D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.006 第35卷第1期 北京科技大学学报 Vol.35 No.1 2013年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2013 瓦斯抽放煤层增透深孔聚能爆破钻孔参数 郭德勇)，吕鹏飞)“，单智勇)，谢安) 1)中国业大学（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:Ivpfei@sina.com 摘要以焦作煤业集团九里山煤层深孔聚能爆破试验为基础，利用数值模拟分析了爆破煤体应力变化规律，发现聚 能爆破效应导致应力峰值增大，扩大了煤体裂隙区范围.同时对聚能爆破钻孔参数进行优化，确定了合理的炮孔直径、 爆破孔间距、爆破孔与邻近抽放孔及煤层顶底板间距，现场试验结果表明：优化的钻孔参数不仅使聚能爆破增透效果显 著而且保证了爆破过程的安全 关键词煤矿；瓦斯抽放：透气性：爆破：钻孔 分类号TD712+.62 Drilling parameters of deep-hole cumulative blasting to improve coal seam permeability in gas drainage GUO De-yong )LU Peng-fei )SHAN Zhi-yong 2),XIE An) 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:lvpfei@sina.com ABSTRACT Based on coal seam deep-hole cumulative blasting experiments in Jiulishan Coal Mine of Jiaozno Coal Group,the law of stress change in a blasting coal body was analyzed by numerical simulation.It is found that cumulative blasting effect leads to the increase of peak stress and enlarges the crack zone range of the coal body.Drilling parameters for cumulative blasting.such as blast hole diameter,blast hole spacing,distance between the blast hole and the adjacent gas drainage hole,and distance from the blast hole to the coal seam roof and floor,were determined by optimization. Field experimental results show that after using these optimized drilling parameters the cumulative blasting not only gets remarkable permeability increasing effect but also ensures blasting safety. KEY WORDS coal mines;gas drainage:gas permeability;blasting:drilling 随着煤矿开采深度的增加，更多的矿井生产逐 的安全性 渐转入低透气性高瓦斯突出煤层的开采，为有效防 治矿井瓦斯灾害并提高瓦斯抽放率，煤矿采取了多 1聚能爆破煤体力学分析 种强化抽放措施1-4到，其中聚能爆破增透技术发挥1,1原岩应力及爆破载荷 了重要作用，如何利用聚能爆破致裂机理及施工工 矿井煤体处于一定的地质环境中，受到原岩应 艺研究成果，以及合理选择爆破孔参数是利用聚能 力作用，考虑到聚能爆破试验区煤岩结构稳定，不 爆破技术的关键.针对煤层深孔爆破往往局限于单 存在明显地质构造，因此对原岩应力进行简化：在 一参数研究，对爆破全过程参数涉及相对较少的现 铅垂方向上煤体受到主应力、的作用，在水平方 状5-，本文采用现场试验、数值模拟和理论分析 向上受到主应力h的作用. 相结合的方法，通过对煤层深孔聚能爆破钻孔参数 爆破载荷是作用于煤体的主要动力，爆破后 进行系统研究，以实现良好的增透效果并提高爆破 钻孔壁受到爆生气体压力作用，由于采用径向不 收稿日期：201208-10 基金项目：国家自然科学基金资助项目(41072118)：教育部科学技术研究重大项目(311022)
