D0:10.13374h.issn1001-053x.2011.07.007 第33卷第7期 北京科技大学学报 Vol.33 No.7 2011年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2011 煤层深孔聚能爆破封孔技术 郭德勇)区 杨雄”单智勇》 吕鹏飞” 1)中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京1000832)焦作煤业（集团）有限责任公司，焦作454002 ☒通信作者，E-mail:kjkfg(@cumtb.cd.cn 摘要针对煤层深孔聚能爆破瓦斯抽放封孔技术问题，通过分析聚能爆破施工工艺及封孔物质力学行为，发现爆破孔孔径 和封孔材料性质是影响封孔长度的主要因素.综合分析爆破安全、抽放工艺和施工条件，确定聚能爆破合理封孔长度为7.5~ 10.0m.以焦煤集团九里山矿14121和24021工作面为例，对煤层深孔聚能爆破封孔技术可行性进行了验证. 关键词煤矿开采：爆破；封孔技术：瓦斯灾害 分类号TD712.62 Sealing technology of coal bed deep-hole cumulative blasting GUO De-yong,YANG Xiong,SHAN Zhi-yong?,LU Peng fei 1)School of Resource and Safety Engineering,China University of Mining and Technology (Beijing),Beijing 100083,China 2)Jiaozuo Coal Industrial (Group)Co.Ltd.Jiaozuo 454002,China Corresponding author,E-mail:kikfg@cumtb.edu.cn ABSTRACT The construction technology of cumulative blasting and the mechanical behavior of sealing materials were analyzed for the gas drainage sealing technology of coal bed deep-hole cumulative blasting.It is shown that blast hole diameter and sealing material properties are the main factors which influence sealing length.After comprehensive analysis of blasting safety,drainage technology and constructional conditions,the reasonable sealing length of cumulative blasting is considered to be in the range of 7.5 to 10.0 m.Final- ly,the feasibility of coal bed deep-hole cumulative blasting sealing technology was tested with the 14121 and 24021 working faces in Ji- ulishan Coal Mine of Jiaozuo Coal Group as an example. KEY WORDS coal mining:blasting:sealing technology:gas hazards 煤层瓦斯抽放在矿井瓦斯灾害防治和资源开发 间生成的爆生气体被“局限”于炸药体积之内.根据 利用中具有重要作用，封孔是煤层瓦斯抽放的关键 爆轰热力学理论，将爆生气体视为理想气体在孔内 技术.将新型封孔材料和技术应用于煤层钻孔封孔 等熵膨胀，由于采用不耦合装药，爆生气体充满炮孔 试验取得了良好的效果).煤层深孔聚能爆破一 时的压力P远低于临界压力P,通常将其表示 般采用黄泥、黄砂和水泥砂浆等作为封孔材料，而封 为回： 孔材料的选择、封孔参数的确定以及封孔技术的应 用直接影响到封孔质量和效果.高质量的封孔是煤 P=(哈)作)》 (1) 层瓦斯抽放的必要条件，通过改善煤层深孔聚能爆 式中：P为炸药爆炸临界压力；P为平均爆轰压力， 破封孔技术，可以快速有效地封孔，达到提高瓦斯抽 P=PD/(2+2k),其中P和D分别为炸药的密度 放率的目的 和爆速，k为等熵指数；y为绝热指数；V为炸药体 积：V为爆生气体体积，考虑到封孔时炮孔中无残留 1聚能爆破封孔力学分析 空腔，则爆生气体充满炮孔时有V。W=/R,其中r 1.1爆生气体推力作用 为药卷半径，R为炮孔半径 在煤层深孔聚能爆破试验中，聚能药卷爆炸瞬 爆生气体压力作用于封孔物质产生推力作用， 收稿日期：2010-07-11 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.40772098:No.41072118)
