深孔斷頂爆破導(dǎo)致的煤層CO 氣體涌出規(guī)律

孫維麗，楊貴儒，黃 濤

（1.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；3.國家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊830011；4.新疆昌吉市屯寶礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 昌吉831100）

國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)煤礦沖擊地壓機(jī)制的多年研究[1-8]表明，沖擊地壓的發(fā)生與煤層的沖擊傾向性、礦井的地質(zhì)構(gòu)造和地應(yīng)力環(huán)境特征等因素有著密切的關(guān)系，尤其是堅(jiān)硬厚層頂板條件下，沖擊地壓危險(xiǎn)程度較高[5]。為解決這一問題，深孔斷頂爆破是處理堅(jiān)硬頂板沖擊地壓最有效的方法之一[5-8]。根據(jù)礦井實(shí)際情況，深孔斷頂爆破一般采用一級(jí)至三級(jí)煤礦許用炸藥，炸藥爆破產(chǎn)生大量高體積分?jǐn)?shù)CO 等有害氣體[9-11]，導(dǎo)致含有炮煙風(fēng)流流經(jīng)區(qū)域CO 等有害氣體體積分?jǐn)?shù)超限，這將嚴(yán)重干擾開采容易自燃或自燃煤層礦井的內(nèi)因火災(zāi)預(yù)測預(yù)報(bào)。以往學(xué)者們多從定性角度分析了井下爆破作業(yè)后CO 產(chǎn)生的原因，并提出了一些防治的辦法[12-14]，也有學(xué)者通過定量分析了爆破后產(chǎn)生的CO 排放所需風(fēng)量及時(shí)間，并給出了計(jì)算方法[15-17]，但深孔斷頂爆破后，由于煤層對(duì)CO 氣體存在吸附作用[17-18]，且爆破致裂后的煤巖體內(nèi)存在空隙，導(dǎo)致爆破產(chǎn)生的CO 等有害氣體，一部分隨風(fēng)流排出，還有一部分將積存或吸附于爆破致裂的煤巖體內(nèi)，并在礦井之后的采掘活動(dòng)中持續(xù)釋放，從而干擾礦井的自然發(fā)火防治及安全生產(chǎn)。

新疆神華寬溝煤礦為高瓦斯礦井，所采B2 煤層頂板為堅(jiān)硬巨厚的砂巖，煤層開采后不易垮冒，導(dǎo)致礦井沖擊地壓災(zāi)害較為嚴(yán)重，超前深孔斷頂爆破是礦井采取的日常主要沖擊地壓災(zāi)害防治措施之一，但爆破后，產(chǎn)生的高體積分?jǐn)?shù)CO 等有害氣體被吸附于爆破致裂的煤巖體內(nèi)而緩慢釋放，導(dǎo)致工作面煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔內(nèi)長期存在較高體積分?jǐn)?shù)的CO 氣體，嚴(yán)重干擾了礦井日常自然發(fā)火預(yù)警及防治工作。因此，通過分析深孔斷頂爆破炸藥用量、瓦斯預(yù)抽管路內(nèi)的CO 氣體體積分?jǐn)?shù)、抽放流量等參數(shù)，計(jì)算爆破導(dǎo)致的煤層CO 氣體涌出量及排放時(shí)間。

1 礦井概況及工藝現(xiàn)狀

1.1 礦井概況

新疆寬溝煤礦主要開采B2 煤層，，B2 煤層為穩(wěn)定性特厚煤層，煤層走向104°～110°，傾向14°～20°，傾角12°～14°。煤層厚度穩(wěn)定，平均11.8 m，含矸0～2 層，結(jié)構(gòu)簡單。煤類屬特低-低中灰分、特低硫、特低-中磷、高發(fā)熱量的31 號(hào)不黏煤。B2 煤層基本頂為堅(jiān)硬的粉砂巖、中砂巖，平均厚度19.6 m，不易垮冒，煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Roof and floor condition of coal seam

根據(jù)2012 年由北京煤科總院對(duì)寬溝煤礦B2 煤層進(jìn)行沖擊傾向性鑒定和地應(yīng)力測試，鑒定結(jié)果B2煤層具有弱沖擊傾向性，頂板有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性。