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 瓦斯抽放煤层增透深孔聚能爆破钻孔参数 郭德勇 `, 吕鹏飞 曰, 单智勇“, 谢 安 中国矿业大学 北京 资源与安全工程学院, 北京 焦作煤业 集团 有限责任公司, 焦作 龙 困 通信作者, 一 , ￡ 摘 要 以焦作煤业集团九里山矿煤层深孔聚能爆破试验为基础, 利用数值模拟分析了爆破煤体应力变化规律, 发现聚 能爆破 效 应导 致应 力峰值 增大 , 扩 大 了煤体 裂隙 区范 围 同时对聚 能爆破钻 孔参 数进行 优化 , 确 定 了合 理 的炮孔直 径 、 爆破孔间距 、 爆破孔与邻近抽放孔及煤层顶底板间距 现场试验结果表明 优化的钻孔参数不仅使聚能爆破增透效果显 著而 且保 证 了爆破 过程 的安全 关键词 煤矿 瓦斯抽 放 透气性 爆破 钻孔 分类号 一 。一、 。`, 五右尸 `。一 ` 万且万歇乞一、。 。“ , 尤招 。' , ,, , , 、 , ,, 〔 〔' 、,, 、 , 区 , 一 , ' 、 入 。 〔 一 〔 , 朗 一, 一、 一一、 找 〕 。 、 , , , , 〕 , , 、、 、 、 · , 。 、 · , 一 , 、 。、一 一、飞 、一 , , , · , 飞 格 一 一 主 随着煤矿开采深度 的增加 , 更多的矿井生产逐 渐转入低透气性高瓦斯突出煤层的开采 , 为有效防 治矿井瓦斯灾害并提高瓦斯抽放率 , 煤矿采取 了多 种强化抽放措施 `一引, 其中聚能爆破增透技术发挥 了重要作用 如何利用聚能爆破致裂机理及施工工 艺研究成果 , 以及合理选择爆破孔参数是利用聚能 爆破技术的关键 针对煤层深孔爆破往往局限于单 一参数研究, 对爆破全过程参数涉及相对较少的现 状 〔一 , 本文采用现场试验 、 数值模拟和理论分析 相结合的方法, 通过对煤层深孔聚能爆破钻孔参数 进行系统研究 , 以实现 良好 的增透效果并提高爆破 的安全性 , 聚能爆破煤体力学分析 原岩应 力及爆破载荷 矿井煤体处于一定的地质环境 中, 受到原岩应 力作用, 考虑到聚能爆破试验区煤岩结构稳定, 不 存在明显地质构造 , 因此对原岩应 力进 行简化 在 铅垂方向上煤体受到主应 力 二、 的作用 , 在水平方 向上受到主应力 二 的作用 爆破载荷是作用于煤体 的主要动 力, 爆破后 钻孔壁受到爆生气 体压力作用 , 由于采用径 向不 收稿 日期 一 一 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 教育部科学技术研究重大项 目 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2013.01.006
第1期 郭德勇等：瓦斯抽放煤层增透深孔聚能爆破钻孔参数 .17. 耦合装药，气体膨胀充满炮孔时的准静压力远低于 聚能方向相比煤体致裂效果明显.为便于分析引入 爆炸临界压力，同时考虑到爆生气体与孔壁碰撞时 裂隙区聚能影响系数K,即聚能方向与非聚能方向 压力将明显增大，通常将作用于炮孔壁的冲击压力 裂隙区范围成线性关系，则聚能方向裂隙区半径为 P表示为可 r=Ki6P+P)/Sa -a. (5) 1-d P=BP (1) 2 聚能爆破煤体应力场模拟 式中：3为压力增大系数，=8~11：乃为炸药 2.1聚能爆破煤体力学模型 爆炸临界压力，乃=200MPa;Pw为平均爆轰压 以河南煤化焦作煤业集团九里山矿（简称九里 力，Pw=pD2/(2+2k),其中p0、D分别为炸药 山矿)为例，结合现场本煤层深孔聚能爆破试验情 的密度和爆速，k为等熵指数，k=3;Y为绝热指 况，采用有限元程序LS-DYNA对爆破煤体应力 数，y=1.3;V为炸药体积：V为爆生气体充满炮孔 场进行模拟.试验工作面煤层透气性差，煤厚为 时的体积. 4.2~9.2m,倾角为9°~11°，顶底板主要为泥岩和 1.2爆破煤体应力状态 粉砂岩.煤体物理力学参数：密度为1428kgm3, 在爆破载荷作用下煤体应力发生不同程度的 弹性模量为5.3GPa,泊松比为0.369，静抗压强度 变化，在炮孔近区应力峰值较大，随着与炮孔中 为16.49MPa,静抗拉强度为0.859MPa.爆破采 心距离的增加应力不断减小，一般径向压应力峰值 用三级煤矿许用乳化炸药，药卷半径22.5mm,密 (a)amax与环向拉应力峰值(og)max满足[8 度900~1100kgm-3.爆速280039001s-1.由 (dr)max=a' 于爆破装药轴向尺寸较大，炮孔直径与其相比可忽 (2) 略不计，将模拟简化为平面应变问题来处理.为 (o)max =b(or)max. 便于分析只建立1/4聚能爆破煤体力学模型（如 式中：下为对比距离，即煤体单元距炮孔中心的距 图1)，模型尺寸为5m×5m,中央爆破孔半径 离r与炮孔半径a的比值，r=r/a:a为应力衰减 为44.5mm,并对模型边界施加原岩应力，其 系数，a=2士/(1-)，其中4为泊松比，对于冲 中铅垂方向主应力ov=8MP,水平方向主应力 击波取“+”，应力波取“_”；b为比例系数，一般取 oh=4.7MPa.模拟过程中煤体采用弹塑性材料本 b=/(1-4. 构模型，根据von Mises有效应力大小考察煤体单 1.3爆破煤体裂隙区范围 元破坏情况o.同时炸药采用DYNA程序提供的 (1)非聚能方向裂隙区范围.