一种煤矿井下深孔径向不耦合爆破卸压方法与流程

一种煤矿井下深孔径向不耦合爆破卸压方法，属于煤矿井下爆破技术领域。

背景技术：

冲击地压灾害是一种破坏性极强的岩石动力灾害，具有强势的动力失稳特征。近年来由于煤矿井下开采深度的不断增加，冲击地压灾害出现的频率和强度持续增大。而且在世界各个产煤国家冲击地压灾害均有发生，并造成了一定的人员伤亡和财产损失。国内外工程技术人员围绕冲击地压灾害防治技术开展了大量研究工作，提出了众多可行性方法，爆破卸压技术就是一种较为有效的冲击地压防治方法。爆破卸压技术因为施工简单、操作方便、实施地点和时间灵活机动，对地质条件和生产条件要求不高，逐步成为了防治冲击地压最为普遍的方法之一。

在利用爆破卸压技术对冲击地压灾害进行防治时，影响其爆破卸压效果的因素较多，其中装药结构就是其中之一，具体而言，装药结构对爆破能量传递、破岩效果等均具有较大影响。装药结构按照炸药装入爆破孔内的集中程度、与孔壁的耦合情况以及药包相对爆破孔位置的关系区分，分为耦合装药与不耦合装药两种。如果炸药装满整个爆破孔的径向空间，则称为耦合装药。如果炸药与爆破孔径向之间留有一定空隙，称为不耦合装药。经研究发现，不耦合装药可以使炸药能量得到较为充分的利用，爆破产生的能量可以增加煤体内裂隙的产生和扩展，有利于降低煤岩体内的应力集中程度。

然而在现有技术中，利用爆破卸压技术进行爆破时大多为耦合装药结构，一般耦合装药爆破容易引发较大的冲击力，大量能量消耗在粉碎区，真正用于扩大裂隙的能量较少，这样很容易造成防治效果差、炸药浪费的情况，而且由于不合理的爆破应力参与，还会进一步加剧煤岩体应力集中状况，造成煤矿的安全隐患的存在，不利于煤矿的安全生产。

同时在现有技术中，在利用爆破卸压技术进行冲击地压之后，没有一种可靠的技术对爆破的效果进行检验，从而无法得出爆破对冲击地压灾害的爆破效果，因此大大降低了爆破卸压技术的可靠性和可操作性，同时由于无法得到爆破卸压的效果，因此也在一定程度上增大了煤矿生产的危险性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种煤矿井下深孔径向不耦合爆破卸压方法，通过不耦合爆破装药设备实现了煤岩层不耦合爆破的爆破卸压，大大提高了爆破效果，消除了煤矿的安全隐患，同时对爆破效果进行检验，提高了爆破卸压的可靠性和可操作性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该煤矿井下深孔径向不耦合爆破卸压方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤a，测量得到煤岩层中高应力区的位置；

步骤b，进行不耦合爆破参数的设计；不耦合爆破参数设计包括爆破孔参数设计、不耦合爆破充填介质的设计以及单孔装药量设计，其中爆破孔参数设计包括爆破孔深度的设计、爆破孔直径的确定以及相邻两个爆破孔之间间距的设计；

步骤c，按照步骤b得到的不耦合爆破参数在煤岩层中施工形成爆破孔；

步骤d，利用不耦合爆破装药设备将炸药装入爆破孔内，然后进行封孔；

步骤e，在爆破孔外部将爆破孔内的炸药引爆；

步骤f，按照爆破效果检验标准对爆破效果进行检验；

步骤g，检验爆破效果是否合格，如果爆破效果合格，执行步骤h，如果爆破效果不合格，返回执行步骤b；

步骤h，爆破效果合格，完成爆破。

优选的，所述的相邻两个爆破孔之间间距的设计，包括如下步骤：

步骤b-1，得到裂隙区半径rc与不耦合系数k的表示公式：

其中：k为不耦合系数，表示爆破孔直径与炸药直径的比值，k∈(1，10)，且k为整数；m为动态抗拉强度的提高系数，一般取m＝2；σt为煤岩层10的静态抗拉强度；ρc0为孔壁围岩的初始密度；c为弹性波的纵波波速；c1为水中冲击波的波速；ρ1为冲击波波阵面上水的密度；b为侧向应力系数；rb为爆破孔半径；a为载荷传播衰减指数；ρe为炸药密度；rc为裂隙区半径；

