第三章 矿井瓦斯抽放新技术.doc

第三章 矿井瓦斯抽放新技术 第一节 概述 煤矿瓦斯抽放是继煤矿矿井采用机械通风后煤矿防治瓦斯灾害技术又一大的进步。抽放瓦斯是防治瓦斯灾害的治本措施，它不仅可以降低瓦斯涌出量，消除煤与瓦斯突出危险，而且可以变害为利，“变废为宝”，为民所用；同时减少温室效应，有利于环境保护。在我国，工业规模抽放瓦斯是1938年在抚顺矿务局龙凤矿井开始的。1943年龙凤矿在地面建容积为100m3的瓦斯罐，用抽放泵将采空区积存的瓦斯经抽放管路抽至地面作为民用。抽出混合瓦斯量约为10m3/min，瓦斯浓度30-40。国外工业规模抽放瓦斯是1943年在德国鲁尔区“曼斯费尔德”矿进行的，抽放上邻近层瓦斯，抽放瓦斯量约为5m3/min。 自20世纪50年代开始，煤矿抽放瓦斯在德、英、法、苏、波、日、中等国迅速发展，抽放矿井数和抽放瓦斯量与日俱增。迄今世界上已有17个国家抽放瓦斯，年抽放瓦斯量在5000Mm3以上。根据1986-1987年统计资料，国外煤矿瓦斯抽放概况如表2-3-1-1。由表看出，苏联抽放瓦斯矿井数最多，年抽放瓦斯量最大，达2000Mm3以上。但苏联解体后，独联体各国对煤炭工业进行技术改造，煤产量大幅度下降，抽放瓦斯量急剧减少，1995年抽放瓦斯量为1264Mm3。德、日、捷、法等国由于煤炭工业萎缩，抽放瓦斯量亦呈下降趋势。 我国煤矿瓦斯抽放虽于1938年在抚顺矿务局龙凤矿就开始了，但系统地工业规模连续抽放瓦斯是从1952年在该矿建立正规瓦斯抽放泵站开始的。在二十世纪五十年代末仅有抚顺、阳泉、天府和北票各矿务局的6个矿井抽放瓦斯，年抽放瓦斯量为100Mm3。在六十年代，相继在中梁山、焦作、淮南、松藻、峰峰等矿务局开展了抽放瓦斯工作。迄今已在约150个矿井建立了抽放瓦斯系统，年抽放瓦斯量约为700Mm3。图2-3-1-1示出了我国近50年来抽放矿井和年抽放瓦斯量的变化动态。 图2-3-1-1我国抽放矿井和抽放瓦斯量逐年的变化动态 表2-3-1-1 国外煤矿抽放瓦斯概况 国 别 井工 产量 Mt/a 瓦斯涌出总量 Mm3/a 抽放井数 个 年抽放 瓦斯量 Mm3 国 别 井工 产量 Mt/a 瓦斯涌出总量 Mm3/a 抽放井数 个 年抽放 瓦斯量 Mm3 苏联 420 7500 215 2055 加拿大 12 260 7 47 美国 275 5200 19 560 南非 110 840 12 80 德国 89 2810 32 675 法国 15 510 12 178 英国 91 2650 85 390 罗马尼亚 24 250 2 7 波兰 198 950 19 260 比利时 6.5 200 6 25 捷克斯洛伐克 30 1100 18 330 保加利亚 5.5 100 2 12 澳大 利亚 58 690 12 120 土耳其 10 100 2 6 日本 15 580 11 200 合计 1357 24020 469 4956 匈牙利 18 280 5 11 从瓦斯抽放技术发展来看，我国抽放瓦斯是从本煤层预抽逐步发展到邻近层卸压抽放（边采边抽）及综合抽放的过程。数十年来抚顺、重庆两分院和有关高等院校与现场协作，结合矿井的地质开采条件，试验成功多种抽放瓦斯方法，并确定了合理的抽放瓦斯参数。在低透气性煤层（特别是单一低透气性煤层）抽放瓦斯方面，先后试验了高、中压注水、密集钻孔、水力割缝、水力压裂、松动爆破、大直径钻孔、穿层网格布孔、顺层交叉布孔和控制卸压爆破（或预裂爆破）及致裂弹等多种提高预抽瓦斯效果的措施。在邻近层抽放瓦斯方面，除用小直径钻孔抽放邻近层卸压瓦斯外，近些年来，试验成功了顶板长钻孔、高抽巷、大直径定向钻孔等抽放邻近层瓦斯的方法。由于综采放顶煤的推广应用，特别是厚及特厚煤层分层综放开采时采空区瓦斯大量增加，开放式采空区抽放瓦斯也应运而生，并成为治理瓦斯的主要措施之一。如阳泉、淮南和抚顺老虎台等一些矿井，综放工作面抽放瓦斯量高达45～103m3/min，工作面瓦斯抽放率高达76～93。 我国的抽放瓦斯装备是随着煤炭开发强度的增长，抽放瓦斯规模的扩大及科技水平的发展而提升的，由原来非专用的、简单的，逐步发展成为专用的、系列的、具有现代科技水平的抽放瓦斯装备。目前已有几十家专业厂家生产抽放钻机和抽放泵。