爆破过程中煤体 MAT.HIGH EXPLOSIVE _BURN本构模型，并通过 呈拉压混合三向应力状态，煤体受压破坏形成粉碎 JWL状态方程！描述爆轰产物压力变化. 区，而受拉破坏形成裂隙区，分析时不考虑冲击波 对煤体造成的粉碎，当环向拉应力峰值（σe)max不 小于煤体动抗拉强度S时，在煤体内将产生径向 非 裂隙.令(oo)max=Sd,将式(2)代入可得 d聚 煤体 能 方 向 (3) Std 药卷 由于富含瓦斯煤体具有典型的多孔性结构，内 炮孔 聚能槽聚能方向 部存在着大量微裂隙、微裂纹等初始缺陷，因此引 入损伤因子d并考虑煤层瓦斯压力P。对裂隙生成 a加 的影响9，则非聚能方向裂隙区半径为 图1聚能爆破煤体力学模型 ,=bP+B/d六a Fig.1 Mechanical model of a cumulative blasting coal body 1-d (4 22聚能爆破煤体耦合应力场 (2)聚能方向裂隙区范围，由于采用聚能装药 爆破煤体处于原岩应力场，同时受到爆炸作用 结构，即在药卷聚能方向安装聚能槽，爆破后能量 的动态加载，模拟反映了耦合场作用下的煤体应力 在聚能方向汇聚，作用于煤体形成定向裂隙，与非 分布。以聚能方向不同距离处的煤体单元应力峰值
第 期 郭德勇等 瓦斯抽放煤层增透深孔聚能爆破钻孔参数 藕合装药, 气体膨胀充满炮孔时的准静压力远低于 爆炸临界压力 , 同时考虑到爆生气体与孔壁碰撞时 压力将 明显增大, 通常将作用于炮孔壁的冲击压力 尸表示为 聚能方 向相 比煤体致裂效果明显 为便于分析引入 裂隙区聚能影响系数 , 即聚能方向与非聚能方向 裂隙区范围成线性关系, 则聚能方 向裂隙区半径为 尸 凡 一二劲分哥 一 式中 尽 为压力增大系数 , 口 、 月 为炸药 爆炸临界压力 , 乃 为平均爆轰压 力 , 十 胡, 其 中 、 分别为炸 药 的密度和爆速 , 左为等嫡指数, 二 守为绝热指 数, 今 为炸药体积 为爆生气体充满炮孔 时的体积 爆破煤体应 力状态 在 爆破载荷作用 下煤 体应力发生不同程 度的 变化 , 在炮孔近区应力峰值较大 , 随着与炮孔中 心距离的增加应力不断减小 , 一般径 向压应力峰值 。了, , 、 与环 向拉应力峰值 。。 、满足 二 。一务, 。 、 乙 二 式中 云为对 比距离 , 即煤体单元距炮孔 中心的距 离 与炮孔半径 的比值 , 矛 。 为应力衰减 系数, 二 士拜 一川, 其中 赵为泊松 比, 对于冲 击波取 “' ', 应力波取 “一” 为比例系数, 一般取 乙 , 一拜 · 爆破煤体裂隙区范围 非聚能方 向裂隙区范围 爆破过程中煤体 呈拉压混合三 向应力状态, 煤体受压破坏形成粉碎 区, 而受拉破坏形成裂 隙区 分析时不考虑冲击波 对煤体造成的粉碎 , 当环 向拉应力峰值 。, 、 不 小于煤体动抗拉强度 时, 在煤体 内将产生径 向 裂隙 令 。。, 二 , 将式 代入可得 聚能爆破煤体应 力场模拟 聚能爆破煤体力学模型 以河南煤化焦作煤业集团九里山矿 简称九里 山矿 为例 , 结合现场本煤层深孔聚能爆破试验情 况 , 采用有 限元程序 一 对爆破煤体应 力 场进行 模拟 试验工作面煤层透气性差 , 煤厚为 、 , 倾角 为 、 。, 顶底板主要为泥岩和 粉砂岩 煤体物理力学参数 密度为 ' 一, 弹性模 量为 , 泊松 比为 住 , 静抗压强度 为 , 静抗拉强度 为 爆破采 用三级煤矿许用乳化炸药 , 药卷半径 , 密 度 · 一, 爆速 一 卜` ` 由 于爆破装药轴向尺寸较大 , 炮孔直径与其相 比可忽 略不计 , 将模 拟简化为平面应变 问题来处理 为 便于分析只建立 聚 能爆破煤 体力学模型 如 图 , 模型尺寸为 只 , 中央爆破孔半径 为 , 并对模 型边 界施加原岩应 力 , 其 中铅垂方 向主应力 。 , 水平方 向主应力 二 模 拟过程 中煤体采用弹塑性材料本 构模型, 根据 、有效应力大小考察煤体单 元破坏情况 。 同时炸药采用 程序提供 的 一 卫 卫 本构模型, 并通过 状态方程 ` 描述爆轰产物压力变化 一 产、 日尸一 、 一 由于富含瓦斯煤体具有典型的多孔性结构, 内 部存在着大量微裂 隙 、微裂纹等初始缺陷, 因此引 入损伤因子 并考虑煤层瓦斯压力 凡 对裂隙生成 的影响回, 则非聚能方 向裂隙区半径为 非 聚 煤体 右旨 方 向 必 槽。聚能方向 二二二 一 几 图 聚能爆破煤体力学模型 卜〕 一 聚 能方 向裂隙区范围 由于采用聚能装药 结构, 即在药卷聚能方 向安装聚 能槽, 爆破后能量 在聚能方向汇聚, 作用于煤体形成定向裂隙, 与非 聚能爆破煤体藕合应 力场 爆破煤体处于原岩应力场 , 同时受到爆炸作用 的动态加载 , 模拟反映了祸合场作用下的煤体应力 分布 以聚能方向不同距离处的煤体单元应力峰值
