深孔松動爆破防治煤與瓦斯突出的技術研究

邵 方 張紅燦 高加傳

我國是發生煤與瓦斯突出非常嚴重的國家。煤與瓦斯突出給煤礦工人的安全和國家財產造成巨大威脅。隨著產量的提高，開采深度和開采難度的增大，突出的嚴重性也在增大，這使得煤與瓦斯突出成了威脅煤礦井安全生產最嚴重的自然災害之一。因此深入研究治理煤與瓦斯突出是煤礦安全中的一個重要課題，具有很強的經濟效益和社會效益，時間上也具有緊迫性。

1 深孔松動控制爆破防治煤與瓦斯突出的技術特點

深孔松動控制爆破防治煤與瓦斯突出技術是由松動爆破和控制孔聯合作用來實現防治煤與瓦斯突出的，其特點是采用連續裝藥工藝和在爆破孔周圍增加輔助控制孔進行爆破，提高爆破孔產生松動范圍的一種增透方法;它是由爆炸壓力波、爆生氣體和瓦斯壓力共同作用煤體的結果。

在含瓦斯煤體中進行的深孔松動控制爆破既不同于普通預裂爆破又不同于松動爆破。深孔松動控制爆破的目的是為了增加煤體的裂隙長度和范圍，以提高爆破煤體的透氣性。

2 深孔松動控制爆破作用

2.1 爆炸應力波的作用

在應力波作用下，介質質點產生徑向位移，由此在靠近壓縮區的介質中產生徑向壓縮和切向拉伸。當切向拉伸應力超過介質的動抗拉強度時會產生徑向裂隙，并隨應力波的傳播而擴展。當應力波衰減到低于介質抗拉強度時，裂隙便停止擴展。在應力波向前傳播的同時，爆生氣體緊隨其后迅速膨脹，進入由應力波產生的徑向裂隙中，由于氣體的尖批劈作用，使裂隙繼續擴展。隨著裂隙的不斷擴展，爆生氣體膨脹，氣體壓力迅速降低，當壓力降到一定程度時，積蓄在介質中的彈性能就會釋放出來，形成卸載波，并向炮孔中心方向傳播，使介質內部產生環向裂隙，通常環向裂隙較少[1]。

2.2 控制孔的作用

控制孔主要在兩方面起作用:一方面，控制了爆炸能量作用的方向，提高了爆炸能量的利用率，改善了爆破的效果，使得布孔區間周圍的煤體充分地利用了炸藥的能量;另一方面，控制孔起到了補償空間的作用，使得爆破后的煤體不會重新壓實，破碎圈與松動圈始終存在，繼續釋放瓦斯和地應力。

2.3 爆生氣體作用

在應力波過后，爆生氣體產生準靜態應力場，并楔入空腔壁上已張開的裂隙中，在裂隙尖端產生應力集中，使裂隙進一步擴展。在裂隙擴展過程中，爆生氣體首先進入張開寬度大、較平直、對氣體楔入阻力小的大裂隙中，然后再進入與之溝通的小裂隙中，直到爆生氣體壓力降到不足以使裂隙繼續擴展為止[2]。爆生氣體在煤體內產生的準靜態應力可認為隨距炮孔中心距離的增加而衰減，在煤體內存在爆生氣體應力梯度。

2.4 煤層瓦斯壓力對裂隙擴展的作用

深孔松動控制爆破是在煤與瓦斯流固耦合介質中進行的。瓦斯壓力在裂隙的產生與擴展的整個過程中，都起到重要作用。在爆破中區的瓦斯也參與了裂隙擴展，但是與爆生氣體壓力相比，其作用較小，而在爆破遠區，爆生氣體準靜態應力已明顯降低，徑向裂隙擴展已減緩或停止。此時，爆前處于力學平衡狀態條件下的原生裂隙中的瓦斯，由于爆炸應力場的擾動將作用于已產生的裂隙內，使裂隙進一步擴展。

2.5 深孔松動控制爆破防突作用

通過以上分析可以看出爆破煤體裂隙區的形成過程主要分為:炸藥在煤體爆破孔內爆破后，將產生應力波和爆生氣體，在爆破近區產生壓縮粉碎區，形成爆炸空腔，煤體固體骨架發生變形破壞，在爆炸空腔壁上產生初始裂隙(不同于原生裂隙)。此外，空腔壁上的部分原生裂隙將會擴展、張開。最后，在爆破孔的周圍形成包括壓縮粉碎圈，徑向裂隙和環向裂隙交錯的裂隙圈及次生裂隙圈在內的較大的連通裂隙網[3，4]。

綜上所述，深孔松動控制爆破是在掘進工作面前方存在一定卸壓煤體防護下(一般不小于5 m)，在工作面前方煤體中引爆深孔炮眼，使得煤體產生松動的爆破，其中控制孔在該過程中起到控制爆破方向與補償爆破裂縫空間的作用，形成卸壓槽。由于深孔松動控制爆破使工作面前方煤體裂隙增大，煤體透氣性大大增強，有利于掘進工作面前方煤體瓦斯預排放，使煤體瓦斯壓力降低，瓦斯含量減少從而降低了煤體瓦斯壓縮內能，同時提高了煤體的機械強度，進而達到減弱或消除煤與瓦斯突出的危險[5]。

