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        深孔預(yù)裂爆破提高綜放初采頂煤回采率的研究*

        2017-10-23 01:07:38沈玉旭趙國飛張哲瑞許海濤
        采礦技術(shù) 2017年5期
        關(guān)鍵詞:步距綜放炮孔

        沈玉旭,趙國飛,張哲瑞,許海濤

        (山西能源學(xué)院, 山西 晉中市 030600)

        深孔預(yù)裂爆破提高綜放初采頂煤回采率的研究*

        沈玉旭,趙國飛,張哲瑞,許海濤

        (山西能源學(xué)院, 山西 晉中市 030600)

        針對某礦3407工作面堅硬頂板難以垮落的現(xiàn)象,通過對其頂?shù)装逦锢砹W(xué)性質(zhì)的分析,確定深孔預(yù)裂爆破參數(shù),使用ANSYS/LS-DYNA2D軟件模擬爆破過程,以及使用UDEC軟件模擬切頂后頂板垮落破壞情況。研究結(jié)果表明:采用深孔預(yù)裂爆破的方法弱化堅硬頂板,初次來壓步距縮短了9.6 m,頂煤采出率提高了14.38個百分點,實現(xiàn)了綜放初采的安全高效開采。

        綜放初采;采出率;預(yù)裂爆破

        堅硬頂板是指厚度大、強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、完整性較好的頂板[1-3]。如果頂板不能及時垮落,容易造成沖擊礦壓、工作面瓦斯超限、壓架等煤礦災(zāi)害[4]。如果頂板及時垮落可以大大避免這些災(zāi)害,同時還可以提高放頂煤初采期間的頂煤采出率,確保初采期間的安全生產(chǎn)。

        堅硬頂板一般透水性差,注水后效果不明顯,而且范圍有限,采用深孔預(yù)裂爆破的方法處理堅硬頂板的相關(guān)研究很少。本文通過理論分析和數(shù)值模擬,對某礦3407工作面綜放初采期間深孔預(yù)裂爆破進(jìn)行了設(shè)計,并做了現(xiàn)場工業(yè)性試驗。

        1 工程條件分析

        (1) 工作面概況。某礦3407工作面位于七五二水平四盤區(qū),屬于孤島面開采,和已采的兩個工作面中間各留有20 m保安煤柱。工作面開采的3號煤層厚度為5.8~6.2 m,平均厚6 m。工作面長度174.5 m,推進(jìn)長度1360 m,采用放頂煤頂板全部垮落的采煤方法。

        (2)頂?shù)装逄匦浴?407工作面3號煤與頂?shù)装鍘r層的主要力學(xué)特性見表1。

        使用D/MAX-2400型X-射線衍射光譜儀對3407工作面基本頂細(xì)砂巖進(jìn)行測定,并對細(xì)砂巖的礦物組成進(jìn)行了定性分析和相對定量分析,分析結(jié)果見表2,其中石英占絕大部分,高達(dá)68.3%。

        在3407工作面端頭和端尾的位置鉆孔取芯,分別對這兩個鉆孔所取到的基本頂細(xì)砂巖試樣做飽水-風(fēng)干4個循環(huán)的崩解實驗。實驗結(jié)果表明:細(xì)砂巖巖芯在經(jīng)過4個飽水-風(fēng)干循環(huán)后,幾乎沒有破損現(xiàn)象,保持完整。

        因此,采用注水弱化3407工作面頂板的方法不可行,必須采用深孔預(yù)裂爆破的方法才可以破壞工作面頂板。

        表1 煤與頂?shù)装逯饕W(xué)參數(shù)

        表2 試樣的礦物成分

        2 爆破參數(shù)及方案

        (1) 炮孔長度及直徑。炮孔的垂直高度應(yīng)該以頂板垮落后充滿采空區(qū)為宜,因此炮孔的垂直高度為12 m,炮孔直徑為75 mm。

        (2) 炮孔間距。深孔預(yù)裂爆破主要是利用爆破產(chǎn)生的裂隙和弱面破壞頂板,在頂板形成貫通裂縫。根據(jù)Mises準(zhǔn)則,在不耦合裝藥條件下,經(jīng)計算得到裂隙區(qū)半徑Rp為1790 mm,因此炮孔間距定為3.5 m。

        (3) 封孔方式。封孔是為了防止爆炸沖孔,為了保證爆破效果和安全,本次封孔采用剛-塑-剛結(jié)構(gòu),封孔長度為炮孔總長的1/2。炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 裝藥結(jié)構(gòu)

        (4) 聯(lián)線方式。采用正向起爆,使用煤礦許用導(dǎo)爆索,每個導(dǎo)爆索捆綁了兩個瞬發(fā)雷管。爆破網(wǎng)絡(luò)聯(lián)線方式采用“局部并聯(lián),總體串聯(lián)”,即一根導(dǎo)爆索的兩個雷管并聯(lián)連接,炮孔與炮孔之間串聯(lián)連接。

