高耀江

（柳林縣應(yīng)急管理局，山西 呂梁 033300）

0 引言

提高煤炭采出率和保障開(kāi)采安全是煤礦開(kāi)采的關(guān)鍵，也是煤炭工業(yè)研究的重點(diǎn)方向。厚煤層常采用綜放開(kāi)釆，目前國(guó)內(nèi)在綜放面開(kāi)采中提高采出率和保障安全上進(jìn)行了大量的研究[1]，工程中也取得了不少經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)于聚能爆破應(yīng)用到綜放面卸壓的研究相對(duì)減少[2]。趙家莊煤礦井下綜放面多年來(lái)一直采用未卸壓和普通爆破卸壓方式弱化頂板，初采損失較為嚴(yán)重，通過(guò)對(duì)原卸壓方案進(jìn)行優(yōu)化，提出一種工程現(xiàn)場(chǎng)易加工的聚能管，并進(jìn)行ANSYS/LS-DYNA模擬聚能方案，得出聚能方案的優(yōu)越性，取得了一定的工程應(yīng)用效果。

1 卸壓設(shè)計(jì)方案

趙家莊礦目前開(kāi)采N2采區(qū)的N205面，N205面布置有沿9號(hào)煤頂板布置的軌道巷和皮帶巷，切眼長(zhǎng)200 m，推進(jìn)長(zhǎng)956 m；開(kāi)采9號(hào)煤，煤厚6.4 m，開(kāi)采時(shí)采煤3 m、放煤3.4 m、采放比1∶1.13。煤層及頂板參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤層及頂板力學(xué)參數(shù)表

N205面擬進(jìn)行爆破卸壓，來(lái)減少來(lái)壓步距，爆破炮孔布置見(jiàn)圖1。開(kāi)采前，在切眼支架后方頂板設(shè)置炮孔，在兩側(cè)順槽中各布置3個(gè)炮孔。設(shè)計(jì)一組孔為3個(gè)，孔間距為5 m，組間距為10 m，共布置36個(gè)孔。爆破時(shí)組內(nèi)采用并聯(lián)起爆，整體采用從進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)串聯(lián)起爆，爆破參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 爆破主要參數(shù)表

圖1 N205面炮孔布置圖(m)

2 卸壓方案優(yōu)化

根據(jù)礦井N2采區(qū)以往開(kāi)采資料，鄰近的N201面未進(jìn)行爆破卸壓，基本頂來(lái)壓步距為27.2 m；鄰近的N203面，采用了與N205面相似的原卸壓方案，基本頂來(lái)壓步距為19.2 m，減少了8 m。為進(jìn)一步較少步距，研究決定將N205面卸壓方案進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 孔間距分析

為使N205面頂板形成裂隙，應(yīng)將孔間距設(shè)計(jì)為爆破的裂隙區(qū)直徑最為合適，根據(jù)爆破強(qiáng)度準(zhǔn)則[3]，爆破后的裂隙區(qū)直徑D可采用式（1）計(jì)算：

式中：λ、α、β為巖石泊松比相關(guān)參數(shù)；d為炮孔直徑（75 mm）；σt、σc為巖石抗拉和抗壓強(qiáng)度。卸壓主要是通過(guò)爆破預(yù)裂N205面的基本頂，將參數(shù)代入式（1），得出D=4.58 m。

設(shè)計(jì)孔間距為5 m，大于計(jì)算裂隙區(qū)直徑，得知其卸壓效果欠佳。最為簡(jiǎn)單的方法是將孔間距調(diào)整為4.5 m，由于減少孔間距后將增加炸藥量，進(jìn)而增加爆破的有害效應(yīng)，因此孔間距宜保持5 m不變。還可以將組中部5 m處增設(shè)1個(gè)空孔，共布置10個(gè)空孔，使所有孔間距均為5 m。增設(shè)空孔，可增加爆破時(shí)的自由面，能適當(dāng)?shù)脑黾有秹盒Ч?。?jīng)模擬分析，增設(shè)空孔后的裂隙區(qū)直徑仍小于5 m，因此研究決定進(jìn)行聚能卸壓。

2.2 聚能卸壓方案

根據(jù)聚能機(jī)理，爆破時(shí)爆轟波將沿聚能穴表面垂直方向傳播形成聚能流，并在交點(diǎn)處獲得最大的射流速度和能量密度，最后在穴上生成超高壓、高速的具有超強(qiáng)切割能力的能量流[2]。原設(shè)計(jì)裝藥直徑為60mm，即將60mm的藥卷直接放于孔中，本次優(yōu)化將增設(shè)聚能管，管外徑仍為60mm，管內(nèi)設(shè)2個(gè)空穴。為現(xiàn)場(chǎng)加工方便，空穴采用小圓管對(duì)切成2片后，對(duì)稱(chēng)布置在聚能管內(nèi)，小圓管外徑為30mm，聚能管如圖2。

