mission q decreased by 16. 7% and 57. 1% respectively,which effectively reduced the outburst danger of the working face. Key words permeability;coal seam;blasting;permeability increase 收稿日期2018 -01 -31 作者简介郑吉玉(1984 -) , 男, 安徽砀山人, 讲师、 博士, 从事安全 工程技术、 矿业灾害防治方面研究,(E-mail)jiyu163. com @163. com。 通讯作者王公忠(1975 -)男, 副教授, 从事采矿工程研究, (E- mail)357469418@ qq. com。 基金项目国家自然科学基金资助(51604091) ; 河南省科技攻关项 目(172102310738) ;河南省科技开放合作项目 (172106000073) ;河南工程学院博士基金项目 (D2015025、D2016021) 爆破在煤矿上的应用主要有松动爆破和控制卸压爆破[ 1,2]。松动爆破可促进瓦斯解吸排放, 同时 结合瓦斯抽采, 达到瓦斯治理和防止突出的目的。 松动爆破作为瓦斯治理的有效方法之一, 主要集中 在对低透气性煤层的增透作用和突出煤层的防突作 用, 另外,松动爆破也是治理冲击地压的有效措 施[ 3-5]。由于其重要性, 松动爆破在防治煤与瓦斯 突出规定 中有详细技术要求。 煤层松动爆破除了对松动爆破机理、 工艺参数 万方数据 研究之外, 松动爆破的影响半径、 孔径和卸压效果考 察也是重点研究对象。文献[6]通过理论计算了岩 石爆破后的压碎圈、 裂隙圈范围。文献[7]以矿山 爆破施工为背景, 采用声波对岩体的裂隙范围进行 了现场测定。文献[8]针对采煤工作面松动爆破合 理钻孔孔径问题, 采用数值模拟软件对不同孔径钻 孔的卸压爆破效果进行了模拟, 对爆破效果的影响 因素较多。文献[9] 采用理论和数值模拟相结合的 方法, 对低渗透煤层在不同应力、 压力和单位质量塑 性功等爆破参数下, 预裂爆破动态变化规律和裂纹 扩展范围进行了研究。为了提高爆破效果, 采用煤 层深孔聚能爆破技术, 利用爆炸产物运动方向与装 药表面大致垂直的规律, 将炸药制成聚能药卷, 提高 炸药的能流密度并可以控制能量作用方向[ 10-12]。 针对低透气性煤层的瓦斯突出问题, 采用松动 爆破技术对煤层进行卸压增透。通过理论计算和现 场观测确定合理的钻孔间距。采煤工作面经卸压爆 破后, 煤体内的瓦斯大量解吸, 预测指标降至安全范 围内, 对降低或消除突出危险性和冲击地压具有重 要意义。 1 松动爆破卸压增透原理 松动爆破是基于炸药爆炸后释放的能量, 改变 装药钻孔周围煤体的物理结构和力学性质, 使一定 范围内的煤体卸压, 同时使瓦斯释放, 达到提高瓦斯 抽采效果和消除突出危险的目的。具体表现为 经 爆破后, 钻孔周围煤体形成压碎圈和裂隙圈, 导致钻 孔周围煤体应力重新分布, 分为原始应力区、 应力集 中区和卸压区, 在卸压区内煤的透气性系数大大增 加。在压碎圈内, 煤体处于充分卸压状态, 爆破产生 的大量裂隙使煤体内的吸附瓦斯能够迅速释放出 来, 瓦斯涌出量处于急剧增加状态。在裂隙圈内, 煤 体形成了大量裂隙并得到部分卸压, 但裂隙并未形 成贯通通道, 使瓦斯释放速度减慢。松动爆破卸压 增透原理如图1所示。 炸药在煤体内爆破后, 对煤体主要产生两个方 面的作用 一是初期爆炸应力波的作用, 应力波在煤 体内形成裂隙圈, 但这个作用过程时间较短, 因此形 成的裂隙圈范围较小; 二是爆炸后期产生的气体静 压破坏作用, 并且作用时间较长, 形成的裂隙圈范围 更大。 