其中有技术先进的各种型号的全液压钻机（水平长钻孔抽放钻机、软煤强力钻机等）及各种系列的干式和湿式，固定式及移动式抽放泵。抽放系统的监控装置是近几年发展比较快的一项技术，它是由原来人工操作的用光学瓦斯检测仪测瓦斯浓度和读水柱（汞柱）计测抽放负压起步，快速发展至今已采用自动监控瓦斯抽放系统装置。随着现代高新技术的发展，瓦斯抽放监控技术也将向自动化、智能化、网络化方面发展。 第二节 本煤层瓦斯抽放新技术 一、网格式穿层钻孔抽放 网格式穿层钻孔大面积抽放瓦斯是在北票矿务局台吉矿西五石门区的10号煤层进行的。试验由-400～-475m水平（以下简称为上段）和-475～-550m水平（以下简称为下段）两部分组成，钻孔布置如图2-3-2-1所示。 图2-3-2-1 西五石门10层抽放瓦斯钻孔布置 在-475m水平5号钻场首先揭煤层时，发生了1050t的大型突出。受其影响将原设计方案的沿层扇形钻孔改为穿层钻孔。因此，-475m水平除已揭开煤层的3号钻场仍接原设计方案布置沿层钻孔外，其余钻场均布置穿层钻孔。4号钻场因不能恢复而报废。该区域钻孔工程量134个孔，总长3957m。 下段由于-475m水平4号钻场报废，6号钻场因冒落、底部浮石不易清除，原设计在4、6号钻场的下向钻孔改为在-550m水平相对应的钻场及-475米水平相邻钻场布孔。下段钻孔工程量198个钻孔，总长6655m。 抽放瓦斯效果 台吉矿西五石门区瓦斯压力为7.1MPa，煤层瓦斯含量为21.21m3/t，煤层透气性系数东翼0.168 m2/MPa2.d，西翼0.0312m2/MPa2.d。 西翼实际抽放率和瓦斯压力的变化情况如图2-3-2-2所示. 西翼抽放率为30时，瓦斯压力下降到1.7 MPa;抽放率为20时，瓦斯压力下降到2.9 MPa。 试验区6号钻场实际抽放率和瓦斯压力变化情况如图2-3-2-3所示。当抽放半径为5m，东翼抽放率为30时，瓦斯压力下降到1.1 MPa;抽放率为20时瓦斯压力下降到1.7 MPa。 当抽放率为30时，瓦斯抽放有效半径r与时间t的关系为 东翼r0.455t0.423 西翼r0.0127t0.915 式中r有效抽放半径 ,m； t抽放时间，d. -475m水平1号钻场抽放后各瓦斯有关参数变化如图2-3-2-4所示。 图2-3-2-2 西翼不同抽放时间瓦斯压力变化情况 图2-3-2-3、东翼不同抽放时间瓦斯压力与抽放距离的关系 图2-3-2-4 -475m水平1号钻场抽放后瓦斯参数变化曲线 北票矿务局竖井西部10煤层是我国透气性极低的突出煤层之一,通过此次预抽试验表明，低透气性煤层尽管预抽瓦斯极为困难,但在合理布置钻孔、保证预抽时间等技术条件下，完全能够达到预期抽放效果。 二、交叉式布孔抽放 交叉式布孔预抽煤层瓦斯的目的是为减少岩石钻进工程量，提高本煤层瓦斯抽放效果研究的预抽瓦斯方法。抚顺分院与俄罗斯斯阔成斯基矿业研究院共同合作，在焦作矿务局九里山矿13051回采工作面进行了首次试验。 试验区钻孔布置如图2-3-2-5所示，打煤层钻孔177个，总计钻孔长度11291m，为了对比交叉布孔和平行布孔的两种方式的抽放效果，除交叉布孔外，尚布置了一定数量的平行钻孔。交叉布孔中的斜向钻孔与平行钻孔呈150-200夹角，钻孔平均长63.8m，每个钻孔有三个交叉影响区。 图2-3-2-5 交叉布孔布置图 交叉布孔抽放瓦斯效果考查 试验区单位时间的瓦斯抽放量q（m3/min）和瓦斯累计抽放量Q（m3）随时间t的变化如图2-3-2-6所示。由于抽放钻孔在抽放开始阶段60d内分三批连接抽放系统，故瓦斯抽放量有上升趋势，在150d抽放时间内，瓦斯抽放累计量达600km3。 图2-3-2-6 瞬时瓦斯抽放量q和瓦斯累计抽放量Q随时间t的变化 在试验区内，对平行布孔和交叉布孔的瓦斯自然涌出量进行了观测。其不同形式hm钻孔瓦斯自然涌出量q0（m3/min）随时间t的衰减规律为 平行布孔q00.0116e-0.024t 交叉布孔q00.0309e-0.016t 从中可以看出hm交叉布孔初始瓦斯自然涌出量为0.0309m3/min，是平行布孔0.0116m3/min的2.67倍，且随时间的衰减速度也较平行布孔缓慢。 