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摘要：为了增加煤层透气性、提高瓦斯抽采率、消除煤层突出危险性，通过数值模拟和现场试验的方法，对深孔预裂爆破煤层增透技术在低透气性高瓦斯煤层中的应用进行了系统研究，得出了煤岩不同的力学性质和控制孔的导向作用。通过对两个爆破孔与控制孔应力云图、裂隙图的数值模拟，再现了应力波在煤岩体中的传播与衰减规律，以及煤岩体裂隙的扩展变化过程。最后，在谢桥矿13-1煤层实施深孔预裂爆破试验，试验表明采用该技术显著增大了煤体透气性，提高了瓦斯抽采浓度和抽采量，故而是一种经济可行的对于防治低透气性高瓦斯煤层突出的方案。
关键词：深孔预裂爆破；低透气性突出煤层；卸压增透；爆破裂隙；数值模拟
中图分类号：TD235.33文献标志码：A
文章编号：1672-1098（2016）02-0025-05
Abstract： In order to increase the coal seam permeability and the rate of gas extraction， then eliminate the outburst danger， this article by the method of theoretical study and numerical simulation， to study the deep borehole pre-cracking blasting applied in the low permeability and high gas coal seam， then the test pointed out the coal and rock mechanics properties and the guiding role of control hole. By means of numerical simulation of stress nephogram and fracture figure for two blasting holes and control hole， recreating the propagation and attenuation law of stress wave in the rock， and the expansion process of the coal cracks. Finally， the test of deep borehole pre-cracking blasting was done in 13-1 seam in Xieqiao coal mine， and the test effect was ideal. The technology significantly increases the permeability of coal and improves the extraction concentration and volume， which is a positive and feasible scheme to prevent the outburst of low permeability and high gas coal seam.
Key words：Deep borehole pre-cracking blasting， Low permeability coal seam， Pressure relief and Permeability improvement， Blasting crack， Numerical simulation
近些年我国的瓦斯抽采技术有较快的发展，但是总体水平仍然较低。其中一个重要原因就是绝大多数的高瓦斯和突出矿井所开采的煤层属低透气性煤层，另外随着我国煤炭工业的发展，大多数煤矿已经进入深部开采，煤层瓦斯含量和压力不断增加，煤层透气性不断降低，瓦斯抽采愈加困难。因此，在抽采瓦斯过程中，如何增加煤层透气性已成为亟待解决的技术难题。