步骤b-2，根据煤岩层的类型得到裂隙区半径rc与不耦合系数k的关系曲线；

步骤b-3，根据裂隙区半径rc与不耦合系数k的关系曲线，然后利用最优不耦合系数取值流程得到在不耦合系数k的取值范围内的最优值，并进一步得到裂隙区半径rc的最优值；

步骤b-4，相邻两个爆破孔之间间距dc表示为：

dc＝2rc

其中：rc表示裂隙区半径。

优选的，所述的最优不耦合系数取值流程，包括如下步骤：

步骤b-3-1，在不耦合系数k的取值范围内得到一个不耦合系数k的确定值，然后确定不耦合系数k的取值范围：k±m，m∈(0.5，0.8)；

步骤b-3-2，根据裂隙区半径rc以及不耦合系数k的关系分别求得[k-m，k]以及[k，k+m]所对应的裂隙区半径rc的两个区段范围[rc(k-m)，rc(k)]以及[rc(k)，rc(k+m)]；

步骤b-3-3，根据如下公式计算在该k值下的裂隙区半径rc的变化率：

步骤b-3-4，循环执行步骤5001～步骤5003，在不耦合系数k的取值范围内，计算所有不耦合系数k的裂隙区半径rc的变化率，其中裂隙区半径rc的变化率最大值所对应的不耦合系数k即为不耦合系数k的最优值。

优选的，在所述的单孔装药量设计时，单孔装药量的计算公式为：

其中，q为单孔装药量；k为上述的不耦合系数；rb为爆破孔半径；ρe为炸药密度；le为装药长度，le为爆破孔深度的1/3。

优选的，在步骤d中，所述的不耦合爆破装药设备位于所述的爆破孔的尽头，不耦合爆破装药设备包括炸药被筒，所述的炸药放置在炸药被筒的内腔中，在炸药被筒的两端分别设置有一个被筒堵头，用于引爆破药的引线自爆破孔的端口引出，炸药被筒与爆破孔间隔形成不耦合爆破填充介质的放置空间。

优选的，在所述的炸药被筒的外周圈的前侧和后侧套设有使炸药被筒位于爆破孔中心的居中环。

优选的，所述的不耦合爆破填充介质为空气或盛放有水的集水袋。

优选的，步骤f所述的爆破效果检验标准为：

(1)爆破后，煤岩层内应力值低于其极限值的60％；

(2)爆破后，巷道的位移量小于其位移量所容许的最大值；

当同时满足以上两条即认为的爆破效果合格。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、在煤矿井下深孔径向不耦合爆破卸压方法中，通过不耦合爆破装药设备实现了煤岩层不耦合爆破的爆破卸压，大大提高了爆破效果，消除了煤矿的安全隐患，同时对爆破效果进行检验，提高了爆破卸压的可靠性和可操作性。

2、利用不耦合装药设备形成的不耦合爆破可增加爆生气体的作用时间，使煤岩层的受力时间增加，从而在裂隙区扩展裂隙的时间和范围得到了加大，而且不耦合装药设备中充填介质的存在可以使爆破初始应力降低，减小对孔壁冲击，进而使粉碎区的范围缩小，使更多的爆破能量用于裂隙区的裂隙发育。

3、通过设置居中环，可以使炸药被筒位于爆破孔中心，提高了爆破效果。

4、通过最优不耦合系数取值流程，在确定了煤岩层类型的情况下可以得到不耦合系数的最优值，可以对应得到裂隙区半径的最优值，进一步得到爆破孔的最佳间距，有助于提高爆破效果。