同时还对两种布孔区瓦斯抽放量随时间的衰减变化进行实测，经回归分析得出不同形式hm钻孔瓦斯抽放量q随时间t的变化规律为 平行布孔q0.04e-0.009t 交叉布孔q0.1012e-0.0104t 从中可以看出平行布孔hm钻孔初始瓦斯抽放量为0.04m3/min，而交叉布孔为0.1012m3/min，为平行布孔的2.53倍；平行布孔140d后hm钻孔瓦斯抽放量衰减为0.013m3/min，而交叉布孔为0.024m3/min，为平行布孔的1.85倍。 试验区东块段由于打钻时间最晚，且开采时间又最早，实际预抽瓦斯时间仅63d。试验区各块段煤层瓦斯含量、抽出率及平均百米有效钻孔瓦斯抽放量如表2-3-2-1。 表2-3-2-1 各块段瓦斯抽放效果 抽 放 瓦 斯 块 段 各抽放期有效钻孔长度平均值（m） 煤 炭 储 量 （kt） 瓦 斯 储 量 （km3） 抽 放 瓦斯量 （km3） 瓦 斯 抽放率 （） 平均百米有效钻孔抽出量（m3） 东部交叉布孔 863 53.099 899 42.6 4.7 4396 中部平行布孔 2013 81.810 1385 101.6 7.3 5047 中部交叉布孔 1071 53.460 905 109.0 12.0 10177 西部交叉布孔 4659 262.534 4444 342.4 7.7 7349 合 计 450.903 7633 595.6 7.8 工作面钻孔个数、风排和抽放瓦斯量的变化如图2-3-2-7所示.在初采的60d时间内，风排瓦斯量为3-5m3/min，抽放瓦斯量为2.2-2.5m3/min，试验区内总瓦斯抽放率为33-42。 依据考查测定结果，工作面前方8m以远抽放钻孔孔口负压为22-44kPa,，抽放浓度一般为20-89，瓦斯抽放量变化情况如图2-3-2-8。 图2-3-2-7 图2-3-2-8 图中说明，交叉布孔方式中的平行钻孔和斜交钻孔都受到工作面前方卸压带的影响，在距工作面12-15m范围时，瓦斯抽放量开始显著增大，在距工作面6-8m时，瓦斯抽放量达到最高值，以后迅速下降。斜交布孔在距工作面22-30m（对应孔底距工作面5.7-10m）时，瓦斯抽放量开始增加；距工作面12-20m（孔底已被工作面采过2.2-0m时）的瓦斯抽出量显著增大；距工作面10m（孔底已被工作面采过10-4.9m）时达到最高值，以后迅速下降。斜交布孔较平行布孔在距工作面较远范围内抽放量开始增大。这是由于斜交布孔斜向工作面，孔底较早地受到工作面前方煤体卸压带的影响所致。此外，东块段回采期间，对各抽放钻孔观测表明，交叉布孔没有出现明显串通透气及工作面煤壁发现钻孔残迹等现象，即使孔底已被工作面采过或跨越，只要孔口封孔段部分保持严密，还能够正常的抽放瓦斯。 交叉布孔方式利用钻孔交叉时产生的相互影响，在不增加任何工程量条件下，相当于加大了钻孔直径，提高了的瓦斯预抽效果；同时还可避免由于钻孔坍塌，堵孔影响抽放效果的现象发生，可提高抽放量46-102，是一种简单易行、便于推广应用、抽放效果好、有前途的预抽方法。 三、本煤层定向长钻孔抽瓦斯技术 提高本煤层瓦斯抽放效果，多年来一直是瓦斯抽放工作难以解决的问题。煤层定向长钻 孔抽放瓦斯技术，对于单一煤层和低透气性煤层利用工作面回采产生的卸压效应，抽放工作 面前方的卸压瓦斯以达到自我卸压、自我保护的目的，为单一低透气性煤层抽放瓦斯提供了又一个新的行之有效的技术途径。 长钻孔成孔率高低的关键因素是钻孔的定向钻进技术，而采用合理的钻进参数和钻具组合，可使钻孔达到预定的终孔位置。 （一）定向钻具的选择及钻具组合的优化 1. 定向钻孔施工的常用钻具 为了保证煤层水平长钻孔的有效长度，必须采取相应的定向钻具或定向钻具组合。 国内外在施工煤层水平长钻孔时采用的定向钻具大致如下 1）粗径钻杆满眼钻杆。增大钻杆直径与钻头直径的比值，有利于定向钻孔的施工，而且该比值越接近于1越有利。这是因为随钻杆直径的增加，钻杆的轴惯性矩增大，从而提高钻杆的刚度。 2）厚壁钻杆。钻杆的壁厚增加，使钻杆的轴惯性矩增大，钻杆的强度和刚度都会提高，但壁厚增加，要受冲洗液的合理通径钻杆内径的制约。 3）定中器。定中器在石油钻井和地质勘探中早已广泛应用，而且已取得了很好的效果。