深孔爆破增透技术研究培训教案

深孔爆破增透技术研究培训教案（精选2篇）

1.深孔爆破增透技术研究培训教案 篇一

1 聚能爆破增透机理

聚能爆破采用不耦合装药, 炸药爆炸产生的爆轰波首先压缩间隙内的空气形成空气冲击波, 而后空气冲击波作用于炮孔壁并在煤体内产生爆炸应力波。爆炸冲击波、应力波、爆生气体综合作用改变了煤体的原始应力状态, 在煤体内的初始裂隙尖端产生应力集中。由于煤体抗拉强度远小于其抗压强度, 在拉应力作用下初始裂隙尖端产生新裂隙或者使原有裂隙进一步扩展, 从而增加煤层的透气性。

2 聚能爆破增透试验

2.1 试验工作面概况

平煤六矿为煤与瓦斯突出矿井, 聚能爆破试验选在二叠系下石盒子组戊8-22310工作面, 工作面走向长1796m, 宽180m, 埋深为783m~882m, 煤厚1.5m~3.0m, 倾角1.8°~9.7°, 局部断层发育, 平均瓦斯含量7.18m3/t, 瓦斯压力0.71MPa, 且随着埋深增加瓦斯参数有增大趋势, 工作面突出危险性较大。

2.2 聚能爆破参数设计

(1) 炮孔直径。聚能爆破时, 既要使爆破后煤体裂隙充分发育, 又要尽量弱化煤体的粉碎性破坏, 因此必须采用径向不耦合装药结构, 即装药直径与炮孔直径不相等, 二者间得留出一部分孔隙。不耦合系数过小, 作用在煤体上的应力波较大, 会导致粉碎区较大;不耦合系数过大则裂隙在煤体中发育程度较小, 不利于增透。试验选取装药直径45 mm, 爆破钻孔为89 mm。

(2) 爆破孔与邻近抽放孔间距。在聚能爆破区域, 通常会布置一些抽采钻孔先进行煤层瓦斯预抽, 等聚能爆破增透之后再继续进行瓦斯抽采;抽采钻孔能起到导向孔的作用, 有利于聚能定向爆破。但是, 如果二者距离太近, 在爆破作用下会引起抽采孔孔壁破碎, 影响瓦斯抽采效果。因此, 瓦斯抽采孔应布置在爆破作用后的应力波不会造成抽采钻孔发生压破坏或拉破坏的位置。即:

式中:σmax为瓦斯抽采钻孔径向应力峰值, MPa;

σcd、σtd为爆破过程中煤体动态抗压、抗拉强度, MPa。

其距离可以通过下式计算:

式中:l为聚能爆破孔与瓦斯抽采孔之间的距离, m;

P为爆破钻孔孔壁的冲击力, MPa;

r1为炮孔的半径, m;

α为应力衰减系数。

试验选取间距为1.5m以上。

(3) 爆破孔与顶底板间距。聚能爆破主要是通过致裂煤体, 增加煤体的透气性, 但当爆破孔与顶底板相距较近时, 可能在爆破作用下使煤层顶底板产生破坏, 给后期支护等过程造成安全隐患。尤其是煤层上部有含水层的情况更应留出更大的安全距离, 通常该距离在0.6m以上。

(4) 爆破孔间距。聚能爆破后, 在爆破孔周围可分为粉碎区、裂隙区及震动区。其中前两者范围内煤层透气性显著提高, 而震动区内的部分区域的透气性有所增加, 因此要合理确定震动区的范围, 保证整个区域充分增透, 通常可按下式进行估算:

式中:R为震动区半径, m;

Q为装药量, kg。

根据震动区半径即可设计出炮孔间距, 通常炮孔间距为10m~20m, 试验中选择15 m。

(5) 轴向装药长度。爆破孔的装药长度通常设计为30m, 装药长度越大, 爆炸所产生的冲击效应越大。在径向装药不耦合系数一定的条件下, 通过调整装药的长度可实现预期的爆破效果。

2.3 聚能爆破钻孔布置

根据戊8-22310工作面实际条件, 以及设计的爆破参数, 在工作面进行了15次聚能爆破试验, 其中14次在机巷, 1次在风巷, 具体钻孔布置图如下所示。

2.4 聚能爆破增透效果

为检验聚能爆破增透效果, 对聚能爆破前后爆破影响区及非爆破影响区的平均瓦斯抽采浓度和平均瓦斯抽采纯量进行了对比。爆破前的瓦斯抽采浓度为23.7%, 瓦斯抽采纯量为0.004 m3/min;爆破后瓦斯抽采浓度为30.2%, 瓦斯抽采纯量为0.015 m3/min, 增量分别为6.5%、0.011 m3/min。非爆破影响区的瓦斯抽采浓度为18.3%, 瓦斯抽采纯量为0.008 m3/min;爆破影响区瓦斯抽采浓度为29.3%, 瓦斯抽采纯量为0.016 m3/min, 分别是非爆破影响区的1.6倍、2.2倍。爆破作用使煤体裂隙大量增加, 煤层透气性显著增加, 瓦斯抽采效果显著提高。

