深孔控制松动爆破防突技术的研究方案

巷道快速掘进防治煤与瓦斯突出技术的研究中国地质大学（北京）平煤集团十矿目录深孔控制松动爆破防治煤与瓦斯突出技术的理论研究 (3)前言 (3)1 深孔控制松动爆破成缝机理 (3)爆炸应力波的作用机理 (3)爆生气体作用及贯通裂隙形成条件 (4)控制孔的应力散布 (5)2 深孔控制松动爆破参数设计 (8)孔径的选择 (8)火药选择 (9)装药方式 (9)爆破孔与控制孔间距选择 (9)爆破孔和控制孔的设计参数 (13)大直径钻孔预测煤与瓦斯突出技术的理论研究 (15)3 钻屑量（钻屑倍率）的理论分析 (15)钻屑量（钻屑倍率）的理论推导 (15)影响钻屑因素的分析 (19)工程应用的评价 (19)4 钻屑解吸指标的理论分析 (20)儓᠄牦儤堁卅䉁◶閔撀解䐸腌怐框⒡H相同。

4,扩散臀喃 (21)"0巄䁜面蒻塐瓦䖤䶌凘氄体动䂙嬦模喋 (27)5"2 ᒳ䭔擆斏涌出䈝速度的分➐结暜 (28)深孔控制松动爆破防治煤与瓦斯突出技术的理论研究前言深孔控制预裂爆破技术是由松动爆破和控制孔组合形成的一种防治煤与瓦斯突出的技术，其特点是在爆破孔周围增加辅助自由面（控制孔）进行爆破，提高爆破孔产生松动（裂隙）范围的一种增透方式；在其产生煤层裂隙进程中，既不同于一般的预裂爆破又不同于松动爆破。

它是由爆炸压力波、爆生气体和瓦斯压力一路作用煤体的结果，因此在研究深孔控制预裂爆破防治煤与瓦斯突出技术前，研究清楚其作用机理，对实际防治煤与瓦斯突出具有很重大的指导意义。

1 深孔控制松动爆破成缝机理爆炸应力波的作用机理在煤壁中，火药在炮孔内爆炸，产生强冲击波和大量高温、高压爆生气体。

由于爆炸压力远远超过煤的动抗压强度，使孔半径1～3倍范围内的煤体被强烈紧缩、粉碎，形成紧缩粉碎区，或称爆破近区；在该区有相当一部份爆炸能量消耗在对煤体的过度破碎上；然后，冲击波以应力波形式向煤体深部传播。

在应力波作用下，煤体质点产生径向位移，由此在靠近紧缩粉碎区的煤体中产生径向紧缩和切向拉伸。

当切向拉伸应力超过煤体的动抗拉强度时会产生径向裂隙，并随应力波向前传播而扩展。

当应力波衰减到低于煤体抗拉强度时，裂隙便停止扩展。

在应力波向前传播的同时，爆生气体紧随其后迅速膨胀，进入由应力波产生的径向裂隙中。

由于气体的尖劈作用，使裂隙继续扩展。

随着裂隙的不断扩展，爆生气体膨胀，气体压力也迅速降低。

当压力降到必然程度时，积蓄在煤体中的弹性能就会释放出来，形成卸载波，并向炮孔中心方向传播，使煤体内部产生环向裂隙，通常环向裂隙较少。

由于径向裂隙和环向裂隙彼此交叉而形成的区域称之为裂隙区或爆破中区；当应力波进一步向前传播时，己经衰减到不足以使煤体产生破坏，只能使煤体质点产生震动，以地震波形式传播直至消失；故把裂隙区之外的区域称为震动区或爆破远区。

如图1－1所示。

图1－1 爆破孔受力区域散布图爆生气体作用及贯通裂隙形成条件在应力波事后，爆生气体产生准静态应力场，并楔入空腔壁上己张开的裂隙中，在裂隙尖端产生应力集中，使裂隙进一步扩展。