在钻具中加装定中器，一方面可以减少孔壁与钻具的间隙，使其不具备钻孔弯曲的空间条件；另一方面可以使钻具中心线与钻孔轴线一致，钻压可以沿这个中心线传给钻头，从而延长外切点至钻头的距离。打钻实践和理论研究都表明，合理的选择定中器的安装位置，可以使钻具具有增斜、降斜和稳斜的作用，双定中器近钻头满眼钻具组合具有良好的防斜作用。美国在煤层中打定向水平长钻孔采用的组合钻具形式为钻头＋定中器＋钻铤（加重钻杆）＋定中器＋普通钻杆，当钻孔窜入煤层顶板时，则舍弃前面的定中器，这样可使钻孔下垂，反之舍弃后面的定中器又可使钻孔上仰。 4）导向钻头和导向钻具。它是利用钻头切削的各向异性和钻具组产生的侧向力，使钻孔沿着设计的轨迹钻进。 钻孔造斜用的造斜钻头有两类一类是用于下偏心楔后沿楔面钻进用钻头；另一类是用于机械式连续造斜器和螺杆钻造斜钻进用钻头。 导向钻具有三大类第一类是偏心楔。配合偏心楔不同的结构特点和钻进施工要求，有不同的导斜钻进钻具；第二类是无楔机械式连续造斜工具，它有专门机构实现连续定向造斜；第三类是液动螺杆钻造斜工具，它是以钻井液为动力介质的一种孔底动力机，再配合造斜件实现无楔连续造斜。 5）孔底动力钻具。采用孔底动力钻具与弯接头并配备随钻测孔仪，可以实现较灵活的定向钻进。用此定向钻进技术与装备，曲率半径在130～200m内可实现钻孔拐弯90。安装在孔底动力马达后的弯接头，可通过操作钻机带动钻杆使其在圆周方向上任意调整，实现每钻进3m钻孔可改变钻孔倾角1。我国在二十世纪八十年代和九十年代相继引进了该项技术和装备。在一些局矿应用，由于设备成本高，技术性强，且在煤层中施工，易出卡钻现象，不易普及。 6）偏重钻具。常采用钻铤加重钻杆加工而成。当钻具回转时，因偏重而产生一个朝向重边的离心力，且转速越高离心力越大。钻进时，当偏重一边朝向孔下壁时，离心力与重力方向一致，可对孔壁产生较大的冲击纠斜力。当偏重一边朝向孔上壁时，离心力与重力方向相反。同时，由于这种周期性的旋转不平衡性，使下部钻具发生强迫振动，这种弹性的横向振动，会增大钻头切削孔下壁的能力。可见，在这种情况下，减斜作用显然大大增强，将这种钻具用于增斜地层，可抵消全部或部分增斜力，从而起到防斜效果。此外，由于离心力的作用，使偏重钻具的重边在旋转时永远贴向孔壁，这样就使下部钻具具有公转的运动特性，消除了自转时对孔斜的影响，从而在直孔中也形成很强的防斜作用。为了发挥偏重钻具的防斜作用，宜采用高转速。同时，在组合钻具中，应把重量差集中在钻具下部分，尽量接近钻头，并使偏重钻具的减重部分的重量位于距轴线尽可能远的部位。另外，钻具重边和轻边的重量差不宜过大或过小。 此外，还有预应力钻具、防斜钻具和钻铤等定向钻具。 2. 钻具的选择与优化 孔底钻具组合的类型与结构是影响钻孔轨迹的众多因素中，首先要考虑的主要方面，钻具组合结构设计不合理，实际的钻孔轨迹就得不到控制。因为钻孔轨迹控制的实质就是控制钻头上的三维分力，影响钻头侧向力的钻具结构参数甚多，但在钻进过程中，不可能随时变更钻具组合。然而能对钻具侧向力产生一定影响，便于及时调整的可控因素主要是钻压。钻压对钻具力、地层力、机械转速及侧向切削量均有影响，因此它是影响倾角和方位角的主要因素，其它工艺操作参数，如转速、供水量等也可在钻进过程中进行适当调整。 3. 钻具组合的优化设计 对钻具组合的优化设计，主要是寻求定中器（图2-3-2-9）的最佳安装位置以及匹配的钻压。 图2-3-2-9 定中器的结构 定中器安装的位置太近，则降斜作用较小；安装位置太远，则钻具与孔壁产生新的切点，使钻具的作用失效，所以，定中器安装的位置不同，可以使钻具具有增斜和降斜作用。 （二） 钻孔布置 煤层定向长钻孔的布置方式一般有两种，一种是沿回风巷迎工作面推进方向打斜交长钻孔，一种是平行工作面从腰巷（或在上山处）打垂直于工作面的长钻孔。 1. 钻孔的倾角和方位角 煤层长钻孔一般为水平或近水平钻孔，倾角一般为0～5，只要保证钻孔钻进过程中顺利回水即可。 钻孔的方位角在斜交钻孔的情况下，一般在45左右，要保证同时起作用的钻孔个数；垂直钻孔为0左右。 2. 钻孔间距和同时起作用的钻孔个数 对于一个回采工作面采用煤层长钻孔抽放瓦斯，首要的一个问题就是要知道煤层的排放瓦斯半径，钻孔间距R根据实际测得的钻孔影响半径r来确定，一般取R2r。 （三） 应用实例 “煤层定向长钻孔成孔工艺与抽放瓦斯技术的研究”作为国家“九五”科技攻关项目在鹤岗矿务局南山矿和潞安矿务局常村矿进行了试验研究，取得了较好效果。 四、本煤层强化抽放技术 ㈠ 穿层水力扩孔技术 未卸压煤层的瓦斯抽放钻孔所引起的煤体松动和卸压范围是有限的。为了能提高本煤层瓦斯抽放效果采取水力冲（扩）割煤层卸压抽放瓦斯技术就是以高压水射流冲割煤层，排出碎煤，造成空穴，使煤层产生局部卸压，裂隙延伸扩大，煤层透气性增加，从而提高煤层瓦斯抽放量。 1. 高压水力移动泵站系统结构和工作原理 高压水力移动泵站系统由高压水泵、防爆电机、磁力起动器、高压供水管路、水枪、系列喷嘴及供水车等部件组成，其结构如图2-3-2-10所示。 其主要技术指标如下 流 量 135l/min 额定排出压力 17MPa 防爆电机功率 45KW 质 量 1200Kg 外 形 尺 寸 18008901200mm 图2-3-2-10 高压水力移动泵站系统结构 1－冲割水枪 2－高压供水管路 3－高压阀 4－高压水泵 5－防爆电机 6－供水车 7－供水胶管 2 冲割方式 1）弯喷头水枪冲割方式 应用钻机推进装置把弯喷头水枪送至孔底，经检查泵站系统各部件无误后，开动高压水泵，呈半园弧形来回转动由里向外边冲割煤体，边观察排水、排煤屑及瓦斯涌出等情况。当发现孔内出现堵水不排渣等异常现象，以及巷道瓦斯超限时，应立即停泵、停钻检查处理。 要求水力冲割钻孔上方煤层形成破裂塌落，并冲出一定数量的煤。为此，可根据煤的硬度调换喷嘴直径，使其水射流达到最佳冲割煤层效果。 2）直喷头水枪冲割方式 当煤层坚固性系数f0.5或孔内煤层易跨落时，可采用直喷枪头由外向里边旋转边冲割煤层。 根据孔内冲出煤量多少，再确定是否改用弯喷头水枪复冲煤层，直至孔内出煤量达到要求为止。 3）钻割连续工艺钻冲方式 当钻孔长度在30m以上时，可采用高压水泵直接向钻机供水，边钻进边冲割煤层。通过钻杆和特制的三翼钻头（结构如图2-3-2-11所示）造成煤层局卸压，增大煤层透气性能，提高煤层瓦斯抽出量。 图2-3-2-11 三翼钻进式枪头结构示意图 1－柱状合金 2－翼片 3－钻头筒体 4－硬质合金片 上述三种冲割煤层方式可联合使用，也可单独使用，以实现煤层卸压，提高瓦斯抽出量的目的。 要求每冲割完一个钻孔，应用钻机及时撤出水枪和高压水管。封堵钻孔，接管抽放煤层瓦斯。高压水力冲割煤层工作状态如图2-3-2-12所示。 图2-3-2-12 高压水力冲割煤层工作状态图 1－煤层 2－冲割水枪 3－岩层 4－钻机 5－高压水泵 6－防爆电机 7－供水胶管 3. 水力冲割煤层卸压抽放效果 通过在开滦矿务局对水力冲割煤层卸压抽放瓦斯技术的研究表明，水力冲割效果明显优于普通钻孔（89mm）。在相同煤质条件下，水力冲割煤层孔可比普通孔提高瓦斯抽放量79以上。 ㈡ 深孔控制预裂爆破强化抽瓦斯技术 深孔控制预裂爆破强化抽放瓦斯技术实质是，在回采工作面的进、回风巷每隔一定距离，平行于打一定深度的爆破孔和控制孔，二者交替布置。爆破孔装药段利用压风装药器进行连续耦合装药。利用炸药爆炸的能力、瓦斯压力及控制孔的导向和补偿作用使煤体产生新的裂隙，并使原生裂隙得以扩展，从而提高煤层透气性，达到提高抽放效果的目的。 1. 深孔控制预裂爆破机理 深孔预裂爆破的目的是为了增加煤体的裂隙长度和范围，以提高透气性，减少抽放阻力，从而提高瓦斯的抽放率。因此，它不仅要求在相邻孔间连线方向形成贯通裂缝，而且要求其它方向尽可能多的产生裂隙，使煤体内形成以炮孔为中心相互连通的裂隙网。深孔预裂爆破的特点是采用连续耦合装药工艺，并在爆破孔周围增加了辅助自由面控制孔。由于是在含瓦斯煤体中进行的，煤与瓦斯处于一个系统内，所以同时考虑了瓦斯压力对产生爆破裂隙的影响。 深孔控制预裂爆破裂隙区域的形成过程如下炸药在孔内爆炸后，将产生应力波和爆生气体，在爆破近区产生压缩粉碎区，形成爆炸空腔，煤体固体骨架发生变形破坏，在爆炸空腔壁上产生长度为炮孔半径1-3倍范围之内的介质被强烈压缩、粉碎，产生初始裂隙（不同于原生裂隙）。此外，空腔壁上部分原生裂将会扩展、张开。