第 33 卷 第 7 期 2011 年 7 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 7 Jul． 2011 煤层深孔聚能爆破封孔技术 郭德勇1) 杨 雄1) 单智勇2) 吕鹏飞1) 1) 中国矿业大学( 北京) 资源与安全工程学院，北京 100083 2) 焦作煤业( 集团) 有限责任公司，焦作 454002 通信作者，E-mail: kjkfg@ cumtb． edu． cn 摘 要 针对煤层深孔聚能爆破瓦斯抽放封孔技术问题，通过分析聚能爆破施工工艺及封孔物质力学行为，发现爆破孔孔径 和封孔材料性质是影响封孔长度的主要因素． 综合分析爆破安全、抽放工艺和施工条件，确定聚能爆破合理封孔长度为 7. 5 ～ 10. 0 m． 以焦煤集团九里山矿 14121 和 24021 工作面为例，对煤层深孔聚能爆破封孔技术可行性进行了验证． 关键词 煤矿开采; 爆破; 封孔技术; 瓦斯灾害 分类号 TD712 + . 62 Sealing technology of coal bed deep-hole cumulative blasting GUO De-yong1) ，YANG Xiong1) ，SHAN Zhi-yong2) ，L Peng-fei 1) 1) School of Resource and Safety Engineering，China University of Mining and Technology ( Beijing) ，Beijing 100083，China 2) Jiaozuo Coal Industrial ( Group) Co． Ltd． ，Jiaozuo 454002，China Corresponding author，E-mail: kjkfg@ cumtb． edu． cn ABSTRACT The construction technology of cumulative blasting and the mechanical behavior of sealing materials were analyzed for the gas drainage sealing technology of coal bed deep-hole cumulative blasting． It is shown that blast hole diameter and sealing material properties are the main factors which influence sealing length． After comprehensive analysis of blasting safety，drainage technology and constructional conditions，the reasonable sealing length of cumulative blasting is considered to be in the range of 7. 5 to 10. 0 m． Finally，the feasibility of coal bed deep-hole cumulative blasting sealing technology was tested with the 14121 and 24021 working faces in Jiulishan Coal Mine of Jiaozuo Coal Group as an example． KEY WORDS coal mining; blasting; sealing technology; gas hazards 收稿日期: 2010--07--11 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( No． 40772098; No． 41072118) 煤层瓦斯抽放在矿井瓦斯灾害防治和资源开发 利用中具有重要作用，封孔是煤层瓦斯抽放的关键 技术． 将新型封孔材料和技术应用于煤层钻孔封孔 试验取得了良好的效果［1--3］． 煤层深孔聚能爆破一 般采用黄泥、黄砂和水泥砂浆等作为封孔材料，而封 孔材料的选择、封孔参数的确定以及封孔技术的应 用直接影响到封孔质量和效果． 高质量的封孔是煤 层瓦斯抽放的必要条件，通过改善煤层深孔聚能爆 破封孔技术，可以快速有效地封孔，达到提高瓦斯抽 放率的目的． 1 聚能爆破封孔力学分析 1. 1 爆生气体推力作用 在煤层深孔聚能爆破试验中，聚能药卷爆炸瞬 间生成的爆生气体被“局限”于炸药体积之内． 根据 爆轰热力学理论，将爆生气体视为理想气体在孔内 等熵膨胀，由于采用不耦合装药，爆生气体充满炮孔 时的压 力 P 远低于临界压力 Pj，通 常 将 其 表 示 为［4］: P = Pj ( Pw P ) j γ ( k Vc ) V γ ( 1) 式中: Pj为炸药爆炸临界压力; Pw为平均爆轰压力， Pw = ρ0D2 /( 2 + 2k) ，其中 ρ0和 D 分别为炸药的密度 和爆速，k 为等熵指数; γ 为绝热指数; Vc 为炸药体 积; V 为爆生气体体积，考虑到封孔时炮孔中无残留 空腔，则爆生气体充满炮孔时有 Vc /V = r 2 /R2 ，其中 r 为药卷半径，R 为炮孔半径． 爆生气体压力作用于封孔物质产生推力作用， DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.07.007
