深孔定向预裂爆破低透气煤层增透的方法

摘要

本发明公开了一种深孔定向预裂爆破低透气煤层增透的方法，首先采用常规作业方式，在高瓦斯低透气煤层中施工大直径爆破炮孔；然后采用四向垂直切缝管作为爆破装药管和装水袋管，所述四向垂直切缝管圆周方向的0°、90°、180°和270°四个位置分别设有纵向的切缝；之后采用装有药卷的四向垂直切缝管与装有水袋的四向垂直切缝管间隔布置的方式向所述爆破炮孔中装填炸药，并通过双导爆索引爆炸药，完成对低透气厚煤层爆破增透作业。本发明能使煤层爆破后形成相互贯通的裂隙网络，提高低透气性高瓦斯煤层的透气性，以保证瓦斯抽采的效果，获得较高的瓦斯抽采效率，同时一定程度上防止瓦斯灾害事故的发生。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于低透气煤层增透的瓦斯抽排放预裂爆破施工技术，尤其涉及一 种深孔定向预裂爆破低透气煤层增透的方法。

背景技术

现有煤矿中有一半以上都是高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井。瓦斯一般以两种形式赋存 于煤层中，即吸附状态和游离状态。在煤层赋存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占到90％ 以上，而游离瓦斯量仅有10％左右。当煤层开采时，滞留在煤层中的瓦斯随煤层开采的 扰动而不断地释放出来，其危害主要表现在三个方面：瓦斯窒息、瓦斯爆炸、煤与瓦斯 突出。据统计，在我国煤矿事故中，40%以上为瓦斯爆炸事故，其中在特大事故中，瓦 斯爆炸事故占82%以上。煤矿瓦斯事故的频发瓦斯灾害一直是威胁煤矿安全生产的主要 灾害之一，不仅对煤矿生产造成了严重影响，同时对我国国民经济和社会稳定发展也造 成了恶劣的影响，是我国矿业发展中亟待解决的重大问题。

现有技术中，国内外学者在瓦斯治理方面也进行了大量的研究工作，取得了一定的 成果，并形成了一些防治瓦斯灾害的有效措施。其中，瓦斯抽采技术被认为是预防瓦斯 灾害最有效的方法之一。然而，随着煤层开采深度的增加，煤层瓦斯含量增高、压力增 大，且绝大多数煤层的渗透率仅为（0.001～0.1）×10^-3um²，煤层透气性低，从而严重影 响了煤层瓦斯的抽采率和抽采效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种深孔定向预裂爆破低透气煤层增透的方法，该方法能使煤 层爆破后形成相互贯通的裂隙网络，提高低透气性高瓦斯煤层的透气性，以保证瓦斯抽 采的效果，获得较高的瓦斯抽采效率，同时一定程度上防止了因放炮引起的瓦斯爆炸、 瓦斯突出等瓦斯灾害事故的发生。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的深孔定向预裂爆破低透气煤层增透的方法，包括步骤：

首先，采用常规作业方式，在高瓦斯低透气煤层中施工大直径爆破炮孔；

然后，采用四向垂直切缝管作为爆破装药管和装水袋管，所述四向垂直切缝管圆周 方向的0°、90°、180°和270°四个位置分别设有纵向的切缝；

之后，采用装有药卷的四向垂直切缝管与装有水袋的四向垂直切缝管间隔布置的方 式向所述爆破炮孔中装填炸药，并通过双导爆索引爆炸药，完成对低透气厚煤层爆破增 透作业。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的深孔定向预裂爆破低透 气煤层增透的方法，由于首先采用常规作业方式，在高瓦斯低透气煤层中施工大直径爆 破炮孔；然后采用四向垂直切缝管作为爆破装药管和装水袋管，所述四向垂直切缝管圆 周方向的0°、90°、180°和270°四个位置分别设有纵向的切缝；之后采用装有药卷的四向 垂直切缝管与装有水袋的四向垂直切缝管间隔布置的方式向所述爆破炮孔中装填炸药， 并通过双导爆索引爆炸药，完成对低透气厚煤层爆破增透作业。能使煤层爆破后形成相 互贯通的裂隙网络，提高低透气性高瓦斯煤层的透气性，以保证瓦斯抽采的效果，获得 较高的瓦斯抽采效率，同时一定程度上防止瓦斯灾害事故的发生。