18 北京科技大学学报 第35卷 为例，得到了径向和环向应力衰减变化曲线，同时 证爆破过程安全 与根据式(1)和式(2)计算得到理论数据进行对比 3.1炮孔直径 (如图2所示).由图2可知，径向和环向应力峰值随 在聚能爆破作用下为促进煤体裂隙充分发育， 着煤体单元与炮孔中心距离的增大而减小，尤其在 同时弱化爆破粉碎作用，现场试验时采用径向不耦 炮孔0.5m范围内衰减明显，在0.5m范围之外应力 合装药.不耦合装药改变了爆炸能量在应力波和爆 曲线则趋于平缓.分析认为，爆破后炮孔近区煤体 生气体之间的分配比例，随着不耦合系数的增加， 受到爆炸冲击作用，应力在短时间内急剧增加到峰煤体初始应力峰值下降而应力衰减速度减缓，但不 值，随着传播距离的增加能量迅速衰减，导致应力耦合系数过大则会导致应力整体偏小，不利于裂隙 峰值偏小，同时将模拟结果与理论计算进行对比， 在爆破煤体内发育1.因此存在最佳不耦合系数， 发现两者变化趋势保持一致而前者数值偏大，其中 使得爆破煤体裂隙区范围达到最大. 不同位置处径向应力模拟值是理论值的1.45~4.17 现场试验时聚能爆破装药直径为45nm,径向 倍，环向应力模拟值是理论值的1.14.31倍.这 装药不耦合系数取决于爆破孔直径，考虑到爆破所 是由于理论分析主要考虑爆破载荷作用，而模拟还 用炮孔直径为75mm或89mm,因此分别建立聚 考虑了原岩应力和聚能装药结构对煤体的影响，在 能爆破模型（如图1）进行模拟，并选取煤体裂隙区 一定程度上能全面反映聚能爆破作用下煤体应力状 大小作为评价指标进行分析.根据煤体致裂判据不 态.因此，在确定聚能爆破部分参数时可以借助模 考虑聚能爆破静载阶段煤体裂隙的扩展1o,由模拟 拟手段进行研究 结果得到不同炮孔直径下煤体裂隙区范围如表1所 示.由表1可知，在装药直径为45mm、炮孔直径 3聚能爆破钻孔参数设计 分别为75mm和89mm条件下，爆破煤体裂隙区 聚能爆破作为一种增透措施，可以提高煤层透 聚能影响系数基本一致，但前者裂隙区范围明显大 气性促进瓦斯抽放.由于井下爆破环境复杂多变， 于后者，在煤体内形成较大范围的裂隙网络·分析 爆破过程中存在有不可控制因素，可能诱发矿井灾 认为炮孔直径为89mm时，由于径向装药不耦合系 害.因此在聚能爆破参数设计时，必须结合现场试 数偏大，空气层的缓冲作用导致煤体应力过小，与 验条件，在安全选址的前提下对施工过程中人为可 炮孔直径为75mm时的结果相比，爆破致裂效果 控参数进行综合分析，通过优化设计确定合理爆破 不显著，因此现场进行聚能爆破试验过程中，当药 孔参数，充分发挥聚能装药煤体致裂优势，同时保 卷直径为45mm时，炮孔直径选用75nm为宜. 160r 60 a 一理论值 一▲一理论值 120 ■…模拟值 45 ■一模拟值 &0 30 0L 兰1巴里 00.51.01.52.02.53.03.54.04.5 00.51.01.52.02.53.03.54.04.5 距离/m 距离/m 图2炮孔聚能方向煤体单元应力峰值变化曲线.(a)径向应力：(b)环向应力 Fig.2 Curves of peak stress change in the coal unit in the cumulative direction of the blast hole:(a)radial stress:(b)circumfer- ential stress 表1不同炮孔直径下煤体裂隙区范围 Table 1 Crack zone ranges of the coal body at different blast hole diameters 炮孔直径/mm装药直径/mm径向不耦合系数聚能方向裂隙区范围/cm非聚能方向裂隙区范围/crm裂隙区聚能影响系数 75 45 1.67 132.44~194.51 110.76177.80 1.09≈1.20 89 45 1.98 105.58~148.86 88.84125.86 1.151.19 3.2爆破孔与邻近抽放孔间距 透措施.在爆破作用下邻近抽放孔起导向作用，能 在聚能爆破试验区爆破孔周边布置有抽放钻 加快煤体裂隙的生成并能及时抽出瓦斯.然而邻近 孔，通常先对煤层瓦斯进行预抽，然后实施爆破增 抽放孔也为爆破煤体移动提供了补偿空间，容易造
北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 为例 , 得到 了径向和环 向应力衰减变化曲线 , 同时 与根据式 和式 计算得到理论数据进行对 比 如 图 所示 由图 可知, 径向和环 向应力峰值随 着煤体单元与炮孔中心距离的增大而减小, 尤其在 炮孔 范围内衰减明显, 在 ,,, 范围之外应力 曲线则趋于平缓 分析认为 , 爆破后炮孔近区煤体 受到爆炸冲击作用, 应力在短时间内急剧增加到峰 值 , 随着传播距离的增加能量迅速衰减 , 导致应力 峰值偏小 同时将模拟结果与理论计算进行对 比, 发现两者变化趋势保持一致而前者数值偏大 , 其 中 不同位 置处径 向应力模拟值是理论值的 、 倍, 环 向应力模拟值是理论值的 倍 这 是由于理论分析主要考虑爆破载荷作用, 而模拟还 考虑 了原岩应力和聚能装药结构对煤体的影响, 在 一定程度上能全面反映聚能爆破作用下煤体应力状 态 因此, 在确定聚能爆破部分参数时可以借助模 拟手段进行研究 