馬行生，朱德福，李向陽

(中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

綜采工作面壓架事故在神府礦區(qū)淺埋煤層、采空區(qū)下極近距離煤層、房式與集中煤柱下工作面開采過程中時常發(fā)生。其中，神東烏蘭木倫礦31401工作面、神東石圪臺煤礦22301綜采工作面[1]、大柳塔22103工作面、活雞兔井12304，12305，12306工作面[2]、凱達(dá)煤礦6-2305工作面[3]等發(fā)生多起壓架事故，嚴(yán)重影響工作面正常生產(chǎn)作業(yè)，威脅工作面生產(chǎn)人員生命及生產(chǎn)設(shè)備安全，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

壓架事故的預(yù)防方法主要有：地面鉆孔爆破強(qiáng)制放頂；適當(dāng)調(diào)整采高；降低支架工作阻力；頂板來壓及時預(yù)測預(yù)報(bào)；快速推進(jìn)技術(shù)等[4-5]。但現(xiàn)有的研究方法多以預(yù)防壓架為主，對于已發(fā)生的壓架事故及支架壓死情況處理方法的研究較少。本文根據(jù)現(xiàn)有研究的不足，對掏底槽拉架技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合數(shù)值模擬，分析了炮眼角度對爆破效果的影響，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案。

1 工程背景

烏蘭集團(tuán)石圪臺煤礦回采的131201工作面位于3-1-2號煤層，上層為3-1-1號房柱式采空區(qū)。131201綜采工作面推進(jìn)長度為1200m，工作面傾向長度150m，采高2.7m，工作面布置情況如圖1所示[6-7]。工作面有支架83架，支架型號為ZY6800/17/35。當(dāng)工作面推進(jìn)至168 m時，基本頂周期來壓，發(fā)生切頂事故，同時疊加工作面上覆房式采空區(qū)煤柱失穩(wěn)而形成的沖擊載荷，由于支架使用年限過長，支架實(shí)際工作阻力下降，導(dǎo)致工作面中部支架整體下沉，支柱行程變?yōu)?～0.2m，支架被壓死，壓架地點(diǎn)如圖1中所標(biāo)注位置。采煤機(jī)無法從支架下方通過，工作面被迫停產(chǎn)。

圖1 石圪臺井田內(nèi)房式采空區(qū)分布及131201工作面布置

2 炮眼角度優(yōu)化

掏底槽拉架技術(shù)用于處理堅(jiān)硬底板條件下支架被壓死的情況。該方法是在受壓支架底座前方向底板打淺眼，裝適量炸藥進(jìn)行放炮，放炮后掏出底座下方的碎巖塊，使底座下降，立柱有少量行程，從而將受壓支架拉出。由于現(xiàn)有的挖底方法在實(shí)施上多憑借經(jīng)驗(yàn)，主觀影響大，因此本文結(jié)合石圪臺煤礦工作面出現(xiàn)支架壓死的實(shí)際情況，利用ANSYS/LS-DYNA建立在支架底座壓力下底板的簡化模型，研究不同打眼角度下炸藥的破巖效果，從而確定一種最佳的打眼角度。

LS-DYNA適合去求解各種二維和三維的非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸等問題，在巖石爆破問題中應(yīng)用廣泛。

2.1 高能應(yīng)力波傳播簡化模型

在掏底槽拉架過程中，較好爆破效果是靠近炮眼附近碎巖塊度小，易于工作人員掏出。在遠(yuǎn)離炮孔的支座下部，巖石發(fā)生一定的破碎，從而在拉架過程中，支架底座與底板巖石之間由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，使支架能在較小作用力下從壓死狀態(tài)下拉出[8]。

根據(jù)楊年華[9-10]的研究，條形藥包起爆后，產(chǎn)生的波陣面在藥包徑向范圍內(nèi)基本平行于藥包，在藥包兩端為半球形。藥包端部巖石質(zhì)點(diǎn)速度小于藥包中部質(zhì)點(diǎn)速度，同時靠近端部的柱面波峰值傳播速度衰減比中部快，在平行于條形藥包徑向方向的破壞效果明顯好于藥包端部。因此，要使炸藥爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波有足夠的能量對支架底座下部巖石產(chǎn)生較好效果的破壞，未經(jīng)反射的高能柱面波在傳播過程中應(yīng)能覆蓋整個支架底座，這樣應(yīng)力波在自由面處發(fā)生反射拉伸作用時才能保證足夠的能量。