近几年来，随着爆破技术，特别是深孔预裂爆破技术的不断完善和发展，使得这项技术在增加煤层透气性、提高瓦斯抽采率、防治煤与瓦斯突出等方面得到了广泛的应用，并取得了良好效果。国内许多学者也对深孔预裂爆破技术进行大量的研究。文献[1]从理论和模型实验两方面对深孔预裂爆破的控制孔作用进行了研究分析；文献[2]在岩石三向受力及其强度效应和Misses强度准则的基础上，推导出了在岩石中爆破后的压碎圈和裂隙圈半径公式；文献[3]利用岩石爆破理论和损伤力学理论，分析了爆破后爆炸应力波的作用机理及其作用下煤体的损失断裂准则；文献[4]在柱状空腔膨胀理论的基础上，分析研究了爆炸荷载作用下煤体的力学特性；文献[5]采用通用动力分析程序DYAN3D，模拟研究了爆破对煤体破坏的范围和瓦斯抽采的影响区域。
本文在前人研究成果基础上，分析了煤岩体爆破和深孔预裂爆破强化增透的机理，结合谢桥矿瓦斯抽采技术经验及该矿实际情况，在中央风井揭13-1煤层前，开展深孔预裂爆破强化瓦斯抽采技术的应用研究，解决了揭煤过程中回风流瓦斯浓度超限的问题，大大缩短揭煤时间，对类似情况的井筒揭煤有重要意义。
1深孔预裂爆破数值模拟分析
11深孔预裂爆破强化增透机理
利用深孔预裂爆破在煤体中新裂隙的产生和应力的降低打破了煤体中瓦斯吸附与解吸的动态平衡，使大部分吸附在煤体中的瓦斯转化成游离瓦斯，而游离瓦斯则通过裂隙运移并通过抽采钻孔进行抽采，在很大程度地释放了煤体的弹性潜能和瓦斯膨胀能，煤体的塑性增加，脆性减小，降低煤体中残存瓦斯的解吸速度。因此在煤体中形成一定范围的卸压区，在这个区域内，破坏了突出发生的基础条件，进而起到了防治煤与瓦斯突出的效果[6-8]。
12数值模型和参数设置
为了研究爆生应力波在煤岩体中的传播与衰减规律以及控制孔对爆破效果的影响， 采用三维动力有限元程序LS-DYNA3D， 以谢桥矿井筒揭13-1煤实测数据为基础，建立深孔预裂爆破几何模型（见图1），其中两边为爆破孔，中间为控制孔，爆破孔与控制孔间距20 m，模型边界距各孔边界距离为15 m，爆破孔孔径为75 mm，控制孔孔径为94 mm，沿爆破孔轴线方向依次为1 m的岩层、45 m的煤层和1 m的岩层。 本次数值模拟通过建立流固耦合模型进行爆炸模拟，数值模型中的煤、岩、炸药和空气单元均采用Solid164单元，其中煤、岩体介质采用拉格朗日网格建模，炸药、空气介质采用欧拉网格建模。建模过程中分别对煤、岩、炸药和空气材料模型进行不同的网格划分，为防止计算过程中负体积和节点速度无穷大现象的产生，使煤、岩、炸药和空气的单元尺寸比接近3∶3∶2∶2，为保证计算精度，各孔及周围进行网格加密，其它部分用sweep法进行网格划分[9-12]。炸药的相关参数根据LS-DYNA3D中的JWL状态方程确定，其参数结果如表1所示。
12数值模拟结果分析
在煤岩材料模型中，对爆破应力场分析常采用有效应力来表示煤岩介质的应力特征，它能较好的体现材料的损伤破坏情况。为了研究爆破孔不同孔间距对爆破效果和爆破裂隙扩展作用的影响，在煤层段沿爆破孔与控制孔径向连线方向上，分别距爆破孔05 m、10 m、20 m依次选取A、B、C三个
单元（见图2）。各单元的有效应力（Effective Stress）-时间（Time）历程曲线可以通过Ls-prepost后处理软件得到。
从图2可以看出，炸药爆炸后，A、B、C三单元的有效应力曲线变化趋势相同，都经历了先增大、然后减小、最后稳定的过程。爆破孔附近处A单元的有效应力峰值为15 MPa，稳定后的有效应力为13 MPa，均大于煤体的抗压强度，在爆破孔05 m范围内煤体被强烈压缩粉碎，形成爆炸空腔区；B单元的有效应力峰值为75 MPa，稳定后的有效应力为27 MPa；C单元的有效应力峰值为9 MPa，稳定后的有效应力为38MPa。B、C单元的有效应力值均大于煤体的抗拉强度，可促使煤体裂隙的产生。由于控制孔的导向作用，控制孔附近C单元的有效应力峰值和稳定后的有效应力均大于B单元，进一步地促进了裂隙的发育。在爆破后期，爆生气体与煤层中的瓦斯压力共同作用于已张开的裂隙中，并在其尖端产生应力集中，促使了裂隙的进一步扩展，大大增加了裂隙区的范围，显著提高了煤层的透气性（见图3）。
（a） 孔口处0 m （b） 距离孔口处15 m
（c） 距离孔口处3 m （d） 距离孔口处45 m
从图3中可以看出，炸药爆炸后，对于两个爆破孔与控制孔模型，由于应力波的叠加和反射拉伸作用，在整个煤体内部形成了错综复杂的贯穿裂隙，显著提高了煤体的透气性。