1.2 超前深孔斷頂爆破工藝

B2 煤層采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤采煤工藝，工作面斜長為200 m，機(jī)采高度3.2 m，放煤高度9.5 m 左右，日推進(jìn)速度約1.2 m 左右，全部垮落法管理采空區(qū)，工作面采用全風(fēng)壓通風(fēng)方式，配風(fēng)量為1 410 m3/min。工作面布置回風(fēng)巷、上運(yùn)輸巷和中部工藝巷共3 條巷道，工藝巷為深孔切頂爆破專用巷。

在工作面上運(yùn)輸巷和工藝巷內(nèi)均進(jìn)行深孔斷頂爆破，其工藝為：工藝巷超前工作面50 m、上運(yùn)輸巷內(nèi)超前工作面10 m，采用全液壓坑道鉆機(jī)施工深孔斷頂爆破鉆孔，采用φ94 mm 合金鋼鉆頭施工爆破炮孔，每10 m 施工1 組；其中上運(yùn)輸巷每組鉆孔各3 個(gè)，工藝巷內(nèi)每組鉆孔8 個(gè)，鉆孔終孔超過煤巖交界面。爆破采用三級(jí)煤礦許用乳化炸藥，炸藥填裝結(jié)束點(diǎn)控制在煤層頂板上方4 m 以上，不同位置深孔斷頂爆破鉆孔裝藥量統(tǒng)計(jì)表見表2。深孔斷頂爆破炮孔布置示意圖如圖1。

表2 不同位置深孔斷頂爆破鉆孔裝藥量統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of hole charge for deep hole broken-top blasting at different positions

深孔斷頂爆破時(shí)封孔長度大于孔深的30%，采用黃土和水泥錨固劑聯(lián)合封孔。同組炮孔必須在全部施工完畢后，進(jìn)行一次性裝藥并立即起爆，上運(yùn)輸巷炮孔嚴(yán)禁同時(shí)起爆，同組炮孔采用孔內(nèi)并聯(lián)孔外串聯(lián)的爆破方式一次爆破。工藝巷超前深孔斷頂爆破為間隔50 m 爆破1 次，1 次5 組，工作面前方200 m 區(qū)域?yàn)樯羁最A(yù)裂已爆破區(qū)域；上、運(yùn)輸巷超前深孔斷頂爆破均為間隔10 m 爆破1 次。

2 深孔斷頂爆破產(chǎn)生CO 氣體測算

圖1 深孔斷頂爆破炮孔布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of blasting hole arrangement in deep hole top-breaking blasting

由于工作面上運(yùn)輸巷深孔切頂爆破作業(yè)時(shí)，與工作面后部采空區(qū)約10 m，此區(qū)域內(nèi)煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔早已斷開，因此不會(huì)影響瓦斯預(yù)抽鉆孔內(nèi)CO氣體的體積分?jǐn)?shù)，而工藝巷超前深孔斷頂爆破與工作面距離較遠(yuǎn)，工作面前方200 m 范圍均為深孔斷頂爆破區(qū)，該區(qū)域內(nèi)煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔仍在持續(xù)抽放，且抽放負(fù)壓較大，在抽放負(fù)壓作用下，斷頂爆破后殘存或吸附于破裂煤巖體內(nèi)的CO 氣體向瓦斯預(yù)抽鉆孔方向運(yùn)移，并通過抽放鉆孔進(jìn)入礦井瓦斯抽放管路內(nèi)，因此瓦斯預(yù)抽鉆孔內(nèi)CO 體積分?jǐn)?shù)主要受到工作面前方工藝巷超前深孔斷頂爆破影響。

爆破產(chǎn)生的有害氣體主要為CO 和氮氧化物，CO 占絕大多數(shù)，氮氧化物量相比CO 量很小，幾可忽略不計(jì)，但其毒性是CO 的6.5 倍[9-10]。有害氣體體積分?jǐn)?shù)與炸藥使用量直接有關(guān)[16]，如炸藥爆破后產(chǎn)生的有害氣體全部為CO，則CO 氣體產(chǎn)生量QCO為：

