构造异常区能量单元切割理论及冲孔-爆破协同增透技术
蒋静宇1
董晓斌2
魏民涛3
王成浩4
程远平2
史孝宁2
1.中国矿业大学煤矿灾害防控全国重点实验室,江苏 徐州 221116;中国矿业大学安全工程学院,江苏 徐州 221116;中国矿业大学贵州研究院,贵州 贵阳 5500012.中国矿业大学煤矿灾害防控全国重点实验室,江苏 徐州 221116;中国矿业大学安全工程学院,江苏 徐州 2211163.河南神火煤电股份有限公司,河南 商丘 4766004.中国矿业大学人工智能研究院,江苏 徐州 221116
摘要：煤矿构造异常区通常具有应力集中、高瓦斯赋存、低渗透性、构造煤发育及致灾能量分布不均匀的特点,是煤与瓦斯突出重点防控区域.水力/气动冲孔技术是构造煤卸荷瓦斯抽采的主要手段之一,相较于常规抽采钻孔,可明显提高卸压半径,但煤层相邻冲孔钻孔之间易形成新的应力集中带,限制和影响瓦斯抽采.采用理论分析,数值模拟和现场实验相结合的方法,研究了冲孔与爆破联合卸压增透降能消突原理.主要研究结论为:①提出了突出能量单元切割理论及冲爆协同增透技术,结合突出潜能分布和突出启动能量判据,将煤层划分若干个能量单元,进行边界处切割、内部分区治理.针对构造异常区煤体采用先冲孔后可控定向聚能爆破的方式对煤体定向致裂、释放应力,冲孔孔洞为爆破影响范围内煤体移动提供了自由空间,在爆破点处形成了煤体自由面并改变了煤层的连续性,爆生气体与定向应力波可促进应力再平衡.②FALC3D模拟显示,冲孔可以降低孔周煤体应力,随着冲孔半径的增大,卸压半径亦随之增大.且冲孔后会在孔周卸压区外形成一定范围的应力集中带,限制瓦斯流动.③阐明了可控定向聚能爆破技术的介质-能量切割原理,爆破改变了被切割单元煤体自由面附近的突出潜能赋存梯度,实现介质切割控制能量切割.单元切割有效增加了采掘工作面前方阻能区长度,降低了低能-高能过渡带内作业风险.④利用ANSYS/LS-DYNA软件,模拟了煤层可控定向聚能爆破与冲孔孔洞协同作用,结果表明可控定向聚能爆破实现了对煤体的定向致裂,在聚能方向上侵彻煤体形成较大裂隙.随着时间推移,以冲孔孔洞作为控制孔的孔周产生环向裂隙网,并随着裂隙扩展逐渐与非聚能方向的裂隙贯通,实现对煤体的有效增透.⑤冲爆协同增透技术现场试验表明,爆破孔周围 10m范围内冲孔区域煤体应力和排渣量显著降低,单、双根聚能管爆破后的瓦斯抽采纯量分别提高 1.76～4.35倍和 1.35～8.60倍.水力冲孔瓦斯有效抽采半径仅为 5m,冲孔与爆破协同卸压增透影响半径大于10 m,卸压效果提高一倍以上,煤巷月掘进速度提高了20 m.
关键词：煤与瓦斯突出构造异常区能量单元切割可控定向聚能爆破卸压增透
分类号：TD712(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家自然科学基金(52174217)国家自然科学基金(52104210)国家自然科学基金(52404262)
论文发表日期：2025-05-30
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：19( 2477-2495 )
英文信息