2深孔预裂爆破卸压增透试验
21谢桥矿井筒揭13-1煤层概况
谢桥矿中央风井井口永久锁口设计标高为+262 m，井筒设计净直径为75 m，设计深度为9862 m，壁厚500 mm。中央风井井筒已掘砌720 m，距13-1煤顶板法距11m。 13-1煤为突出煤层， 煤层厚45 m， 煤层产状为186°～196°、 倾角∠12°～14°。煤层特征以黑色块状和暗煤为主，兼有少许粉末状和亮煤，并夹有一层厚约03 m的炭质泥岩。
揭煤区域煤层瓦斯压力为21 MPa，瓦斯含量为497 m3/t，煤层的瓦斯放散初速度ΔP为13，为突出煤层；煤层透气性系数为0004 m2/（MPa2·d），钻孔自然瓦斯涌出量衰减系数为0083 d-1，为难以抽采煤层。
22爆破孔设计和爆破工艺
1） 布孔方式。根据谢桥矿中央风井井筒揭13-1煤层防突设计，在待揭13煤层布置8圈共163个瓦斯抽采钻孔，其中对抽采钻孔中的第1圈、第3圈和第5圈采用深孔爆破增透试验，爆破孔为36个，所有抽采钻孔合茬抽采，钻孔布置如图4所示。
2） 爆破工艺。先用一段深孔预裂爆破专用药管、两发一段毫秒电雷管和放炮用的胶质线做炮头，为了防止短路和断路用绝缘胶带将其裹紧，在爆破孔见煤至终孔段装药，装药时采用正向装药方式。装药完毕，采用粒度5mm以下的略潮黄土进行压风喷泥封孔，当压风不足04MPa时禁止封孔，封孔长度大于12 m。
23试验效果分析
分别对爆破前后抽采钻孔的瓦斯浓度和纯量进行系统性的数据处理，绘制出深孔预裂爆破前后的对比如图5～图6所示。
由图5～6可知：爆破后瓦斯抽采浓度和纯量明显上升，抽采浓度从爆破前最低189%提高到爆破后最高79%，平均抽采浓度比爆破前提高约24倍，抽采纯量从最低02 m3/min提高到最高223 m3/min，平均抽采流量比爆破前提高约4倍；经测定煤层透气性比爆破前提高了10倍以上，瓦斯抽采效果显著提高。
揭13-1煤过程中回风流瓦斯浓度为015%，没有发生回风流瓦斯浓度超限现象，且13-1煤层控制区域内瓦斯抽采率达到了75%。
4结论
1） 分析了深孔预裂爆破的卸压增透防突机理，炸药在煤层中爆破后，形成了一定范围的卸压圈和错综复杂的裂隙圈，同时，爆破孔周围岩体发生大幅度位移，显著提高了煤体透气性和瓦斯抽采率，降低了煤层中的瓦斯压力和含量，进而达到了消弱或防止煤与瓦斯突出的目的。
2） 通过两个爆破孔与控制孔的数值计算模型，分析了在控制孔的影响下，炸药在煤层中爆炸应力和裂隙发展的变化规律，爆破孔周边的煤体在爆轰应力波作用下产生大量裂隙，完全处于破碎状态。
3） 通过在谢桥矿13-1煤层实施深孔预裂爆破试验，结果显示：深孔预裂爆破增透效果显著提高了煤体透气性，表明在低透气性高瓦斯煤层实施深孔预裂爆破卸压增透技术是一种积极可行的方案。
参考文献：
[1]罗勇，沈兆武.深孔控制卸压爆破机理和防突试验研究[J].力学季刊，2006，27（3）：469-475.
[2]戴俊.柱状装药爆破的岩石压碎圈与裂隙圈计算[J].辽宁工程技术大学学报，2001，20（2）：144-147.
[3]褚怀保，杨小林，侯爱军，等.煤体中爆炸应力波传播与衰减规律模拟实验研究[J].爆炸与冲击，2012，32（2）：185-189.
[4]穆朝民，齐娟.含瓦斯煤在爆炸荷载作用下的力学特性[J].煤炭学报，2012，37（2）：268-273.
[5]龚敏，黄毅华，王德胜，等.松软煤层深孔预裂爆破力学特性的数值分析[J].岩石力学与工程学报，2008，27（8）：1 674-1 681.
[6]褚怀保，杨小林，梁为民，等.煤体爆破作用机理模拟试验研究[J.煤炭学报，2011，36（9）：1 451-1 456.
[7]刘健.低透气煤层深孔预裂爆破增透技术研究及应用[D].淮南：安徽理工大学，2008.
[8]蔡峰.高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破强化增透效应研究[D].淮南：安徽理工大学，2009.
[9]黄文尧，穆朝民，宗琦，等.水胶药柱深孔预裂爆破弱化综采面硬岩断层分析[J].重庆大学学报，2013，36（7）：102-106.
