煤巷掘進爆破致裂增透高效消突技術實踐

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

煤礦生產(chǎn)中煤與瓦斯突出是發(fā)生次數(shù)多、危害很大的事故。煤與瓦斯突出事故大多數(shù)都發(fā)生在煤巷掘進和井巷揭煤過程中，雖然發(fā)生在回采工作面的突出事故相對較少，但是由于織納片區(qū)M16煤層瓦斯含量較高，煤層透氣性較低，抽采時間長，生產(chǎn)任務重；抽采鉆孔施工時會產(chǎn)生飄移，導致出現(xiàn)空白帶；因此，回采工作面發(fā)生瓦斯動力現(xiàn)象的情況也是時有發(fā)生。為了有效的消除煤體瓦斯抽采的空白帶，提高抽采效率，縮短抽采時間，礦井可以采取通過增加煤體透氣性的方法來實現(xiàn)高效消突。目前通過煤巖體結構改造來提高煤層透氣性是重要的增透措施之一，主要有水力壓裂[1-2]、二氧化碳致裂[3-4]、水力割縫[5-6]、深孔控制預裂爆破[7]、深孔松動爆破[8]、水力沖孔[9-10]等技術。興發(fā)煤礦M16煤層采用順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯和順層鉆孔預抽回采區(qū)域煤層瓦斯的區(qū)域防突措施，但由于煤層原始瓦斯含量高、透氣性較低等原因，導致抽采效果較差，巷道掘進速度緩慢，采掘接續(xù)十分緊張。因此，通過在掘進工作面采取順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯期間，實施二氧化碳爆破致裂增透措施高效消突技術，來縮短抽采時間，提高抽采效率，實現(xiàn)礦井采掘有序接續(xù)，形成“抽、掘、采”良性循環(huán)。

1 礦井概述

興發(fā)煤礦井田范圍內含煤地層為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，含可采煤層6層，自上而下編號分別為M6、M7、M16、M23、M27、M30煤層；其中上煤組含M6、M7煤層，下煤組含M16、M23、M27、M30煤層。礦井地質構造簡單，無明顯大斷層，煤層賦存穩(wěn)定。目前礦井正在對M16煤層開拓、準備，采煤工作面設計采用走向長壁采煤法，高檔普采工藝，全部垮落法管理頂板。礦井目前布置有M16煤層601回采工作面和604運輸巷掘進工作面。

興發(fā)煤礦位于貴州省織納礦區(qū)，為國家劃定的突出危險區(qū)。歷史上M16煤層在其他礦井發(fā)生過瓦斯動力現(xiàn)象，興發(fā)煤礦M16煤層經(jīng)煤與瓦斯突出危險性鑒定為不具有突出危險性，目前開拓范圍內M16煤層處于原鑒定范圍以外，所以M16煤層按照突出煤層進行設計和管理。

礦井設計首采M16煤層作為保護層。根據(jù)已開拓區(qū)域實際揭露的M16煤層情況的現(xiàn)場勘查：煤層厚度1.2～1.8m，無明顯軟分層，煤層斷口性質呈參差多角，中等硬度，煤體用手易剝成小塊。煤的破壞類型應為Ⅱ類（破壞煤）。M16煤層實測最大瓦斯含量為13.4m3/t，實測最大瓦斯壓力0.44MPa（埋深382.6 m），煤的堅固性系數(shù)（f）為1.04～1.31，煤層最大埋深為420 m位于604工作面區(qū)域，實測煤層透氣性系數(shù)為1.3（m2/MPa2·d），屬于可以抽采煤層。M16煤層頂板為粘土巖，底板為粉砂質、粘土巖，煤層傾角7°～12°，屬中灰、中高硫、特高熱值無煙煤。