·786· 北京科技大学学报 第33卷 将作用面简化为炮孔横截面，则爆生气体推力F 气体推力和摩擦力分别以幂函数R21-”、R-2y变化 满足 并不断减小，而前者衰减速度小于后者，当达到一定 F=TR'P (2) 程度满足式(6)时发生冲孔.同样由式(7)可知，炮 将式(1)代入式(2)整理可得爆生气体推力： 孔半径的增加导致最小封孔长度加大.因此在保证 F=mrR21-yp[、pD1t L2(1+k)」 (3) 封孔长度一定的条件下应控制钻孔半径，使其满足 R≤2fL/n. 1.2孔内摩擦力作用 (2)封孔材料。不同钻孔的孔壁粗糙程度可视 在爆炸冲击波和爆生气体推力作用下，封孔物 为相同，但封孔材料性质的不同将很大程度上影响 质向孔口方向产生移动趋势甚至发生位移.由于封 封孔物质和钻孔壁间的摩擦因数f由式(7)可知， 孔时已将封孔物质捣实，为便于分析忽略其压缩变 其他参数保持不变，随着摩擦因数的增大，最小封孔 形，认为封孔物质在钻孔中的移动相当于刚体运动. 长度逐渐减小.与黄泥相比，水泥砂浆和黄砂与钻 封孔结构及受力分析如图1所示 孔壁接触较好，摩擦因数大，更容易封孔 ,封孔物质 ,钻孔 (3)残留空腔。在炮孔半径和封孔材料性质保 持不变的条件下，钻孔残留空腔的存在导致爆生气 EP 体作用于煤壁的压力减小，导致爆破致裂效果受到 影响.因此为保证爆破效果，要求封孔时不能有残 煤体 留空腔 图1封孔结构及受力分析 Fig.1 Sealing structure and force analysis 2聚能爆破封孔长度确定 封孔物质在炮孔内运动主要受到爆生气体推力 煤层深孔聚能爆破因利用聚能射流侵彻煤体 和孔壁摩擦力作用，在爆生气体压力P作用下，封 形成初始裂隙，而后在爆生气体气楔作用下，促进裂 孔物质内产生轴向应力，由于将封孔物质等效为刚 隙在煤体内较大范围的扩展.合理的封孔长度对保 体不能发生径向变形，封孔物质对钻孔壁产生侧向 证封孔质量和爆破效果至关重要，在确定封孔长度 压力作用，压力值为AP,其中入为侧压系数.则封 时需要遵循三个条件：①安全条件，即深孔聚能爆破 孔物质在钻孔中运动受到的摩擦阻力可表示为 不仅要避免发生冲孔，而且要保证巷帮煤壁不因振 F=2TRLAAP (4) 动而导致破坏：②抽放条件，封孔长度必须超过巷帮 式中，L为封孔长度，∫为封孔物质和钻孔壁间的摩 煤体卸压区宽度，防止因爆破产生漏气影响抽放效 擦因数 果：③施工条件，在满足安全条件和抽放条件的前提 将式(1)代入式(4)可得： 下，封孔长度不能太大，避免造成人力和物力的 =2nuR-p宁50] 5 浪费 2.1安全条件下封孔长度 1.3封孔参数影响分析 (1)避免冲孔安全封孔长度。通过对封孔物质 根据假设封孔物质在炮孔内一旦运动将以刚体 进行力学分析可知，保证不发生冲孔的封孔长度满 形式发生整体位移，为避免封孔物质在推力载荷作 足式(7)，即L≥nR/(2∧).现场试验爆破孔半径R 用下部分或全部冲出孔口（冲孔），必须保证封孔物 为44.5mm,不同封孔材料其侧压系数入以及和钻 质在钻孔中受到的摩擦阻力不小于爆生气体产生的 孔壁间的摩擦因数∫差别较大，根据相关研究固并 向外推力，即 结合聚能爆破封孔特点，统一取侧压系数为0.3，摩 F≥nFb (6) 擦因数为0.02，经计算封孔长度L≥5.6m. 式中，n为综合影响系数，根据现场封孔经验取n= (2)爆破地震安全封孔长度。爆破地震安全封 1.01.5 孔长度是爆破后不引起巷帮煤体破坏的最小封孔长 将式(3)和式(5)代入式(6)整理可得 度，其数值相当于爆破地震安全距离与爆心至封孔 器 前端的距离之差.确定封孔长度时综合考虑装药结 (7) 构、装药长度、起爆方式等因素对封孔长度的影响， (1)炮孔半径。由式(3)和式(5)可知，在其他 在爆破地震安全距离经验公式m的基础上进行计 参数不变的条件下，随着炮孔半径R的增加，爆生 算，即
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 将作用面简化为炮孔横截面，则爆生气体推力 Fb 满足 Fb = πR2 P ( 2) 将式( 1) 代入式( 2) 整理可得爆生气体推力: Fb = πr 2γ R2( 1 － γ) P k － γ k j [ ρ0D2 2( 1 + k ] ) γ k ( 3) 1. 2 孔内摩擦力作用 在爆炸冲击波和爆生气体推力作用下，封孔物 质向孔口方向产生移动趋势甚至发生位移． 由于封 孔时已将封孔物质捣实，为便于分析忽略其压缩变 形，认为封孔物质在钻孔中的移动相当于刚体运动． 封孔结构及受力分析如图 1 所示． 图 1 封孔结构及受力分析 Fig． 1 Sealing structure and force analysis 封孔物质在炮孔内运动主要受到爆生气体推力 和孔壁摩擦力作用，在爆生气体压力 P 作用下，封 孔物质内产生轴向应力，由于将封孔物质等效为刚 体不能发生径向变形，封孔物质对钻孔壁产生侧向 压力作用，压力值为 λP，其中 λ 为侧压系数． 则封 孔物质在钻孔中运动受到的摩擦阻力可表示为 F = 2πRLfλP ( 4) 式中，L 为封孔长度，f 为封孔物质和钻孔壁间的摩 擦因数． 