馬蘭礦初采期深孔預(yù)裂爆破法強制放頂?shù)姆桨秆芯?/h1>
2022-08-18 02:28:48許海瑞
山西焦煤科技 2022年7期
許海瑞
(霍州煤電集團 辛置煤礦， 山西 太原 031412)
大采高綜采工作面因采高大導(dǎo)致頂板來壓劇烈，容易導(dǎo)致一系列礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，如：工作面煤壁片幫、液壓支架壓架、底板鼓起，嚴重時甚至?xí)l(fā)生沖擊礦壓[1].尤其當煤層上方為堅硬頂板時，頂板垮落步距大，還容易產(chǎn)生上隅角瓦斯積聚等其他新問題。因此，大采高綜采面頂板為堅硬頂板時，應(yīng)該采用恰當?shù)姆椒ㄈ趸敯?，使頂板提前垮落，避免上述問題，確保安全高效生產(chǎn)。
目前，預(yù)裂堅硬煤層頂板主要有爆破弱化頂板和注水弱化頂板兩種方法。爆破弱化頂板是采用在頂板中鉆孔并裝炸藥爆破的方法將基本頂進行致裂，迫使頂板提前垮落，并使得垮落的巖體在采空區(qū)形成矸石墊層，矸石墊層可有效減輕頂板垮落造成的沖擊波[2].注水弱化頂板是將水注入頂板后，將頂板進行壓裂或?qū)㈨敯鍙姸冉档?，前者稱為高壓注水預(yù)裂法，后者稱為靜壓注水軟化法[3].某些致密、堅硬的頂板吸水性差，只能采用爆破弱化的方法進行處理。對馬蘭礦18506綜采工作面上方堅硬頂板進行浸水試驗后發(fā)現(xiàn)，其巖石力學(xué)強度下降幅度極其有限，故對18506綜采工作面開切眼上方堅硬頂板進行爆破弱化，本文結(jié)合爆炸力學(xué)理論與數(shù)值模擬對爆破各參數(shù)進行選擇優(yōu)化。
1 工作面概況
馬蘭礦18506工作面處于8號煤層，工作面長度為250 m，采高為4.35 m左右，屬于厚煤層，煤層傾角約為4°，采用大采高綜采開采方法一次采全高。8號煤層上方頂板是厚硬的整層粉砂巖與中粒砂巖，若自行垮落，基本頂?shù)某醮慰迓洳骄喔哌_65～75 m.同時，在18506工作面切眼后上方有一條膠帶運輸大巷，具體位置為水平錯距96 m、垂高約70 m處，巷道位置平面圖見圖1，工作面推進方向從右向左推進。經(jīng)過理論分析得出，基本頂?shù)某醮慰迓洳骄嗫赡芨哌_80 m，此時開切眼上覆巖層影響強烈，甚至影響此條膠帶運輸大巷。因此，對18506工作面初采期上方的基本頂進行預(yù)裂處理，以保證膠帶運輸大巷的穩(wěn)定性。
2 預(yù)裂爆破實施方案
2.1 頂板爆破高度依據(jù)
18506工作面預(yù)裂頂板的方案中共設(shè)計A和B兩組次炮孔。其中，A組次炮目的在于致裂煤層基本頂及上覆關(guān)鍵層，B組炮的目的在于致裂煤層直接頂，使其及時垮落充填采空區(qū)。采用裂縫帶和冒落帶的經(jīng)驗公式分別作為A組和B組炮孔高度的依據(jù)，工作面裂縫帶和冒落帶的剖面圖見圖2.兩帶的計算方法如下：
圖1 18506工作面巷道位置平面圖
圖2 工作面兩帶高度剖面圖
2.1.1 冒落帶高度計算
根據(jù)一般經(jīng)驗公式，冒落帶高度計算公式[4]：
(1)
式中：
M—煤層開采厚度，m；
K—巖石松散系數(shù)，取1.3；
α—煤層傾角，(°)，取4.