爆炸应力波的作用裂隙圈可用下式计算[ 13] Rp= bp2 S CJ T 1 α rb(1) 式中Rp为裂隙圈半径,m;b为切向应力和径 向应力的比例系数,b = v 1 - v, v为泊松比;ST为煤的 抗拉强度,Pa;rb为炮眼半径,m;α为应力波的衰减 系数;p2应力波的初始径向应力峰值,Pa。 图1 松动爆破增透原理 Fig. 1 Principle of permeability increase of loose blasting 在不耦合装药的条件下, 应力波的初始径向应 力峰值为 p2= 1 8 ρ0D21 rc r CJ b 6 n(2) 式中ρ0为炸药的密度,kgm -3; rc为炸药卷 的半径,m;D1为 炸药的爆速,ms -1; n为压力增 大倍数, 一般为8 ~11, 本次取n =8。 应力衰减系数可用经验公式来计算 α = - 4. 11 10 -8ρ mcp + 2. 92(3) 式中ρm为煤体密度,kgm -3; cp为煤体内的 纵波速度,ms -1。 静压破坏作用引起的裂隙圈半径可由下式计算 R′ p= rb Pp S 、 T (4) Pb= P0 rc r CJ b 6 (5) P0= 1 1 + γρ0D 2 1 (6) 式中R′ p为气体静压破坏产生的裂隙圈半径, m;Pp为炸药爆炸产生的作用在炮眼壁上的气体静 压,MPa;P0为炸药的爆轰压,MPa;γ为爆轰产物的 膨胀绝热指数, 一般取γ =3。 工作面基本参数为泊松比0. 33,抗拉强度 0. 24 MPa, 抗压强度11. 91 MPa, 药卷直径35 mm, 炸药密度为1000 kg/ m3, 炸药爆速为3600 m/ s, 煤 体密度1300 kg/ m3, 煤体内纵波速度为1. 2 m/ s。 经计算P0为3240 MPa, 应力波的作用产生的裂隙 圈半径为0. 47 m, 气体静压破坏产生的裂隙圈半径 为1. 41 m。由于裂隙圈半径的影响因素较多, 且有 83爆 破 2018年6月 万方数据 些计算是根据经验公式, 因此具体数值还应当进行 现场考察。 2 松动爆破卸压增透应用实践 某工作面标高-600 ~ -679 m, 地面标高+260 ~ +360 m, 埋深860 ~1039 m。煤厚1. 8 ~4. 9 m, 平 均厚度约3. 0 m, 倾角7 ~22。采面斜长260 m, 走 向长度785 m, 采高3. 0 m, 储量约75万t。工作面 瓦斯压力2. 6 MPa, 瓦斯含量25 m3/ t。工作面发生 过以地应力为主导的煤与瓦斯突出事故, 突出煤量 约2000 t, 瓦斯涌出总量40000 m3。由于工作面埋 藏深度均位于800 m以下,透气性系数为 0. 03 m2/(MPa2d) , 为难以抽放的低透气性煤层, 且发生过以地应力为主导的煤与瓦斯突出, 因此, 为 降低工作面前方的瓦斯和地应力, 在工作面采取松 动爆破措施。 2. 1 合理钻孔间距 参照裂隙圈理论计算值, 在工作面布置钻孔间 距考察钻孔, 如图2所示, 布置5个钻孔, 其中0#钻 孔为爆破孔,1#钻孔、2#钻孔、3#钻孔、4#钻孔为瓦斯 流量观测孔, 分别距0#爆破0. 5 m、1 m、1. 5 m、2 m。 通过不同距离钻孔瓦斯流量变化, 可分析松动爆破 影响范围。 图2 钻孔布置( 单位m) Fig. 2 Borehole layout(unitm) 松动爆破并经验炮后, 观测钻孔瓦斯流量, 如 图3所示, 在距离爆破孔2 m时,瓦斯流量为 0. 2 m3/ min, 与原始瓦斯流量一致; 在距离爆破孔 1.5 m时, 瓦斯流量为0. 29 m3/ min, 虽然有增大, 但 增大幅度不明显; 在距离爆破孔1 m时, 瓦斯流量为 0. 63 m3/ min,有明显增大趋势;在距离爆破孔 0. 5 m时, 瓦斯流量为0. 98 m3/ min, 与原始瓦斯流 量相比, 增大了近5倍。根据瓦斯流量数值, 裂隙圈 半径范围1. 5 ~2 m, 由于在距爆破孔1. 