在裂隙扩展进程中，爆生气体第一进入张开宽度大、较平直、对气体楔入阻力小的大裂隙中；然后再进入与之沟通的小裂隙中，直到爆生气体压力降到不足以使裂隙继续扩展为止。

爆生气体在煤体内产生的准静态应力能够为随距炮孔中心距离的增加而衰减，在煤体内存在爆生气体应力梯度。

因此，爆破裂隙始终是向着远离炮孔方向进展。

在爆破孔轴向方向，若存在压力梯度，裂隙也会沿着轴向扩展。

总之，裂隙在爆生气体压力驱动下，始终朝着压力（或应力）低的方向扩展。

为简化分析，第一分析爆破炮孔周围裂隙的扩展情形。

假设煤体为线弹性体，孔壁经受准静态压力作用，故可用线弹性断裂力学进行描述，其断裂力学模型如图1－2所示。

图1－2裂隙扩展断裂力学模型由线弹性断裂力学可知,在孔内压力作用下，裂隙尖端应力强度因子为Ｋr=πL[(1-2/π)P m-σ]式中:L为裂隙扩展刹时长度；P m为孔壁压力；σ为地应力。

由式可看出,随着地应力σ的增大，应力强度因子Ｋr呈线性下降趋势。

在距爆破孔中心较远的位置，爆生气体准静态压力已大大降低，一样Ｋr也大大减小。

当Ｋr衰减到必然值时,爆破裂隙便停止扩展。

裂隙失稳扩展条件为Ｋr≥1. 6K rc式中, K rc为静态断裂韧性,N/ｍ3/2。

综合上述分析，可得出爆破孔间形成贯通裂隙条件是：L≥K rc/ [(1-2/π)Pｍ-σ]2爆破孔与控制孔间距L k应知足下列条件：L k≤L控制孔的应力散布由于爆破孔周围存在辅助自由面—控制孔，当紧缩应力波传播到该自由面时，会反射成拉伸波，当拉伸波大于煤体的抗拉强度时，就会产生霍金逊效应，使煤体从自由面向里片落。

同时反射拉伸波和径向裂隙尖端处的应力场彼此叠加，促使径向裂隙和环向裂隙进一步扩展，大大增加裂隙区的范围。

如图1－3所示图1－3 爆破孔和控制孔作用示用意由于控制孔直径远小于孔间距，因此可把爆炸压力对控制孔的作用视为无穷大煤体中受爆炸压力作用的弹性力学模型，控制孔处于爆炸应力场中，使爆炸应力的散布状态发生改变，在控制孔周围产生应力集中。

其受力状态力学模型如图1－4所示。

图1－4a 控制孔与爆炸孔布置图图1－4b 控制孔受爆炸应力影响的应力状态第一考虑煤体单向拉力时拉伸应力P ，由弹性力学得出，横截面a a '上的应力散布为：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++='4222163422r d r d P a a σ 式中d ―控制孔半径，m ；r ―截面上某点离孔中心的距离，m 。

在截面a a '上，随着r 的增加，应力专门快衰减：当P 22.1＝时，a a d r '=σP 04.12＝时，a a d r '=σ可见，在控制孔边缘a a '上的应力散布特点：孔边应力大，衰减快，孔边形成最大应力为3K max ＝＝σσ在纵截面b b '上的应力散布为控制孔周围的切向应力为：孔边b 点应力的绝对值最大，应力状态为压应力P b b -='σ在截面b b '上，随着r 的增加，应力也衰减专门快：当P 003.0＝时，b b d r '=σP 025.02＝时，b b d r '=σ当控制孔受到双向力时若彼此垂直的两个方向上的一个为拉应力，一个压应力时。

则控制孔边缘的应力按照上述单向应力情形进行叠加而得：当垂直P 单独作历时，P P b a -=σσ,3＝当水平P 单独作历时，P P ba 3,=-σσ＝222244312r d r d P b b ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-='σ当同时作历时P P P a 23=-＝σP P P b 23=-＝σ受爆炸载荷扰动高压瓦斯压力也将作用于裂隙内，应力进一步增大，控制孔发生塑性变形，钻孔周围应力进一步增大，进一步促使裂隙扩展，最终在炮孔连线方向形成贯通裂隙。

所以说，控制孔主要在两方面起作用：一方面，控制了爆炸能量作用的方向，提高了爆炸能量的利用率，改善了爆破的效果，使得布孔区间周围的煤体充分地利用了火药的能量；另一方面，控制孔起到了补偿空间的作用，使得爆破后的煤体不会从头压实，破碎圈与松动圈始终存在，增大煤层透气性，更好排放瓦斯。