[10]龚敏，王德胜，黄毅华，等.突出煤层控制爆破时的控制孔的作用[J].爆炸与冲击，2008，28（4）：310-315.
[11]龚敏，王楚涵，王华，等.多层煤——岩介质中扇形深孔爆破应力场特性[J].北京科技大学学报，2012，34（6）：614-619.
[12]蔡峰，刘泽功.爆轰应力波在高瓦斯煤层中的传播和衰减特性[J].煤炭学报，2014，39（1）：110-114.
（责任编辑：何学华，吴晓红）
关键词：深孔预裂爆破；低透气性突出煤层；卸压增透；爆破裂隙；数值模拟
中图分类号：TD235.33文献标志码：A
文章编号：1672-1098（2016）02-0025-05
Abstract： In order to increase the coal seam permeability and the rate of gas extraction， then eliminate the outburst danger， this article by the method of theoretical study and numerical simulation， to study the deep borehole pre-cracking blasting applied in the low permeability and high gas coal seam， then the test pointed out the coal and rock mechanics properties and the guiding role of control hole. By means of numerical simulation of stress nephogram and fracture figure for two blasting holes and control hole， recreating the propagation and attenuation law of stress wave in the rock， and the expansion process of the coal cracks. Finally， the test of deep borehole pre-cracking blasting was done in 13-1 seam in Xieqiao coal mine， and the test effect was ideal. The technology significantly increases the permeability of coal and improves the extraction concentration and volume， which is a positive and feasible scheme to prevent the outburst of low permeability and high gas coal seam.
Key words：Deep borehole pre-cracking blasting， Low permeability coal seam， Pressure relief and Permeability improvement， Blasting crack， Numerical simulation
近些年我国的瓦斯抽采技术有较快的发展，但是总体水平仍然较低。其中一个重要原因就是绝大多数的高瓦斯和突出矿井所开采的煤层属低透气性煤层，另外随着我国煤炭工业的发展，大多数煤矿已经进入深部开采，煤层瓦斯含量和压力不断增加，煤层透气性不断降低，瓦斯抽采愈加困难。因此，在抽采瓦斯过程中，如何增加煤层透气性已成为亟待解决的技术难题。