2 抽采鉆孔設計

602工作面已經(jīng)形成，工作面走向長度1000m，傾斜長度140m，602運輸巷施工上向順層抽采鉆孔長度為80m，602回風巷施工下向順層抽采鉆孔長度為60m，鉆孔封孔長度為10 m。在現(xiàn)有的抽采條件下，鉆孔抽采時間為65天時有效抽采影響半徑1.5m，抽采時間為110天時有效抽采影響半徑為2.5m，掘進期間已經(jīng)施工了部分抽采鉆孔，靠近切眼的0～200m范圍內，由于抽采時間較短，抽采鉆孔布置間距為3m，距離切眼200～1000m范圍內，抽采時間充足，設計抽采鉆孔布置間距為5m，602工作面抽采鉆孔設計見圖1。

圖1 602工作面抽采鉆孔布置設計

604運輸巷掘進工作面采用傾向順層鉆孔預抽煤巷掘進區(qū)域煤層瓦斯區(qū)域防突措施，抽采鉆孔設計布置在602回風巷，實現(xiàn)消突后，一次性進行效果檢驗，提交抽采達標報告，相比掘進期間每沿巷道方向60～80 m一個循環(huán)進行條帶預抽，可以大大節(jié)約人力、物力和抽采時間；缺點是604運輸巷靠近602工作面切眼的區(qū)段抽采會受到602工作面回采的影響，導致抽采時間相對較短，必須在602工作面回采前實現(xiàn)消突。設計抽采鉆孔長度35m，封孔長度為10m，鉆孔有效抽采影響半徑1.5m，抽采鉆孔終孔間距3m，預計抽采時間為65天，抽采鉆孔設計見圖2。

圖2 604運輸巷掘抽采鉆孔設計

由上圖可知，602工作面抽采鉆孔靠近切眼處抽采間距為3m，根據(jù)礦井掘進期間的抽采情況，預計工作面圈出形成后到開始回采大約需要45天，在不采取任何增透措施的情況下，預計工作面至少需要抽采時間為65天，才能使602工作面和604運輸巷掘進工作面區(qū)域煤體實現(xiàn)消突，如果局部由于抽采鉆孔偏移出現(xiàn)空白帶等，實現(xiàn)消突的時間會更長，不能有效的緩解礦井M16煤層瓦斯抽采時間長的問題。

順層鉆孔全部施工完成后，604運輸巷抽采主管路中的瓦斯?jié)舛让刻斓淖兓妶D3。由圖3可以看出，當抽采主管路中瓦斯?jié)舛却蠹s為6%時，抽采效率已經(jīng)很低，已經(jīng)影響到礦井采掘接續(xù)的有序進行。

圖3 抽采主管路內瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

因此，采取二氧化碳爆破致裂高效消突技術，通過改變煤體結構來提高煤體中的裂隙，為煤體內瓦斯流通提供通道，以提高抽采效率，縮短抽采時間，在保證安全消突的前提下，實現(xiàn)礦井采掘接續(xù)的平衡，保證安全生產(chǎn)，提高煤礦效益。

3 爆破致裂增透措施

爆破致裂增透措施主要有深孔預裂爆破和二氧化碳爆破致裂。深孔預裂主要使用炸藥，炸藥屬于管制物品，購買、運輸、使用等都有嚴格的管控措施，現(xiàn)場使用過程中，可能出現(xiàn)啞炮現(xiàn)象，留下安全隱患，炸藥的使用必須有特種作業(yè)人員操作，現(xiàn)場應用受限，需要將巷道內的人員撤到防突風門以外或避難硐室。二氧化碳爆破致裂采用高壓二氧化碳作為動力來源，通過瞬間釋放來產(chǎn)生爆破致裂效果，是增加煤體裂隙與提高礦井瓦斯抽采效率的新技術。隨著煤體內裂隙的增加，煤體內吸附的瓦斯會轉化成游離瓦斯，通過裂隙被抽采鉆孔抽出，設備可以重復使用，成本低，易于操作；同時在一定程度上可以消除抽采鉆孔偏移、煤層厚度變化等產(chǎn)生的空白帶。二氧化碳爆破致裂是低溫下運行，二氧化碳是空氣的主要組成氣體之一，不會對巷道內的空氣質量產(chǎn)生任何污染；二氧化碳爆破致裂過程快速高效，適宜于煤體堅固性系數(shù)較高的煤層。二氧化碳屬于惰性氣體，對煤體中的瓦斯具有一定的稀釋作用，爆破過程是體積膨脹的過程，是物理作用；相比炸藥這種危險管制物品，二氧化碳爆破致裂技術現(xiàn)場應用性強，二氧化碳取自大氣中，價格便宜，爆破致裂設備可以重復使用，而且不會產(chǎn)生啞炮現(xiàn)象、留下安全隱患。

