松软煤层深孔预裂爆破合理布孔参数的确定

王麒翔

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037； 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037)

我国南方含煤盆地经历多期次构造运动，煤系地层受到复杂的地质演化揉搓，大部分地区煤层煤体松软[1]，煤体透气性较差，导致瓦斯抽采困难，掘进缓慢，采掘接替紧张，瓦斯治理周期长[2-3]，严重影响煤矿安全高效生产。目前较流行的煤层增透措施[4-6]有水力压裂增透、水力割缝增透、水力造穴增透、液态CO2相变致裂增透、深孔松动爆破卸压增透等。其中，深孔预裂爆破技术较传统，但是相对前两者有着环境污染程度低、块煤保留率高等优点[7-8]，仍为煤矿现场常用技术。深孔预裂爆破技术通过爆破产生的应力波破坏煤体结构，创造瓦斯解吸和运移的通道[9-12]。而煤层条件、深孔爆破参数、爆破施工方式等对增透效果均产生影响，因此，研究在松软煤层条件下深孔爆破的影响范围及多孔耦合效应，确定松软煤层深孔预裂爆破合理布孔参数，仍具有重要意义。

1 深孔预裂爆破数值模拟

确定松软煤层深孔预裂爆破合理布孔参数，拟采用COMSOL有限元软件对单孔和多孔预裂爆破效果进行数值模拟。贵州水矿集团大湾煤矿11号煤层是水城矿区的主采煤层，具有我国南方松软煤层的代表性[13-15]，渗透率集中在0.001×10-3～0.100 ×10-3μm2，煤质较软，坚固性系数0.16～0.29，视密度约1.33 g/cm3。以离散元固—流耦合网格构建煤层条件模型，深孔爆破的应力取10 GPa[16]，进行数值模拟分析，获得单孔爆破下深孔预裂爆破有效影响范围以及多孔共振爆破时爆破能量的耦合效应参数。

1.1 单孔爆破有效影响范围模拟

单孔爆破产生10 GPa的应力，工作面煤体迎面高20 m、宽18 m，模拟爆破孔直径94 mm，以此模拟应力波扩散，观测钻孔周围煤岩应力变化。单孔爆破应力波扩散云图如图1所示，爆破孔周围煤岩应力变化曲线如图2所示。

图1 单孔爆破应力波扩散模拟云图Fig.1 Stress wave diffusion nephogram of single hole blasting

图2 单孔爆破应力波扩散曲线Fig.2 Stress wave diffusion curve of single hole blasting

单孔进行爆破时，中心点达到6～8 GPa，1.5 m半径范围以内应力波大于3.5 GPa，3.0 m半径范围以内应力波大于1.5 GPa，3.0 m以外爆破应力波逐渐减弱，6.0 m半径范围以外爆破应力波基本小于0.1 GPa，9.0 m半径范围以外爆破应力波消失。因此，单孔爆破效果可分为三级圈范围，一级圈范围1.5 m半径圈内单孔爆破效果特别好，二级圈范围3.0 m半径圈内单孔爆破效果明显，三级圈范围6.0 m半径圈内单孔爆破有影响。

1.2 多孔数值模拟

以双孔为例，每个单孔爆破各自产生10 GPa的应力，工作面煤体迎面高40 m、宽20 m，模拟爆破孔直径94 mm，双邻近爆破孔横向距离12 m，并在统一高度平行布置，以此模拟应力波扩散，观测钻孔周围煤岩应力变化。双邻近孔爆破应力波扩散云图如图3所示，双邻近孔爆破时爆破应力波扩散曲线如图4所示。

图3 双孔爆破应力波扩散模拟云图Fig.3 Stress wave diffusion nephogram of double hole blasting

图4 双孔爆破应力波扩散曲线Fig.4 Stress wave diffusion curve of double hole blasting

统一高度的双邻近孔进行爆破时，爆破范围呈椭圆状，以双孔中心点为焦点，双孔中心点1.5 m半径一级圈范围以内应力波大于4 GPa，双孔中心点3.0 m半径二级圈范围以内应力波大于2 GPa，双孔中心点6.0 m半径三级圈范围以内应力波大于0.5 GPa。同一级半径圈范围，双孔爆破应力波强度均大于单孔爆破应力波强度，而且双孔爆破应力波有效影响范围在双孔叠加区域呈椭圆状明显扩大。因此，爆破多个钻孔较单孔爆破影响范围扩大，应力波能量更高，钻孔之间产生能量耦合效应提高了爆破效果。

2 数值模拟结果工程验证

2.1 工程应用布孔参数

工程试验选取在大湾煤矿中井11号煤层111103工作面运输巷掘进面，该巷道煤体透气性差，坚固性系数0.19，多次发现小型逆断层。根据数值模拟计算结果，多孔联爆情况下，各孔中心点1.5 m半径一级圈范围以内应力波大于4 GPa，3.0 m半径二级圈范围以内应力波大于2 GPa，6.0 m半径三级圈范围外爆破应力波逐渐消失。因此，工程应用采用纵向不同高度五孔联排爆破，五孔高度上间隔3 m，即单孔需保障控制1.5 m半径一级圈范围，应力波应大于4 GPa，多孔联爆影响范围叠加形成多孔耦合效应，保障爆破效果达到最优化。