2 深孔控制松动爆破参数设计爆破孔和控制孔的布置一般遵循以下原则：(1)不仅要求在相邻孔间连线方向形成贯通裂隙，而且要求在其它方向上产生尽可能多的裂隙；(2)尽可能使爆破影响范围大,两帮控制范围要在2m 以上；(3)在保证防突效果的前提下，考虑到经济本钱，尽可能减少孔数，缩小孔径、增大一次爆破长度。

孔径的选择一、爆破孔径越大，装药量越多，爆炸能量越大按照现场机具 取R ＝42mm二、控制孔孔径越大，对裂隙的形成和扩展越有利受现场打钻设备和工艺安全等因素的限制，一般在75mm ～150mm之间。

控制孔孔径一般取89mm 。

火药选择因为松动爆破要尽可能产生多的裂隙，若是爆速太高，作历时刻短，就会使专门大一部份爆炸能量消耗在压碎圈上，从而无益于松动圈的形成。

按照现场实际情形，选用水胶火药。

装药方式因为正向起爆时，爆轰波传播方向是从孔口向孔底传播，爆炸应力波相对地对孔口方向作用较小，从而避免爆破“冲炮”的发生，所以采用正向起爆装药。

采用不耦合装药，因为如此能够降低对孔壁的冲击压力，减少粉碎区，激起的应力波在岩体内的作历时刻加长，从而加大裂隙区的范围，充分利用了火药能量。

爆破孔与控制孔间距选择无穷介质中单个爆破孔裂隙区半径R P 从理论上分析，可按下述方式求算：1） 按爆炸应力波作用计算爆破孔裂隙区半径R P式中 Rp ——裂隙区半径；P r ——孔壁初始冲击压力峰值；σt ——岩石的抗拉强度，Mpa ；b ——径向应力和切向应力比例系数，b ＝μ/(1－μ), μ为泊松比；α——压力衰减指数，α＝2－b ；b at P r b R 1)Pr (σ=r b ——炮孔半径,mm 。

采用不耦合装药时，孔壁初始冲击压力峰值P r 按下式计算：n r r D bc e e 62)(81Pr ρ=式中 ρe ——火药密度，kg/m 3；De ——火药爆速,m/s ；r c ——装药半径,mm ； n ——爆生气体碰撞煤壁时产生的应力增大倍数，n ＝8～11。

2）按爆生气体准静压作用计算爆破孔裂隙区半径R P继冲击波后，爆生气体在炮孔中等熵膨胀，充满炮孔时的爆生气体压力为：620)(81bc e ed d D P ρ= 式中 ρe ——火药密度，kg/m 3；De ——火药爆速,m/s ；d c ——装药直径,mm ；d b ——炮孔直径,mm 。

封锁在炮孔内的爆生气体以准静压的形式作用于炮孔孔壁，形成岩石中准静态应力场，其应力状态类似于经受均匀内压的厚壁圆筒（以为筒的外径趋于无穷大）。

因此可用弹性力学的厚壁筒理论求解岩石中的应力状态，其径向压应力和切向拉应力数值相等，即σθ＝|σr |=( r b /r)2P 0式中r ——距爆破孔中心的距离； r b ——爆破孔半径；σr ——径向压应力值；σθ——切向压应力值。

以岩石的抗拉强度σt 取代上式中的切向压应力值σθ，即可求得裂隙区半径为式中 Rp ——裂隙区半径；P 0——爆生气体压力； σt ——岩石的抗拉强度。

r b ——炮孔半径。

爆生气体膨胀的准静态能量，是破碎岩石的主要能量。

前苏联哈努卡耶夫以为，岩石波阻抗不同，破坏时所需应力波不同，岩石波阻抗高时，要求高的应力波峰值，现在冲击波或应力波的作用就显得重要，他把岩石按波阻抗值分为三类：第一类岩石属于高阻抗岩石。

其波阻抗为15×105～25×105 g/s 。

这种岩石的破坏主要取决于应力波，包括入射波和反射波。

第二类岩石属于低阻抗岩石。