附图说明

图1为耦合爆破及不耦合爆破作用应力-时间曲线图。

图2为煤矿井下深孔径向不耦合爆破卸压方法流程图。

图3为煤矿井下深孔径向不耦合爆破卸压方法爆破孔设置示意图。

图4为煤矿井下深孔径向不耦合爆破卸压方法裂隙区半径与不耦合系数关系曲线图。

图5为煤矿井下深孔径向不耦合爆破卸压方法最优不耦合系数取值流程图。

图6为煤矿井下深孔径向不耦合爆破卸压方法不同介质爆破应力衰减曲线。

图7为煤矿井下深孔径向不耦合爆破卸压方法实施例1不耦合爆破装药设备结构示意图。

图8为煤矿井下深孔径向不耦合爆破卸压方法爆破前后煤岩层应力监测曲线。

图9为煤矿井下深孔径向不耦合爆破卸压方法巷道变形监测曲线。

图10为煤矿井下深孔径向不耦合爆破卸压方法实施例2不耦合爆破装药设备结构示意图。

其中：1、爆破孔2、巷道顶板3、巷道4、巷道底板5、居中环6、集水袋7、雷管8、炸药被筒9、被筒堵头10、煤岩层11、封孔料12、雷管引线。

具体实施方式

实施例1：

图1～9是本发明的最佳实施例，下面结合附图1～10对本发明做进一步说明。

在进行爆破卸压时，在发生爆破之后，以爆破孔为中心向外依次形成粉碎区、裂隙区和震动区，尤其在卸压爆破时，裂隙区范围大小直接影响到卸压效果。爆破卸压可以破坏煤岩层10的整体性，降低聚能性，这样就需要将爆破产生的能量尽可能用于裂隙区的产生，减少其他区域的消耗。

现场工程中，装药结构的不同关系到爆破能量的有效利用率。耦合装药结构完成的爆破会产生较大冲击力，使爆破能量多数消耗在除裂隙区之外的其他区域中，真正用在裂隙区的能量较少。

而不耦合装药设备形成的爆破可增加爆生气体的作用时间，如图1所示，使煤岩层10的受力时间增加，从而在裂隙区扩展裂隙的时间和范围得到了加大，而且不耦合装药设备中充填介质的存在可以使爆破初始应力降低，减小对孔壁冲击，进而使粉碎区的范围缩小，使更多的爆破能量用于裂隙区的裂隙发育。

如图2所示，一种煤矿井下深孔径向不耦合爆破卸压方法，包括如下步骤：

步骤1001，动力灾害危险区域辨识；

利用常规的钻屑法、煤体应力监测法等方法测量得到煤岩层10中高应力区的位置。

步骤1002，爆破参数设计；

在爆破参数设计中，主要包括爆破孔参数设计、不耦合爆破充填介质的设计以及单孔装药量设计。

1、爆破孔参数设计：

如图3所示，在巷道3中包括巷道顶板2和巷道底板4，根据步骤1001中得到的高应力区的位置，在巷道侧壁上依次施工若干爆破孔1，在爆破孔1的施工时，需要得到如下参数：相邻两个爆破孔1之间的间距、爆破孔深度以及爆破孔直径，具体而言：

