采用定向水压集中爆破提高煤层透气性的方法与流程

本发明涉及煤层增透技术领域，特别涉及一种采用定向水压集中爆破提高煤层透气性的方法。

背景技术：

现有煤矿中有一半以上都是高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井。瓦斯一般以两种形式赋存于煤层中，即吸附状态和游离状态。在煤层赋存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占到90％以上，而游离瓦斯量仅有10％左右。当煤层开采时，滞留在煤层中的瓦斯随煤层开采的扰动而不断地释放出来，其危害主要表现在三个方面：瓦斯窒息、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出。据统计，在我国煤矿事故中，40%以上为瓦斯爆炸事故，其中在特大事故中，瓦斯爆炸事故占82%以上。

现有技术中，国内外学者在瓦斯治理方面进行了大量的研究工作，取得了一定的成果，并形成了一些防治瓦斯灾害的有效措施。其中，瓦斯抽采技术被认为是预防瓦斯灾害最有效的方法之一。然而，随着煤层开采深度的增加，煤层瓦斯含量增高、压力增大，煤层透气性低，从而严重影响了煤层瓦斯的抽采率和抽采效果。

增透是解决我国低渗煤层瓦斯抽采效率和安全生产的关键技术，为了提高煤层增透效果，我国煤炭科技工作者近几十年来提出了深孔预裂爆破、开采保护层、水力压裂（水压预裂增透）、水力掏槽、水力冲孔、水力割缝等多种卸压增透方法，但是由于部分措施的技术条件和工艺不完善，增透效果并不理想。

中国专利文献“cn103321669a”公开了一种深孔定向预裂爆破低透气煤层增透的方法，其采用四向垂直切缝管与药卷和四向垂直切缝管与水袋间隔装药的方法，通过爆生气体与水形成耦合作用，共同对煤体裂隙形成“尖劈作用”，楔入煤体裂隙，使裂隙进一步扩展，延长了爆生气体对煤体裂隙的作用时间，继而在钻孔周围形成径向波浪形裂隙带，取得了较好的增透效果。但是，在实际应用时，该方法还存在以下缺陷：1、为避免大量的爆炸碎片沿炮孔往上喷出，需在距孔口10m的范围内用黄泥卷堵塞，往炮孔填塞黄泥卷的工作量较大。2、爆破装置只能放置到炮孔底部作业，对于煤层较厚的情况（例如10m厚），底部爆破对煤层顶部的增透作用非常有限。3、水袋中的水量较少，水与爆生气体耦合形成的“尖劈作用”有限，效果仍有待提高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种采用定向水压集中爆破提高煤层透气性的方法，该方法先对煤层进行水压预裂增透，然后将特定结构的定向水压集中爆破装置在炮孔内残存的水中引爆，通过爆生气体与水力压裂操作后残存在炮孔及煤层中的水耦合，能够大幅提高煤层中的裂隙发育程度，并且该方法在爆破之前无需往炮孔内填塞黄泥卷，操作非常方便。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案，一种采用定向水压集中爆破提高煤层透气性的方法，包括以下步骤：

步骤一、先往煤层钻炮孔，然后利用所钻炮孔对煤层进行水压预裂增透，水压预裂增透后残存在炮孔内的水不抽出，并保证炮孔内水面至少高于煤层上部2m；

步骤二、将定向水压集中爆破装置放入炮孔中并使其沉入水面之下；

所述定向水压集中爆破装置包括定向爆破管，所述定向爆破管两端通过盖板封口，在所述定向爆破管的外周面上间隔开设有多个能量释放孔，所述能量释放孔与定向爆破管的内腔相通，在所述定向爆破管的内腔中装填有炸药卷及雷管，所述定向爆破管的外周面上包裹一层高压塑料薄膜，所述能量释放孔被高压塑料薄膜封盖住，所述定向爆破管的顶端连接有用于在爆炸时封堵炮孔以防止爆炸碎片沿炮孔往上喷出的第一封堵组件，所述第一封堵组件包括中空的管状本体，所述管状本体的顶端设有顶盖，所述管状本体的内腔中设有隔板，所述隔板将管状本体的内腔分隔成位于其一侧的连接腔和位于其另一侧的压力腔，所述连接腔的侧壁及定向爆破管的顶端外周面上设有相互匹配的螺纹连接结构，所述定向爆破管的顶端旋入连接腔中与管状本体固定连接，所述管状本体的外周面上还开设有将压力腔与外界连通的压力通道，所述管状本体的顶盖开窗并在窗口中嵌设有可上下移动的窗板，所述顶盖及窗板上均设有多个铰耳，所述顶盖上的铰耳与窗板上的铰耳两两成组，每组铰耳上均铰接一个卡爪，所述窗板往上移动可使卡爪外翻张开并插入炮孔壁中，从而避免所述第一封堵组件因爆炸冲击从炮孔中冲出；