近几年来，随着爆破技术，特别是深孔预裂爆破技术的不断完善和发展，使得这项技术在增加煤层透气性、提高瓦斯抽采率、防治煤与瓦斯突出等方面得到了广泛的应用，并取得了良好效果。国内许多学者也对深孔预裂爆破技术进行大量的研究。文献[1]从理论和模型实验两方面对深孔预裂爆破的控制孔作用进行了研究分析；文献[2]在岩石三向受力及其强度效应和Misses强度准则的基础上，推导出了在岩石中爆破后的压碎圈和裂隙圈半径公式；文献[3]利用岩石爆破理论和损伤力学理论，分析了爆破后爆炸应力波的作用机理及其作用下煤体的损失断裂准则；文献[4]在柱状空腔膨胀理论的基础上，分析研究了爆炸荷载作用下煤体的力学特性；文献[5]采用通用动力分析程序DYAN3D，模拟研究了爆破对煤体破坏的范围和瓦斯抽采的影响区域。
本文在前人研究成果基础上，分析了煤岩体爆破和深孔预裂爆破强化增透的机理，结合谢桥矿瓦斯抽采技术经验及该矿实际情况，在中央风井揭13-1煤层前，开展深孔预裂爆破强化瓦斯抽采技术的应用研究，解决了揭煤过程中回风流瓦斯浓度超限的问题，大大缩短揭煤时间，对类似情况的井筒揭煤有重要意义。
1深孔预裂爆破数值模拟分析
11深孔预裂爆破强化增透机理
利用深孔预裂爆破在煤体中新裂隙的产生和应力的降低打破了煤体中瓦斯吸附与解吸的动态平衡，使大部分吸附在煤体中的瓦斯转化成游离瓦斯，而游离瓦斯则通过裂隙运移并通过抽采钻孔进行抽采，在很大程度地释放了煤体的弹性潜能和瓦斯膨胀能，煤体的塑性增加，脆性减小，降低煤体中残存瓦斯的解吸速度。因此在煤体中形成一定范围的卸压区，在这个区域内，破坏了突出发生的基础条件，进而起到了防治煤与瓦斯突出的效果[6-8]。
12数值模型和参数设置
为了研究爆生应力波在煤岩体中的传播与衰减规律以及控制孔对爆破效果的影响， 采用三维动力有限元程序LS-DYNA3D， 以谢桥矿井筒揭13-1煤实测数据为基础，建立深孔预裂爆破几何模型（见图1），其中两边为爆破孔，中间为控制孔，爆破孔与控制孔间距20 m，模型边界距各孔边界距离为15 m，爆破孔孔径为75 mm，控制孔孔径为94 mm，沿爆破孔轴线方向依次为1 m的岩层、45 m的煤层和1 m的岩层。 本次数值模拟通过建立流固耦合模型进行爆炸模拟，数值模型中的煤、岩、炸药和空气单元均采用Solid164单元，其中煤、岩体介质采用拉格朗日网格建模，炸药、空气介质采用欧拉网格建模。建模过程中分别对煤、岩、炸药和空气材料模型进行不同的网格划分，为防止计算过程中负体积和节点速度无穷大现象的产生，使煤、岩、炸药和空气的单元尺寸比接近3∶3∶2∶2，为保证计算精度，各孔及周围进行网格加密，其它部分用sweep法进行网格划分[9-12]。炸药的相关参数根据LS-DYNA3D中的JWL状态方程确定，其参数结果如表1所示。
12数值模拟结果分析
在煤岩材料模型中，对爆破应力场分析常采用有效应力来表示煤岩介质的应力特征，它能较好的体现材料的损伤破坏情况。为了研究爆破孔不同孔间距对爆破效果和爆破裂隙扩展作用的影响，在煤层段沿爆破孔与控制孔径向连线方向上，分别距爆破孔05 m、10 m、20 m依次选取A、B、C三个
单元（见图2）。各单元的有效应力（Effective Stress）-时间（Time）历程曲线可以通过Ls-prepost后处理软件得到。
从图2可以看出，炸药爆炸后，A、B、C三单元的有效应力曲线变化趋势相同，都经历了先增大、然后减小、最后稳定的过程。爆破孔附近处A单元的有效应力峰值为15 MPa，稳定后的有效应力为13 MPa，均大于煤体的抗压强度，在爆破孔05 m范围内煤体被强烈压缩粉碎，形成爆炸空腔区；B单元的有效应力峰值为75 MPa，稳定后的有效应力为27 MPa；C单元的有效应力峰值为9 MPa，稳定后的有效应力为38MPa。B、C单元的有效应力值均大于煤体的抗拉强度，可促使煤体裂隙的产生。由于控制孔的导向作用，控制孔附近C单元的有效应力峰值和稳定后的有效应力均大于B单元，进一步地促进了裂隙的发育。在爆破后期，爆生气体与煤层中的瓦斯压力共同作用于已张开的裂隙中，并在其尖端产生应力集中，促使了裂隙的进一步扩展，大大增加了裂隙区的范围，显著提高了煤层的透气性（见图3）。
（a） 孔口处0 m （b） 距离孔口处15 m
（c） 距离孔口处3 m （d） 距离孔口处45 m
从图3中可以看出，炸药爆炸后，对于两个爆破孔与控制孔模型，由于应力波的叠加和反射拉伸作用，在整个煤体内部形成了错综复杂的贯穿裂隙，显著提高了煤体的透气性。
2深孔预裂爆破卸压增透试验
21谢桥矿井筒揭13-1煤层概况