式中：QCO為炸藥產(chǎn)生的CO 氣體總量，m3；M 為炸藥使用量，kg；b 為單位炸藥爆破后產(chǎn)生的CO 氣體量，GB 18095—2000《乳化炸藥》標(biāo)準(zhǔn)要求炸藥爆炸后有毒氣體含量≤80 L/kg。

2019 年1 月13 日、1 月26 日及3 月8 日，礦井分別進(jìn)行了工藝巷超前深孔斷頂爆破頂板預(yù)裂，每次爆破所用炸藥量約在5 500 kg 左右，假設(shè)爆破產(chǎn)生的有害氣體產(chǎn)生的炮煙全部排入工作面風(fēng)流內(nèi)，則一次爆破產(chǎn)生的CO 總量為440 m3，排入風(fēng)流后其體積分?jǐn)?shù)應(yīng)不超過0.312%，是《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的0.002 4%的允許體積分?jǐn)?shù)的13 000 倍。

實(shí)際條件下，深孔爆破后炮煙并不能瞬間排入礦井風(fēng)流內(nèi)，其存在一定的排放時(shí)間。通過調(diào)取工作面回風(fēng)巷口附近距離分風(fēng)口10～15 m 的CO 傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行深孔斷頂爆破后極短時(shí)間內(nèi)，爆破產(chǎn)生的CO 等氣體快速釋放入工作面風(fēng)流內(nèi)，含有炮煙風(fēng)流內(nèi)的CO 體積分?jǐn)?shù)短時(shí)間內(nèi)大幅陡升，體積分?jǐn)?shù)快速超過24×10-6，甚至持續(xù)較長時(shí)間超過CO 傳感器的最大檢出限（1 000×10-6）并維持一段時(shí)間后，CO 體積分?jǐn)?shù)又迅速下降至24×10-6以下，并最終檢測不到。超前深孔斷頂爆破后回風(fēng)流內(nèi)CO 傳感器CO 體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化曲線圖如圖2。

圖2 超前深孔斷頂爆破后回風(fēng)流內(nèi)CO 傳感器CO 體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化曲線圖Fig.2 Time-dependent curves of CO concentration of CO sensor in return air flow after advanced deep-hole broken roof blasting

由圖2 可知，深孔斷頂爆破后，CO 氣體從鉆孔迅速排出進(jìn)入工作面風(fēng)流內(nèi)，其排放時(shí)間約在1 h左右，這說明爆破后，鉆孔排出的CO 氣體對(duì)工作面風(fēng)流內(nèi)CO 等自然發(fā)火標(biāo)志氣體的影響是暫時(shí)性的。但由于CO 氣體體積分?jǐn)?shù)已超過CO 傳感器的上限檢測體積分?jǐn)?shù)，因此無法計(jì)算出爆破后短期排入工作面風(fēng)流內(nèi)由爆破產(chǎn)生的CO 氣體量。

3 煤層內(nèi)積存或吸附的爆破產(chǎn)生CO 實(shí)測

在爆破后，工作面上運(yùn)輸巷瓦斯預(yù)抽鉆孔內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)也迅速上升，通過在工作面前方200 m 范圍瓦斯預(yù)抽管路上安設(shè)瓦斯管道多種氣體檢測儀，爆破前1 d 安設(shè)好后開始監(jiān)測，爆破后瓦斯預(yù)抽管路內(nèi)的CO 氣體體積分?jǐn)?shù)回復(fù)至爆破前體積分?jǐn)?shù)后停止監(jiān)測，為分析數(shù)據(jù)方便，將每天監(jiān)測結(jié)果取平均值，分別得到的煤層瓦斯預(yù)抽管路內(nèi)CO 體積分?jǐn)?shù)平均值隨時(shí)間變化曲線圖如圖3。

圖3 煤層瓦斯預(yù)抽管路內(nèi)CO 體積分?jǐn)?shù)平均值隨時(shí)間變化曲線圖Fig.3 Time-varying curves of average CO concentration in coal seam gas pre-drainage pipeline