3 深孔松動控制爆破參數設計

3.1 孔徑的選擇

1)爆破孔徑選擇。煤炭科學研究總院某分院曾經用有限元分析方法，分析過爆破孔徑與煤層透氣性系數的關系，其結果見圖1。

圖1說明隨著爆破孔徑的增大，煤層透氣性提高。但并不成比例關系，煤層透氣性系數提高的速度隨著爆破孔徑的增大而逐漸減小。說明單靠增大爆破孔徑的辦法提高煤層透氣性效果是有限的，而且打過大的鉆孔既耗費時間，打鉆的難度也大。根據煤礦一般的現場機具可取:D=42 mm或89 mm。

2)控制孔徑選擇。同上，根據該院的分析結果，控制孔直徑對透氣性系數的影響如圖2所示。

從圖2可看出，控制孔孔徑越大，導向及補償作用越顯著。因而，對裂隙的形成和擴展越有利，但提高幅度較小。因此，可以認為控制孔直徑對提高煤層透氣性的作用有限。受現場鉆孔設備和工藝安全(孔徑過大容易引起塌孔，卡鉆等事故)等因素的限制，一般在90 mm～150 mm之間可達到導向和補償作用。

3.2 炸藥選擇

松動爆破應該選用的炸藥要爆速低，爆力小。此外，需要應用深孔松動控制爆破的煤層一般都是高瓦斯煤層，所以，炸藥還需具有如下特點:1)能量要有一定的限制，其爆熱、爆溫都要求低。2)具有較高的起爆敏感度和較好的傳爆能力。3)組分中不能含有金屬粉末，以防爆炸后產生高溫固體顆粒。

3.3 裝藥結構及起爆方式

不耦合裝藥，可以降低對孔壁的沖擊壓力，減少粉碎區，激起的應力波在巖體內的作用時間加長，從而加大裂隙區的范圍，充分利用了炸藥能量。為了使爆炸能量充分作用在裂隙區，形成盡可能大的裂隙范圍，因此采用不耦合裝藥。

3.4 爆破孔與控制孔間距

突出煤層大都屬于低阻抗巖石，所以其破壞以爆生氣體的破壞為主。因此裂隙區半徑應按爆生氣體準靜壓作用來計算，計算公式如下:

其中，Rp為裂隙區半徑;P0為爆生氣體壓力;σt為巖石的抗拉強度;rb為炮孔半徑。松動控制爆破中增加了控制孔，也就是增加了自由面，式(1)中計算的裂隙區是無限介質中爆破作用的結果，因此考慮到控制孔的作用，爆破孔和控制孔的間距可比上面論述的裂隙區半徑稍大。有關試驗也證明這一點。

3.5 爆破孔封孔長度

合理的封孔長度既要保證煤體松動破裂，同時又不能產生拋擲爆破漏斗。一般離工作面2 m～3 m處為卸壓帶，3處～5處為應力集中帶，遠處為原始應力帶。當封孔長度超出應力集中帶，爆破產生的裂隙擴展將受到應力集中帶的遏制，可使裂隙不易向工作面擴展，從而保證工作面附近的煤體不被破壞而崩塌。

3.6 裝藥量計算

由藥量計算的體積原理，有:

其中，Q為藥包重量，kg;V為設計爆落的介質體積，m3;K為在一定爆破條件和特定效果要求下的單位用藥量系數，kg/m3。

對于松動控制爆破，其炸藥消耗量取標準爆破炸藥消耗量的1/3估算。但在實際應用時，還需進行現場試爆。

4 結語

1)爆破裂隙的形成主要是爆生氣體準靜態壓力作用的結果，沖擊波只是對孔壁附近產生初始裂隙起作用。2)探討了地應力、瓦斯壓力對裂隙擴展的影響，認為地應力對爆破裂隙擴展起阻礙作用，瓦斯壓力起促進作用。3)深孔松動控制爆破由于控制了炸藥能量作用的方向，產生了較大的破碎圈帶和裂隙圈帶，消除了煤體結構不均現象，避免應力集中現象的產生，所以大大降低了誘導煤與瓦斯突出的可能性。

[1] 宋守志.固體介質中的應力波[M].北京:煤炭工業出版社，1989.

[2] 王仲琦，張 奇，白春華.孔深影響爆炸應力波特性的數值分析[J].巖石力學與工程學報，2002，21(4):550-553.

[3] 姚尚文.高瓦斯低透性煤層強化增透抽放瓦斯技術研究[D].合肥:安徽理工大學碩士學位論文，2005.

[4] 黃秋林.深孔松動預裂爆破提高瓦斯抽放率數值模擬及應用探討[D].北京:北京科技大學碩士學位論文，2005.

[5] 蔣承林，俞啟香.煤與瓦斯突出的球殼失穩機理及防治技術[M].徐州:中國礦業大學出版社，1998.