在爆破中区，应力波过后，爆生气产生准静态应力场，并楔入空腔壁上已张开的裂隙中，与煤层中的高压瓦斯气体共同作用于裂隙面上，在裂隙尖端产生应力集中，使裂隙进一步扩展。进而在炮孔周围形成径向之字形交叉裂隙网。在爆破远区，由于控制孔的作用，形成反射拉伸波和径向裂隙尖端处的应力场相互叠加，促使径向裂隙和环向裂隙进一步扩展，大大增加裂隙区的范围。同时，原生裂隙中的瓦斯，由于爆炸应力场的扰动将作用于已产生的裂隙内，使裂隙进一步扩展。最后，在爆破孔的周围形成包括压缩粉碎圈，径向裂隙和环向裂隙交错的裂隙圈及次生裂隙圈在内的较大的连通裂隙网。 2. 深孔控制预裂爆破工艺及设备 1 打钻工艺及设备 ⑴采用风力排粉技术，在钻进过程中，保证风压在0.5MPa，控制风压稳定。 ⑵选用MYZ-150型液压钻机，这种钻机稳定性好，钻进能力强，可以避免由于钻机跳动使钻杆撞击孔壁。 ⑶规范钻机操作，钻杆要上紧卡牢，要人工卸接钻杆。推进压力要恒定，控制钻进速度在1.0-1.5m/min，尽可能避免反复进钻退钻。 ⑷选择新型的“三级变径式导向钻头”或其它具有定向能力、成孔效果好的钻头。 通过采取以上工艺技术措施，试验中在f0.2条件下，使80m以上的深孔成孔率可达到75，30-70m孔深成孔率可达到80。 2 装药结构和装药工艺及设备 为了提高炮孔利用率、爆破效果和装药速度，克服深孔爆破中存在的管道效应、间断装药等引起的拒爆、爆燃现象，采用了连续耦合装药、孔内辅以导爆索、正向起爆的装药结构。 装药工艺采用BQF-50A型压风装药器与抗静电阻燃塑料管配合进行连续耦合装药。 3 封孔工艺及设备 封孔工艺为压风喷泥连续封孔；封孔设备为BQF-50A型装药器；封孔材料为黄土。 4 预裂爆破参数 ⑴ 爆破孔和控制孔孔径选择 在连续耦合装药情况下，当装药密度一定时，爆破孔径增加一倍，裂隙扩展长度增加一倍以上。由有限元数值计算结果可知随着爆破孔孔径的增大，透气性系数提高，但不成正比关系。当孔径达到一定值后，透气性提高的幅度随着爆破孔孔径的增大而逐渐减小，说明单纯靠增大爆破孔孔径来提高透气性效果是有限的。一般爆破孔直径在75mm-100mm之间较为合理。 对于控制孔，在爆破孔与控制孔的水平连线上，煤体所受拉应力为当爆炸应力一定时，随着控制孔半径的增大，其所受拉应力以四次幂级数增加。也就是控制孔径越大，对裂隙的形成和扩展越有利。由于受打钻设备和工艺安全等因素的限制，当孔径达到一定值后，再增大孔径会带来诸多不利因素。一般直径在90mm-150mm即可达到导向和补偿目的。 ⑵ 爆破孔与控制孔间距的选择 理论分析和模拟试验表明在煤层条件一定时，随着孔间距的增大，透气性系数迅速降低，当孔间距达到一定值时，透气性已接近原始煤体，即孔间没有形新的裂隙。反之，当孔间距减小时，透气性迅速上升。但孔间距越小，工程量越大，成本越高。因此，应在保证良好的预裂效果同时，尽可能加大孔间距。 由数值计算和模拟试验结果可知，当爆破孔径为75mm、控制孔直径为90mm时，贯通裂隙长度可达8.7m。在爆破孔直径75mm、控制孔直径90mm、连续耦合装药时，并考虑到现场工作面接替的要求，合理的孔间距应为5-8m。 ⑶ 爆破孔封孔长度的选择 在预裂爆破中，爆破孔的封孔长度是一个非常关键的参数。要求不仅能保证爆破后爆破孔不打枪，保证爆破效果；而且要有合理的长度以保护巷帮煤体不被破坏，满足爆破后的抽放要求。 将装药炮孔视为一柱状药包，爆破后，其爆炸应力在对炮孔孔壁作用的同时，也对炮孔的轴向发生作用；而且在轴向应力波中，以轴线方向上的应力波为最强。由于孔口方向有巷帮存在，自由面较大，更有利于应力波的反射，造成煤体的破坏。然而，在预裂爆破中，由于封孔段相对于煤体为结构弱面，炸药爆炸后瞬间，应力波将集中向结构弱面作用，即向封孔段作用；而封孔材料为黄泥，其塑性变形好，能有效地吸收爆炸应力波，使其迅速大幅度衰减，从而减轻了应力波对煤体的破坏作用。 由于采用的是正向起爆，爆轰波传播方向是孔口向孔底传播，所以爆炸应力波相对对孔口方向作用较小。 在预裂爆破中，爆破孔两边设计有控制孔，控制孔作为自由面存在于爆破孔的同一水平面上，使爆炸能量向控制孔方向作用，从而减小了爆炸应力波对巷帮煤体的作用。 从巷帮煤体矿压分布情况看，一般离巷帮2-3m为卸压带，3-4m为应力集中带，远处为原始应力带。