步骤三、引爆所述雷管，使得所述定向爆破管在水下爆炸，完成煤层增透作业。

在所述定向水压集中爆破装置中，所述压力腔内还设有一块弹性胶膜，所述弹性胶膜设于管状本体的顶盖下方并覆盖住顶盖上开设的窗口，所述弹性胶膜的周缘与顶盖固定连接。

进一步地，在所述定向水压集中爆破装置中，所述弹性胶膜周缘与顶盖相接处还涂覆有一圈弹性密封胶。

优选的，在所述定向水压集中爆破装置中，所述第一封堵组件还包括套设在管状本体外部的弹性耐磨胶套，所述弹性耐磨胶套由上往下逐渐扩大呈喇叭形且其顶端与管状本体的顶端固定连接，所述压力腔内设有支座及限位导向杆，所述支座水平设置，所述限位导向杆竖直设置，所述支座与限位导向杆滑动连接且可沿限位导向杆上下移动，所述支座上铰接有多根支撑杆，所述管状本体上开设有多个切口，所述支撑杆的另一端从切口中伸出并铰接在弹性耐磨胶套内壁上，所述支座往上移动时，所述支撑杆可往外翻转将弹性耐磨胶套往外撑大并使其顶压住炮孔壁。

进一步地，在所述定向水压集中爆破装置中，所述隔板上竖直开设有一个通孔，所述定向爆破管顶端的盖板上开设有穿线孔，用于引爆所述雷管的导线依次穿线孔、通孔、压力腔及压力通道往外穿出。

优选的，在所述定向水压集中爆破装置中，所述定向爆破管的底端安装有第二封堵组件，所述第二封堵组件的结构与第一封堵组件的结构相同，所述第二封堵组件与定向爆破管底端的连接结构也与第一封堵组件与定向爆破管顶端的连接结构相同。

或者，在所述定向水压集中爆破装置中，所述定向爆破管的底端安装有第三封堵组件，所述第三封堵组件包括中空的管状本体，所述管状本体的顶端设有顶盖，所述管状本体的内腔中设有隔板，所述隔板将管状本体的内腔分隔成位于其一侧的连接腔和位于其另一侧的压力腔，所述连接腔的侧壁及定向爆破管的底端外周面上设有相互匹配的螺纹连接结构，所述定向爆破管的底端旋入连接腔中与管状本体固定连接，所述管状本体的外周面上还开设有与将压力腔与外界连通的压力通道，所述管状本体外部套设有弹性耐磨胶套，所述弹性耐磨胶套由下往上逐渐扩大呈喇叭形且其底端与管状本体的底端固定连接，所述压力腔内设有支座及限位导向杆，所述支座水平设置在压力通道的下方且其周沿抵靠住压力腔的腔壁，所述限位导向杆竖直设置，所述支座与限位导向杆滑动连接且可沿限位导向杆上下移动，所述支座上铰接有多根支撑杆，所述管状本体上开设有多个切口，所述支撑杆的另一端从切口中伸出并铰接在弹性耐磨胶套内壁上，所述支座往下移动时，所述支撑杆可往外翻转将弹性耐磨胶套往外撑大并使其顶压住炮孔壁。

作为一种优选的实施方式，在所述定向水压集中爆破装置中，所述定向爆破管包括多个彼此隔开的填药腔，每个填药腔内均装填有炸药卷和雷管，所述雷管为电雷管，所有电雷管通过导线依次串联，所有填药腔的前、后、左、右四个方向均分别开设有一个长条形的能量释放孔。

进一步地，在所述定向水压集中爆破装置中，所述第三封堵组件的下方吊设有一个倒锥形的铅坠。

本发明先对煤层进行水压预裂增透，然后再将定向水压集中爆破装置放入炮孔中，水压预裂操作后，会在炮孔及煤层裂隙中均残留有水，需要说明的是，炮孔中的水面应当高于煤层最上部2m-3m，若水位高度不够，则应当再往炮孔内注水，保证前述水位面在煤层上方2m以上，当上述定向水压集中爆破装置在水中引爆时，由于高压塑料薄膜封盖住能量释放孔，炸药卷爆炸时所形成的能量并不会立即释放，而是会先聚集形成一种“蓄势”的效果（可提高爆炸瞬间产生的冲击力），当蓄积的爆炸能量达到极限时会从能量释放孔冲破高压塑料薄膜并集中释放出来（沿能量释放孔定向集中释放能量），对炮孔中的残留水及周围的炮孔壁产生巨大的冲击，爆生气体与水耦合后形成“尖劈作用”冲击炮孔壁，从而从炮孔壁往煤层内部形成新的裂隙，此外，由于水不可压缩，原本在水压预裂增透后已进入煤层中的水在爆生气体的压力作用下会往煤层更深处蔓延，进一步提高煤层裂隙发育程度。综上所述，与背景技术中的增透方法相比，本发明所用方法中的定向水压集中爆破装置引爆时，水与爆生气体耦合形成的“尖劈作用”将更加明显，能够更好地促进煤层裂隙发育。