在604運輸巷條帶區(qū)域進行爆破增透實驗，設計每間隔3個抽采鉆孔布置1個爆破孔，可以選擇封孔效果差的抽采鉆孔或在兩個抽采鉆孔之間施工爆破鉆孔進行爆破，爆破孔間距9～11m，爆破孔施工長度與抽采鉆孔長度相等，爆破致裂鉆孔布置見圖4。604運輸巷設計長度為860m，以30 m為1循環(huán)，每循環(huán)布置3～4個爆破鉆孔，共布置29個循環(huán)，96個爆破孔。

圖4 爆破致裂鉆孔布置

實施爆破致裂后，將抽放措施孔進行封孔連抽，爆破致裂后抽采主管路瓦斯?jié)舛让刻斓挠^測結果見圖5。由圖5可以看出，實施爆破致裂后，抽采主管路瓦斯?jié)舛茸畲鬄?8%，相比實施爆破致裂措施前的6%增加了3倍，表明實施致裂增透后，隨著抽采主管路中瓦斯?jié)舛鹊脑龈撸后w中裂隙有了明顯增加，形成了有效的瓦斯流通通道，促進了煤體中吸附瓦斯的釋放，提高了煤體中瓦斯抽采的效率。

圖5 爆破致裂后抽采主管路瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

在施工抽采鉆孔時，實測604運輸巷掘進工作面區(qū)域煤層原始瓦斯含量為9.82m3/t，走向長度860m，在抽采45天后，604運輸巷掘進工作面條帶區(qū)域瓦斯量為44.36萬m3，604運輸巷掘進工作面條帶區(qū)域抽出瓦斯量為17.74萬m3，通過抽采量計算最大殘余瓦斯含量為5.89m3/t。604運輸巷掘進工作面條帶區(qū)域地質構造簡單，在602回風巷每間隔30 m布置一個測試鉆孔，測試鉆孔均布置于鉆孔密度較小、孔間距較大、預抽時間較短的位置，并盡可能遠離測試點周圍的各預抽鉆孔或盡可能與周圍預抽鉆孔保持等距離，且避開了采掘巷道的自然排放范圍和工作面的預抽超前距；共布置測試鉆孔30個，實測抽采后殘余瓦斯含量為4.14～5.35m3/t，小于《防治煤與瓦斯突出突出細則》中的參考臨界值8m3/t，通過對施鉆過程的現(xiàn)場觀察來看，均未出現(xiàn)《煤礦瓦斯等級鑒定辦法》中描述的噴孔和頂鉆等突出預兆，實現(xiàn)了消突，原預計抽采時間為65天，結果實施二氧化碳爆破致裂增透措施后，約45天就實現(xiàn)了消突，抽采時間縮短了20天。根據(jù)604運輸巷的實踐經(jīng)驗，602回采工作面也可以采用爆破致裂措施，來提高抽采效率，縮短抽采時間，緩解礦井采掘接續(xù)緊張的現(xiàn)狀。

4 結語

1）通過在604運輸巷掘進條帶區(qū)域實施爆破致裂措施后對抽采主管路中瓦斯?jié)舛冗M行了觀測，發(fā)現(xiàn)實施爆破致裂后，抽采主管路瓦斯?jié)舛认啾却胧┣疤岣吡?倍，抽采時間縮短了20天，實現(xiàn)了高效消突。

2）爆破致裂的實施增加了煤體的裂隙，提高了煤體中瓦斯流通的通道，打破了煤體中原有的吸附、游離瓦斯的平衡狀態(tài)，促進了煤體中吸附瓦斯向游離瓦斯的轉換，縮短了抽采時間，實現(xiàn)了高效消突，保證了礦井采掘接續(xù)的有序進行，增加了煤礦的效益。