本文在楊年華研究員研究成果的基礎(chǔ)上，選擇平行于裝藥方向并且與裝藥長度相等的高能柱面波作為主要研究對象。根據(jù)條形裝藥產(chǎn)生柱面波傳播特點(diǎn)，建立高能應(yīng)力波傳播簡化模型，見圖2。

圖2 條形藥包高能應(yīng)力波傳播模型

要使得高能應(yīng)力波覆蓋整個支架底座，最大炮眼角度為：

φmax=arcsin(H/L)

(1)

2.2 模型建立

石圪臺煤礦131201工作面支架底座長度為2.5m，炮眼長度為1m，代入公式(1)，計(jì)算得出最大炮眼的角度為24°。

根據(jù)該工作面的實(shí)際情況，所建模型尺寸為2.5m×2m，炮孔位于模型右上部，炮眼直徑0.01m，長度1m。根據(jù)公式(1)的計(jì)算結(jié)果，分別建立炮眼角度為0°，12°，24°，30°的4個模型，以對比不同炮眼角度對爆破效果的影響。炮眼的裝藥長度0.9m，炮泥填塞長度0.1m[11-12]，各物質(zhì)之間公用節(jié)點(diǎn)，采用拉格朗日算法進(jìn)行爆破的模擬計(jì)算。在模型的左右和下部設(shè)置無反射邊界條件，模擬無限巖體。在模型上部設(shè)置均布載荷，以模擬支架對底板的作用力，同時由于支架底座的影響，底座下部巖石在豎直方向的運(yùn)動受到限制，因此在支架底座所在范圍內(nèi)限制巖體豎直方向的位移。模型尺寸及示意如圖3所示。

圖3 數(shù)值模型

ANSYS/LS-DYNA一般采用JWL狀態(tài)方程計(jì)算爆炸所產(chǎn)生的壓力[13]。JWL狀態(tài)方程表示為：

(2)

式中，P為爆轟壓力；V為相對體積；Ev為單位體積內(nèi)能；ω，A，B，R1，R2為材料常數(shù)。

炸藥材料參數(shù)見表1。巖石使用PLASTIC_KINEMATIC材料模型建立，材料參數(shù)見表2。

表1 炸藥材料及其狀態(tài)方程參數(shù)

表2 巖石材料參數(shù)

2.3 炮眼角度對爆破效果的影響

對所建的4個模型進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)炮眼角度為0°時，如圖4(a)，支架下存在大塊巖石未被破碎，破壞情況較差；當(dāng)炮眼角度增大到12°時，如圖4(b)，支架底座下巖石在爆破后塊度較小且較均勻，巖石破碎的范圍大；當(dāng)炮眼角度增大到24°時，根據(jù)圖4(c)，在炮眼附近的巖石破碎情況較好，但支架最左側(cè)底板巖石的破碎多集中在表層，爆破效果一般；

圖4 不同炮眼傾角爆破效果

當(dāng)炮眼角度增大到30°時，如圖4(d)，巖石的破碎主要集中在炮眼附近，支架最左側(cè)底板巖石有大塊未被破碎，爆破效果差。

根據(jù)公式(1)計(jì)算得到的24°最大炮眼角度，通過分析可知當(dāng)炮眼角度超過24°時，支架最左側(cè)底板巖石破碎量隨著炮眼角度的增加逐漸較少，大塊率越來越高，條形裝藥對底板巖石的破壞趨于集中于炮孔附近。這是由于隨著炮眼角度的增加，爆炸產(chǎn)生的高能應(yīng)力波所覆蓋支架底座下巖石的范圍越來越小，支架左側(cè)底板所無法覆蓋的范圍越來越大，拉伸應(yīng)力波的產(chǎn)生范圍也逐漸減小，使巖石破碎越來越向炮眼附近集中。說明炮眼角度為24°是支架底座最左端底板巖石產(chǎn)生破碎的最大傾角。

