堅硬煤層含大直徑控制孔爆破增透技術

李振武，閔 祺，邊新永，郭文佳

（1.濟寧能源發展集團有限公司，山東 濟寧 272000；2.濟寧礦業集團，山東 濟寧 272000；3.霍州煤電集團，山西 臨汾 041000）

0 引 言

煤體瓦斯既是潛在的清潔能源，也是瓦斯爆炸以及煤與瓦斯突出事故的有害源，據2020 年統計，在我國有840 處高瓦斯及719 處煤與瓦斯突出煤礦[1]。因此，合理地對煤體瓦斯進行抽采，既能夠保障礦井安全，也能夠充分利用清潔能源。然而，我國煤體滲透率普遍偏低，地質構造形態復雜多樣，瓦斯抽采難度大、效率低，煤體增透是實踐礦山綠色開采、安全高效發展的必然選擇[2]。

目前，被廣泛應用的增透技術主要有水力壓裂技術、C02氣體增透技術、深孔爆破增透技術。水力壓裂技術，常用于石油開采業，是指利用地面上的高壓泵，通過井筒向油層后者巖層擠注具有化學壓裂液，進行壓裂作業，以產生人造裂縫，釋放氣體，該技術常會伴隨各種環境問題，如自來水自燃，誘發小幅地震等[3-5]，趙寶友采用文獻綜述的方法研究了水力壓裂增透技術的適用性，說明水力壓裂在煤層增透上獲得理想效果，需要針對煤層、地下水資源的二次污染、高壓水抑制瓦斯解析、高壓水堵塞裂紋等重要問題在理論基礎上以及增透工藝進一步研究[6]。二氧化碳致裂技術，利用液態二氧化碳受熱氣化膨脹原理，快速釋放高壓氣體，常用于土木、礦山鑿巖作業，具有可重復操作優點[7]。深孔爆破增透技術是指利用低爆速炸藥在爆孔內被引爆，產生沖擊波沖擊、致裂煤體[8-9]，與前兩種增透技術相比，具有技術成熟穩定、經濟效益好的特點，適用于堅硬煤層[10]。

目前，研究控制孔直徑大小對瓦斯抽采效果的影響較少，本文以沙坪煤礦堅硬煤層深孔爆破增透技術為背景，采用離散元方法開展了不同控制孔大小爆破增透實驗，研究應力波傳播規律，分析爆破裂隙演化機制，通過工業試驗檢驗瓦斯抽采應用效果。

1 工程概況

沙坪礦18204 工作面所在8 號煤層，平均煤厚6.5 m，煤體的堅固性系數f=2.63，節理裂隙不發育，為堅硬煤層，滲透率0.009 14×10-15～0.019 45×10-15m2，屬于低滲透煤層。采用順層鉆孔方式對18204 工作面原巖應力區煤體瓦斯進行預抽作業，由于爆破后煤體破碎程度增大，不利于控制孔成孔效果，故在爆破前打設控制孔，孔間距2 m，鉆孔布置圖如圖1 所示。爆破增透作業炸藥類別為礦用許可乳化炸藥，爆破孔孔徑為60 mm，采用耦合裝藥。

圖1 18204 工作面順層鉆孔爆破增透布置方式示意Fig.1 No.18204 Face bedding borehole blasting antireflection arrangement diagram

2 數值試驗

以18204 工作面煤層賦存條件，建立煤體爆破增透離散元模型，模型長為6.5 m，寬為6.5 m，采隨機三角形節理算法表征煤體細觀尺度節理，zone單元最小尺寸為2 mm。塊體采用彈性本構模型，節理采用庫侖摩爾本構模型，材料參數見表1，采用文獻[11]記錄的質點壓力爆破應力波。

表1 煤體材料參數Table 1 Coal material parameters

3 結果分析

3.1 速度場

圖2 為臨近控制孔的監測點質點速度-時間監測曲線，由圖2 可知，3 種工況質點峰值速度分別為1.59、1.12、0.78 m/s，較無控制孔監測點峰值速度分別降低了29.6%、50.9%。當時間超過0.9 ms 時，監測點速度呈衰減的特點，隨著控制孔的半徑增大，質點的振動幅度逐漸減弱。說明控制孔直徑越大，用于振動的能量越少，而用于破碎煤體的能量越多，利于瓦斯抽采。

圖2 監測點速度曲線Fig.2 Monitoring point velocity curve

3.2 應力場

圖3 為最大主應力云圖。由圖3（a）可知，當無控制孔時，在應力波的疊加作用影響下，爆孔中間區域，最大主應力數值為181 MPa，由圖3（b）～圖3（d）可知，當存在控制孔時，臨近控制孔的最大主應力數值分別為107.1、28.1、9、1.5 MPa。說明隨著控制孔的直徑增大，應力波的耗散作用增強，在控制孔周圍形成的應力松弛區逐漸增大，控制孔周圍的煤體被破壞的趨勢逐漸增強。

圖3 最大主應力場計算結果Fig.3 Maximum principal stress field calculation results

3.3 裂隙場

圖4 為不同工況下的裂隙場計算結果，圖4（a）為無控制孔方案，圖4（b）～圖4（d）分別為控制孔半徑為60、80、100 mm 工況的計算結果。從圖中可以看出，當無控制孔時，2 個爆孔之間在應力波的疊加作用影響下，裂隙沒有充分連接，以孤立狀為主，整體發育程度較差；當控制孔半徑為60 mm 時，在應力波的反射作用下，在爆孔周圍形成了1 組貫通爆孔的宏觀裂隙；當控制孔半徑為80 mm 時，爆孔之間的裂隙貫通趨勢增強，形成了3 組貫通爆孔的宏觀裂隙；當控制孔半徑為100 mm 時，形成了4 組貫通爆孔的宏觀裂隙，由于應力波的反射作用持續增強，此時裂隙以網格狀為主，整體發育程度最好。說明隨著控制孔的孔徑增大，煤體爆破裂隙發育密度明顯增大，透氣性提升明顯，有利于保障礦井煤層瓦斯抽采效果。

圖4 裂隙場計算結果Fig.4 Fracture field calculation results

4 工業試驗

18204 工作面爆破試驗段1 號控制孔、2 號控制孔孔深分別為18.1 m 和19.3 m，平均18.7 m，孔半徑為100 mm，1 號爆破孔、2 號爆破孔、3 號爆破孔孔深分別為17.6、19.8 及18.5 m，平均18.6 m，孔半徑為50 mm。1 號控制孔爆破前平均瓦斯濃度為16.1%，爆破后為32.1%，增加了99.3%；2號控制孔爆破前平均瓦斯濃度為15.4%，爆破后為30.3%，增加96.7%，如圖5 所示。

圖5 控制孔爆破前、爆破后瓦斯抽采濃度Fig.5 Gas extraction concentration before and after control hole blasting

5 結 論

采用離散元方法和工程實踐，研究了不同孔徑控制孔的爆破增透效果，計算了不同方案的煤體爆破速度場、應力場、裂隙場，最后通過工業試驗驗證，得到以下結論。

（1）隨著控制孔直徑的增大，應力波的反射程度越大、應力集中區范圍越大，爆破的效果越好。

（2）隨著控制孔的直徑越大，控制孔周圍裂隙發育頻次、連通程度越大，越有利于裂隙沿著“爆孔-控制孔-爆孔”連心線的方向擴展。

（3）通過工業試驗瓦斯抽采濃度數據，表明采用大直徑控制孔爆破技術，平均瓦斯濃度顯著增加，經濟效益明顯，有利于瓦斯抽采效果。