煤礦用水膠液體炸藥研發(fā)及其在堅硬頂板深孔內(nèi)的爆炸壓裂測試

研發(fā)起止時間：2017.9～2019.12

完成單位：大同煤礦集團有限責任公司、中國礦業(yè)大學(xué)

成果水平：國內(nèi)領(lǐng)先

1 項目背景

現(xiàn)有凝聚態(tài)工業(yè)炸藥在煤巖深孔爆破中存在裝藥難、藥卷拒爆頻次高、啞炮處理困難、震動效應(yīng)強等問題。為了解決以上深孔爆破中的問題，研究采用液體炸藥爆破預(yù)裂方法開展深孔爆炸壓裂作業(yè)。相比常規(guī)的水力壓裂，液體炸藥爆炸壓裂技術(shù)應(yīng)用不需要投入大量裝備，技術(shù)成本低，具有深孔體積壓裂效果，孔內(nèi)炸藥全耦合裝藥，借助液體炸藥優(yōu)越的流動性，可實現(xiàn)單孔反復(fù)爆炸壓裂，較好地擴展了孔壁圍巖壓裂范圍，對于提高孔壁圍巖體積壓裂有利；運用該技術(shù)還能實現(xiàn)低滲致密巖層的增裂增透效果，對于提高油氣資源的回收率極為有利；同時，配合專用定向裝置，該爆破技術(shù)能實現(xiàn)堅硬頂板的切頂卸壓效果，是一項具有較好發(fā)展前景的新型爆破技術(shù)。

2 研究內(nèi)容

（1）研發(fā)了煤礦用水膠液體炸藥，實現(xiàn)了炸藥物理形態(tài)上的流動特性，測試分析得到了液體炸藥爆炸力學(xué)性能參數(shù)。

煤礦用液體炸藥配置成分選材主要有：86%的高濃度硝酸甲胺溶液、硝酸銨晶體、硝酸鈉晶體、瓜爾膠、珍珠巖、亞硝酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉表面活性劑等，如圖1所示。

礦井正常生產(chǎn)適宜溫度在25～30℃之間，為保證液體炸藥存儲及使用期間穩(wěn)定，炸藥析晶點溫度至少應(yīng)控制在25℃以下。高濃度硝酸甲胺溶液稀釋到一定程度后，溶液析晶點溫度逐漸趨于穩(wěn)定。液體炸藥中的硝酸甲胺為敏化劑，選用硝酸銨作為氧化劑使用,隨硝酸銨含量增加，溶液析晶點溫度保持在19.3～19.5℃。

圖1 煤礦用液體炸藥配置成分選材

硝酸甲胺溶液中添加適量硝酸鈉晶體，可作為氧化劑調(diào)節(jié)炸藥組分的氧平衡，同時能與溶液中的硝酸銨形成低沸共溶混合物，降低溶液析晶點溫度。測試分析得到，硝酸鈉含量是硝酸甲胺溶液析晶點溫度控制的敏感因素。最終得到一種煤礦用液體炸藥配置方案，炸藥性能參數(shù)達到了煤礦安全炸藥標準，并實現(xiàn)了炸藥物理形態(tài)上的流動性，如圖2所示。

圖2 煤礦用液體炸藥配置

（2）建立了液體炸藥孔內(nèi)的爆炸力學(xué)模型，分析了藥液-圍巖中的波動傳載規(guī)律，揭示了液體炸藥深孔內(nèi)爆炸壓裂破巖機理。

液體炸藥爆破起爆后，爆轟產(chǎn)物激發(fā)的沖擊波作用于孔壁圍巖，應(yīng)力波擴散過程中，沿切線方向產(chǎn)生拉應(yīng)力，在孔壁圍巖近區(qū)形成徑向裂隙；液體炸藥作為含水炸藥，液體炸藥深孔爆破作用下，孔壁圍巖充滿液體基質(zhì)。與空氣介質(zhì)存在條件下的破巖機理不同，液體炸藥孔內(nèi)爆破裂縫擴展特征，如圖3所示。