3 结论

(1) 煤层深孔聚能爆破利用爆破过程中所产生的冲击波破坏煤体, 促使煤体内裂隙的发育, 从而增加煤层的透气性, 促进煤层瓦斯抽采效率的提高。

(2) 深孔聚能爆破的主要参数包括炮孔直径、爆破孔与邻近抽放孔间距、爆破孔与顶底板间距、爆破孔间距、轴向装药长度等, 爆破的效果可通过匹配参数获得。

(3) 通过平煤六矿戊8-22310工作面进行聚能爆破工业性试验表明, 聚能爆破能够很好地增加煤层的透气性, 瓦斯抽采效率明显提高, 是一种很好的增透技术。

摘要：针对低透气性煤层瓦斯抽采困难的问题, 采用聚能爆破的方法促使煤体裂隙发育, 从而增加煤体的透气性;同时分析了聚能爆破的钻孔参数与爆破参数。通过在平煤六矿戊8-22310工作面进行聚能爆破工业性试验表明, 聚能爆破能够很好地增加煤层的透气性, 提高瓦斯抽采效果。

2.深孔爆破增透技术研究培训教案 篇二

摘 要： 针对高瓦斯低透气性煤层，对深孔预裂爆破进行了数值模拟分析研究。再现了爆破 过程中，动压冲击震裂、应力波传播与叠加以及爆生气体驱动裂纹扩展的整个过程，系统地 分析了控制孔与爆破孔对于爆破卸压增透效果的影响，提出了高瓦斯低透气性煤层深孔预裂 爆破的合理间距，为高瓦斯低透气性煤层的瓦斯抽采效率提出了解决方案。深孔预裂爆破为 高瓦斯低透气性煤层增透、进而解决高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采难题提供了一条有效的途 径。

关键词：高瓦斯低透气性煤层；深孔预裂爆破；卸压增透；叠加效应

Release and Permeability Improvement in Coal Seams by Deep-hole Presplitting Explosion

LIU Ze-gong1,2,CAI Feng1,2,XIAO Ying-qi1

(1. School of Energy and Safety, Anhui University of Science and Technology, Hua i nan Anhui 232001, China;2. The Key Laboratory of Safe and Efficient Exploitatio n in Coal Mining of Ministry of Education, Huainan Anhui 232001, China)

Abstract: Deep-hole presplitting explosion in coal seams with high gas content a nd low permeability was numerically simulated and analyzed. Cracks caused by imp act of dynamic pressure, propagation and vibration superposition of stress waves , as well as cracks development by explosion gas in explosion process were repre sented. The influence of oriented hole and explosion hole on effect of stress re lease and permeability improvement was comprehensively analysed. Reasonable inte rval between explosive holes for deep-hole presplitting explosion in coal seam swith high gas content and low permeability was proposed, which provides a soluti on for gas drainage from coal seams with high gas content and low permeability.Deep-hole presplitting explosion provides an effective approch to improvementofpermeability of coal seam with high gas content and low permeability, and solve s the difficult problem of gas drainage from coal seams with high gas content an d low permeability.

Key words: coal seam with high gas content and low permeability; deep-hole presp litting explosion; stressrelease and permeability improvement; vibration super position effect

井工开采的煤层，被井巷所揭露的煤体内存在三个应力带：卸压带、集中应 力带和原始应力带，其中集中应力带包含部分破裂带和弹性带。在卸压带内， 地应力和瓦斯压力均低于原始值，它是阻止煤与瓦斯突出的第一道防护带［1-3］； 在集中应力带内，径向应力比原始地应力小，但切向应力比原始地应力大，煤层透气性急剧 降低，对于具有煤与瓦斯突出危险的高瓦斯煤层，造成煤体瓦斯难以泄漏，可能保持着较高 的瓦斯压力，当集中应力带受到扰动，力学平衡受到破坏，很可能发生突出。因此，在采掘 工作面推进过程中，为了防止瓦斯突出的发生，必须降低前方煤体的瓦斯压力和改变工作面 前方 煤体应力分布，保持足够长的卸压带，同时尽可能增加煤体透气性，使煤层瓦斯得以充分预 排。本文将对利用深孔预裂控制松动爆破提高煤层透气性，改变前方煤体应力分布，有效降 低或消除煤层突出危险性等方面进行分析。

