高压空气爆破影响半径研究*

汪开旺

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司；2.煤矿安全技术国家重点实验室)



高压空气爆破影响半径研究*

汪开旺1,2

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司；2.煤矿安全技术国家重点实验室)

摘要为了确定高压空气爆破施工时爆破孔间距的大小，需要考察高压空气爆破影响半径。以丁集矿西一13-1轨道大巷联巷为试验点，通过在13-1煤层实施高压空气爆破，统计各考察钻孔在爆破前后瓦斯涌出量数据，并对结果进行分析，从而得出高压空气爆破影响半径。结果表明，最佳影响半径为2.5 m，爆破影响范围为5 m。

关键词低透气性高压空气爆破煤层增透影响半径

目前，世界各主要产煤国均把抽采煤层气作为防止瓦斯事故及开发新能源的有效技术措施。通过各种技术手段人为强制沟通煤层内的原有裂隙网络或产生新的裂隙网络，使煤层透气性增加[1-4]，以此提高低透气性煤层气的抽采量，同时也可防止煤矿瓦斯事故的发生。在历年研究中，国内外提出了交叉钻孔、超前钻孔、深孔松动爆破和深孔控制爆破、密集钻孔、大直径钻孔、水力冲孔、水力割缝、加沙致裂预抽、地面井抽采等强化抽采瓦斯技术[5-11]，并研制应用了相配套的设备器材，进行强化抽采煤层气，取得一定的效果。

虽然国内外的科研人员提出了各种各样的技术和方法增加煤层透气性，提高瓦斯抽放性，但这些方法多数存在钻孔工程量大、工序复杂、投入高、有效影响范围小、抽采时间长等问题。因此，提出一种新的低透气性煤层增透方法——高压空气爆破致裂增透技术[12-13]，相比较而言，利用高压空气进行爆破较利用炸药进行的深孔预裂爆破增透技术具有无火药爆炸火焰、安全隐患少、不会破坏煤层顶底板的优点。同时，有些煤岩体遇水易膨胀，无法进行水力化增渗措施，就需要引进气体化技术措施。高压空气爆破影响半径的确定则是爆破钻孔施工参数的重要内容，用以指导抽采钻孔的布置。

1高压空气爆破增透技术

利用高压空气加压泵站对井下巷道过滤后的空气进行加压，然后通过高压管路将高压空气输送至高压空气释放装置，当空气压力达到试验所需压力值(如50 MPa)时，开启爆破阀，高压空气突然释放，形成高压空气冲击波，爆破冲击煤体。利用高压空气冲击波为动力源，通过喷射嘴冲击切割钻孔周围的煤体，使其逐渐破碎脱离孔壁，经过多次冲击，煤体内形成大小不一、相互连通孔洞网络，利用这些孔洞使钻孔周围远处的煤体形成卸压、膨胀，煤体空隙增大，实现爆破增透的目的；同时利用高压空气冲击波为动力源，借助煤层控制钻孔所形成的自由面，通过喷嘴沿煤层对钻孔内煤体瞬间冲击，使冲击钻孔与控制钻孔之间的煤体震动，产生位移或裂隙，达到瓦斯抽采增效的目的。

2高压空气爆破试验

高压空气爆破压力为100 MPa以下，远小于炸药爆破时的压力，其影响半径也不同于炸药爆破[14-15]，因此，需要通过试验考察其爆破影响半径，以指导煤矿现场实际应用。

2.1试验地点概况

试验选择在丁集矿西一13-1轨道大巷联巷，试验煤层为13-1煤层。丁集矿13-1煤层为突出危险煤层，矿方实测瓦斯压力为1.6 MPa，瓦斯含量为6.11 m3/t；煤层松软，透气性系数为0.011 12 m2/(MPa2·d)，透气性差。

可采煤层顶底板一般以泥岩、砂质泥岩为主，厚度小，抗压强度为19.60～58.70 MPa，单向抗拉强度为1.04～2.21 MPa，易坍塌冒落。粉砂岩平均抗压强度为72.34 MPa，单向抗拉强度为0.63～4.60 MPa，砂泥岩互层抗压强度为48.90～82.50 MPa。13-1煤顶板砂岩抗压强度为37.0～131.1 MPa，单向抗拉强度为1.20～4.93 MPa，岩性较为致密坚硬，强度较高，不易坍落。顶底板工程力学性质均属不稳定～稳定。矿床工程地质条件为中等。

2.2钻孔参数

在试验巷道布置1#爆破钻孔，在其两侧不等距布置2#～7#考察钻孔，要求6个钻孔基本同时完成布置，立即封孔。2#～7#钻孔用φ94 mm钻头一次性钻透煤层见顶0.5 m，完孔后下2寸管封孔，安装钻孔专用接头，自然排放瓦斯，用多级流量计测量钻孔瓦斯流量。1#爆破孔先用φ94 mm钻头开孔，然后用φ135 mm钻头扩孔5 m，完孔后下φ108 mm管封孔5 m，安装爆破钻孔专用接头，最后用φ94 mm钻头一次性钻透煤层见顶0.5 m。爆破完成后，将孔口封死。钻孔布置及参数见图1、表1。

图1　钻孔布置

钻孔类别孔号方位角/(°)倾角/(°)孔径/mm见煤深度/m煤孔长度/m备注爆破孔1#1355095223爆破后封孔考察孔2#1355095213自然排放3#1355095213自然排放4#135509522.53自然排放5#135509519.73.1自然排放6#1355095213自然排放7#135509521.42.6自然排放

2.3现场测定

试验采用单点爆破释放装置，爆破压力为50 MPa。测定各考察钻孔的瓦斯涌出量Qi(t),然后进行对比分析，获得高压空气爆破影响半径及增透影响范围。爆破前后2#～7#钻孔瓦斯涌出量变化情况见表2、图2、图3。

表2　爆破前后2#～7#钻孔瓦斯涌出变化情况

注：爆破后钻孔瓦斯浓度是指浓度平稳后值。

对各考察钻孔瓦斯自然涌出量数据统计分析后发现，距离爆破钻孔2.5 m处考察钻孔瓦斯流量在高压空气爆破后变化率达到最大值，大于2.5 m后考察钻孔瓦斯流量变化率降低，所以，爆破影响半径2.5 m为最佳距离，爆破影响范围为5 m。

图2　爆破前后钻孔瓦斯涌出量变化情况

图3　2#～7#钻孔爆破后瓦斯涌出变化率

3结论

(1)通过高压空气爆破试验，证明高压空气爆破技术应用于煤层增透不仅在理论上是可行的，而且在试验时能产生很大的效果，可以较大幅度增加钻场瓦斯涌出量。

(2)通过丁集煤矿不等距考察钻孔瓦斯自然涌出量试验得出，在实施单点爆破，爆破压力为50 MPa时，爆破影响半径2.5 m为最佳距离，爆破影响范围为5 m。实施高压空气爆破增透技术可以增加钻孔间距，减少抽采钻孔布置数量，降低生产成本，同时提高煤层气产量。

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(收稿日期2015-11-17)

*国家“十二五”大型油气田及煤层气开发科技重大专项(编号：2011ZX05041-003)。

汪开旺(1985—)，男，助理研究员，硕士，110016 辽宁省沈阳市沈河区东滨河路108号。