雖然當(dāng)炮眼角度為24°時，支架底座最左端底板巖石有破碎，但是破碎深度和塊度不足以在拉架時使支架和底板之間產(chǎn)生滾動摩擦，而且隨著炮眼角度的增加，打眼的難度也越來越大，因此24°并非最優(yōu)的炮眼角度。

當(dāng)炮眼角度從24°降到12°時，支架底座下的巖石破碎的整體塊度逐漸減小，最左端破碎情況逐漸增加，爆破效果也越來越好。這是由于在12～24°的范圍內(nèi)，隨著炮眼角度的減小，高能應(yīng)力波所覆蓋的范圍逐漸增大，并且高能應(yīng)力波在發(fā)生反射時仍能產(chǎn)生足夠能量的拉伸應(yīng)力波對巖石進(jìn)行反射拉伸破壞，使支架下底板巖石有較好效果的破壞。當(dāng)炮眼角度從12°繼續(xù)減小至0°時，支架底座下巖石的大塊率隨炮眼角度的減小而增加，巖石破碎程度越來越差。這是由于炮眼角度從12°繼續(xù)減小時，雖然高能應(yīng)力波傳播范圍增大，但產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力波的能量越來越小，導(dǎo)致反射拉伸作用減弱，巖石的拉伸破壞量減少。雖然高能應(yīng)力波傳播范圍廣，但其對巖石的作用主要是壓應(yīng)力，而巖石的抗壓強(qiáng)度較高，高能應(yīng)力波所引起的破壞量較少，因此爆破效果逐漸變差。

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，炮眼角度在0°增加到30°的過程中，支架底座下巖石的爆破效果先增加后減小，而爆破效果出現(xiàn)變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是炮眼角度為12°，因此12°即為最佳炮眼角度。同時12°又是使高能應(yīng)力波覆蓋整個支架底座的最大炮眼角度的1/2，由此推出最佳炮眼角度的計(jì)算公式為：

φ=arcsin(H/L)/2

(3)

3 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)石圪臺煤礦131201工作面現(xiàn)場概況，由于工作面底板較為堅(jiān)硬，采用掏底槽拉架技術(shù)處理死架。該支架底座長2.5 m，欲打炮眼深度1m，根據(jù)公式(3)算得炮眼傾角為12°左右。利用鉆機(jī)向支架底座前方底板鉆傾角為12°的炮眼，少量裝藥以松動底板巖石。然后工人利用鋼釬、鎬、鍬等作業(yè)工具把支架碎石掏出，使支架有部分下沉，減少支架的工作阻力。當(dāng)支架有一定程度下沉后，多次扳動升柱扳手，增加死架周圍支架升起高度，并帶壓對壓死的支架進(jìn)行移架，進(jìn)而救活死架。

從實(shí)際操作看，選用炮眼角度為12°的方向打炮眼，巖石破碎后塊度較小，巖塊易于掏出，工人的工作強(qiáng)度小，拉架過程順暢，工作效率高。

4 結(jié) 論

(1)以石圪臺煤礦131201綜采工作面壓架為例，分析了工作面出現(xiàn)支架壓死情況的原因，并對現(xiàn)有掏底槽拉架技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

(2)根據(jù)柱面波的傳播特點(diǎn)，建立了高能應(yīng)力波傳播的簡化模型，利用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件建立了不同炮眼角度的數(shù)值模型，并計(jì)算了不同炮眼角度下支架底座下巖石的破碎效果，分析了巖石破碎效果隨炮眼角度變化的規(guī)律，得出炮眼角度為高能應(yīng)力波覆蓋整個支架底座的最大炮眼角度的1/2時爆破效果最好的結(jié)論。

(3)在石圪臺煤礦131201綜采工作面，通過對掏底槽拉架技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，采用炮眼角度為12°，在死架處理過程中，操作方便，工作效率高，為相似工程背景的壓架事故處理提供參考。

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