附图说明

图1为本发明实施例提供的深孔定向预裂爆破低透气煤层增透的方法的炮孔平面布置 示意图；

图2为本发明实施例提供的深孔定向预裂爆破低透气煤层增透的方法的炮孔纵向剖切 示意图；

图3为本发明实施例中四向垂直切缝管与药卷结构示意图；

图4为本发明实施例中四向垂直切缝管与水袋结构示意图；

图5为本发明实施例中四向垂直切缝管横向剖切示意图；

图6为本发明实施例中四向垂直切缝管在孔底处的双导爆索绑扎示意图。

图中：1、大直径深孔爆破炮孔（简称爆破炮孔或炮孔），2、四向垂直切缝管（简 称切缝管），3、预制切缝（简称切缝），4、药卷，5、水袋，6、黄泥卷，7、导爆索， 8、十字横梁。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的深孔定向预裂爆破低透气煤层增透的方法，其较佳的具体实施方式是：

包括步骤：

首先，采用常规作业方式，在高瓦斯低透气煤层中施工大直径爆破炮孔；

然后，采用四向垂直切缝管作为爆破装药管和装水袋管，所述四向垂直切缝管圆周 方向的0°、90°、180°和270°四个位置分别设有纵向的切缝；

之后，采用装有药卷的四向垂直切缝管与装有水袋的四向垂直切缝管间隔布置的方 式向所述大直径爆破炮孔中装填炸药，并通过双导爆索引爆炸药，完成对低透气厚煤层 爆破增透作业。

所述的四向垂直切缝管的切缝与相邻的四向垂直切缝管的切缝在纵向上相互对齐。

向所述爆破炮孔中装填炸药的方式为径向不耦合装药，其径向不耦合装药系数为 1.6～2.1。

所述的爆破炮孔直径为60～80mm，多个四向垂直切缝管相互连接后推入爆破炮孔 内，并在爆破炮孔口处装填黄泥卷堵塞炮孔。

所述的四向垂直切缝管以螺纹套接方式相互连接，导爆索绑扎在爆破炮孔底部的第 一根四向垂直切缝管底端的十字横梁上。

所述的四向垂直切缝管的外径为48mm、壁厚为4mm、内径为40mm、长为1500mm， 其两端分别为相互配套的各100mm长的内圈螺纹和外圈螺纹。

所述的四向垂直切缝管上的每条切缝的尺寸为长×宽＝250mm×4mm，在轴线方向上 相邻两条切缝的间隔为50mm。

本发明的深孔定向预裂爆破低透气煤层增透的方法，能使煤层爆破后形成相互贯通 的裂隙网络，提高低透气性高瓦斯煤层的透气性，以保证瓦斯抽采的效果，获得较高的 瓦斯抽采效率，同时一定程度上防止瓦斯灾害事故的发生。

本发明的设计思路是：

通过分析煤体结构和孔隙的特性，得出孔隙-裂隙所形成的巨大网络是瓦斯运移通 道，而瓦斯运移量的多少与煤层渗透性和煤体破坏的力学性能等因素有关。通过分析深 孔预裂爆破技术对低透气性高瓦斯煤层的作用机理，得出炸药爆炸后，爆轰应力波和爆 生气体的作用是煤体介质大量裂隙生成的主要因素。其爆破过程所依据的动态断裂机理 是：在爆炸应力波作用下，沿炮孔周围首先出现径向裂纹，产生大量的裂隙；然后，爆 生气体楔人已张开的裂隙中，使裂隙进一步扩展，进而在钻孔周围形成径向裂隙带。为 了使应力波的能量主要作用于破碎煤体，在煤体内形成以炮孔为中心的连通裂隙网。为 此，本发明提出了采用四向垂直切缝管爆破的新思路。切缝管爆破具有聚能作用，炸药 爆炸能量会在切缝处优先释放，破碎切缝方向的煤体，使预制切缝方向的煤体形成较多 的裂纹，扩大了该方向上的裂隙范围，在装药管上设置四向切缝，大大提升了炮孔周围 煤体形成的连通裂隙网络的范围。同时，为了进一步增加煤体的破碎范围，在煤体内形 成相互贯通的裂隙网络，延长爆生气体对破碎煤体的作用时间。为此，本发明提出了采 用四向垂直切缝管与药卷和四向垂直切缝管与水袋间隔装药的新方法。由于水在高温高 压下仍然表现出很强的不可压缩性，同时是一种绿色无污染的流体，能够很好的传递压 力，水袋在爆炸冲击波的高强压力作用下被急剧压缩、破裂，形成水射流“切割”煤 体，水力压裂煤体形成裂纹。随后，水在爆生气体的推动作用下沿炮孔周围已张开的煤 体裂隙运动，爆生气体与水形成耦合作用，共同对煤体裂隙形成“尖劈作用”，楔入煤 体裂隙，使裂隙进一步扩展，延长了爆生气体对煤体裂隙的作用时间，继而在钻孔周围 形成径向波浪形裂隙带。同时，水射流产生的“水雾”还可以有效抑制或消除爆炸产生 的火花，降低了煤层瓦斯爆炸的危险性。

