爆破增注對煤層注水防突效果影響試驗研究

宋志強

（山西汾西礦業(yè)南關(guān)煤業(yè)有限責任公司，山西靈石031304）

1 工程概況

云蓋山煤礦礦井生產(chǎn)能力0.9Mt/a。礦井采用斜井開拓方式，本次研究對象為云蓋山煤礦所屬的1232 工作面，工作面地表標高+927m～+1054m 之間，井下標高在+442m～+504m 之間，平均埋深約為550m。2#煤層平均厚2.78m，煤層傾角最大5°，最小1°，平均傾角3°，可采性指數(shù)為1，為穩(wěn)定煤層，屬井田內(nèi)主要可采煤層，結(jié)構(gòu)簡單-較簡單，含夾矸0-3 層，夾矸巖性為炭質(zhì)泥巖。井下一采區(qū)三條準備巷道均沿2 號煤層頂板布置，采煤方法采用綜合機械化一次采全高采煤方法，頂板管理采用全部垮落法。

云蓋山煤礦CH4絕對涌出量為112.45m3/min，CH4相對涌出量為36.2m3/t，是煤與瓦斯突出礦井，1232 工作面共布置三條回采巷道，分別為進風(fēng)巷、回風(fēng)巷和高抽巷，進風(fēng)巷和回風(fēng)巷布置在2#煤層中，沿煤層頂板掘進，1228 進風(fēng)巷掘進期間需要做水力造穴+氣相壓裂+井下瓦斯抽放等區(qū)域防突措施，施工卸壓孔時噴瓦斯現(xiàn)象時有發(fā)生，施工工期長，效率低下。為避免1232 回風(fēng)巷掘進期間出現(xiàn)此類問題，需采用更為高效的區(qū)域防突措施，本文以1232 回風(fēng)巷掘進為背景展開相關(guān)研究。

2 爆破增注防突技術(shù)原理

目前對于瓦斯含量高、地壓大、透氣性差的突出煤層，急需更為經(jīng)濟高效的區(qū)域防突措施，參考相關(guān)的研究成果可知[1～2]，增大煤體內(nèi)的含水量可以增強煤體的塑性，緩解煤層內(nèi)的應(yīng)力集中，有利于煤與瓦斯突出的防治。普通鉆孔周圍裂隙發(fā)育范圍較小，采用低壓注水時，水在鉆孔周圍煤體內(nèi)擴散范圍很小，導(dǎo)致注水效果不理想；采用高壓注水時，巷道掘進期間，煤層內(nèi)可能殘留高壓水，致使局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，可能誘發(fā)突出事故，針對于此類為題，為提高煤層注水效果，降低煤與瓦斯突出危險性，提出一種爆破增注防突新技術(shù)，該技術(shù)可從減少應(yīng)力集中、減小瓦斯壓力等多方面降低煤與瓦斯突出的危險，已在數(shù)個礦井進行了現(xiàn)場試驗，其原理如圖1 所示。

圖1 爆破增注防突技術(shù)原理

根據(jù)爆破增注技術(shù)原理可以看出，通過對鉆孔周圍煤體進行松動爆破，擴大鉆孔周圍煤體內(nèi)松動破碎的范圍，提高煤體的滲透率，并降低煤體內(nèi)的地應(yīng)力，提高鉆孔的抽采范圍和效率，降低煤體內(nèi)瓦斯的壓力，降低發(fā)動煤與瓦斯突出的能力；之后通過煤層注水增強煤體的塑性，進一步緩解煤體內(nèi)的應(yīng)力集中，降低巷道掘進期間煤與瓦斯突出的危險性。

3 松動爆破有效半徑測試

根據(jù)在云蓋山煤礦1232 高抽巷底板鉆孔直接對2#煤層進行注水試驗發(fā)現(xiàn)，鉆孔周圍裂隙很少，直接注水量很小，通過爆破可在鉆孔周圍煤巖體內(nèi)形成裂隙圈，裂隙圈內(nèi)的煤巖體能夠有效的進行注水，因此鉆孔的布置間距和爆破裂隙圈的大小密切相關(guān)，因此首先設(shè)計試驗測試爆破在煤體內(nèi)形成的裂隙圈的范圍，現(xiàn)場試驗測試方案如圖2 所示。

圖2 爆破孔和測試孔布置示意圖

在1232 高抽巷底板共施工9 個鉆孔，中間的1#鉆孔為爆破孔，其余9 個為考察孔，鉆孔俯角為-52°，鉆孔直徑為94mm，總長度22.5m，在煤層中長度為3m，2#～10# 考察孔與爆破孔的距離分別為2～10m，在1#孔用2.64kg 乳化炸藥進行爆破，在1#孔爆破前后測試周圍各個考察孔內(nèi)的瓦斯?jié)舛龋坪蟮谝惶焱咚節(jié)舛仍龇?5%以上，且第二天衰減較慢的鉆孔位于松動爆破范圍內(nèi)。

