曹東升

（同煤集團(tuán)云岡礦，山西省大同市，037003）

1 工作面概況

同煤集團(tuán)云岡礦12＃煤層406盤區(qū)的8617低位放頂煤工作面煤層平均厚度7.2m；工作面走向長度為1014m，傾斜長度165 m。8617工作面布置5條巷道 （2617 帶式輸送機(jī)巷、5617 回風(fēng)巷、5617-1頂 回 風(fēng) 巷、2617-1工 藝 巷 與2617-2工 藝巷）。工作面直接頂為26 m 厚的中細(xì)粒砂巖與砂質(zhì)頁巖互層，屬堅(jiān)硬頂板，難以自行垮落，大面積的懸頂嚴(yán)重影響工作面的安全生產(chǎn)，也降低了綜放工作面的采出率。通過在2617-1巷與2617-2巷內(nèi)采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)對堅(jiān)硬頂板進(jìn)行強(qiáng)制放頂，縮短了工作面頂板垮落步距，保證安全高效生產(chǎn)。經(jīng)分析可知炮孔間距是影響深孔預(yù)裂爆破效果的關(guān)鍵因素。利用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合確定出該條件下預(yù)裂爆破的合理孔距，為類似條件下工作面預(yù)裂爆破相關(guān)參數(shù)的研究提供了理論參考。

2 理論分析計(jì)算炮孔間距

根據(jù)巖石爆破后的破壞特征，從爆破中心向外把破壞區(qū)域分為粉碎區(qū)、破裂區(qū)和震動(dòng)區(qū)。成組藥包同時(shí)起爆時(shí)，在兩炮眼連線上將產(chǎn)生切向拉伸應(yīng)力，炮孔邊緣首先出現(xiàn)裂隙，接著裂隙沿中心連線向外延伸貫通兩個(gè)炮孔。預(yù)裂爆破的主要目的是爆破產(chǎn)生裂隙并將兩炮孔貫通，破碎區(qū)的巖石主要是受拉應(yīng)力破壞，因此成組炮孔爆破時(shí)炮孔間距值與破碎區(qū)的直徑值相當(dāng)。

巖體中任意質(zhì)點(diǎn)的徑向應(yīng)力為：

式中：σr——巖體中任一點(diǎn)徑向應(yīng)力，MPa；

ρ0——炸藥的密度，kg／m3；

Dv——炸藥的爆速，m／s；

K——裝藥不耦合系數(shù)；

η——爆炸產(chǎn)物膨脹絕熱指數(shù)，取3；

lc——裝藥的軸向系數(shù)，取1；

n——壓力增大系數(shù)，取10；

μ——巖體的靜態(tài)泊松比；

rc——計(jì)算點(diǎn)到裝藥中心的距離，m；

rd——炮孔半徑，m。

巖體中任意一點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度為：

當(dāng)巖體內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)力滿足下式，則巖體發(fā)生破壞。

式中：σi——巖體中任一點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度，MPa；

σcd、σtd——巖石動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，MPa；

σ0——巖石受力破壞強(qiáng)度，MPa；

ξ——加載應(yīng)變率，取0.01s-1；

σc——巖石靜態(tài)抗壓強(qiáng)度；

σt——巖石靜態(tài)抗拉強(qiáng)度，MPa。

爆破過程中不耦合裝藥且不耦合系數(shù)較小時(shí)，粉碎區(qū)半徑為：

那么，由式 （5）得到：

在粉碎區(qū)和破碎區(qū)的交界處，式 （12）變形為：

式中：σR——粉碎區(qū)和破碎區(qū)交界處的徑向應(yīng)力，MPa；

Rc——粉碎區(qū)半徑，m。

巖石產(chǎn)生裂隙后，則破碎區(qū)半徑為：

將式 （10）與式 （13）代入式 （14），最終可得不耦合裝藥條件下，破碎區(qū)半徑為：

根據(jù)云岡礦8617 工作面的地質(zhì)條件可知，直接頂?shù)闹屑?xì)粒砂巖靜態(tài)抗壓強(qiáng)度為σc=65 MPa，抗拉強(qiáng)度為σt=6 MPa，彈性模量為E=6226 MPa，靜態(tài)泊松比μ=0.3，炸藥密度ρ0=1000kg／m3，炸藥的爆速Dv=2.8×103m／s，K=2，μd=0.24，將 以 上 數(shù) 據(jù) 代 入 式 （1）～（16）中進(jìn)行計(jì)算，最終通過式 （10）計(jì)算可知粉碎區(qū)半徑Rc為0.96 m，通過式 （15）計(jì)算可知破碎區(qū)半徑Rp為3.8 m。故結(jié)合計(jì)算結(jié)果，由理論分析可知8617工作面預(yù)裂爆破的炮孔間距可定為7.6 m。

3 數(shù)值模擬計(jì)算炮孔間距

本次數(shù)值模擬采用的是ANSYS數(shù)值分析軟件與LS-DYNA2D 型非線性動(dòng)力分析軟件。模型尺寸為25m×25m （長×寬），裝藥單元位于模型的中心，炸藥的外圍是空氣單元，空氣的外圍為巖石單元。

