坑口电厂粉煤灰制备井下砌块的研究

1　概述

　　煤与瓦斯突出是煤矿生产中最严重的灾害之一。防治煤与瓦斯突出的技术很多^{［1］［2］}，其中煤层瓦斯预抽放已成为防治煤与瓦斯突出的一项重要技术措施。但在我国瓦斯矿井中有相当多的煤层是低透气坚硬难抽煤层，瓦斯抽放率很低。因此，如何提高此类煤层瓦斯抽放率是我国煤炭工业近十年来研究和亟待解决的课题之一。当前，国内外所采用的提高煤层透气性的方法有^［3］：水力压裂法、大直径钻孔卸压法、松动爆破法、泡沫压裂法及酸性处理法等。这在我国煤矿中大都试验过，并有一定效果，但效果并不显著或在实际生产中难于实施。
　　近年来，由于能源开发的刺激，特别是石油、天燃气的开采，提高产量的钻井人工致裂方法（Well Stimulation）有了新进展，一个新的钻井致裂概念——裁剪脉冲加载法（Tailored Pulse loading），在80年代出现了^［8］。中国科学院曾在“煤与瓦斯突出的综合治理”“七五”攻关项目中，选定了这种钻孔致裂方法，在南桐矿区作过少量试验^［4］。本文是司法部重点攻关项目——“特种致裂技术提高沼气抽出率的研究”，应用了钻孔致裂技术中的裁剪脉冲加载法，并在芙蓉矿进行了对比试验，取得了显著的效果。

2　裁剪脉冲加载法产生多裂纹的机理

　　裁剪脉冲加载法是对钻孔壁施加一个压力脉冲荷载并对其进行“裁剪”，调整脉冲荷载参量以产生最佳致裂效果，增大钻孔附近岩层的孔隙率和渗透性^{［4］［5］}。该法的主要问题之一，是如何调整脉冲荷载，产生适当数目的孔边裂纹。

2.1　多裂纹的产生

　　由于在地应力场中钻孔周围初始应力状态通常是非均匀的，当均匀压力荷载施加于孔壁上时，一般在垂直于最小主应力方向上首次出现裂纹，而不是所有要生成的裂纹同时形成和扩展，即裂纹生成的时间有先后顺序，这可从动光弹试验中直接观察到^［9］。
　　图1为具有一对对称径向裂纹的圆孔和当其孔壁和裂纹表面承受不同压力脉冲作用时的分析模型。在裂纹表面上承受压力脉冲作用时，将在裂纹表面激发压应力波，这个应力波将沿圆孔周围绕射，从而在裂纹根部附近产生一个切向压应力σ_θ，另外产生一个如图1a中阴影部分所示的低应力区。当孔周围介质的抗拉强度高于这个拉应力值时，则在这个区域中的孔壁上将不可能产生由切向拉应力引起的径向裂纹^［9］。

图1　分析模型和压力脉冲荷载

2.2　数值分析

　　图1中的分析模型为计算模型，从该图中可知，应力波在圆孔周围的绕射能力取决于应力波波长λ和圆孔直径D之比。λ/D值越大，应力波的绕射范围就越大，特别是当λ/D小于10时，应力波绕射范围随λ/D值的变化而急剧改变。随着λ/D值的增高，随后生成的孔边裂纹数会减少。即裂纹根部附近形成的裂纹生长区的范围与裂纹表面激发应力波波长与钻孔直径之比密切相关，孔边裂纹总数与λ/D值成反比^［6］。
　　用脉冲荷载持续时间t_d乘以膨胀波在孔周围介质中的传播速度V，可近似表示裂纹表面上所激发的应力波波长λ。由此可建立孔边生成的裂纹数N，钻孔直径D及t_d、V之间的近似关系式

　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）

　　根据弹性介质中膨胀波的传播速度关系，上式可写为

　　　　　　　　　　　　　　　　　（2）

式中　K——比例系数；
　　E、μ、ρ——孔壁周围介质的弹性模量、泊松比和密度。
　　式(2)表明了在裁剪脉冲法中孔边生成的裂纹数目与脉冲持续时间、钻孔直径和周围介质的物理力学性质之间的关系。根据Fourney等人的动光弹试验结果^{［5］［7］}，在扩展的孔边裂纹中压力波阵面落后于断裂阵面，速度也落后66%。由Swenson和Taylor的计算分析，仅在靠近根部的孔边裂纹表面的2/3承受压力作用，该压力值仅为孔内压力的1/3^［10］。

2.3　模型试验研究

　　基于上面的数值分析结果,对于整个孔边裂纹的形成过程，脉冲荷载的上升持续时间t_r起最主要的作用，可近似代替t_d，并由试验观察所得N值代入式（2），可得K约为70，进而可解得中等脉冲荷载上升时间条件下的近似关系式^{［6］［9］［10］}

　　　　　　　　　　　　　　　　　（3）

　　由式（3），可根据所希望的裂纹数目、钻孔直径和孔周围岩石的物理力学性质，确定在裁剪脉冲加载法的钻孔裂纹设计中合理脉冲荷载上升时间，并为大规模现场试验提供了模拟准则。