爆破产生的动压迅速摧毁爆孔附近煤体的抵抗，孔壁在高温高压的爆 生气体的作用下向外移动，形成类似于扩壶爆破的爆炸空腔，在其周围产生破裂带和少量裂 纹，为进一步破坏煤体提供弱面，由爆破产生的应力波在煤体中以爆破孔为中心呈同心椭圆 状向煤体中传播，应力波相交后产生叠加效应加速了煤体的破坏。最后，使煤体内形成以爆 破孔为中心的连通裂隙网。

为了能够较清晰的了解深孔预裂爆破裂隙的形成与发育情况以及爆破效果的检验，利用LS-D YNA3D对煤层深孔预裂爆破进行数值模拟分析，并对爆破效果进行了研究分析。

1 数值模型及参数以祁南煤矿349工作面回采二迭系上石盒子组32煤层为例进行数值模拟， 32煤层赋存较 为稳定， 煤层厚度2.1~4.5 m，平均厚度3.5 m。煤层结构 复杂，含 夹矸1~3层，层状构造，内生裂隙较发育。工作面标高为-536~-583 m(平均为-5 60 m)。建立数值模型，模型大小为10 m×3.6 m，爆 孔间距 为6 m(见图1)。爆破炸药采用煤层深孔松动控制爆破专用药管，其参数如表1所 示。

图1 数值模型表1 煤层深孔松动控制爆破专用药管技术性能指标

密度/(g•cm-3)爆速/(m•s-1)[]猛度/mm传爆长度/mm装药直径φ/mm[]威力/mL[]殉爆/cm0.95～1.1[]2 900～3 300[]≥10[]≥60[]42[]≥250[]≥3

在进行数值模拟的时候，由于计算机能力的限制，必须用有限体积的数值模型来代替无限大 的实际煤层，因此必须防止应力波在左右边界上的边界效应。本文采用在左右边界上设置无 反射边界（Non-reflecting boundary)又称透射边界(transmitting boundary)或无反应 边 界(silent boundary)，主要应用于无限体或半无限体中,在所有无反射边界中的单元上加上 粘性正应力和剪应力(见图1)。模型上部边界受均布原岩应力，据模型埋深，按海姆 假设σy=γ[TX-]H［4-5］，可计算出作用在模型上部边界上的原岩自 重应力。

2 模拟结果

在进行数值模拟时，两爆孔同时引爆。模拟结果显示，在深孔预裂爆破过程中大致经历了动 压冲击震裂、应力波在煤体中传播以及爆生气体驱动裂纹扩展三个过程。

2.1 动压冲击震裂在动压冲击震裂阶段，由于爆破作用范围比较小，两个爆孔间几乎不相互影响(见图2)。

图2 动压冲击震裂

从图2中 可以看出，紧靠近炸药的煤体最先被震碎，形成破碎带，同时形成一些较浅的微裂纹，裂纹 生成速度非常快，达到480 m/s。在裂纹周围形成应力集中区域，相反，由于破 碎带的缓冲作用，破碎带周围的煤体中应力相比微裂纹周围要小得多。这与“动静压两段论 ”中动压冲击阶段是符合［6-7］。

动压冲击震裂过程非常短暂，仅仅持续19 μs，而且由于煤质较软，生成的裂 纹和破碎带也非常小，但这些小的裂纹形成了新的自由面，在爆炸作用下形成了新的应力集 中区域，为后面爆生气体驱动裂纹扩展提供了新的弱面。

2.2 应力波在煤体中传播由于炸药的爆轰速度超过孔壁煤体纵波波速，在煤体中形成冲击波，并逐渐衰减为应力波继 续向外传播。因而，紧接着动压冲击震裂后并没有直接出现爆生气体驱动裂纹扩展的过程， 而是应力波在煤体中的传播过程(见图3)。

在爆破过程中，由爆破产生的应力波均是以爆孔为中 心，呈同心圆状向周围煤体中传播。分别由两爆孔产生的应力波在传播过程一定距离后相遇 ，产生应力波的叠加效应在640 μs时，两爆破孔产生的应力 波相遇，随后分别应力波相互间进行叠加，并源源不断地向四周传播(见图3c)。a 50 μs[KG13]b 90 μs[KG13]c 290 μs[TS)] d 440 μs[KG13]e 490 μs[KG13]f 640 μs