3.1 單孔爆破模擬結(jié)果分析

通過對單孔爆破過程中不同時(shí)刻的等效應(yīng)力云圖分析可知，巖石內(nèi)部粉碎區(qū)的形成時(shí)間很短，大約僅為0.1ms，其半徑約為1094 mm，是炮孔半徑的17.3 倍 （炮孔半徑為63 mm）。粉碎區(qū)形成后巖石內(nèi)爆破應(yīng)力波繼續(xù)向前傳播，巖石中出現(xiàn)裂隙并開始增多，且裂隙不斷擴(kuò)張，最終形成了破碎區(qū)。破碎區(qū)形成時(shí)間相對較長，整個(gè)過程持續(xù)約1.2ms，經(jīng)分析可知破碎區(qū)半徑為3954 mm，約為炮孔半徑的62.8倍。與理論計(jì)算出的粉碎區(qū)與破碎區(qū)半徑相比稍大一些。

圖1所示是距裝藥中心4.0 m 處單元X 方向和Y 方向的應(yīng)力-時(shí)間曲線。分析可知，該位置單元X 方向受拉應(yīng)力，最大值為21 MPa，Y 方向也受拉應(yīng)力，最大值為15 MPa。X、Y 方向所受拉應(yīng)力值均大于相應(yīng)地質(zhì)條件巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度6 MPa，因此此應(yīng)力條件能夠使巖石拉裂。

圖1 距爆破中心4.0m 處的應(yīng)力-時(shí)間曲線

3.2 3個(gè)孔模擬結(jié)果及分析

通過對間距為8m 的3個(gè)炮孔爆破后巖石內(nèi)部整個(gè)裂隙發(fā)展過程的數(shù)值模擬分析可知，當(dāng)時(shí)間為0.6ms時(shí)，巖石中開始出現(xiàn)裂隙并逐漸增多，且不斷擴(kuò)張，最終時(shí)間為1.2 ms時(shí)形成了破碎區(qū)，且3個(gè)炮孔的裂隙最后相互貫通。炮孔連線上形成一條貫通的爆破裂隙線，達(dá)到了爆破的主要目的。因此在相應(yīng)地質(zhì)條件下，預(yù)裂爆破炮孔間距選8m時(shí)，其產(chǎn)生的裂隙可以貫通，即炮孔的合理間距為8m。

4 工程實(shí)例

同煤集團(tuán)云岡礦早期開采的12＃煤層8826工作面頂板預(yù)裂爆破炮孔間距為15m，預(yù)裂爆破炮孔布置在2626-1及2626-2巷內(nèi) （8826工作面布置有2626帶式輸送機(jī)巷、5626回風(fēng)巷、5626-1頂回風(fēng)巷、2626-1工藝巷與2626-2工藝巷），炮孔平面布置見圖2，兩條工藝巷 （2626-1巷與2626-2巷）內(nèi)兩幫布置1＃、2＃、3＃、4＃共4組孔，每組孔中共包含6 個(gè)步距孔，各孔間步距為15 m，孔深15m，轉(zhuǎn)角70°。預(yù)裂爆破后工作面出現(xiàn)采空區(qū)的頂板冒落不及時(shí)以及冒落高度不夠等問題，且頭尾出現(xiàn)三角懸板，給生產(chǎn)帶來了極大的隱患，工作面的回采率僅為75%，預(yù)裂爆破后沿工作面方向頂板控制范圍為13.2 m。且在開采初期，頂板懸露達(dá)30m 不垮落。

圖2 8826工作面炮孔平面布置圖

同為開采12＃煤層的8617工作面頂板預(yù)裂爆破的炮孔間距為8m （炮孔位置及布置方式與8826工作面相同）。8617工作面預(yù)裂爆破后沿工作面方向頂板控制范圍為24 m，且隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)懸露板能夠隨采隨落，工作面的回采率大幅提高達(dá)到90%。

圖3 8826、8617工作面礦壓觀測曲線

圖3所示為8826工作面與8617工作面礦壓觀測結(jié)果曲線。由圖3可以看出8826工作面 （預(yù)裂爆破炮孔間距15m）開采過程中周期來壓步距為25m，來壓期間支架平均工作阻力最大值可達(dá)到7500kN；而8617 工作面 （預(yù)裂爆破炮孔間距8m）初次來壓步距為23 m，周期來壓步距僅為18 m，支架平均工作阻力來壓期間最大值為4800kN，比8826 工作面來壓期間壓力顯現(xiàn)弱，8617工作面頂板預(yù)裂爆破后大大降低了大面積懸露板垮落對工作面造成的危害，保證了工作面安全高效生產(chǎn)。因此，8617工作面預(yù)裂爆破8 m 炮孔間距是較為合理的，可以達(dá)到預(yù)裂爆破的效果。

5 結(jié)論

綜上分析可知，以云岡礦12＃煤層406 盤區(qū)8617工作面的地質(zhì)條件為背景，在不耦合裝藥條件下，理論分析可知粉碎區(qū)半徑為0.96 m，破碎區(qū)半徑為3.8m；數(shù)值模擬結(jié)果可知，巖石內(nèi)部粉碎區(qū)的形成時(shí)間大約僅為0.1 ms，其半徑約為1.094m，破碎區(qū)形成過程持續(xù)約1.2 ms左右，其半徑為3.954m，爆破后巖石內(nèi)部X、Y 方向所受拉應(yīng)力值均大于相應(yīng)地質(zhì)條件巖石的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度。結(jié)合工程實(shí)踐結(jié)果最終確定此條件下預(yù)裂爆破合理的炮孔間距為8m。

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