        (5) 一次起爆的藥量。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》中爆破允許安全距離的薩道夫斯基公式計算,一次起爆的最大藥量為35 kg。

        (6) 炮孔布置。在開切眼內(nèi)以及兩個端頭都布置炮孔(見圖2),一共50個,并且要在工作面液壓支架安裝之前打好炮孔。

        (7) 放炮順序。50個炮孔,端頭端尾各兩個,分別為一個組;開切眼內(nèi)46個,3個炮孔為一組,每組內(nèi)3個炮孔分別依次使用Ⅰ段、Ⅲ段和Ⅴ段毫秒延期電雷管,組與組之間留一個空孔。

        圖2 炮眼布置

        3 爆破過程模擬

        3.1 單個炮孔爆破模擬

        使用ANSYS/LS-DYNA2D軟件模擬單個炮孔爆破的過程,LS-PREPOST后處理器輸出了不同時刻爆破裂隙的發(fā)展情況(見圖3)。分析爆破裂隙發(fā)展過程可知:粉碎區(qū)形成時間很短,大概0.1 ms;1.2 ms后裂隙區(qū)基本形成,半徑大約為1.86 m,比理論計算值稍大。因此3.5 m的炮眼間距基本合理。

        3.2 3個炮孔爆破模擬

        使用LS-DYNA2D模擬3個炮孔同時爆破的情況,炮孔間距3.5 m,不同時刻爆破裂隙發(fā)展過程見圖4。模擬結(jié)果表明:3個炮孔爆破后裂縫基本可以貫通,形成一條裂縫,達(dá)到預(yù)期的爆破效果,炮孔間距合理。

        3.3 UDEC模擬頂板垮落情況

        本次模擬是以3407工作面地質(zhì)條件作為基礎(chǔ),煤層埋深400 m,采高3 m,頂?shù)装逯饕W(xué)參數(shù)參照表1,模型左右和底部都是固定約束,零位移,上部施加了10 MPa的均布荷載,模型總長100 m,總高61.5 m,計算模型如圖5所示。

        模擬結(jié)果表明:未切頂時,直接頂初次來壓步距為12 m,基本頂初次來壓步距為31.2 m;切頂后,直接頂初次來壓步距為7.2 m,基本頂初次來壓步距為21.6 m;對比切頂前后,直接頂初次來壓步距縮短了4.8 m,基本頂初次來壓步距縮短了9.6 m。

        圖4 3個炮孔不同時刻的爆破裂隙擴(kuò)展情況

        圖5 計算模型

        4 應(yīng)用效果

        通過對上一個工作面(3405未爆破切頂)和本工作面(3407爆破切頂)初采期間煤炭采出量、頂煤采出率、頂板初次來壓步距的研究,可知:

        (1) 3405工作面初采期間采煤40240 t,頂煤采出率23.16%;3407工作面初采期間采煤45840 t,頂煤采出率37.54%。頂煤采出率提高了14.38個百分點。

        (2) 3405工作面基本頂初次來壓步距28.3 m,3407工作面基本頂初次來壓步距18.7 m,爆破切頂后基本頂初次來壓步距縮短了9.6 m,這與模擬結(jié)果基本一致。

        5 結(jié) 論

        (1) 通過X-射線衍射圖譜以及它的礦物成分分析,同時對細(xì)砂巖做飽水-風(fēng)干崩解實驗,表明只有通過爆破的方法破壞頂板細(xì)砂巖才是最佳選擇。

        (2) 使用ANSYS/LS-DYNA2D模擬爆破后裂隙發(fā)展情況,確定了炮眼間距等爆破參數(shù)的合理性。

        (3) 使用UDEC模擬切頂與未切頂情況下頂板的垮落破壞情況,切頂后基本頂初次來壓步距縮短了9.6 m,頂板遭到破壞,初次來壓提前到來,這與實際爆破效果相符。

        (4) 爆破后頂煤采出率提高了14.38個百分點,解決了初采期間頂板大面積懸露而不冒的問題,減弱了初次來壓對液壓支架的沖擊載荷,防止了頂板突然垮落造成的工作面瓦斯超限,增加了初采期間的經(jīng)濟(jì)效益。

        [1]靳鐘銘,徐林生.煤礦堅硬頂板控制[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1994:80-90.

        [2]王 開,康天合,李海濤,等.堅硬頂板控制放頂方式及合理懸頂長度的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2009(11).

        [3]靳鐘銘.堅硬頂板長壁采場的懸梁結(jié)構(gòu)及其控制[J].煤炭學(xué)報,1986(2):71-75.

        [4]宮世文,張蓀茗,孫 震,等.深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂技術(shù)的應(yīng)用[J].煤礦安全,2007(1):21-22.

        山西能源學(xué)院自然科學(xué)項目(ZY-2017006).

        2017-08-14)

        沈玉旭(1986-),男,助教,研究方向為礦山壓力,Email:410825567@qq.com。

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