2.2 现场工业性试验

2.2.1 爆破孔与对比孔现场设计

多孔联爆试验在大湾煤矿111103工作面运输巷部署3个钻场，掘进面钻场、左帮1号钻场和右帮2号钻场。具体钻孔开孔位置设计如图5所示，左帮1号钻场1-1、1-4、1-5、1-8、1-9号钻孔为联爆钻孔，每两孔隔3 m纵向排列，1-2、1-3、1-6、1-7、1-10号钻孔为对比钻孔；右帮2号钻场2-1、2-4、2-5、2-8、2-9号钻孔为联爆钻孔，每两孔隔3m纵向排列，2-2、2-3、2-6、2-7、2-10号钻孔为对比钻孔；掘进面钻场3-2、3-5、3-8、3-11、3-14号钻孔为联爆钻孔，每两孔隔3 m纵向排列，掘进面左侧3-3、3-4、3-9、3-10、3-15号钻孔和掘进面右侧3-1、3-6、3-7、3-12、3-13号为对比钻孔。

图5 钻孔开孔位置Fig.5 Drilling position

2.2.2 现场工艺过程

深孔预裂爆破中，为了防止钻孔时间过长存在塌孔情况，使送药困难，必须提前准备好相关材料[17-20]。装药过程将长320 mm、直径32 mm的圆柱状乳化炸药送进1根长4.5 m的塑料管内，务必将药卷之间连接牢固。每隔2根塑料管内安插2根雷管，用绝缘胶布或防水绝缘胶布缠绕雷管的脚线与母线，将连接点固定在塑料管上。最后在塑料管口堵上炮泥，继续连接下个塑料管。药卷到达预定位置后，用塑料管推送进爆破孔内。装药中为了保证爆破网络正常，每放置连接好一个雷管后必须对爆破网络进行导通测量。

现场装药过程中，装药量的多少以现场预裂孔见煤情况决定，原则上药卷必须过煤段才能保证爆破效果。由于揭煤设计中，有些预裂孔倾角较大，可能存在药卷脱落或者塑料管松动的现象。为了防止这种现象，当预裂孔倾角较大时，可以在塑料管口附近钻通孔，用铁丝穿透管内的药卷，使药卷堵在管口，防止药卷下滑；同时，可在送药快结束时，在最后一节塑料管外缠绕海绵，因海绵膨胀性强，可防止塑料管滑出孔外。

深孔预裂爆破揭煤过程中，每个预裂孔装药完成后，马上开始封孔。封孔前开始拌料，把粉煤灰和水泥按同等比例倒入拌料桶，并加一半比例的水同步搅拌，用水量约为封孔材料的一半，状态达到“手攥成团，松手散开”为标准。其中，需要注意的是要严格控制封孔材料的粒径，避免拌料堵住出料管口，因此需准备筛网筛出拌料，选用粒度小于5 mm直径的水泥粉煤灰混合不燃性材料。筛出的封孔拌料倒入封孔器，检查封孔器各个连接处阀门的开闭情况，检查无误后，把送料管推入孔内，即可开启封孔器阀门开始送料工作。

为保证多孔爆破预裂应力波产生耦合效应，应同时启爆15组爆破预裂孔。然而当巷道多组钻孔施工后容易引起瓦斯超限事故，应当有足够的钻孔封孔长度，以保证封孔质量。

3 抽采与防突效果考察

3.1 抽采效果考察

1个月内，对比钻孔瓦斯抽采浓度为26%～47%，深孔爆破钻孔瓦斯抽采浓度为78%～94%，平均抽采浓度提高95%(图6)；对比钻孔单孔瓦斯抽采流量为0.05～0.13 m3/min，深孔爆破钻孔单孔瓦斯抽采流量为0.15～0.25 m3/min，平均单孔瓦斯抽采流量提高115%，如图7所示。

图6 瓦斯抽采浓度数据对比Fig.6 Comparison of gas drainage concentration data

图7 瓦斯抽采流量数据对比Fig.7 Comparison of gas drainage flow rate

3.2 防突指标考察

试验1个月后，对防突指标K1值、炮后瓦斯浓度、残余瓦斯含量进行考察。爆破预裂后，左帮1号钻场K1值考察最大值为0.36 mL/(g·min1/2)，掘进面钻场K1值考察最大为0.18 mL/(g·min1/2)，右钻场K1值考察最大为0.26 mL/(g·min1/2)，均未超标；爆破预裂后，掘进面瓦斯浓度连续19 d分别为0.32%、0.64%、0.78%、0.93%、0.66%、0.43%、0.52%、0.41%、0.55%、0.69%、0.44%、0.46%、0.50%、0.32%、0.44%、0.62%、0.33%、0.37%、0.34%，未出现瓦斯超标现象；8次取样残余瓦斯含量值均达标，瓦斯含量小于8 m3/t，而以往大湾煤矿11号煤层在抽采半年后仍有残余瓦斯含量超标的情况。

4 结论

(1)利用COMSOL有限元软件进行深孔预裂爆破影响范围及多孔耦合效应数值模拟计算，多孔联爆应力波强度大于单孔爆破应力波强度，而且多孔联爆应力波有效影响范围明显扩大。

(2)爆破影响范围分三级圈，双孔一级影响圈中心点1.5 m半径范围以内应力波大于4 GPa，双孔二级影响圈中心点3.0 m半径范围以内应力波大于2 GPa，双孔三级影响圈中心点6.0 m半径范围以内应力波大于0.5 GPa。

(3)在大湾煤矿11号煤层111103工作面运输巷工程实践中，采用一级1.5 m半径影响圈3.0 m孔间距进行布置，以多孔联爆方式进行深孔爆破增透，1个月内平均抽采浓度提高95%，平均单孔瓦斯抽采流量提高115%，防突参数K1值、炮后瓦斯浓度、抽采流量和浓度等指标未出现超标现象。