当封孔长度超出应力集中带时，爆破产生的裂隙扩展将受到应力集中带的遏制，因此裂隙不易向巷帮扩展。 综合上述分析认为，预裂爆破中，在保持一定的封孔长度的情况下，可以保证巷帮煤体不被破坏，满足爆破后抽放要求；一般认为封孔长度为10-12m。 ⑷ 一次起爆孔数的选择 预裂爆破中，如果单孔起爆，爆破影响范围内的煤体只受到一次压应力波一次控制孔反射的拉应力波的作用，煤体相对受力较小、方向单一，尤其距爆破孔较远的煤体，影响更小。而双爆破孔起爆时，爆破影响范围内的煤体，尤其是两个爆破孔之间的煤体，受到双向压应力和拉应力的叠加应力场的作用，使控制孔充分发挥作用，更有利于煤体破坏，产生更多的裂隙，使煤体卸压。显然，一次起爆孔数越多，越有利于提高预裂爆破效果，有利于加快工程进度。但受爆破各工序工时的限制，一次起爆孔数太多，一个班内不能完成爆破工序。基于以上原因，根据多次试验经验，选择一次起爆孔数在2-3个爆破孔。 3. 深孔控制预裂爆破效果 1 通过对比分析证明，采取深孔控制预裂爆破措施后，煤体内裂隙大幅度增加，原生裂隙得到扩展，形成了较大范围的连通裂隙网，从而提高了煤层透气性。预裂爆破后虽然存在透气性系数随时间逐渐降低趋势，但由于控制孔的补偿作用，煤体内产生了不可恢复的破裂，透气性系数仍比未爆破煤体提高。 2） 预裂爆破后，使煤体产生新的裂隙的同时，原生裂隙亦得到扩展，扩大了瓦斯补给源。煤层透气性大幅度提高，为瓦斯的流动创造了良好的条件。因而表现出在抽放初期的异常衰减和在整个抽放期间的相对较慢衰减。hm钻孔瓦斯流量预裂爆破后比普通钻孔提高数倍。 3）试验结果表明，预裂爆破抽放一个月时抽放率可达15.97，3个月时达到26.6,从1、2、3个月的抽放率对比看出，预裂爆破抽放率分别是普通钻孔抽放率的1.68、1.99和2.22倍。3个月内抽放率比普通钻孔抽放率提高1倍多。 4）试验数据表明，预裂爆破抽放后和普通钻孔抽放相比，工作面瓦斯涌出量平均下降了61.25。突出危险指标平均下降了47.9；可以认为预裂爆破抽放瓦斯措施对于防治回采工作面的煤与瓦斯突出有明显效果。 第三节 邻近层瓦斯抽放新技术 一、近距离邻近层瓦斯抽放技术 邻近层瓦斯抽放技术，在我国瓦斯矿井中已经得到广泛的应用，从二十世纪五十年代起，先后在阳泉、天府、中梁山等局矿都取得了较好的效果，但近距离的上、下邻近层抽放仍沿用一般的邻近层抽放技术，不仅效果欠理想，而且还会给生产会带来一些麻烦。 “八五”以来，对近距离邻近层瓦斯抽放技术一些难题进行了研究，提出了不同开采技术条件下的近距离邻近层瓦斯抽放方法，取得了较好的效果。 ㈠ 邻近层瓦斯涌出规律 1. 邻近层瓦斯涌出现象。煤层开采后，其上、下部的煤岩层会产生移动、变形和卸压，而在其影响范围内邻近层的煤岩中的瓦斯，将会通过由开采而产生的裂隙向采掘空间流动，其瓦斯涌出量成倍增加。 2.近距离邻近层瓦斯涌出规律。在开采过程中，近距离邻近层处在开采层充分卸压范围内，煤层透气性大，流动阻力小，因此瓦斯涌出的表现形式速度快，流量大。 3. 近距离邻近层瓦斯涌出特点。间距较小的邻近层，尤其是上邻近层，泄入冒落带的瓦斯受回采工作面通风负压的影响，瓦斯会大量流向采空区、工作面上隅角，使生产受到瓦斯威胁。 ㈡近距离上邻近层瓦斯抽放技术 在国内近距离邻近层瓦斯抽放矿井中，松藻矿务局打通二矿是个比较典型的例子。由于采取了钻孔抽放和采空区抽放相结合的抽放方式，有效地解决了近距离上邻近层瓦斯问题。 1. 邻近层赋存状况 打通二矿井田矿井地质构造简单，煤层赋存稳定。倾角3～5○，盖山厚330m，开采的7煤层平均厚度0.9m。直接顶板灰页岩易垮落，老顶灰色硅质岩较坚硬。7煤上7.1m处有6煤层，厚1.06m，往上垂高26m范围内尚有不可采煤层线6～7条，累积煤厚1.8m左右，为开采层厚度2倍。在7煤层以下7.22m处有8煤层，厚达2.2m，再下还有9煤层不可采。从赋存层次及间距可以看出，在回采7煤的条件下，上下各层均在卸压范围内、而最近距离均不足10m，属于近距离邻近层。 2. 邻近层瓦斯来源分析 根据各煤层瓦斯含量和煤层厚度，瓦斯排放率，计算邻近层瓦斯涌出量（可按本篇第二章瓦斯涌出量预测中的有关公式计算）。