由于在上述定向水压集中爆破装置中，定向爆破管的顶端连接有第一封堵组件，当定向爆破管引爆时，大量的爆生气体与水混合物从压力通道进入压力腔中，压力腔内压力升高，使得窗板往上移动，窗板往上移动的过程中，卡爪外翻张开并插入炮孔壁中，从而避免第一封堵组件因爆炸冲击从炮孔中冲出，上述第一封堵组件堵塞在炮孔内可以起到与背景技术中黄泥卷类似的作用，能够阻隔爆炸碎片沿炮孔往上喷出。当然，为更好地保证封堵效果，实际应用时，第一封堵组件中管状本体的尺寸最好根据炮孔尺寸进行设计，在保证定向水压集爆破装置能够顺畅放入炮孔的前提下，管状本体的直径与炮孔直径越接近，第一封堵组件的封堵效果越好，实践发现，管状本体与炮孔侧壁之间间隙不大于1cm是较好的选择，由于上述第一封堵组件的存在，本发明在爆破增透作业之前无需往炮孔内填塞黄泥卷，操作更加方便。

附图说明

图1为本发明所用定向水压集中爆破装置的第一种结构示意图；

图2为本发明所用定向水压集中爆破装置的第二种结构示意图；

图3为图1和图2所示定向水压集中爆破装置中定向爆破管的内部结构示意图；

图4为用图1和图2所示定向水压集中爆破装置对煤层进行增透作业的使用状态图；

图5为图1中a部位的局部放大图；

图6为图2中a部位的局部放大图；

图中：

1——定向爆破管2——炸药卷3——雷管

4——高压所料薄膜5——第一封堵组件6——第二封堵组件

7——第三封堵组件8——铅坠9——起爆器

10——吊绳11——放线辊12——定滑轮

1a——能量释放孔1b——填药腔5a——管状本体

5b——窗板5c——铰耳5d——卡爪

5e——弹性胶膜5f——弹性耐磨套5g——支座

5h——限位导向杆5i——支撑杆5a1——顶盖

5a2——隔板5a3——连接腔5a4——压力腔

5a5——压力通道5a2a——通孔。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合具体实施例与附图对本发明作进一步的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“高于”、“低于”等指示的方位或位置关系均是基于附图所示的方位或位置关系。另外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

采用定向水压集中爆破提高煤层透气性的方法，包括以下步骤：

步骤一、先往煤层钻炮孔，然后利用所钻炮孔对煤层进行水压预裂增透，水压预裂增透后残存在炮孔内的水不抽出，并保证炮孔内水面至少高于煤层上部2m；

步骤二、将定向水压集中爆破装置放入炮孔中并使其沉入水面之下；

步骤三、引定向水压集中爆破装置，使其在水下爆炸，完成煤层增透作业。

本发明的创新之处主要在于：1、将水压预裂增透与爆破增透结合，具体来说，先对煤层进行水压预裂增透，再进行爆破增透，两种增透方式结合后取得了一加一大于二的效果。2、通过对定向水压集中爆破装置的结构进行改进，省略了往炮孔内填塞黄泥卷的工作。

本发明先对煤层进行水压预裂增透，然后再将定向水压集中爆破装置放入炮孔中，水压预裂操作后，会在炮孔及煤层裂隙中均残留有水，需要说明的是，炮孔中的水面至少应当高于煤层最上部2m，若水位高度不够，则应当再往炮孔内注水，水位高度对增透效果影响较明显，当定向水压集中爆破装置在水中引爆时，由于高压塑料薄膜4封盖住能量释放孔1a，炸药卷2爆炸时所形成的能量并不会立即释放，而是会先聚集形成一种“蓄势”的效果（可提高爆炸瞬间产生的冲击力），当蓄积的爆炸能量达到极限时会从能量释放孔1a冲破高压塑料薄膜4并集中释放出来（沿能量释放孔定向集中释放能量），对炮孔中的残留水及周围的炮孔壁产生巨大的冲击，爆生气体与水耦合后形成“尖劈作用”冲击炮孔壁，从而从炮孔壁往煤层内部形成新的裂隙，此外，由于水不可压缩，原本在水压预裂增透后已进入煤层中的水在爆生气体的压力作用下会往煤层更深处蔓延，进一步提高煤层裂隙发育程度。故与背景技术中的增透方式相比，上述定向水压集中爆破装置引爆时，水与爆生气体耦合形成的“尖劈作用”将更加明显，能够更好地促进煤层裂隙发育。