将式( 1) 代入式( 4) 可得: F = 2πfλr 2γ LR1 － 2γ P k － γ k j [ ρ0D2 2( 1 + k ] ) γ k ( 5) 1. 3 封孔参数影响分析 根据假设封孔物质在炮孔内一旦运动将以刚体 形式发生整体位移，为避免封孔物质在推力载荷作 用下部分或全部冲出孔口( 冲孔) ，必须保证封孔物 质在钻孔中受到的摩擦阻力不小于爆生气体产生的 向外推力，即 F≥nFb ( 6) 式中，n 为综合影响系数，根据现场封孔经验取 n = 1. 0 ～ 1. 5． 将式( 3) 和式( 5) 代入式( 6) 整理可得 L≥nR 2fλ ( 7) ( 1) 炮孔半径。由式( 3) 和式( 5) 可知，在其他 参数不变的条件下，随着炮孔半径 R 的增加，爆生 气体推力和摩擦力分别以幂函数 R2( 1 － γ) 、R1 － 2γ 变化 并不断减小，而前者衰减速度小于后者，当达到一定 程度满足式( 6) 时发生冲孔． 同样由式( 7) 可知，炮 孔半径的增加导致最小封孔长度加大． 因此在保证 封孔长度一定的条件下应控制钻孔半径，使其满足 R≤2fλL /n． ( 2) 封孔材料。不同钻孔的孔壁粗糙程度可视 为相同，但封孔材料性质的不同将很大程度上影响 封孔物质和钻孔壁间的摩擦因数 f． 由式( 7) 可知， 其他参数保持不变，随着摩擦因数的增大，最小封孔 长度逐渐减小． 与黄泥相比，水泥砂浆和黄砂与钻 孔壁接触较好，摩擦因数大，更容易封孔． ( 3) 残留空腔。在炮孔半径和封孔材料性质保 持不变的条件下，钻孔残留空腔的存在导致爆生气 体作用于煤壁的压力减小，导致爆破致裂效果受到 影响． 因此为保证爆破效果，要求封孔时不能有残 留空腔． 2 聚能爆破封孔长度确定 煤层深孔聚能爆破［5］利用聚能射流侵彻煤体 形成初始裂隙，而后在爆生气体气楔作用下，促进裂 隙在煤体内较大范围的扩展． 合理的封孔长度对保 证封孔质量和爆破效果至关重要，在确定封孔长度 时需要遵循三个条件: ①安全条件，即深孔聚能爆破 不仅要避免发生冲孔，而且要保证巷帮煤壁不因振 动而导致破坏; ②抽放条件，封孔长度必须超过巷帮 煤体卸压区宽度，防止因爆破产生漏气影响抽放效 果; ③施工条件，在满足安全条件和抽放条件的前提 下，封孔长度不能太大，避免造成人力和物力的 浪费． 2. 1 安全条件下封孔长度 ( 1) 避免冲孔安全封孔长度。通过对封孔物质 进行力学分析可知，保证不发生冲孔的封孔长度满 足式( 7) ，即 L≥nR /( 2fλ) ． 现场试验爆破孔半径 R 为 44. 5 mm，不同封孔材料其侧压系数 λ 以及和钻 孔壁间的摩擦因数 f 差别较大，根据相关研究［6］并 结合聚能爆破封孔特点，统一取侧压系数为 0. 3，摩 擦因数为 0. 02，经计算封孔长度 L≥5. 6 m． ( 2) 爆破地震安全封孔长度。爆破地震安全封 孔长度是爆破后不引起巷帮煤体破坏的最小封孔长 度，其数值相当于爆破地震安全距离与爆心至封孔 前端的距离之差． 确定封孔长度时综合考虑装药结 构、装药长度、起爆方式等因素对封孔长度的影响， 在爆破地震安全距离经验公式［7］的基础上进行计 算，即 ·786·
第7期 郭德勇等：煤层深孔聚能爆破封孔技术 ·787 L=n(K/v)/a.Qm -nl (8) 空气通过卸压区裂隙流入钻孔，造成瓦斯抽放浓度 式中：Q为装药量，kg:m为药量指数，取m=13:n 下降，严重影响抽放效果.因此为避免产生漏气现 为影响系数，取n=1.0~1.5:l为爆心至封孔前端 象，必须保证聚能爆破孔封孔长度不小于煤体卸压 的距离，m;v为安全振动速度，cm·s,巷道围岩安 区宽度.受煤层瓦斯压力、煤层透气性和煤硬度等 全振动速度见表1；K、α分别为与爆破地点地形、地 因素的影响，卸压区宽度一般为2.0~5.0m.同时 质条件有关的系数和衰减指数，其取值见表2. 聚能爆破作用会造成煤体裂隙范围的扩大，影响卸 表1巷道围岩安全振动速度切 压区宽度.结合现场爆破后对瓦斯抽放状况的考 Table 1 Safety vibration velocity of suoundin rocks 察，综合确定抽放条件下的封孔长度为7.5m 巷道围岩类别 安全振动速度/(cmsl) 2.3施工条件下封孔长度 围岩不稳定有良好支护 10 聚能爆破孔封孔时，为保证安全和抽放效果封 围岩中等稳定有良好支护 15 孔长度不能太小，必须满足安全封孔长度和抽放封 围岩稳定无支护 20 孔长度，封孔长度越大，安全和抽放效果越明显，但 势必影响施工进度并造成封孔材料和人力的浪费. 表2爆区不同岩性的K和α值网 因此根据现场封孔经验，认为施工条件下的封孔长 Table 2 Values of K and a of different rocks in the blasting area 度一般不超过10.0m. 岩性 K 通过以上对安全条件、抽放条件和施工条件下 坚硬岩石 50~150 1.31.5 封孔长度综合分析，确定聚能爆破钻孔合理封孔长 中硬岩石 150~250 1.5-1.8 度为7.5~10.0m. 