(1)爆破孔深度的确定。

在通过步骤1得到煤岩层10中高应力区的位置之后，即得到高应力区与巷道侧壁之间的距离，爆破孔1的深度大于等于高应力区与巷道侧壁之间的距离。

(2)爆破孔直径的确定。

爆破孔的直径由现有技术中的钻具(钻机、钻头、钻杆等)确定，并主要取决于钻头的尺寸，如直径为42mm、44mm、75mm、108mm、150mm的钻头。

(3)相邻两个爆破孔1之间间距的确定。

在发生爆破之后，以爆破孔为中心向外依次形成粉碎区、裂隙区和震动区，尤其在卸压爆破时，裂隙区范围大小直接影响到卸压效果。爆破产生的冲击波经过粉碎区后迅速衰减为应力波，当应力波引起拉伸作用，且煤体质点承受的应力大于煤体抗拉强度时，就会在煤体内部引起裂纹的扩展。爆破孔之间的距离合理时，既能贯通裂隙，起到最佳的卸压效果，又可以达到操作简便并且不会对巷道围岩结构过度破坏，相邻两个爆破孔1之间的间距dc与裂隙区半径rc之间的关系为：

dc＝2rc(1)

其中：rc表示裂隙区半径。

由如下公式对裂隙区半径rc以及不耦合系数k的关系进行表示：

其中：k为不耦合系数，表示爆破孔直径与炸药直径的比值，k∈(1，10)，且k为整数；m为动态抗拉强度的提高系数，一般取m＝2；σt为煤岩层10的静态抗拉强度；ρc0为孔壁围岩的初始密度；c为弹性波的纵波波速；c1为水中冲击波的波速；ρ1为冲击波波阵面上水的密度；b为侧向应力系数；rb为爆破孔半径；a为载荷传播衰减指数；ρe为炸药密度；rc为裂隙区半径。

以砂煤岩层为例，将相应的参数代入公式(2)后得到如图4所示的裂隙区半径rc与不耦合系数k的关系曲线(记为rc-k曲线)，然后根据最优不耦合系数取值流程通过裂隙区半径rc与不耦合系数k的关系曲线找出裂隙区半径rc的最优值，并进一步求得相邻两个爆破孔1之间间距的最优值。

如图5所示，最优不耦合系数取值流程，包括如下步骤：

步骤5001，在不耦合系数k的取值范围内得到一个不耦合系数k的确定值，然后确定不耦合系数k的取值范围：k±m，m∈(0.5，0.8)。

步骤5002，根据裂隙区半径rc以及不耦合系数k的关系分别求得[k-m，k]以及[k，k+m]所对应的裂隙区半径rc的两个区段范围[rc(k-m)，rc(k)]以及[rc(k)，rc(k+m)]。

步骤5003，根据如下公式计算在该k值下的裂隙区半径rc的变化率：

步骤5004，循环执行步骤5001～步骤5003，在不耦合系数k的取值范围内，计算所有不耦合系数k的裂隙区半径rc的变化率，其中裂隙区半径rc的变化率最大值所对应的不耦合系数k即为不耦合系数k的最优值。

步骤5005，根据步骤5004中求得的不耦合系数k的最优值对应得到裂隙区半径rc的最优值。

在求得了裂隙区半径rc的最优值之后，根据上述公式(2)即可得到相邻两个爆破孔1之间的间距。

2、不耦合爆破充填介质的设计。

在现阶段工程爆破中通常采用的耦合介质为水和空气。水的物理力学性能与空气不一样，主要表现为以下两个方面：(1)水的可压缩性远远小于空气，一般情况下它几乎不可压缩；(2)水的密度比空气大，水中爆破产物传播速度比空气中慢，这就使得水中爆破与空气爆破相比冲击波的作用强度高且持续距离长，如图6的曲线所示，因此在本申请中，优选水作为不耦合爆破的填充介质。

3、单孔装药量设计。

单孔装药量可由如下公式进行计算：

其中，q为单孔装药量；k为上述的不耦合系数；rb为爆破孔半径；ρe为炸药密度；le为装药长度，le为爆破孔深度的1/3。

步骤1003，按照步骤1002得到的爆破孔参数在巷道侧壁上进行爆破孔1的施工。

步骤1004，利用不耦合爆破装药设备将炸药装入爆破孔1内，然后进行封孔。

如图7所示，爆破孔1开设在煤岩层10中，不耦合爆破装药设备位于爆破孔1的尽头。不耦合爆破装药设备包括筒状的炸药被筒8，雷管7放置在炸药被筒8的内腔中，在炸药被筒8的两端分别设置有一个被筒堵头9，将雷管7封装在炸药被筒8内，用于引爆雷管7的雷管引线12自爆破孔1的端口引出。