由于在上述定向水压集中爆破装置中，定向爆破管1的顶端连接有第一封堵组件5，当定向爆破管1引爆时，大量的爆生气体与水混合物从压力通道5a5进入压力腔5a4中，压力腔5a4内压力升高，使得窗板5b往上移动，窗板5b往上移动的过程中，卡爪5d外翻张开并插入炮孔壁中，从而避免第一封堵组件5因爆炸冲击从炮孔中冲出，上述第一封堵组件5堵塞在炮孔内可以起到与背景技术中黄泥卷类似的作用，能够阻隔爆炸碎片沿炮孔往上喷出。当然，为更好地保证封堵效果，实际应用时，第一封堵组件5中管状本体5a的尺寸最好根据炮孔尺寸进行设计，理论上来说，在保证该定向水压集爆破装置能够顺畅放入炮孔的前提下，管状本体5a的直径与炮孔直径越接近，第一封堵组件5的封堵效果越好，实践发现，管状本体与炮孔侧壁之间间隙不大于1cm是较好的选择，由于上述第一封堵组件的存在，本发明在爆破增透作业之前无需往炮孔内填塞黄泥卷，操作更加方便。

在本发明中，定向水压集中爆破装置至少包括以下实施例1和实施例2的结构。

实施例1：

图1、3和5示出了本实施例所涉定向水压集中爆破装置的具体结构，其包括定向爆破管1，定向爆破管1两端通过盖板封口，在定向爆破管1的外周面上间隔开设有多个能量释放孔1a，能量释放孔1a与定向爆破管1的内腔相通，在定向爆破管1的内腔中装填有炸药卷2及雷管3，定向爆破管1的外周面上包裹一层高压塑料薄膜4，能量释放孔1a被高压塑料薄膜4封盖住，定向爆破管1的顶端连接有用于在爆炸时封堵炮孔以防止爆炸碎片沿炮孔往上喷出的第一封堵组件5，第一封堵组件5包括中空的管状本体5a，管状本体5a的顶端设有顶盖5a1，管状本体5a的内腔中设有隔板5a2，隔板5a2将管状本体5a的内腔分隔成位于其一侧的连接腔5a3和位于其另一侧的压力腔5a4，连接腔5a3的侧壁及定向爆破管1的顶端外周面上设有相互匹配的螺纹连接结构，定向爆破管1的顶端旋入连接腔5a3中与管状本体5a固定连接，管状本体5a的外周面上还开设有将压力腔5a4与外界连通的压力通道5a5，管状本体5a的顶盖5a1开窗并在窗口中嵌设有可上下移动的窗板5b，顶盖5a1及窗板5b上均设有多个铰耳5c，顶盖5a1上的铰耳5c与窗板5b上的铰耳5c两两成组，每组铰耳5c上均铰接一个卡爪5d，窗板5b往上移动可使卡爪5d外翻张开并插入炮孔壁中，从而避免该第一封堵组件5因爆炸冲击从炮孔中冲出。

为提高窗板5b与顶盖5a1上所开窗口之间的气密性，减少爆炸时窗口部位的压力流失，在上述压力腔5a4内还设有一块弹性胶膜5e，弹性胶膜5e设于管状本体5a的顶盖5a1下方并覆盖住顶盖5a1上开设的窗口，弹性胶膜5e的周缘与顶盖5a1固定连接。进一步地，还可以在弹性胶膜5e周缘与顶盖5a1相接处涂覆一圈弹性密封胶。

为减少爆炸时管状本体5a外周面与炮孔壁之间的压力流失，进一步提高第一封堵组件5的封堵效果，上述第一封堵组件5还包括套设在管状本体5a外部的弹性耐磨胶套5f，弹性耐磨胶套5f由上往下逐渐扩大呈喇叭形且其顶端与管状本体5a的顶端固定连接，压力腔5a4内设有支座5g及限位导向杆5h，支座5g水平设置，限位导向杆5h竖直设置，支座5g与限位导向杆5h滑动连接且可沿限位导向杆5h上下移动，在支座5g上铰接有多根支撑杆5i，管状本体5a上开设有多个切口，支撑杆5i的另一端从切口中伸出并铰接在弹性耐磨胶套5f内壁上，支座5g往上移动时，支撑杆5i可往外翻转将弹性耐磨胶套5f往外撑大并使其顶压住炮孔壁。