谢桥矿中央风井井口永久锁口设计标高为+262 m，井筒设计净直径为75 m，设计深度为9862 m，壁厚500 mm。中央风井井筒已掘砌720 m，距13-1煤顶板法距11m。 13-1煤为突出煤层， 煤层厚45 m， 煤层产状为186°～196°、 倾角∠12°～14°。煤层特征以黑色块状和暗煤为主，兼有少许粉末状和亮煤，并夹有一层厚约03 m的炭质泥岩。
揭煤区域煤层瓦斯压力为21 MPa，瓦斯含量为497 m3/t，煤层的瓦斯放散初速度ΔP为13，为突出煤层；煤层透气性系数为0004 m2/（MPa2·d），钻孔自然瓦斯涌出量衰减系数为0083 d-1，为难以抽采煤层。
22爆破孔设计和爆破工艺
1） 布孔方式。根据谢桥矿中央风井井筒揭13-1煤层防突设计，在待揭13煤层布置8圈共163个瓦斯抽采钻孔，其中对抽采钻孔中的第1圈、第3圈和第5圈采用深孔爆破增透试验，爆破孔为36个，所有抽采钻孔合茬抽采，钻孔布置如图4所示。
2） 爆破工艺。先用一段深孔预裂爆破专用药管、两发一段毫秒电雷管和放炮用的胶质线做炮头，为了防止短路和断路用绝缘胶带将其裹紧，在爆破孔见煤至终孔段装药，装药时采用正向装药方式。装药完毕，采用粒度5mm以下的略潮黄土进行压风喷泥封孔，当压风不足04MPa时禁止封孔，封孔长度大于12 m。
23试验效果分析
分别对爆破前后抽采钻孔的瓦斯浓度和纯量进行系统性的数据处理，绘制出深孔预裂爆破前后的对比如图5～图6所示。
由图5～6可知：爆破后瓦斯抽采浓度和纯量明显上升，抽采浓度从爆破前最低189%提高到爆破后最高79%，平均抽采浓度比爆破前提高约24倍，抽采纯量从最低02 m3/min提高到最高223 m3/min，平均抽采流量比爆破前提高约4倍；经测定煤层透气性比爆破前提高了10倍以上，瓦斯抽采效果显著提高。
揭13-1煤过程中回风流瓦斯浓度为015%，没有发生回风流瓦斯浓度超限现象，且13-1煤层控制区域内瓦斯抽采率达到了75%。
4结论
1） 分析了深孔预裂爆破的卸压增透防突机理，炸药在煤层中爆破后，形成了一定范围的卸压圈和错综复杂的裂隙圈，同时，爆破孔周围岩体发生大幅度位移，显著提高了煤体透气性和瓦斯抽采率，降低了煤层中的瓦斯压力和含量，进而达到了消弱或防止煤与瓦斯突出的目的。
2） 通过两个爆破孔与控制孔的数值计算模型，分析了在控制孔的影响下，炸药在煤层中爆炸应力和裂隙发展的变化规律，爆破孔周边的煤体在爆轰应力波作用下产生大量裂隙，完全处于破碎状态。
3） 通过在谢桥矿13-1煤层实施深孔预裂爆破试验，结果显示：深孔预裂爆破增透效果显著提高了煤体透气性，表明在低透气性高瓦斯煤层实施深孔预裂爆破卸压增透技术是一种积极可行的方案。
参考文献：
[1]罗勇，沈兆武.深孔控制卸压爆破机理和防突试验研究[J].力学季刊，2006，27（3）：469-475.
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[5]龚敏，黄毅华，王德胜，等.松软煤层深孔预裂爆破力学特性的数值分析[J].岩石力学与工程学报，2008，27（8）：1 674-1 681.
[6]褚怀保，杨小林，梁为民，等.煤体爆破作用机理模拟试验研究[J.煤炭学报，2011，36（9）：1 451-1 456.
[7]刘健.低透气煤层深孔预裂爆破增透技术研究及应用[D].淮南：安徽理工大学，2008.
[8]蔡峰.高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破强化增透效应研究[D].淮南：安徽理工大学，2009.
[9]黄文尧，穆朝民，宗琦，等.水胶药柱深孔预裂爆破弱化综采面硬岩断层分析[J].重庆大学学报，2013，36（7）：102-106.
[10]龚敏，王德胜，黄毅华，等.突出煤层控制爆破时的控制孔的作用[J].爆炸与冲击，2008，28（4）：310-315.
[11]龚敏，王楚涵，王华，等.多层煤——岩介质中扇形深孔爆破应力场特性[J].北京科技大学学报，2012，34（6）：614-619.
[12]蔡峰，刘泽功.爆轰应力波在高瓦斯煤层中的传播和衰减特性[J].煤炭学报，2014，39（1）：110-114.
（责任编辑：何学华，吴晓红）