软岩石 250~350 1.8-2.0 3聚能爆破封孔技术现场试验 根据焦煤集团九里山矿聚能爆破试验区煤岩性 质并结合装药情况，统一取Q=18~22kg,1=10~ 3.1聚能爆破封孔特点 12m,v=20cms-1,K=250,a=1.5,计算得到L= 在聚能爆破试验中，根据开孔位置的不同可将 4.7-6.2m. 爆破孔分为本煤层钻孔和穿层钻孔两种形式，不同 通过以上分析可以得出，不发生冲孔的最小封 的钻孔封孔特点不同，采用的封孔方法具有差异 孔长度为5.6m,爆破地震安全封孔长度为4.7~ 性回 6.2m,为提高安全性，综合确定安全条件下的封孔 (1)本煤层爆破孔封孔特点。本煤层爆破孔通 长度为6.2m. 常垂直于巷帮，沿煤层倾向布置在煤体内，其封孔特 2.2抽放条件下封孔长度 点主要表现为：①封孔长度短，一般封孔10.0m左 巷道采掘使煤体原始应力状态发生了变化并达 右，采用黄泥或黄砂封孔时简便可行：②钻孔倾角 到新的平衡，沿煤壁向煤体深部延伸依次形成卸压 小，采用水泥砂浆封孔时注浆比较困难：③钻孔内壁 区、应力集中区和原始应力区四，其中卸压区煤体 粗糙，与封孔物质间的摩擦因数较大 因卸压作用存在较多的贯通裂隙，构成了与外界连 (2)穿层爆破孔封孔特点。穿层爆破孔一般在 接的通道，导致瓦斯向巷帮空间释放.巷帮煤体应 邻近岩巷开孔，向目标煤层打钻并贯穿煤层全厚，其 力分区如图2所示 封孔特点明显不同于本煤层爆破孔。主要表现为： 应力曲线 ①封孔段较长，需要根据钻孔岩段长度确定，采用黄 泥或黄砂封孔时难度较大；②钻孔倾角大，采用水泥 砂浆封孔时有利于注浆；③钻孔内壁相对光滑，采用 黄泥或黄砂封孔时摩擦力较小，难以保证封孔质量. 煤层 煤壁 综合以上分析可以得出，本煤层爆破孔易采用 1一卸压区：2一应力集中区：3一原始应力区 黄泥或黄砂封孔，穿层爆破孔可采用水泥砂浆封孔. 图2巷帮煤体应力分区 考虑到黄泥封孔时工作量大花费时间较长，而黄砂 Fig.2 Stress partition of coal in the mine gateway sidewall 封孔时采用风力吹砂较简便，因此现场试验时本煤 聚能爆破试验区域巷帮煤体内布置有抽放钻 层爆破孔采用“黄砂+黄泥”联合封孔方式，即钻孔 孔，当卸压区宽度较大时，在抽放负压的作用下外界 里段采用黄砂封孔，外段采用黄泥充填
第 7 期 郭德勇等: 煤层深孔聚能爆破封孔技术 L = n( K /v) 1 /α ·Qm － nl ( 8) 式中: Q 为装药量，kg; m 为药量指数，取 m = 1 /3; n 为影响系数，取 n = 1. 0 ～ 1. 5; l 为爆心至封孔前端 的距离，m; v 为安全振动速度，cm·s － 1 ，巷道围岩安 全振动速度见表 1; K、α 分别为与爆破地点地形、地 质条件有关的系数和衰减指数，其取值见表 2． 表 1 巷道围岩安全振动速度［7］ Table 1 Safety vibration velocity of surrounding rocks ［7］ 巷道围岩类别 安全振动速度/( cm·s － 1 ) 围岩不稳定有良好支护 10 围岩中等稳定有良好支护 15 围岩稳定无支护 20 表 2 爆区不同岩性的 K 和 α 值［8］ Table 2 Values of K and α of different rocks in the blasting area ［8］ 岩性 K α 坚硬岩石 50 ～ 150 1. 3 ～ 1. 5 中硬岩石 150 ～ 250 1. 5 ～ 1. 8 软岩石 250 ～ 350 1. 8 ～ 2. 0 根据焦煤集团九里山矿聚能爆破试验区煤岩性 质并结合装药情况，统一取 Q = 18 ～ 22 kg，l = 10 ～ 12 m，v = 20 cm·s － 1 ，K = 250，α = 1. 5，计算得到 L = 4. 7 ～ 6. 2 m． 通过以上分析可以得出，不发生冲孔的最小封 孔长度为 5. 6 m，爆破地震安全封孔长度为 4. 7 ～ 6. 2 m，为提高安全性，综合确定安全条件下的封孔 长度为 6. 2 m． 2. 2 抽放条件下封孔长度 巷道采掘使煤体原始应力状态发生了变化并达 到新的平衡，沿煤壁向煤体深部延伸依次形成卸压 区、应力集中区和原始应力区［9］，其中卸压区煤体 因卸压作用存在较多的贯通裂隙，构成了与外界连 接的通道，导致瓦斯向巷帮空间释放． 巷帮煤体应 力分区如图 2 所示． 1—卸压区; 2—应力集中区; 3—原始应力区 图 2 巷帮煤体应力分区 Fig． 2 Stress partition of coal in the mine gateway sidewall 聚能爆破试验区域巷帮煤体内布置有抽放钻 孔，当卸压区宽度较大时，在抽放负压的作用下外界 空气通过卸压区裂隙流入钻孔，造成瓦斯抽放浓度 下降，严重影响抽放效果． 因此为避免产生漏气现 象，必须保证聚能爆破孔封孔长度不小于煤体卸压 区宽度． 受煤层瓦斯压力、煤层透气性和煤硬度等 因素的影响，卸压区宽度一般为 2. 0 ～ 5. 0 m． 同时 聚能爆破作用会造成煤体裂隙范围的扩大，影响卸 压区宽度． 结合现场爆破后对瓦斯抽放状况的考 察，综合确定抽放条件下的封孔长度为 7. 5 m． 2. 3 施工条件下封孔长度 聚能爆破孔封孔时，为保证安全和抽放效果封 孔长度不能太小，必须满足安全封孔长度和抽放封 孔长度，封孔长度越大，安全和抽放效果越明显，但 势必影响施工进度并造成封孔材料和人力的浪费． 