聚能爆破钻孔参数设计 聚能爆破作为一种增透措施, 可以提高煤层透 气性促进瓦斯抽放 由于井下爆破环境复杂多变, 爆破过程中存在有不可控制因素, 可能诱发矿井灾 害 因此在聚能爆破参数设计时, 必须结合现场试 验条件 , 在安全选址的前提下对施工过程 中人为可 控参数进行综合分析, 通过优化设计确定合理爆破 孔参数 , 充分发挥聚能装药煤体致裂优势 , 同时保 证爆破过程安全 炮孔直径 在聚能爆破作用下为促进煤 体裂隙充分发育 , 同时弱化爆破粉碎作用, 现场试验 时采用径向不祸 合装药 不藕合装药改变了爆炸能量在应力波和爆 生气体之间的分配 比例 , 随着不祸合系数的增加 , 煤体初始应力峰值下降而应力衰减速度减缓 , 但不 祸合系数过大则会导致应力整体偏小, 不利于裂隙 在爆破煤体内发育 , “ 因此存在最佳不祸合系数, 使得爆破煤体裂隙区范围达到最大 现场试验时聚能爆破装药直径为 , 径 向 装药不祸合系数取决于爆破孔直径, 考虑到爆破所 用炮孔直径为 或 , 因此分别建立聚 能爆破模型 如图 进行模拟 , 并选取煤体裂 隙区 大小作为评价指标进行分析 根据煤体致裂判据不 考虑聚能爆破静载阶段煤体裂隙的扩展 `。, 由模拟 结果得到不同炮孔直径下煤体裂隙区范围如表 所 示 由表 可知 , 在装药直径为 、炮孔直径 分别为 和 条件下, 爆破煤体裂隙区 聚能影响系数基本一致, 但前者裂隙区范围明显大 于后者, 在煤体 内形成较大范围的裂隙网络 分析 认为炮孔直径为 , 时, 由于径 向装药不祸合系 数偏大, 空气层的缓冲作用导致煤体应力过小, 与 炮孔直径为 时的结果相 比, 爆破致裂效果 不显著 因此现场进行聚能爆破试验过程 中, 当药 卷直径为 时, 炮孔直径选用 为宜 理论值 一 模拟值 ,日“ 七庄介」` 勺 月卜 人 , 口尸 咨 一 长妙哥烈刃鹭侧闰乏自叫弓 哥遥鸳恻誊只侧阅芝司 石 石 刀 刀 石 距 离 即离 图 炮孔聚能方向煤体单元应力峰值变化 曲线 径向应力 环向应力 、 、 一、 表 不同炮孔直径下煤体裂隙区范围 了即 圣 孟 炮孔直径加 装药直径加 径向不祸合系数 聚能方向裂隙区范围 非聚能方向裂隙区范围 裂隙区聚能影响系数 , 、 名 、 名 沼 、 、 爆破孔与邻近抽放孔间距 在聚能爆破试验 区爆破孔周边布置有抽放钻 孔, 通常先对煤层瓦斯进行预抽, 然后实施爆破增 透措施 在爆破作用下邻近抽放孔起导向作用, 能 加快煤体裂隙的生成并能及时抽 出瓦斯 然而邻近 抽放孔也为爆破煤体移动提供 了补偿空间, 容易造
第1期 郭德勇等：瓦斯抽放煤层增透深孔聚能爆破钻孔参数 .19· 成孔壁破碎而发生堵塞，影响抽放效果。因此爆破 将式(2)代入式(8)可得 孔与邻近抽放孔间距不能过小，应保证爆炸应力波 传播到邻近抽放孔时孔壁煤体不发生压缩破坏和反 bP\ a. (9) 射拉伸破坏，则径向压应力峰值(or)max满足 参考邻近可矿区同一煤层顶底板参数实测数据， (ar)max min(Sed,Std). (6) 取顶底板抗拉强度S=5~l0MPa,代入相关参数 式中Sd和Std分别为煤体动抗压强度和动抗拉 计算得到r>0.641.04m,即当爆破孔与顶底板 强度 间距在1.041以上时，可以避免顶底板产生裂隙. 将式(2)代入式(6)整理可得 根据现场试验得到24021工作面聚能爆破后煤层顶 底板效果如表3所示.由表3可知，爆破孔与煤 > min(Scd,Sta) a. (7) 层顶底板最小间距在1.62.0m之间变化，均大于 1.04m,爆破后顶底板没有发生异常.考虑到应充 代入相关参数计算得到r>0.91~1.21m,同 时根据现场聚能爆破试验情况，得到爆破后邻近抽 分利用爆炸能量致裂煤体以优化增透效果，现场试 验时爆破孔应尽量远离顶底板，建议将其布置在煤 放孔效果统计如表2所示.由表2可知：当爆破孔 层中部并保证聚能装药非聚能方向垂直于顶底板. 与邻近抽放孔间距为0.5m时，小于确定的临界下 结合现场试验条件，可将爆破孔与顶底板间距保持 限0.91m,爆破后邻近抽放孔发生塌孔：当间距为 在1.5m以上. 0.9m时，由于处于临界下限边界，爆破后邻近抽放 孔部分发生异常，出现塌孔现象；当间距为1.6m 表3聚能爆破对煤层顶底板的影响 时，大于确定的临界范围，爆破后邻近抽放孔未发 Table 3 Effects of cumulative blasting on the coal seam roof 生异常，为避免塌孔以保证良好的抽放效果，爆破 and floor 孔与邻近抽放孔间距应保持在1.21m以上. 爆破孔编号爆破孔与顶底板最小间距/m爆破后顶底板情况 2.0 无异常 表2聚能爆破对邻近抽放孔的影响 2 1.7 无异常 Table 2 Effects of cumulative blasting on adjacent gas 3 1.6 无异常 4 drainage holes 1.8 无异常 5 2.0 无异常 爆破孔 爆破孔与邻近 爆破后邻近抽 编号 抽放孔间距/m 放孔情况 3.4爆破孔间距 1 1.6 无异常 2 0.9 无异常 聚能爆破后可将爆破影响区沿炮孔径向划分 3 0.5 发生塌孔 为粉碎区、裂隙区和爆破震动区，其中在粉碎区和 0.9 无异常 裂隙区，煤体内形成大量宏观裂隙，透气性明显提 6 0.9 发生部分塌孔 高：在爆破震动区，煤体受到地震波作用没有形成 3.3爆破孔与顶底板间距 明显裂隙，但震动作用促进了煤体内部微裂隙的发 煤层深孔聚能爆破主要应用于煤体致裂以提 育，透气性有所增加.