圖3 各個考察孔內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊淖兓?/p>

各個考察孔內(nèi)瓦斯?jié)舛仍诒魄昂蟮淖兓鐖D3 所示，由圖可知，爆破前各個鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛然揪?%左右，瓦斯?jié)舛葻o明顯差異，爆破后距離爆破孔7m 內(nèi)的考察孔內(nèi)瓦斯?jié)舛让黠@增大，爆破后第二天鉆孔內(nèi)瓦斯仍維持在較高的水平，距離爆破孔愈近的考察孔瓦斯?jié)舛仍龇螅啾瓶?m 及以外考察孔內(nèi)瓦斯?jié)舛仍龇鄬^小，且爆破后第二天瓦斯?jié)舛然净謴?fù)到爆破前，綜上可確定鉆孔松動爆破的有效半徑為7m，為保證對于煤層的爆破效果，確定現(xiàn)場應(yīng)用實踐階段爆破孔間距為7m。

4 爆破增注及效果考察

4.1 現(xiàn)場應(yīng)用試驗方案

為驗證云蓋山煤礦1232 回風(fēng)巷采用爆破增注技術(shù)進行區(qū)域防突的可行性，在1232 高抽巷開口附近的底板施工了5 個爆破注水孔和2 個直接注水孔，1’#和2’#鉆孔為直接注水孔，2#～6#鉆孔為爆破注水孔，2#鉆孔距#鉆孔12m，2#～6#鉆孔間距為7m，鉆孔由1232 高抽巷中部向1232 回風(fēng)巷掘進巷道中部施工，所有鉆孔軌跡平行，鉆孔參數(shù)與上文的考察孔相同，爆破后注水，封孔長度15m，首先對1’#和2’#鉆孔進行注水，然后依次對1#～6#鉆孔進行爆破、注水，注水壓力在3.5～6.5MPa 之間，爆破鉆孔裝入2.64kg（5 卷）的乳化炸藥。

圖4 1232 高抽巷底板爆破鉆孔布置圖

4.2 應(yīng)用效果

4.2.1 注水量及煤層內(nèi)含水率的變化。

對各個鉆孔注水直至無法再次注入為止，統(tǒng)計各個鉆孔的注水量如表1 所示。由表1 可以看出，直接注水鉆孔的注水量在0.1m3左右，注水量非常小，而松動爆破后的2#～6# 注水孔注水量最低為4.325m3（5#注水孔），相對于爆破前注水量最大的2’#注水孔，其注水量也增大了34.9 倍，爆破后注水量顯著的增加，說明松動爆破可在鉆孔周圍煤體內(nèi)形成裂隙發(fā)育圈，增大了注水的范圍和注水量。

表1 各個鉆孔的注水量

云蓋山煤礦1232 回風(fēng)巷掘進期間，需要在迎頭處施工探測孔來預(yù)測瓦斯突出的危險性，采集探測孔內(nèi)的鉆屑，測試鉆屑的含水率，得到表2 所示的結(jié)果。由表2 可以看出，注水前后煤層內(nèi)含水率存在明顯差異，注水后各處煤體內(nèi)含水率平均增長約67.4%，表明通過爆破后注水能夠有效的提高煤體內(nèi)的含水率，注水效果明顯。

表2 煤層內(nèi)含水率變化

4.2.2 突出危險性分析

1232 回風(fēng)巷掘進期間，通過測定探測鉆孔內(nèi)瓦斯放散初速度（q 值）和每米鉆屑量（s 值）來判斷瓦斯突出的危險性[3～5]，s 值愈大，表明煤層內(nèi)應(yīng)力集中程度愈高，q 值愈大，表明煤層內(nèi)瓦斯壓力愈大，q 值和S 值越大，瓦斯突出危險性越大。探測鉆孔長度為10m，直徑42mm，鉆孔施工完畢后兩分鐘內(nèi)進行q 值的測試，測量室的長度為1.0m，單位：L/min。每個測試鉆孔測得5 組q 和s 值，取最大值進行統(tǒng)計，得到巷道掘進期間s 值和q 值的變化規(guī)律如圖5 所示。

根據(jù)圖5 所示結(jié)果可以看出，爆破注水區(qū)域q 值相對于未注水區(qū)域明顯的減小，未注水區(qū)域瓦斯放散初速度q 均值約為1.74L/min，爆破注水區(qū)域q 值均值為1.33L/min，減小23.6%。爆破注水區(qū)域s 值相對于未注水區(qū)域明顯的減小，未注水區(qū)域s 值均值為3.29kg，爆破注水區(qū)域s 值均值為3.03kg，降幅為8%，綜上可知，通過松動爆破鉆孔注水，可以掘進工作面瓦斯突出的可能性和危險性降低。

圖5 q 值和s 值的變化規(guī)律

5 結(jié)論和建議

云蓋山煤礦為煤與瓦斯突出礦井，通過分析爆破增注防突的原理，預(yù)計可采用該技術(shù)進行1232 進風(fēng)巷掘進期間的區(qū)域瓦斯消突，通過在現(xiàn)場施工爆破孔和測試孔確定松動爆破的有效半徑為7m，設(shè)計現(xiàn)場應(yīng)用試驗階段爆破注水鉆孔間距為7m，現(xiàn)場應(yīng)用試驗結(jié)果表明，松動爆破后使鉆孔注水量顯著的增大，煤體內(nèi)含水率明顯的升高，1232 回風(fēng)巷掘進期間，煤體內(nèi)的瓦斯放散初速度（q 值）和鉆屑量（s 值）明顯減小，證實了爆破增注技術(shù)對防治瓦斯突出事故有顯著效果，可在云蓋山煤礦采用煤層注水爆破增注技術(shù)進行區(qū)域瓦斯消突。