以N1709面为例，上邻近层瓦斯来源占总瓦斯涌出的33.2，绝对涌出量为10.88m3/min；本煤层自身瓦斯涌出占13.6，绝对涌出量为4.45m3/min；下邻近层瓦斯涌出量占53.2，绝对涌出量为17.47m3/min，工作面总瓦斯涌出量可达32.8m3/min，显然不采取抽放措施，用其他方法难以解决回采工作面瓦斯问题。 3. 近距离上邻近层瓦斯抽放施工工艺 1 钻孔抽放方法 ⑴ 有煤柱条件下在邻面回风巷中布置钻场（如图2-3-3-1-a），向开采工作面采空区上方顶板裂隙带打钻孔抽放上邻近层及附近煤线中的瓦斯。 ⑵ 无煤柱条件下，在回风巷外侧的实体煤中开掘专用抽放瓦斯钻场（如图2-3-3-1-b），即拐角钻场布置方式。由钻场向工作面采空区上方顶板裂隙带打钻孔，抽放上邻近层瓦斯。 ⑶ 无煤柱条件下，在工作面回风巷直接向顶板打钻孔进行抽放（如图2-3-3-1-c），为保护钻孔，在巷道可打钻窝或留煤墩，增加支护，延长钻孔寿命。 2-3-3-1-a 2-3-3-1-b （2-3-3-1-c） 图2-3-3-1 上邻近层钻孔布置形式 2）钻孔参数 无论有煤柱和无煤柱，钻孔由顶板开孔，向工作面上方裂隙带打钻孔，抽放上邻近层及其附近的煤线中的瓦斯，钻孔参数考虑的要点为 ⑴ 钻孔的终孔点要在冒落带以上的裂隙带内； ⑵ 钻孔仰角和夹角要保证工作面推过后不断孔，并且要使钻孔处于卸压带以内； ⑶ 根据工作面上隅角或采空区瓦斯分布，钻孔伸入工作面水平投影距离应在10m以上。钻场间距50～60m，每个钻场打5～7个孔，钻孔直径为65mm。 4. 上邻近层钻孔参数设计依据 近邻近层抽瓦斯合理钻孔参数的标准是抽出瓦斯量大，瓦斯浓度高，抽放有效时间长。对上邻近层而言，既要求能有效地截抽对生产构成直接威胁的上部煤层及围岩中的瓦斯，同时又要使钻孔在整个服务期间不遭到破坏。随着邻近层抽放瓦斯技术和理论研究的完善和发展，越来越多的结论证明，邻近层的卸压瓦斯不仅沿着煤层的裂隙流向钻孔，而且还有部分瓦斯通过围岩裂隙流向钻孔。所以，在确定钻孔的位置时，应使钻孔穿过尽可能厚的离层煤岩体，可取得较好的抽放效果。据此，认为用钻孔进入卸压区的最低高度H1比用邻近层间距作为依据设计钻孔几何参数更为合理。钻孔进入卸压区的最低高度是指保证钻孔不遭到大量漏气前提下钻孔与围岩卸压线交点至煤层顶板的最小垂高，它至少应大于冒落带的高度，即使钻孔进入卸压区的层位，应位于采空区上方冒落带顶部、裂隙带下部，已有的研究证明坚硬和中硬岩性冒落带最大高度一般是煤层厚度的5倍左右，为保证钻孔不遭到破坏，H1取6～8倍于采厚，同理钻孔终孔层位于裂隙带上部界限。裂隙带的高度取煤层采厚的20～26倍。按此设计原则取岩石冒落角65，计算主要参数钻孔倾角、钻孔终孔层位、钻孔水平投影伸入工作面距离及钻孔水平投影与巷道轴线的夹角等。 在无煤柱工作面抽放钻孔保护方式有三种第一、利用工作面前方煤体保护钻孔，这种方式抽放时间、效果不好是显而易见的；第二、是在工作面回采过后叠矸石带保护钻孔；第三、是回采时留有煤墩加简易木垛保护钻孔。松藻局采用第三种效果较好。但煤墩尺寸的大小对钻孔参数的影响较大。当煤墩尺寸很小时，钻孔倾角较大，则钻孔进入卸压区的距离小，如果卸压角选择的偏大或偏小就可能造成钻孔伸入不到卸压区或在小于裂隙高度进入卸压区。实际工作中在采高一定时，煤墩尺寸不应小于一个限值。 实践证明，松藻打通二矿无煤柱钻场在煤墩宽3～4m的情况下，钻孔水平投影与巷道的夹角30～150，钻孔水平投影伸入工作面距离（不包括回风巷宽度）10～20m，钻孔进入卸压区的最低高度5.6～9.9m，是采厚的6～11倍,终孔点距煤层顶板垂高15～22m，是采厚的17～24倍，孔长25～38m，以上数据在实际抽放中，取得了较理想的效果。 ㈢ 近距离下邻近层瓦斯抽放技术 1. 层内布孔。抽放下邻近层在开采层内布孔主要是在进风顺槽打上向孔，钻孔施工较容易，但受近距离邻近层限制，要求封孔要深。为了解决长工作面瓦斯问题，单在一侧顺槽打孔，效果不一定理想，因此，也可在回风顺槽打下向钻孔，下向孔施工有一定难度，孔中积水给抽放带来阻碍，但时间一长，它可自动疏干，不影响抽放，抽放效果好，抽放瓦斯浓度高。可以有效解决工作面瓦斯威胁。 2. 层外布孔。在开采层下部开掘专用岩巷，在岩巷内