本发明的动作原理是：

首先，为了增加了深部煤层的透气性，使煤层中瓦斯气体由吸附状态转变为游离状 态，提高煤层瓦斯气体的抽排放效果。可采用常规作业方式，在低透气煤层中施工深孔 预裂爆破孔，炮孔直径一般为60～80mm，深度一般为50～70m，具体视煤层的厚度和抽 排瓦斯的深度等而定。

由于切缝管具有聚能作用，爆破能量优先沿切缝方向释放，并在切缝方向产生应力 集中，使断裂优先沿切缝方向产生，故在装药管上设置四向垂直切缝，切缝尺寸均为 250mm×4mm（长×宽），相邻两切缝沿纵向间距为50mm。为增加煤体的透气效果， 保证煤体各方向形成均匀连通裂隙网，在圆周方向上的纵向切缝应相互错开62.5mm。同 时，为了增加切缝管的刚度和稳定性，保证装药时切缝管不会失稳扭曲，四向垂直切缝 管可控制在1.5m～2.5m之间。

为方便炸药装填和连接，分别在四向垂直切缝管两端设置100mm长的配套内圈螺纹 和外圈螺纹，装有药卷的四向垂直切缝管与装有水袋的四向垂直切缝管顺次间隔以螺纹 套接方式进行连接，然后缓慢推入炮孔。其中，在炮孔底部的第一根切缝管端部应设置 两个十字交叉的横梁，用来方便固定导爆索，两根导爆索顺装药管内壁直接延伸到炮孔 外。

通常情况下，采用特制的药卷和水袋装填炮孔，其中药卷为直径38mm，长1000mm 的圆柱形药包，水袋的直径和长度与药卷相同。

最后，向炮孔内装填炸药。在距孔口一定距离内用黄泥卷堵塞炮孔。采用双导爆索 同时起爆所有炮孔，完成深孔定向预裂爆破施工。

通常情况下，在距孔口10m的范围内用黄泥卷堵塞，并采用双导爆索起爆炸药，提 高爆破的可靠性。当炮孔发生爆破时，在切缝方向上形成聚能作用，煤体优先沿切缝扩 展出裂纹面，形成一个相对较长的裂隙带，同时水袋被爆炸应力波和爆轰波产生的强压 力急剧压缩、破裂，形成水射流“切割”周围的煤体，使裂隙带范围进一步扩大。随 后，水在爆生气体的推动作用下迅速楔入煤体裂隙，爆生气体和水形成“耦合作用”， 共同对煤体裂隙形成“尖劈作用”，使煤体裂隙进一步扩展，并在炮孔周围形成径向波 浪形裂隙带，最终在煤体中形成相互贯通的连通裂隙网络。