[JZ]图3 两爆孔较近时的应力传播与叠加

2.3 应力波对煤体质点的影响为了能够清晰的表现出应力波对煤体质点的影响， 分别选取三个具有代表性的观测点， 描 绘出各观测点的应变-时间历程曲线(见图4)。图4a～图4c)的观测点分别位于两爆 孔之间， 距 一爆孔1 m， 2 m，4 m。从图4中可以明显看到，每个 观测点都出现了两次应力峰值，首次应力峰值是由于一个爆炸形成的应 力波初次形成的，然后逐渐衰减，当经过一段时间后，两个爆破孔形成的应力波叠加，从而 使观测点发生了第二次应力峰值。距离两爆破孔之间的位置越近，两次峰值出现的时间间隔 越小。

当观测点爆破孔1 m时，观测点的应力峰值在700~800 MPa之间，由 于应力波的衰减， 在两爆破孔之间中点附近时， 观测点的应力峰值分别为200 MPa。t/μs[KG16]t/μs[KG15]t/μs

a 1 mb 2 mc 3 m

图4 应力传播过程中各观测点处煤体质点应力变化曲线

2.4 煤体裂纹扩展在裂纹扩展阶段初期爆孔之间的相互影响是非常小的，裂纹生长均在各自爆 生气体的控制范围之内(见图5)。爆破粉碎区空腔形成高压爆生气体及强大冲击波作用在爆 破孔周围 的煤体内，煤体内瓦斯压力随之增高，煤体积蓄了很高能量，积蓄在煤体的一部分弹性变形 能以及瓦斯压力向更深部的煤体释放，同时产生与径向压应力作用方向相反的向心拉应力， 当拉应力超过煤体的抗拉强度时，就会形成环向裂隙，开始形成裂隙区。

由于应力波叠加及爆生气体的驱动，在12 ms时出现了与应力波传播方 向相垂直的裂纹，所形成的裂纹逐渐呈网状。两爆孔产生的裂纹很快于22 ms时 趋于交叉,这彻底摧毁了煤的抵抗，加速了孔间煤体的破碎，最终使煤体中裂隙相互贯穿， 形成了裂隙网络，大大增强了煤体的渗透性，增透效果显著。a 6 ms[KG12]b 12 ms[KG12]c 22 ms

图5 两爆孔的裂纹扩展

3 控制孔对爆破卸压效果的影响

3.1 控制孔对爆破应力波传播的影响控制孔距爆破孔间距2 m， 控制孔和爆破孔的孔径均为73 mm， 爆 破 药管直径42 mm， 采用不完全耦合的装药结构。 应力波在煤体中的传播过程如 图6所示。a 15 μs[KG13]b 75 μs[KG13]c 180 μs[TS)]d 270 μs[KG13]e 405 μs[KG13]f 525 μs

[JZ]图6 控制孔与爆孔间的应力传播

从6图中可以清楚的看到，随着应力波以爆破孔为圆心向四面逐渐扩展，405 μs时应力波到达辅助自由面控制孔的时候，开始发生应力波的反射；525 μs时，形成反 射拉伸波，并与径向裂隙尖端处的应力场叠加，煤体受到正反两个方向应力波的作用，促使 裂隙进一步扩大。

3.2 控制孔对煤体位移的影响爆破后的煤体由于控制孔的作用，在控制孔附近的 观测点的位移明显比没有控制孔作用的观测的位移大，控制孔对裂隙扩大起到了促进作用， 同样裂隙区范围的也在扩大(见图7)。1. x方向1.8 m;2. x方向2.4

4 结论

通过数值模拟可知，深孔预裂爆破对于高瓦斯低透气性煤层的增透效果是非常明显的。在爆 破的初始阶段，爆破产生的动压迅速摧毁爆孔附近煤体的抵抗，在其周围产生破裂带和少量 裂纹，为进一步破坏煤体提供弱面。由爆破产生的应力波在煤体中以爆破孔为中心呈同心圆 状向煤体中传播，应力波相交后产生叠加效应加速了煤体的破坏。两爆孔间的裂纹充分发育 ，无疑增加了煤体的透气性，为瓦斯抽采提供了通道。

在深孔预裂爆破过程中，控制孔增加了煤体松动的自由面，为煤体由于爆破产生的位移扩展 提供了一定的空间，同时也加速了深孔预裂爆破裂纹网络的相互沟通，为提高高瓦斯低透气 性煤层深孔预裂爆破效果提供了一个较好的解决方案。

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