5 m处, 瓦 斯流量增加不明显, 因此裂隙圈应接近1. 5 m, 而不 是2m, 略小于应力波和静压破坏两部分理论计算之 和。因此, 松动爆破钻孔间距设为3 m较为合适。 2. 2 松动爆破技术应用 工作面前方10 ~15 m为采动峰值压力带, 为了 使其向煤体深部转移, 采取深孔爆破方法。该方法 的机理是使爆破孔附近一定范围的煤体产生裂隙, 改变煤体结构, 消除和减轻爆破区段的应力集中程 度, 并使采动峰值压力向煤层深部转移, 一方面可以 达到释放瓦斯的目的, 另一方面也可以预防冲击地 压的发生。 图3 爆破后钻孔瓦斯流量 Fig. 3 Borehole gas flow after blasting 爆破孔深度按下式计算 L = 3. 5M + A(7) 式中L为煤层卸载爆破的深度,m;M为采高, m;A为工作面一个正规循环推进度,m。 卸压爆破钻孔平行煤层走向方向施工,深度 16. 5 m, 孔径42 mm; 每循环保留不少于3. 5倍采高 的保护带。孔距3 m, 风巷向下、 机巷向上各留20 m 不布置爆破孔。每孔装药12卷水胶炸药, 三个毫秒 电雷管; 单孔雷管并联, 孔与孔之间串联; 孔底装药, 向外依次装水炮泥、 沙, 外口封黄泥( 见图4) 。验炮 时间不少于30 min,4 h内不得进行采掘作业。 图4 钻孔装药示意图 Fig. 4 Schematic diagram of explosive charge 2. 3 松动爆破效果 为了对松动爆破效果进行考察, 工作面采用钻 孔瓦斯涌出初速度(q值) 和钻屑量(S值)进行工作 面预测, 其临界值分别为3. 2 L/ min和4. 8 kg/ m。 其中钻屑量不仅是瓦斯突出预测指标, 同时也是冲 击地压常用的预测指标。预测钻孔深度为10 m, 孔 径42 mm, 每次预测保留5. 0 m超前距。具体实施 过程为 在打钻时每钻进1 m取钻屑称重, 钻孔形成 后观测钻孔瓦斯涌出初速度。爆破前后突出预测指 标对比如表所示, 爆破前, 钻孔量和瓦斯涌出初速度 均大于临界指标, 具有瓦斯突出危险性; 经松动爆破 93第35卷 第2期 郑吉玉, 王公忠 低透气性煤层松动爆破增透效应研究 万方数据 并进行抽采后, 钻屑量Smax下降16. 7%,qmax下降了 57.1%, 均有较大幅度降低, 降至安全范围内。见表1。 表1 爆破前后突出预测指标对比 Table 1 Comparison of prediction indexes before and after blasting 预测指标 钻屑量Smax/ (kgm -1) 瓦斯涌出初速度qmax/ (Lmin -1) 爆破前5. 44. 9 爆破后4. 52. 1 3 结论 (1) 煤体经松动爆破后, 在钻孔周围形成压碎 圈和裂隙圈, 应力发生变化, 存在卸压现象, 同时在 压碎圈和裂隙圈范围内, 煤体内的瓦斯大量解吸, 透 气性系数增加明显, 形成良好的增透效应, 为瓦斯抽 采提供了瓦斯源。 (2) 松动爆破后, 产生应力波和静压破坏作用, 根据应力波及静压破坏两方面对裂隙圈的影响, 结 合某矿工作面煤体和爆破参数, 计算得到裂隙圈半 径为1. 88 m, 通过在工作面布置瓦斯流量观测钻 孔, 确定现场实测裂隙圈半径为1. 5 ~ 2 m, 与理论 计算值基本吻合。 (3) 在工作面采取松动爆破措施, 并进行了效 果检验。经松动爆破并进行抽采后, 钻屑量Smax下 降16. 7%,qmax下降了57. 1%, 均有较大幅度降低, 说明松动爆破对低透气性煤层卸压增透取得较好效 果, 对于难抽采煤层具有指导意义。 参考文献(References) [1] 赵宝友, 王海东.煤体坚固性系数和瓦斯压力对煤层 深孔爆破增透的影响[J].爆破,2014,31(1) 25-31. 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