因此根据现场封孔经验，认为施工条件下的封孔长 度一般不超过 10. 0 m． 通过以上对安全条件、抽放条件和施工条件下 封孔长度综合分析，确定聚能爆破钻孔合理封孔长 度为 7. 5 ～ 10. 0 m． 3 聚能爆破封孔技术现场试验 3. 1 聚能爆破封孔特点 在聚能爆破试验中，根据开孔位置的不同可将 爆破孔分为本煤层钻孔和穿层钻孔两种形式，不同 的钻孔封孔特点不同，采用的封孔方法具有差异 性［10］． ( 1) 本煤层爆破孔封孔特点。本煤层爆破孔通 常垂直于巷帮，沿煤层倾向布置在煤体内，其封孔特 点主要表现为: ①封孔长度短，一般封孔 10. 0 m 左 右，采用黄泥或黄砂封孔时简便可行; ②钻孔倾角 小，采用水泥砂浆封孔时注浆比较困难; ③钻孔内壁 粗糙，与封孔物质间的摩擦因数较大． ( 2) 穿层爆破孔封孔特点。穿层爆破孔一般在 邻近岩巷开孔，向目标煤层打钻并贯穿煤层全厚，其 封孔特点明显不同于本煤层爆破孔。主要表现为: ①封孔段较长，需要根据钻孔岩段长度确定，采用黄 泥或黄砂封孔时难度较大; ②钻孔倾角大，采用水泥 砂浆封孔时有利于注浆; ③钻孔内壁相对光滑，采用 黄泥或黄砂封孔时摩擦力较小，难以保证封孔质量． 综合以上分析可以得出，本煤层爆破孔易采用 黄泥或黄砂封孔，穿层爆破孔可采用水泥砂浆封孔． 考虑到黄泥封孔时工作量大花费时间较长，而黄砂 封孔时采用风力吹砂较简便，因此现场试验时本煤 层爆破孔采用“黄砂 + 黄泥”联合封孔方式，即钻孔 里段采用黄砂封孔，外段采用黄泥充填． ·787·
·788· 北京科技大学学报 第33卷 3.2“黄砂+黄泥”联合封孔在九里山矿的应用 长度，而且满足合理封孔长度要求，达到了预期的封 (1)试验工作面概况。河南煤化焦作煤业集团 孔效果 九里山矿（简称九里山矿）属于煤与瓦斯突出矿井， 表4九里山矿聚能爆破试验爆破孔封孔效果 所采煤层为二迭系山西组二，煤层，煤质为中灰低硫 Table 4 Sealing effect of blast holes in Jiulishan coal mine cumulative 优质无烟煤.顶底板岩性表现为：伪顶为炭质泥岩， blasting experiment 直接顶为粉砂岩，局部为泥岩，老顶为粉砂岩；底板 钻孔 爆破后 爆破后项 爆破后 爆破后巷 主要为泥岩和粉砂岩.以九里山矿14121和24021 编号 钻孔情况 底板情况 煤壁情况 道瓦斯情况 工作面为例，其中14121工作面开采标高-167.0~ Y Y -192.0m,煤层厚度5.8~6.2m,倾角8°~13°； 2 Y Y Y 24021工作面标高-231.1~-266.5m,煤厚4.2~ N(冲孔) Y Y 9.2m,倾角9°~11. 上 Y (2)试验封孔参数。2010年5一8月在九里山 5 Y Y Y Y 矿14121和24021工作面上风道下帮进行11次深 6 Y Y Y 孔聚能爆破试验，钻孔直径为89mm,装药直径 > Y Y Y Y 45mm,药卷为乳化炸药.爆破孔均采用“黄砂+黄 Y Y Y Y 泥”联合封孔，除3号和11号爆破孔封孔长度在 9 Y Y Y 5.0m以下外，其余孔封孔长度在8.0~11.0m之 0 Y Y Y 间.爆破孔封孔参数如表3所示 11 Y N(煤壁外倾) 表3九里山矿聚能爆破试验爆破孔封孔参数 注“Y”为正常“N”为异常 Table 3 Sealing parameters of blast holes in the cumulative blasting ex- periment of Jiulishan Coal Mine 4 结论 钻孔 钻孔 装药 封孔 黄砂 黄泥 (1)煤层深孔聚能爆破后封孔物质主要受到爆 编号倾角/() 长度/m 长度/m 长度/m 长度/m 生气体推力和孔壁摩擦力作用.爆破孔孔径和封孔 1 -14.5 34 8 6 2 材料性质是影响封孔长度的主要因素，随着钻孔孔 -14 40 9.5 7.5 径的增加封孔难度逐渐加大，而封孔物质与孔壁间 -14 4.5 2.5 2 的摩擦因数越大，则越容易封孔 4 -14 22 10 8 2 (2)从安全条件、抽放条件和施工条件三方面 10 对深孔聚能爆破封孔长度进行分析.结果表明安全 6 9.5 7.5 条件下的封孔长度为6.2m,抽放条件下的封孔长 7 23 11 9 2 度为7.5m,考虑到施工条件的影响，综合确定聚能 爆破合理封孔长度为7.5~10.0m. -14 9 (3)将“黄砂+黄泥”联合封孔应用于九里山矿 10 -12 16 8 2 煤层深孔聚能爆破.发现封孔长度在5.0m以下时 11 -12 爆破出现冲孔或煤壁外倾现象，长度在8.0~11.0m 之间时封孔效果良好均未发生异常，表明确定的合 (3)封孔效果分析。聚能爆破后考察爆破地 点，主要从钻孔是否发生冲孔、顶底板及煤壁是否破 理封孔长度是可行的 坏、巷道瓦斯是否超限等方面对封孔效果进行分析， 参考文献 爆破孔封孔效果统计如表4. [1]Zhang Y H.Liang TZ,Cui J K.Applied research on the sealing 由表4可知，3号爆破孔发生冲孔，11号孔爆破 technology of injection in "weak seam,roof and floor"for dust 后巷帮煤壁向外倾出，其余爆破孔封孔效果良好未 control with high-water rapid-solidifying material.J China Coal 出现异常.