圖3 不同爆破階段含水藥液的作用特征

爆炸波傳播遇到結(jié)構(gòu)面會發(fā)生反射、透射，隨后應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)面尖端發(fā)生衍射。產(chǎn)生的衍射波、反射波等在結(jié)構(gòu)面尖端疊加，產(chǎn)生了局部的應(yīng)力集中，如圖4所示。當反射波和入射波相位同步時，會增加應(yīng)力波對煤巖體的破壞；當二者相位完全相反，會減弱應(yīng)力波強度，如圖5所示。爆炸波經(jīng)過結(jié)構(gòu)面，壓力的峰值呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，如圖6所示。

圖4 結(jié)構(gòu)模型失效應(yīng)力

圖5 結(jié)構(gòu)模型一破壞

圖6 結(jié)構(gòu)面兩側(cè)測點壓力變化

（3）開展了液體炸藥在煤礦堅硬頂板預(yù)裂中的應(yīng)用測試，研發(fā)了液體炸藥配套泵送系統(tǒng)及封孔工藝，取得了硬巖深孔爆破效果。

液體炸藥爆炸壓裂技術(shù)實踐選在大同礦區(qū)云岡煤礦12#層406盤區(qū)新408軌道巷內(nèi)開展。該巷屬于硬巖巷道，巷道變形不明顯，支護結(jié)構(gòu)完整。實測分析得到，液體炸藥威力滿足煤礦炸藥性能要求。同時，對于不同品類礦用炸藥爆破效果，如圖7所示。

圖7 三種煤礦炸藥破巖效果

相同裝藥量情況下，液體炸藥和乳化炸藥孔內(nèi)爆炸壓裂效果相似，孔壁致裂密度大，裂縫分布均勻；水膠炸藥受藥筒護壁作用影響，孔壁致裂密度小，以主裂縫擴展為主。液體炸藥配合聚能管定向爆破定向致裂效果最佳，如圖8所示。

圖8 液體炸藥聚能爆破效果

3 主要研究成果

（1）通過配方和工藝調(diào)整，成功研發(fā)可流動的煤礦新型水膠液體炸藥。確定了炸藥密度調(diào)節(jié)劑的品種、成份，通過硝酸鈉調(diào)節(jié)炸藥析晶點，給出了合理配比，測試分析了液體炸藥爆炸力學(xué)性能參數(shù)。

（2）利用LS-DYNA3D程序研究新型炸藥爆破的波動傳播特性，分析了爆生氣體聯(lián)合孔內(nèi)承壓介質(zhì)的巖體增裂原理，揭示了新型炸藥深孔爆破高效壓裂破巖機理。

（3）研發(fā)了液體炸藥配套泵送系統(tǒng)及封孔技術(shù)，開展了新型炸藥在煤礦堅硬頂板預(yù)裂中的現(xiàn)場應(yīng)用，并與乳化炸藥、聚能爆破的爆破作用進行了對比，驗證了新型炸藥在硬巖深孔爆破的良好效果。

4 應(yīng)用效益

研究成果在大同礦區(qū)云岡礦進行了成功應(yīng)用，共計新增產(chǎn)量89萬噸，推廣應(yīng)用于塔山2#層三盤區(qū)8305工作面，有效解決了中厚煤層回采巷道切頂卸壓無煤柱開采問題，工作面沿空留巷礦壓顯現(xiàn)強度低，取締了留巷內(nèi)木垛加強支護的使用，節(jié)省了巷道返修費用及打鉆成本，巷道斷面變形小，滿足巷道通風與斷面使用要求，保障了工作面的高效生產(chǎn)，經(jīng)濟效益顯著。

本項目獲授權(quán)發(fā)明專利4項，實用新型專利2項，發(fā)表論文6篇，出版專著1部，于2020年6月通過中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織的專家鑒定，研究成果達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

（供稿：大同煤礦集團有限責任公司技術(shù)中心：臧歡歡）