假設(shè)初期切眼高度較低，煤層采出厚度按3.5 m計算，則冒落帶高度為7～16 m，該結(jié)論符合冒落帶高度一般是采高2～5倍的要求。
2.1.2 裂縫帶高度評估
冒落帶上部巖層因為下部垮落帶出現(xiàn)裂隙，根據(jù)三下開采的導(dǎo)水裂縫帶計算公式：
(2)
經(jīng)過計算可得，采高分別為3 m、3.5 m、4.35 m時，18506工作面上方的裂縫帶高度分別為41.3 m、43.6 m、46.8 m.若按60°垮落角計算，可得到應(yīng)力傳播的垂高為35 m左右。從工程既達到效果又不浪費的角度考慮，頂板預(yù)裂的豎直高度達到7號煤上方的泥巖即可，該層位距離8號煤的頂板豎直高度為30～35 m，其上覆巖層沒必要再預(yù)裂，豎直方向高度取35 m.綜上所述，A組炮孔長度為40 m，傾角為60°；B組炮孔長度為30 m，傾角為30°.炮孔角度和高度示意圖見圖3.
圖3 炮孔角度和高度示意圖
2.2 爆破裂隙擴展孔間距依據(jù)
鑒于A組炮孔深度達35 m，選擇直徑為50 mm的凹槽筒爆破；B組炮孔深度為15 m，且承擔崩落直接頂任務(wù)，需采用直徑較大炮孔，故選用直徑為63 mm的凹槽筒爆破。最終確定A組炮孔直徑為85 mm，炸藥直徑為50 mm；B組炮孔直徑為94 mm，炸藥直徑為63 mm.采用數(shù)值模擬軟件LS-DYNA模擬炮孔周圍巖體經(jīng)爆炸致裂后的裂隙發(fā)育情況，模擬方案見圖4.
圖4 爆破模擬模型圖
采用HIGE_EXPLOSIVE_BURN模型作為計算模型，JWL狀態(tài)方程能夠準確地表達炸藥在爆炸過程中壓力和比容之間的定量關(guān)系，因此采用該狀態(tài)方程模擬炸藥[5]：
(3)
式中：
R1、R2、ω—炸藥特性參數(shù)，無量綱；
A、B—炸藥特性參數(shù)，GPa；
V、E—爆轟產(chǎn)物的相對體積和內(nèi)能，m3、MJ.
P—壓力，MPa.
當B組炮孔直徑為94 mm，炸藥藥卷直徑為63 mm時，經(jīng)過數(shù)值計算得到炮孔周圍的破壞情況，見圖5.
圖5 炸藥起爆后炮孔周圍破壞形態(tài)圖
通過圖5可以看出，當炸藥起爆后100 μs時，炮孔附近巖體出現(xiàn)破裂，并產(chǎn)生多條不規(guī)則裂紋；當炸藥起爆后330 μs時，炮孔附近巖體已經(jīng)產(chǎn)生4條徑向主裂紋和1條次裂紋；隨著起爆時間的增加，巖體中所有裂紋均持續(xù)發(fā)育，當炸藥起爆后540 μs時，炮孔附近巖體已經(jīng)發(fā)展成5條主裂紋；經(jīng)過充分發(fā)育，5條裂紋最終的長度依次為4.1 m、3.9 m、3.8 m、4.0 m和4.5 m，平均長度為4.06 m.通過上述分析可以確定：當B組炮孔直徑為94 mm、炸藥藥卷直徑為63 mm時，炮孔周圍的裂隙區(qū)半徑約為4.06 m，據(jù)此可以將炮孔間距定為8 m，見圖6.
通過上述方法計算A組間距，考慮施工方便因素，將A組炮孔間距也定為8 m.
圖6 炮孔間距位置圖
2.3 初采炮孔位置的數(shù)值模擬
為預(yù)防開切眼遭到初采期預(yù)裂炮孔的破壞，在設(shè)計炮孔時要微調(diào)炮孔位置。在18506工作面設(shè)計炮孔時，將前排B組炮孔向工作面前方煤壁調(diào)整5°的擺角，炮孔長度為35.46 m，垂高距離不變。采用數(shù)值模擬軟件模擬初采期間頂板拉槽爆破效果，見圖7.