本发明采用装有药卷的四向垂直切缝管与装有水袋的四向垂直切缝管间隔装药方 式，将水切割和切缝管爆破技术有机结合，具体应用于低透气煤层预裂爆破增透作业施 工中。其中，四向垂直切缝管连接方便、易于操作；药卷、水袋间隔装药方式操作简 单、适用范围广。同时，四向垂直切缝管爆破可大大提高煤体裂隙的范围，有利于在炮 孔周围形成较大的裂隙带；药卷、水袋间隔装药方式将爆炸应力波、爆轰波、水射流以 及爆生气体与水耦合作用等能量相结合共同作用于煤体，大大提高了炸药爆炸能量的利 用率，极大地增大了煤体的裂隙范围，在煤体内形成相互贯通的连通裂隙网络。同时， 水射流产生的“水雾”还可以有效抑制或消除爆炸产生的火花，降低了煤层瓦斯爆炸的 危险性。该方法大大增加了低透气性煤层的透气性，提高了瓦斯抽排放的效果，同时一 定程度上防止了瓦斯灾害的发生，保证了矿井的安全生产。

具体实施例：

采用四向垂直切缝管2与药卷4和四向垂直切缝管2与水袋5间隔装药方式相结合的深 孔定向预裂爆破低透气煤层增透的方法。

如图1、图2所示，以3个炮孔为例，具体步骤包括：

步骤一、采用常规作业方式，在煤层中施工大直径深孔爆破孔。

通常情况下，煤层较厚，且透气性低，瓦斯多以吸附状态存在于煤层中，施工深孔 爆破孔1，可以释放深部煤层的瓦斯气体，增加煤层的透气性，有利于提高厚煤层瓦斯抽 采的效果。一般情况下，大直径深孔爆破炮孔1直径为60～80mm，炮孔1深为50～60m， 炮孔1间距为10～15m，具体视煤层的厚度和抽排瓦斯的深度等条件而定。

步骤二、如图3、图4、图5、图6所示，药卷4和水袋5分别装在四向垂直切缝管2 中，四向垂直切缝管2与药卷4和四向垂直切缝管2与水袋5顺次间隔以螺纹套接方式进行 连接，并逐个缓慢推入炮孔1中。推入四向垂直切缝管2过程中，相邻炮孔1中切缝管2的 预制切缝3应相互对齐，使相邻切缝管2的切缝3连成的切缝面在煤体中形成相互连通的裂 隙网络。其中，四向垂直切缝管2每根长1.4m，预制切缝3尺寸为250mm×4mm（长× 宽），轴向方向相邻两条预制切缝3间距为50mm。药卷4和水袋5的尺寸均为直径 38mm，长1200mm。

由于切缝具有聚能作用，采用四向垂直切缝管2装填炸药，并保证装药过程中相邻切 缝管2的切缝3能够相互对齐，能够使爆生能量优先沿预制裂纹方向释放，并在该方向上 形成较长的裂纹。爆炸后，在炮孔周围形成径向波浪形裂隙带，最终在煤体中形成相互 贯通的连通裂隙网络，增加了煤体的透气性，提高了煤体瓦斯气体的抽排效果。采用药 卷4、水袋5间隔装药结构，将爆炸应力波、爆轰波、水射流以及爆生气体与水耦合作用 等能量相结合，共同作用于煤体，提高了炸药爆炸能量的利用率，大大增加了煤体裂隙 的范围，增加了煤体的透气性。

步骤三、以四向垂直切缝管2、药卷4和水袋5间隔装药方式装填炸药，并通过双导 爆索7起爆炸药，导爆索7绑扎在炮孔底部第一根切缝管2底端的十字横梁8上，并在距孔 口10m范围内用黄泥卷6封堵炮孔。

采用四向垂直切缝管2、药卷4与水袋5间隔装药结构，水袋5破裂形成水射流产生的 “水雾”能够有效抑制或消除炸药爆炸产生的火花，提高了高瓦斯矿井爆炸作业的安全 性，降低了煤矿瓦斯爆炸等瓦斯灾害的危险性，保证了煤矿的安全生产。

步骤四、依次装填其余两个炮孔1，然后将各炮孔的导爆索7绑扎起来，同时起爆所 有爆破孔，完成深孔定向预裂爆破低透气性煤层增透施工。

当然，上述步骤中各参数只是具体实施过程中的一个优选参数，炮孔1的深度、间 距、装药量等参数，还需根据具体煤层的特点综合考虑，其数值并不能统一，在此不再 赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的 保护范围为准。