在炸药被筒8的外周圈套设有居中环5，用于实现炸药被筒8处于爆破孔1的中心位置，居中环5在炸药被筒8的前侧和后侧分别设置有一个。在炸药被筒8与爆破孔1间隔形成的空间内放置有作为充填介质的集水袋6，在将不耦合爆破装药设备安装完成之后利用封孔料11将其封装在爆破孔1中。

步骤1005，引爆，在爆破孔1外部引燃雷管引线12将雷管7引爆。

步骤1006，爆破效果检验。

通过爆破前后岩体应力的下降值和巷道的变形量对爆破效果进行检验，具体而言：

首先根据岩体内应力的极限值确定岩体内应力安全值为岩体内应力极限值的60％，当爆破卸压后，岩体内应力值低于极限值的60％即可认为应力下降值满足要求。

爆破前后巷道位移变化对于检验爆破卸压的有效性及合理性具有重要意义。若爆破造成巷道变形量过大，也将直接影响到巷道的实用性和安全性，因此在本申请中定义，当爆破后，巷道的位移量小于位移量所容许的最大值时，即可认为对巷道造成的变形量满足要求。

如图8所示，已知某巷道岩体内应力的极限值为20.14mpa，因此该巷道岩体爆破门限值即为16.112mpa，从图5-2可以看出爆破前应力最大值达到了14.1mpa，接近冲击破坏应力阀值，判别具有较强冲击危险，进而采取爆破卸压措施进行解危。爆破后最大应力值应力降低到6.1mpa，降幅达到56.7％，应力值远低于岩体内应力极限值的60％，从应力层面可判别为效果良好。

图8所对应巷道的主要用途为通风、设备安装，在满足通风断面和设备安装间隙要求下，该巷道的容许围岩变形量为60mm左右，如图9所示，爆破后最大变形量出现在两帮，两帮移近增加量最大为39mm小于巷道容许围岩变形量，因此可以判定爆破对巷道变形影响较小，从巷道使用层面可判别为效果良好。

步骤1007，爆破效果是否合格；

检验爆破效果是否合格，如果爆破前后岩体应力的下降值和巷道的变形量同时满足要求即可认定爆破效果合格，执行步骤1008，如果爆破效果不合格，返回步骤1002；

步骤1008，结束；爆破效果合格，完成爆破。

具体工作过程及工作原理如下：

在进行爆破之前，首先利用常规的钻屑法、煤体应力监测法等方法测量得到煤岩层10中高应力区的位置。然后进行爆破参数的设计，具体爆破参数包括爆破孔参数设计、不耦合爆破充填介质的设计以及单孔装药量设计，其中爆破孔参数设计包括相邻两个爆破孔1之间的间距、爆破孔深度以及爆破孔直径。

在完成爆破参数的设计之后进行爆破孔1的施工，然后在爆破孔1中填装炸药并进行封孔操作。然后在爆破孔1外部引燃雷管引线12将雷管7引爆，引爆之后进行爆破效果的检验。如果爆破前后岩体应力的下降值和巷道的变形量同时满足要求即可认定爆破效果合格，结束爆破，如果爆破效果不合格则需要再次进行爆破卸压。

实施例2：

实施例2与实施例1的区别在于：不耦合爆破装药设备中采用空气作为不耦合介质，如图10所示，在本实施例的爆破装置中，在炸药被筒8与爆破孔1间隔形成的空间内未设置集水袋6，而完全利用空气进行填充，其余技术方案与实施例1相同，利用空气作为不耦合介质，主要应用于一些对爆破要求较低的场合，同时利用空气作为不耦合介质，成本较为低廉。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。