圖7 炮孔爆破后應(yīng)力狀況圖
由圖7a)可以看出，B組炮孔起爆后煤層上方基本預(yù)裂，但有些直接頂部分并未完全垮落。由圖7b)可以看出,A組炮孔起爆后的結(jié)果，即在垂高為35 m內(nèi)的頂板發(fā)生了塑性破壞，并且斷裂裂縫阻止了應(yīng)力繼續(xù)傳播，所示爆破致裂頂板效果極佳。
3 結(jié) 論
通過理論分析和數(shù)值模擬研究了馬蘭礦初采期深孔預(yù)裂頂板的必要性及炮孔布置方案，得到如下結(jié)論：
1) A組次炮目的在于致裂煤層基本頂及上覆關(guān)鍵層，炮孔長度為40 m，傾角為60°；B組炮的目的在于致裂煤層直接頂，使其及時垮落充填采空區(qū)，炮孔長度為30 m，傾角為30°.
2) 當炮孔直徑為94 mm、炸藥藥卷直徑為63 mm時，炮孔周圍的裂隙區(qū)半徑約為4.06 m，據(jù)此可以將炮孔間距定為8 m.
3) 經(jīng)數(shù)值模擬驗證，前排B組炮孔向工作面前方煤壁設(shè)置5°擺角，B組平行于切眼順槽方向，可防止將切眼破壞。
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圖1 18506工作面巷道位置平面圖
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(2)
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圖3 炮孔角度和高度示意圖
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圖4 爆破模擬模型圖
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(3)
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R1、R2、ω—炸藥特性參數(shù)，無量綱；
A、B—炸藥特性參數(shù)，GPa；
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P—壓力，MPa.
當B組炮孔直徑為94 mm，炸藥藥卷直徑為63 mm時，經(jīng)過數(shù)值計算得到炮孔周圍的破壞情況，見圖5.
圖5 炸藥起爆后炮孔周圍破壞形態(tài)圖
通過圖5可以看出，當炸藥起爆后100 μs時，炮孔附近巖體出現(xiàn)破裂，并產(chǎn)生多條不規(guī)則裂紋；當炸藥起爆后330 μs時，炮孔附近巖體已經(jīng)產(chǎn)生4條徑向主裂紋和1條次裂紋；隨著起爆時間的增加，巖體中所有裂紋均持續(xù)發(fā)育，當炸藥起爆后540 μs時，炮孔附近巖體已經(jīng)發(fā)展成5條主裂紋；經(jīng)過充分發(fā)育，5條裂紋最終的長度依次為4.1 m、3.9 m、3.8 m、4.0 m和4.5 m，平均長度為4.06 m.通過上述分析可以確定：當B組炮孔直徑為94 mm、炸藥藥卷直徑為63 mm時，炮孔周圍的裂隙區(qū)半徑約為4.06 m，據(jù)此可以將炮孔間距定為8 m，見圖6.
通過上述方法計算A組間距，考慮施工方便因素，將A組炮孔間距也定為8 m.
圖6 炮孔間距位置圖
2.3 初采炮孔位置的數(shù)值模擬
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圖7 炮孔爆破后應(yīng)力狀況圖
由圖7a)可以看出，B組炮孔起爆后煤層上方基本預(yù)裂，但有些直接頂部分并未完全垮落。由圖7b)可以看出,A組炮孔起爆后的結(jié)果，即在垂高為35 m內(nèi)的頂板發(fā)生了塑性破壞，并且斷裂裂縫阻止了應(yīng)力繼續(xù)傳播，所示爆破致裂頂板效果極佳。
3 結(jié) 論
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1) A組次炮目的在于致裂煤層基本頂及上覆關(guān)鍵層，炮孔長度為40 m，傾角為60°；B組炮的目的在于致裂煤層直接頂，使其及時垮落充填采空區(qū)，炮孔長度為30 m，傾角為30°.
2) 當炮孔直徑為94 mm、炸藥藥卷直徑為63 mm時，炮孔周圍的裂隙區(qū)半徑約為4.06 m，據(jù)此可以將炮孔間距定為8 m.
3) 經(jīng)數(shù)值模擬驗證，前排B組炮孔向工作面前方煤壁設(shè)置5°擺角，B組平行于切眼順槽方向，可防止將切眼破壞。
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