分析认为，由于3号孔封孔4.5m,11号 S0e,2003,28(1):46 (张英华，梁铜柱，崔景昆.高水材料在“三软”煤层注水、防 孔封孔5.0m,封孔长度均小于安全封孔长度6.2m, 尘、封孔技术中的应用研究.煤炭学报，2003,28(1)：46) 在爆炸冲击载荷和爆破振动作用下，导致冲孔或煤 2]Dong K Z.Improvement of resin coagulant's capability and exper- 壁外倾现象：其余爆破孔封孔长度均大于安全封孔 imentation in the application of sealing holes.Liaoning Tech
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 3. 2 “黄砂 + 黄泥”联合封孔在九里山矿的应用 ( 1) 试验工作面概况。河南煤化焦作煤业集团 九里山矿( 简称九里山矿) 属于煤与瓦斯突出矿井， 所采煤层为二迭系山西组二1煤层，煤质为中灰低硫 优质无烟煤． 顶底板岩性表现为: 伪顶为炭质泥岩， 直接顶为粉砂岩，局部为泥岩，老顶为粉砂岩; 底板 主要为泥岩和粉砂岩． 以九里山矿 14121 和 24021 工作面为例，其中 14121 工作面开采标高 － 167. 0 ～ － 192. 0 m，煤层厚度 5. 8 ～ 6. 2 m，倾角 8° ～ 13°; 24021 工作面标高 － 231. 1 ～ － 266. 5 m，煤厚 4. 2 ～ 9. 2 m，倾角 9° ～ 11°． ( 2) 试验封孔参数。2010 年 5—8 月在九里山 矿 14121 和 24021 工作面上风道下帮进行 11 次深 孔聚能 爆 破 试 验，钻 孔 直 径 为 89 mm，装 药 直 径 45 mm，药卷为乳化炸药． 爆破孔均采用“黄砂 + 黄 泥”联合封孔，除 3 号和 11 号爆破孔封孔长度在 5. 0 m 以下外，其余孔封孔长度在 8. 0 ～ 11. 0 m 之 间． 爆破孔封孔参数如表 3 所示． 表 3 九里山矿聚能爆破试验爆破孔封孔参数 Table 3 Sealing parameters of blast holes in the cumulative blasting experiment of Jiulishan Coal Mine 钻孔 编号 钻孔 倾角/( °) 装药 长度/m 封孔 长度/m 黄砂 长度/m 黄泥 长度/m 1 － 14. 5 34 8 6 2 2 － 14 40 9. 5 7. 5 2 3 － 14 24 4. 5 2. 5 2 4 － 14 22 10 8 2 5 － 14 10 10 8 2 6 － 13 24 9. 5 7. 5 2 7 － 14 23 11 9 2 8 － 13 25 11 9 2 9 － 14 24 11 9 2 10 － 12 16 8 6 2 11 － 12 40 5 3 2 ( 3) 封孔效果分析。聚能爆破后考察爆破地 点，主要从钻孔是否发生冲孔、顶底板及煤壁是否破 坏、巷道瓦斯是否超限等方面对封孔效果进行分析， 爆破孔封孔效果统计如表 4． 由表 4 可知，3 号爆破孔发生冲孔，11 号孔爆破 后巷帮煤壁向外倾出，其余爆破孔封孔效果良好未 出现异常． 分析认为，由于 3 号孔封孔 4. 5 m，11 号 孔封孔 5. 0 m，封孔长度均小于安全封孔长度6. 2 m， 在爆炸冲击载荷和爆破振动作用下，导致冲孔或煤 壁外倾现象; 其余爆破孔封孔长度均大于安全封孔 长度，而且满足合理封孔长度要求，达到了预期的封 孔效果． 表 4 九里山矿聚能爆破试验爆破孔封孔效果 Table 4 Sealing effect of blast holes in Jiulishan coal mine cumulative blasting experiment 钻孔 编号 爆破后 钻孔情况 爆破后顶 底板情况 爆破后 煤壁情况 爆破后巷 道瓦斯情况 1 Y Y Y Y 2 Y Y Y Y 3 N( 冲孔) Y Y Y 4 Y Y Y Y 5 Y Y Y Y 6 Y Y Y Y 7 Y Y Y Y 8 Y Y Y Y 9 Y Y Y Y 10 Y Y Y Y 11 Y Y N( 煤壁外倾) Y 注: “Y”为正常; “N”为异常． 4 结论 ( 1) 煤层深孔聚能爆破后封孔物质主要受到爆 生气体推力和孔壁摩擦力作用． 爆破孔孔径和封孔 材料性质是影响封孔长度的主要因素，随着钻孔孔 径的增加封孔难度逐渐加大，而封孔物质与孔壁间 的摩擦因数越大，则越容易封孔． ( 2) 从安全条件、抽放条件和施工条件三方面 对深孔聚能爆破封孔长度进行分析． 结果表明安全 条件下的封孔长度为 6. 2 m，抽放条件下的封孔长 度为 7. 5 m，考虑到施工条件的影响，综合确定聚能 爆破合理封孔长度为 7. 5 ～ 10. 0 m． ( 3) 将“黄砂 + 黄泥”联合封孔应用于九里山矿 煤层深孔聚能爆破． 发现封孔长度在 5. 0 m 以下时 爆破出现冲孔或煤壁外倾现象，长度在 8. 0 ～ 11. 