因此在设计爆破孔间距时需 高其透气性，然而当爆破孔与煤层顶底板距离较 要确定爆破震动区范围 近时，爆炸作用可在岩体内产生裂隙，破坏顶底 根据相关研究13-14爆破震动区半径统一用下 板稳定性，给后期回采支护带来隐患.同时由于 式估算： 试验矿井涌水量大，发生突水事故的突水水源主要 R=(1.52.8)/Q. (10) 为顶底板裂隙水，应防止爆破在煤层顶底板产生裂 隙导水通道，分析时不考虑爆破震动对顶底板造成 式中，R为爆破震动区半径，Q为装药量 根据现场试验情况，统一取装药量为2030 的损伤，由于岩石抗拉强度远低于抗压强度，项底 板破坏形式主要表现为在环向拉应力作用下产生径 kg,由式(10)得到爆破震动区半径R=4.18.7m, 向裂隙，因此当应力波传播到煤层顶底板时，为确 而震动区半径峰值Rmax=7.6~8.7m,为避免爆破 保安全应避免径向裂隙产生，此时环向拉应力峰值 孔间距过小造成爆破能量的浪费，分析确定爆破孔 (a)max与顶底板抗拉强度S应满足 间距下限为15m.此外统计分析现场爆破区域内的 瓦斯参数发现，距离爆破孔10m范围内爆破后抽 (o)max <St. (8) 放孔瓦斯流量增幅显著，约为爆破前的23倍，为
第 期 郭德勇等 瓦斯抽放煤层增透深孔聚能爆破钻孔参数 成孔壁破碎而发生堵塞 , 影响抽放效果 因此爆破 孔与邻近抽放孔间距不能过小, 应保证爆炸应力波 传播到邻近抽放孔时孔壁煤体不发生压缩破坏和反 射拉伸破坏 , 则径 向压应力峰值 二。, 、满足 将式 代入式 可得 、 六 了' 又可夕 “· 川 , 、 又 , , 式中 强度 将式 和 分别为煤体动抗压强度和动抗拉 代入式 整理可得 尸 、万 》 二一一二二二一一一一二二一丁 万 , 万。一 代入相 关参数计算得到 、 , 同 时根据现场聚能爆破试验情况 , 得到爆破后邻近抽 放孔效果统计如表 所示 由表 可知 当爆破孔 与邻近抽放孔间距为 时, 小于确定的临界下 限 , 爆破后邻近抽放孔发生塌孔 当间距为 时, 由于处于临界下限边界, 爆破后邻近抽放 孔部分发生异常, 出现塌孔现象 当间距为 时, 大于确定的临界范围, 爆破后邻近抽放孔未发 生异常 为避免塌孔 以保证 良好的抽放效果, 爆破 孔与邻近抽放孔 间距应保持在 ,工, 以上 参考邻近矿 区同一煤层顶底板参数实测数据 , 取顶底板抗拉强度 裂一 、 , 代入相 关参数 计算得到 , · 、 , 即当爆破孔与顶底板 间距在 以上时 , 可 以避免顶底板产生裂 隙 根据现场试验得到 工作面聚能爆破后煤层顶 底板效果如表 所 示 由表 可知 , 爆破孔与煤 层顶底板最小间距在 之 间变化, 均大于 , , 爆破后顶底板没有发生异常 考虑到应充 分利用爆炸 能量致裂煤体以优化增透效果, 现场试 验时爆破孔应尽量远离顶底板, 建议将其布置在煤 层中部并保证聚能装药非聚能方 向垂直于顶底板 结合现场试验条件, 可将爆破孔与顶底板间距保持 在 以上 表 聚能爆破对煤层顶底板的影响 一 一 一 一 表 聚能爆破对邻近抽放孔的影响 , 一 爆破孔 爆破孔与邻近 爆破后邻近抽 编号 抽放孔间距 放孔情况 无异常 无异常 发 生塌孔 住 无异常 住 发 生 部分塌 孔 爆破孔与顶底板间距 煤层深 孔聚能爆破主要应用于煤体致裂 以提 高其透气性 , 然而当爆破 孔与煤层顶底板距离较 近时 , 爆炸 作用可 在岩体 内产生裂隙 , 破坏顶底 板稳 定性 , 给后期 回采支护带来隐患 同时由于 试验矿井涌水量大 , 发生突水事故的突水水源主要 为顶底板裂隙水, 应防止爆破在煤层顶底板产生裂 隙导水通道 分析时不考虑爆破震动对顶底板造成 的损伤 , 由于岩石抗拉强度远低于抗压强度, 顶底 板破坏形式主要表现 为在环向拉应力作用下产生径 向裂隙 因此当应力波传播到煤层顶底板时, 为确 保安全应避免径 向裂隙产生 , 此时环向拉应力峰值 。。 、 与顶底板抗拉强度 义 应满足 二。 、 买 爆破孔编号 爆破孔与项底板最小间距 爆破后顶底板情况 无异常 无异常 无异常 无异常 无 异常 爆破孔间距 聚能爆破后可将爆破 影响区沿炮孔径 向划分 为粉碎区 、裂隙区和爆破震动区 其中在粉碎区和 裂隙区, 煤体内形成大量宏观裂隙, 透气性明显提 高 在爆破震动区, 煤体受到地震波作用没有形成 明显裂隙, 但震动作用促进了煤体 内部微裂隙的发 育 , 透气性有所增加 因此在设计爆破孔间距时需 要确定爆破震动区范围 根据相关研 究 `一 爆破震动区半径统一用下 式估算 尺一 一 召口 式中, 为爆破震动区半径, 为装药量 根据现场试验情况 , 统一取装 药量为 、 , 由式 得到爆破震动区半径 、 , 而震动区半径峰值 , 为避免爆破 孔间距过小造成爆破能量的浪费, 分析确定爆破孔 间距下限为 此外统计分析现场爆破区域 内的 瓦斯参数发现 , 距离爆破孔 范围内爆破后抽 放孔瓦斯流量增 幅显著 , 约为爆破前的 倍 , 为