圖2 聚能管示意圖

該聚能管內(nèi)布置對(duì)稱(chēng)的半圓管，半圓管內(nèi)部裝炸藥形成空穴，可起到聚能穴作用。爆破后在兩空穴中心處的聚能流傳遞到孔壁，在空穴連線(xiàn)方向處孔壁會(huì)產(chǎn)生最大的裂隙區(qū)[4]?，F(xiàn)場(chǎng)布置時(shí)，應(yīng)將空穴連線(xiàn)方向沿開(kāi)切眼方向布置，以達(dá)到聚能效果。

3 聚能效果模擬

為分析增設(shè)聚能管后的效果，選取2個(gè)炮孔進(jìn)行ANSYS/LS-DYNA模擬分析，運(yùn)用ALE算法分析爆轟過(guò)程[5]，重點(diǎn)研究爆炸后應(yīng)力分布及裂隙發(fā)育。建立尺寸為15 m×12 m×6 m的準(zhǔn)二維模型，兩孔中間為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸為兩孔連線(xiàn)，聚能管設(shè)在X軸上。

3.1 應(yīng)力云圖分析

2種方案模擬爆破后1 200 us時(shí)刻的應(yīng)力云如圖3所示。可知，爆破后爆轟波向孔四周的傳播，當(dāng)爆轟波傳遞1 200 us時(shí)，兩孔的爆轟波早已疊加，疊加后的波在兩孔連線(xiàn)中間點(diǎn)位置相互作用，能量壓縮巖石，使裂隙擴(kuò)展。圖3（a）中爆轟波向四周以圓環(huán)狀均勻傳播，裂隙向四周均勻擴(kuò)張，最終在兩孔連線(xiàn)中間未形成裂隙。圖3（b）中爆轟波向四周以橢圓狀傳播，波主要向X軸傳播，裂隙也主要向X軸擴(kuò)張，最終在兩孔連線(xiàn)中間形成裂隙。

圖3 爆破應(yīng)力云圖

3.2 后處理分析

通過(guò)LS-PREPOST后處理分析裂隙發(fā)育過(guò)程，得出原方案的裂隙區(qū)半徑為2.25 m，聚能方案在Y軸和X軸上裂隙區(qū)半徑為2.15 m和2.75 m。說(shuō)明原方案爆破在兩孔中間不能形成裂隙，而聚能方案的X軸上能形成裂隙。

3.3 壓力歷程分析

為分析爆破后兩孔連線(xiàn)上的壓力歷程，在X軸上選取C1、C2、C3三個(gè)測(cè)點(diǎn)，C1為坐標(biāo)原點(diǎn)，C2為X軸上1 m位置，C3為X軸上2 m位置。2個(gè)方案爆破后的壓力歷程如圖4所示。

圖4 壓力歷程曲線(xiàn)圖

可知，整體上C1、C2、C3三個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力是逐漸增大，是因?yàn)镃1位于兩孔中間，距離炮孔藥包最遠(yuǎn)；而C3距離炮孔藥包只有0.5 m，壓力自然大于其他2處測(cè)點(diǎn)。為分析兩孔中間裂隙情況，只需研究C1測(cè)點(diǎn)處的壓力即可。從圖4（a）知，C1測(cè)點(diǎn)最大壓力為12 MPa，小于基本頂抗拉強(qiáng)度（15.6 MPa），說(shuō)明爆轟波在兩孔中間不能破壞巖石形成裂隙[6]。從圖4（b）知，C1測(cè)點(diǎn)最大壓力為21 MPa，大于基本頂?shù)目估瓘?qiáng)度，說(shuō)明爆轟波在兩孔中間能破壞巖石形成裂隙。圖4（a）和4（b）對(duì)比，得出在相同位置處，原方案的最大壓力均小于聚能方案壓力，說(shuō)明聚能方案能提高爆破的預(yù)裂效果，可達(dá)到設(shè)計(jì)的聚能效應(yīng)。

4 應(yīng)用與結(jié)論

趙家莊礦N205面最終采用了優(yōu)化后的聚能方案進(jìn)行爆破，開(kāi)采后基本頂來(lái)壓步距為16 m，相較于鄰近的N203面（19.2 m）減少了3.2 m。可知在爆破參數(shù)基本一致下，采用聚能方案，垮落步距能減少3.2 m，初采率可提高20%。通過(guò)工程成功應(yīng)用，得出如下結(jié)論：

1）聚能爆破的爆轟波主要空穴連線(xiàn)方向傳播，有聚能效應(yīng)，預(yù)裂效果更好。

2）采用聚能爆破能減少基本頂來(lái)壓步距，提高采出率，初采期更為安全。

3）目前該聚能方案正在井下其他面推廣應(yīng)用，后期可推廣到其他類(lèi)似工作面預(yù)裂中，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。