优选的，在所述隔板5a2上还竖直开设有一个通孔5a2a，定向爆破管1顶端的盖板上开设有穿线孔，用于引爆所述雷管3的导线依次穿线孔、通孔5a2a、压力腔5a4及压力通道5a5往外穿出。这样一来既可以让穿设导线更加方便，同时炸药卷2爆炸时产生的爆生气体可以通过穿线孔及通孔5a2a更快速地进入压力腔5a4中，使得窗板5b及时往上移动，在第一时间将卡爪5d撑开并插入炮孔壁中，更好地避免第一封堵组件5因爆炸冲击沿炮孔往上移动。

对于将定向水压集中爆破装置悬吊在炮孔中部爆破作业的情况（定向水压集中爆破装置未落至炮孔底部），为防止爆炸时定向爆破管1往下移动，导致爆炸压力不能集中作用在炮孔预设的部位（例如煤层深度达到10m，而此时只需要对中间部位的煤层进行增透作业，就可以将爆破装置悬吊于煤层的中间部位，若爆炸时定向爆破管1往下移动，则产生的爆炸压力就不能集中作用于煤层中间部位，而会有一部分压力流失到煤层底部，导致爆破作业不能达到预设效果），在定向爆破管1的底端还安装有第二封堵组件6，第二封堵组件6的结构与第一封堵组件5的结构相同，第二封堵组件6与定向爆破管1底端的连接结构也与第一封堵组件5与定向爆破管1顶端的连接结构相同。

实施例2：

见图2、3和6所示，实施例2与实施例1的差别主要在于定向爆破管1底端连接的封堵组件结构与实施例1有所不同，具体而言，在本实施例中，定向爆破管1的底端安装第三封堵组件7，第三封堵组件7也包括中空的管状本体5a，管状本体5a的顶端设有顶盖5a1，管状本体5a的内腔中设有隔板5a2，隔板5a2将管状本体5a的内腔分隔成位于其一侧的连接腔5a3和位于其另一侧的压力腔5a4，连接腔5a3的侧壁及定向爆破管1的底端外周面上设有相互匹配的螺纹连接结构，定向爆破管1的底端旋入连接腔5a3中与管状本体5a固定连接，管状本体5a的外周面上还开设有与将压力腔5a3与外界连通的压力通道5a5，管状本体5a外部套设有弹性耐磨胶套5f，弹性耐磨胶套5f由下往上逐渐扩大呈喇叭形且其底端与管状本体5a的底端固定连接，压力腔5a3内设有支座5g及限位导向杆5h，支座5g水平设置在压力通道5a5的下方且其周沿抵靠住压力腔5a3的腔壁，限位导向杆5h竖直设置，支座5g与限位导向杆5h滑动连接且可沿限位导向杆5h上下移动，支座5g上铰接有多根支撑杆5i，管状本体5a上开设有多个切口，支撑杆5i的另一端从切口中伸出并铰接在弹性耐磨胶套5f内壁上，支座5g往下移动时，支撑杆5i可往外翻转将弹性耐磨胶套5f往外撑大并使其顶压住炮孔壁。进一步地，在第三封堵组件7的下方还吊设有一个倒锥形的铅坠8。

作为一种优选的结构，见图3所示，在上述两个实施例中，定向爆破管1包括多个彼此隔开的填药腔1b，每个填药腔1b内均装填有炸药卷2和雷管3，其中，雷管3为电雷管，所有电雷管通过导线依次串联，所有填药腔1b的前、后、左、右四个方向均分别开设有一个长条形的能量释放孔1a。

上述两个实施例所涉定向水压集中爆破装置可以采用以下方式放入炮孔中：见图4所示，在炮孔外设置起爆器9、吊绳10及放线辊11，连接雷管3的导线与起爆器9连接，吊绳10的尾端连接定向爆破管1的顶端，吊绳10的首端绕设在放线辊11上，在放线辊11与定向爆破管1之间还设有一个定滑轮12，吊绳10搭在定滑轮12上，转动放线辊11往炮孔中释放吊绳10时，在吊绳10下端悬吊的物体重力作用下，吊绳10被张紧并随着其逐渐释放而带动定滑轮12转动，使得定向爆破管1逐渐下沉至炮孔内的水中，爆破增透作业时，通过起爆器9引爆雷管3即可。

最后需要强调的是，为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。