.20 北京科技大学学报 第35卷 防止爆破孔间距过大导致抽放效果较差，确定爆破 coal seam,Huntly Coalfield,New Zealand.Int J Coal 孔间距上限为20m.因此聚能爆破孔合理间距为 Geol,2009,77(1/2):153 15≈20m. (5]Gong M,Wang D S.Huang Y H,et al.Action of control holes on deep-hole blasting in outburst coal seams.Erplos 4结论 Shock Waves,2008,28(4):310 (1)在原岩应力和爆破载荷耦合作用下，随着 (龚敏，王德胜，黄毅华，等.突出煤层深孔控制爆破时控制 与炮孔中心距离的增大，爆破煤体单元应力峰值呈 孔的作用.爆炸与冲击，2008,28(4)：310) [6]Hao C Y,Wang J R.Wan Q S.et al.Extension engineer- 指数关系递减，而聚能效应导致聚能方向煤体应力 ing method for parameter design of deep-hole controlling 增大，扩大了爆破裂隙范围 presplitting blasting in coal seam and its application.J (2)聚能爆破钻孔参数优化结果表明，装药直 China Coal Soc,2010,35(Suppl 1):72 径为45mm时，采用75mm炮孔直径煤体致裂效 (郝朝瑜，王继仁，万清生，等.煤层深孔控制预裂爆破的可 果明显，同时结合现场试验条件，确定爆破孔与邻 拓工程设计方法及应用.煤炭学报，2010.35（增刊1）：72) 近抽放孔最小间距为1.21m,爆破孔与煤层顶底板 [7 Zhang Z C.Controlled Blasting of Directional Fructure 间距为1.5m以上，爆破孔间距为1520m. Chongqing:Chongqing Publishing House.2000 (3)九里山矿煤层深孔聚能爆破现场试验增透 (张志呈.定向断裂控制燥破.重庆：重庆出版社，2000) 效果显著，爆破影响区平均瓦斯流量约为爆破前的 [8 Wang W L.Drilling and Blasting.Beijing:Coal Industry Press,1984 23倍，而且保证了爆破过程的安全 (王文龙.钻眼爆破.北京：煤炭工业出版社，1984) (9 Zhu X G.Theoretical Research about Improving Coal Per- 参考文献 meation Rate by Directed Blasting (Dissertation].Beijing: China University of Mining Technology (Beijing),1999 [1]Shi B M,Yu Q X,Wang K.Test research on coal seam (朱曦光.聚能爆破提高煤层渗透率的理论研究探讨[学位 penetrability dynamic changing law by far-distance pro- 论文.北京：中国可矿业大学（北京），1999) tecting stratum mining.Chin J Rock Mech Eng,2006. [10 Guo D Y,Lii P F,Pei H B.et al.Numerical simulation on 25(9:1917 crack propagation of coal bed deep-hole cumulative blast- (石必明，俞启香，王凯.远程保护层开采上覆煤层透气性动 ing.J China Coal Soc,2012,37(2):274 态演化规律试验研究.岩石力学与工程学报，2006.25(9) (郭德勇，吕鹏飞，裴海波，等.煤层深孔聚能爆破裂隙扩展 1917) 数值模拟.煤炭学报，2012.37(2)：274) [2]Guo D Y,Pei H B,Song J C,et al.Stuly ou splitting [11]LS-DYNA Keyword User's Manual.California:Liver- mechanism of coal bed deep-hole cumulative blasting to more Software Technology Corporation,2003 improve permeability.J China Coal Soc,2008,33(12): [12]Yang X L,Yuan X Y,Liang W M.Mechanisnt of the ex- 1381 plosive action of the decoupled charge.J China Coal Soc (郭德勇，裴海波，宋建成，等.