從圖3 可以看出，深孔斷頂爆破后，上運(yùn)輸巷瓦斯預(yù)抽抽放管內(nèi)CO 體積分?jǐn)?shù)爆破當(dāng)天即開始迅速升高，之后隨時(shí)間的延長，鉆孔內(nèi)CO 的體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，CO 排放時(shí)長在7～9 d 左右。這說明爆破后，吸附或積存于破碎煤巖體內(nèi)的CO 氣體，對(duì)預(yù)抽鉆孔內(nèi)CO 氣體體積分?jǐn)?shù)的影響時(shí)間較長，對(duì)工作面自然發(fā)火防治將產(chǎn)生非常不利的影響。

對(duì)瓦斯預(yù)抽鉆孔內(nèi)CO 體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的同時(shí)，對(duì)瓦斯抽放流量也進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，煤層瓦斯預(yù)抽管路瓦斯抽放流量統(tǒng)計(jì)圖如圖4。

圖4 煤層瓦斯預(yù)抽管路瓦斯抽放流量統(tǒng)計(jì)圖Fig.4 Statistics of gas drainage flow in coal seam gas pre-drainage pipeline

不考慮常溫下煤氧復(fù)合反應(yīng)生成的CO 氣體，則可利用下式可計(jì)算出由于爆破導(dǎo)致的CO 氣體涌出速率：

將統(tǒng)計(jì)出的瓦斯抽放管路內(nèi)的瓦斯抽放流量和CO 體積分?jǐn)?shù)代入式（2），可計(jì)算出由于爆破導(dǎo)致的CO 氣體涌出速度，爆破導(dǎo)致的煤層CO 涌出速度統(tǒng)計(jì)圖如圖5。

圖5 爆破導(dǎo)致的煤層CO 涌出速度統(tǒng)計(jì)圖Fig.5 Statistical Diagram of CO emission velocity in coal seam caused by blasting

從圖5 可以看出，爆破導(dǎo)致的煤層CO 氣體涌出流量平均為0.002 6 m3/min，爆破后煤層內(nèi)CO 涌出速度與抽放時(shí)間有關(guān)，抽放時(shí)間越長，CO 涌出速度越小，抽放管路內(nèi)CO 體積分?jǐn)?shù)越低，這也說明了瓦斯預(yù)抽管路內(nèi)的CO 氣體并非是隨著抽放工作的開展而由煤氧化產(chǎn)生的，而是由于爆破后產(chǎn)生積存或吸附于破裂煤體內(nèi)的。

4 深孔斷頂爆破CO 不同排放方式分析

根據(jù)對(duì)煤層瓦斯預(yù)抽管路內(nèi)CO 體積分?jǐn)?shù)及瓦斯抽放流量的統(tǒng)計(jì)可計(jì)算出由瓦斯抽放系統(tǒng)排出的爆破產(chǎn)生的CO 氣體量，可用下式計(jì)算：

將每天的統(tǒng)計(jì)結(jié)果代入式（3），并進(jìn)行累加可得到3 次深孔斷頂爆破后，經(jīng)由煤層瓦斯預(yù)抽管路排出的CO 總量分別為40、74、79 m3，平均為64 m3，分別占到爆破產(chǎn)生的CO 總量的9%、17%、18%，平均15%。因此，深孔斷頂爆破后75%左右產(chǎn)生的CO 將在爆破后1 h 的短時(shí)間內(nèi)大量排入工作面風(fēng)流內(nèi)，15%的CO 仍將積存或吸附于破裂的煤巖體內(nèi)，并在7～9 d 內(nèi)隨瓦斯預(yù)抽排出。

5 結(jié) 論

1）深孔斷頂爆破后產(chǎn)生大量CO 氣體，如全部瞬間排入礦井風(fēng)流內(nèi)，風(fēng)流內(nèi)CO 的體積分?jǐn)?shù)將是《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的0.002 4%的允許體積分?jǐn)?shù)的13 000 倍。

2）深孔斷頂爆破后產(chǎn)生大量CO 氣體，這些氣體中的75%將在1 h 內(nèi)大量排入工作面風(fēng)流內(nèi)并隨風(fēng)流排出；剩余的15%將積存或吸附于破裂的煤巖體內(nèi)，并隨瓦斯預(yù)抽在7～9 d 內(nèi)逐漸排出。