0 m 之间时封孔效果良好均未发生异常，表明确定的合 理封孔长度是可行的． 参 考 文 献 ［1］ Zhang Y H，Liang T Z，Cui J K． Applied research on the sealing technology of injection in “weak seam，roof and floor”for dust control with high-water rapid-solidifying material． J China Coal Soc，2003，28( 1) : 46 ( 张英华，梁铜柱，崔景昆． 高水材料在“三软”煤层注水﹑防 尘﹑封孔技术中的应用研究． 煤炭学报，2003，28( 1) : 46) ［2］ Dong K Z． Improvement of resin coagulant’s capability and experimentation in the application of sealing holes． J Liaoning Tech ·788·
第7期 郭德勇等：煤层深孔聚能爆破封孔技术 ·789· Unie Nat Sci,2008,27(3):321 [7]State Administration of Work Safety,State Administration of Coal (董克柱.树脂锚固剂性能及其在封孔应用中的实验研究.辽 Mine Safety.Safety Regulations in Coal Mine.Beijing:China 宁工程技术大学学报：自然科学版，2008,27(3)：321) Coal Industry Publishing House,2009 B]Zhou F B,Li J H,Ze X,et al.A study of the second hole sealing (国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿安 method to improve gas drainage in coal seams.J China Univ Min 全规程.北京：煤炭工业出版社，2009) Technol,2009,38(6):764 [8]Wang X G,Yu Y L,Liu D Z.Enforceable Handbook of Safety (周福宝，李金海，昃玺，等.煤层瓦斯抽放钻孔的二次封孔 Regulations for Blasting.Beijing:People's Transportation Press 方法研究.中国矿业大学学报，2009,38(6)：764) 2004 4]Zhang Z C.Controlled Blasting of Directional Fracture. Chongqing:Chongqing Publishing House,2000 (汪旭光，于亚伦，刘殿中.爆破安全规程实施手册.北京：人 (张志呈.定向断裂控制爆破.重庆：重庆出版社，2000) 民交通出版社，2004) [Guo D Y,Pei H B,Song JC,et al.Study on splitting mechanism [9] Yin G Z,Li X Q,Zhao H B,et al.In-situ experimental study on of coal bed deep-hole cumulative blasting to improve permeability. the relation of drilling cuttings weight to ground pressure and gas J China Coal Soc,2008,33(12)1381 pressure.J Univ Sci Technol Beijing,2010,32(1):1 (郭德勇，裴海波，宋建成，等.煤层深孔聚能爆破致裂增透 (尹光志，李晓泉，赵洪宝，等.钻屑量与矿山压力及瓦斯压 机理研究.煤炭学报，2008,33(12)：1381) 力关系现场实验研究.北京科技大学学报，2010,32(1)：1) [6]FuJC.Investigation on moving regularity and length about stem- [10]Yang X.Study on the Sealing Technology of Coal Bed Deep Hole med materials in hole-charged blasting.I Huainan Min Inst, Cumulative Blasting to Improve Permeability [Dissertation].Bei- 1996,16(3):13 jing:China University of Mining Technology (Beijing),2010 (傅菊根.炮孔中堵塞材料运动规律及堵塞长度研究.准南矿 (杨雄.煤层深孔聚能爆破瓦斯抽放封孔技术研究[学位论 业学院学报，1996,16(3)：13) 文].北京：中国矿业大学（北京），2010)
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