煤层深孔聚能爆破致裂增透 1998,23(2):130 机理研究.煤炭学报，2008,33{12)：1381) (杨小林，员小有，梁为民.不偶合装药爆炸作用机理及试 [3 Zhang C H,Liu Z G.Wang B S,et al.Numerical simu- 验研究.煤炭学报，1998,23(2)：130) lation and test study on mechanical properties evolution [13]Gao E X.Yang R S.Blasting Engineering.Xuzhou:China of high-pressure water injection coal seam.Chin J Rock University of Mining and Technology Press,1999 Mech Eng,2009,28(Suppl 2):3371 (高尔新，杨仁树.爆破工程。徐州：中国矿业大学出版 (张春华，刘泽功，王佰顺，等.高压注水煤层力学特性演化 社，1999) 数值模拟与试验研究.岩石力学与工程学报，2009,28（增 [14]Fei H L,Zhang L G.Fu T G,et al.Blasting Theory and 刊2)：3371) its Application.Beijing:Coal Industry Press.2008 [4]Zarrouk S J,Moore T A.Preliminary reservoir model of (费鸿禄，张立国，付天光，等.燥破理论及其应用.北京： enhanced coalbed methane (ECBM)in a subbituminous 煤炭工业出版社，2008)
第 · · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 卷 防止爆破孔 间距过大导致抽放效果较差, 确定爆破 孔间距上限为 因此聚 能爆破孔合理间距为 结论 在原岩应力和爆破载荷祸合作用下 , 随着 与炮孔 中心距离的增大, 爆破煤体单元应力峰值呈 指数关系递减 , 而聚能效应导致聚能方 向煤体应力 增大, 扩大了爆破裂隙范围 聚能爆破钻孔参数优化 结果表明, 装药直 径为 时, 采用 炮孔直径煤体致裂效 果明显 , 同时结合现场试验条件 , 确定爆破孔与邻 近抽放孔最小间距为 , 爆破孔与煤层顶底板 间距 为 , 以上 , 爆破孔间距 为 九里 山矿煤层深孔聚能爆破现场试验增透 效果显著 , 爆破影响区平均瓦斯流量约为爆破前的 倍 , 而且保证 了爆破过程的安全 参 考 文 献 , , 一 `九 无 几夕, 石必明, 俞启香, 王凯 远程保护层开采上覆煤层透气性动 态演化规律试验研究 岩石力学与工程学报, , 以 , , , · ,“ `川 卜 , , 郭德勇, 裴海波, 宋建成, 等 煤层深孔聚能爆破致裂增透 机理研究 煤炭学报, , , 盛 , 认恤 , · , 就 一 ` `儿 无 二夕, , 一 张春华, 刘泽功, 王佰顺, 等 高压注水煤层力学特性演化 数值模拟与试验研究 岩石力学与工程学报, , 增 刊 【」 , · 、 , , 一 , 一 几 , , , , , 。 · 卜 一 凡 , 叭 、, 龚敏, 王德胜, 黄毅华, 等 突出煤层深孔控制爆破时控制 孔的作用 爆炸与冲击 , `尘 【 , 、认飞 又八 认 , 。 。, 。,飞“ 乳 盆 ·一 一 一飞 飞 二 饭, ` , , 一, 郝朝瑜, 王继仁, 万清生 等 煤层深孔控制预裂爆破的可 拓工程设计方法及应用 煤炭学报 增刊 【 ,`亡。 、乞。夕`汀 `理` ” 几“ “ · 一 一 张志呈 定向断裂控制爆破 重庆 重庆 出版社, 【 、丫 , 、 , `夕 「,` `夕· `” ,` ,` ,` , 王文龙 钻眼爆破 北京 煤炭工业 出版社, 【 ,℃浓 ,℃,` 加,尸。 。, ,`夕 。 二 , , ℃艺。 、 ,`夕【 , 二 肠 , , 朱曦光 聚能爆破提高煤层渗透率的理论研究探讨 学位 论文 北京 中国矿业大学 北京 , , , 、 , 记 能 卜 , 佣 韶 乞二 , 郭德勇 吕鹏飞, 裴海波, 等 煤层深孔聚能爆破裂隙扩展 数值模拟 煤炭学报, 一 丫 、, 记 陇 ' 人了”“ · 〔 ,, 更刀 ℃ 一 , 《〕, , 【 , , , , ` 入· , ` ` 一 、 , 杨小林, 员小有, 梁为民 不偶合装药爆炸作用机理及试 验研究 煤炭学报, , 」 `〕 , , · 、 `夕 ,`夕, `。。几 夕 `,, , 高尔新, 杨仁树 爆破工程 徐州 中国矿业大学出版 社, 〕 凡 , , · “,了`。 ` ,` 、 , 二 、 , 费鸿禄, 张立国, 付天光, 等 爆破理论及其应用 北京 煤炭工业出版社