3　试验区及煤层性质

　　芙蓉煤矿煤层硬度大，普氏系数为2～3，致密，透气性低，属难抽放煤层。开采C₅、B₃₊₄和B₂三个煤层，属无烟煤，具有自然发火倾向，富含沼气，为高瓦斯矿井，并具有突出危险。投产以来共发生突出47次。
　　试验区选在4336和4342工作面，分别位于B₃₊₄和B₂煤层。根据芙蓉煤矿已形成的瓦斯抽放系统，为便于与瓦斯参数考察测定的地质区域相联系，将试验地点选在431110瓦斯抽放巷内，该处煤层、围岩处于原始应力状态，未受采动影响。
　　试验区共钻孔11个（仅8号孔失效），孔径115 mm，如图2所示，其中2^＃、3^＃、4^＃孔未爆破，5^#、6^＃、7^＃孔为爆破致裂孔，2-1^＃、2-2^＃、7-1^＃、7-2^＃孔为致裂影响范围考察孔，孔径70 mm，2^＃、3^＃、6^＃孔为瓦斯自排孔，4^＃、5^＃、7^＃孔为瓦斯抽放孔。后6个孔均用煤气表测定瓦斯流量。

图2　有控爆破致裂钻孔布置

4　钻孔有控爆破致裂试验

4.1　爆破致裂压力

　　根据断裂力学理论，当圆孔裂纹长度a不超过半径的5%时，裂纹开始扩展所需的临界压力P₀与裂纹数无关，故P₀值可用下式计算

　　　　　　　　　　　　　　　　　(4)

式中　K_IC——煤的断裂韧度，测得值为1.407 MPacm^1/2；
　　　　a——煤层中原生微裂隙长度，取0.77 mm。
　　由于煤的动态断裂韧度K_1d，比静态值K_IC提高约60%，据此，算得P₀=2.04　MPa^［4］。这表明，在煤层中使孔边原生微裂隙扩展所需的压力是很低的。由于试验区煤层在平均埋深400 m时，由自重引起的垂直应力分量为10 MPa，因而在驱动裂纹扩展时，相当一部分爆炸能是用于克服地应力作用的。
　　由于高能炸药所产生的爆炸压力可高达20 GPa，远远超过P₀值，势必造成钻孔壁的严重变形和形成孔周围的残余“应力笼”。因此，现场试验采用特殊设计制作的药筒，使作用于孔壁的实际压力成为“裁剪”脉冲压力荷载。而且其脉冲上升时间、峰值压力和持续时间基本上能达到理论上的要求。

4.2　钻孔致裂爆破参数

　　炮孔装药结构是裁剪脉冲法致裂过程中的关键一环，它直接关系到爆破致裂的效果。如图3所示，采用3^#煤矿安全炸药，线装药密度为2.25　kg/m，每孔装药量为1.35　kg，药筒直径为110 mm,长1 100 mm。药筒中上、中下段各装一段水炮泥，以防煤尘、瓦斯爆炸或燃烧。炸药周围充填了一层粒度为2 mm的粗砂作为裂纹张开的支撑剂。炸药分3段装入药筒，每段装2只雷管，药筒用牛皮纸和聚乙烯薄膜包扎。炮孔装填结构见图4。孔口3～4 m段用黄泥堵塞，口部用圆锥形大木塞塞紧，孔底装入3～3.5 m长炮棍，以保证药筒位于煤层中下部，利用药筒爆炸产生的高压气体、冲击波及膨胀气体压缩空气柱使爆炸气体脉冲上升时间增长，作用时间延长，使裂纹数目增多，长度增大。

图3　药筒结构示意

1—牛皮纸；2—炸药；3—粗砂

图4　炮孔装填结构

5　测试结果与分析

5.1　数据测试

　　为检验、监测钻孔致裂与非致裂效果，又避免采用昂贵的测试仪器，采用了普通仪表进行对比测试，以观测两类孔的瓦斯流量及瓦斯压力参数。负压表读数则反映瓦斯抽出程度，即强制瓦斯自排作用强度。2^#、7^#孔的瓦斯流量测试在80 d、110 d时，分别又测其瓦斯压力，而其瓦斯流量按自排、抽放状态进行。若瓦斯压力为零，则说明致裂孔与检测孔之间的裂纹已连通。

5.2　测试结果分析

　　将致裂孔与非致裂孔的瓦斯自排与抽放流量逐日测试，将所得数据进行计算、整理并作回归分析，拟合成数学解析表达式，其结果表明，有控爆破致裂的效果是显著的。例如：4^#、5^#孔同为抽放孔，但采取有控爆破致裂的5^#孔，其瓦斯流量在初期高于4^#孔1.96倍，末期高4.33倍。4^#孔的瓦斯流量在100 d时只有6 L/min，而5^#孔在120 d时尚有32 L/min，两者的回归方程分别为

Q₄=-4.887 47lnt+29.783 7　　　　　　　　　　　　　　　　　(5)

Q₅=51.356 1e^{-0.004 913t}　　　　　　　　　　　　　　　　　(6)

　　测试曲线及回归曲线参见图5。回归方程分别是

Q₂＝37.163 8e^{－0.013 378t}

Q₃＝29.135 3e^{－0.004 358t}

图5　4^#、5^#孔Q-t关系曲线

　　表1汇总了全部试验孔的测试数据整理结果。从表中可知，有控爆破致裂孔的初期瓦斯平均涌出是非致裂孔的1.78倍，末期为3.01倍，致裂孔瓦斯涌出衰减时间长，衰减梯度小。因而致裂瓦斯涌出总量比非致裂孔瓦斯涌出总量大得多，测试值在3倍以上。从瓦斯压力测试结果看，有控爆破致裂技术的效果和作用范围是显著的。7^#孔采取了有控爆破致裂技术，在与之相距0.5 m的7-1^#孔测得瓦斯压力为零，相距1.0 m的7-2^#孔瓦斯压力为0.025～0.040 MPa，显示出一定的瓦斯压力，说明裂纹扩展长度大于0.5 m，小于1.0 m。由于多裂纹的产生，钻孔周围裂纹中瓦斯的排放致使7^#孔的瓦斯流量大，长时间不衰减，瓦斯压力仅为0.03～0.075 MPa。

表1　裂孔与非致裂瓦斯流量比较