楊澤進(jìn)

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001)

我國煤礦開采主要為厚煤層開釆，開采方法主要是放頂煤開釆，其技術(shù)關(guān)鍵是減少煤炭損失進(jìn)而提高煤炭采出率[1]。綜放面初采損失是一個重要損失，當(dāng)綜放面頂板較硬時，若開采前期頂板能及時垮落，既可提高煤炭初采采出率，還可防止頂板垮落形成沖擊礦壓，進(jìn)而保證了初釆期的安全[2]。目前國內(nèi)多采用預(yù)爆破和預(yù)注水方法弱化頂板，取得了一定的成果，但采用聚能爆破弱化頂板的研究較少[3-10]。通過對常村煤礦S2采區(qū)S206綜放面地質(zhì)條件和直接裝藥預(yù)裂爆破參數(shù)分析，研究出一種簡易的聚能裝藥結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬，對比分析直接裝藥和聚能裝藥的裂爆破效果，優(yōu)化爆破方案，從而縮短S208綜放面的初次來壓步距，具有一定的工程應(yīng)用價值。

1 工程概況

1.1 綜放面基本情況

常村煤礦目前開采+470m水平的S2采區(qū)，S206綜放面于2018年底回采完畢，現(xiàn)正回采S208綜放面。S208面與S206面相鄰，工作面參數(shù)基本一致，切眼長度300m，走向可采長度約680m。主要回采3號煤層，煤層平均厚5.8m；綜放開采，割煤高3.2m，放煤高2.6m，采放比1∶0.82，采用垮落法管理頂板。煤層直接頂為炭質(zhì)泥巖，厚1.2m；基本頂為砂巖，厚7.5m。

1.2 S206面頂板爆破參數(shù)

為縮短頂板的初次來壓步距，S2采區(qū)綜放面之前一直采用直接裝藥預(yù)裂爆破來弱化頂板，沿綜放面開切眼液壓支架后方布置一排炮孔，開采前先進(jìn)行頂板預(yù)裂爆破。S206面頂板預(yù)裂爆破在開切眼中設(shè)有45個炮孔，為增加預(yù)裂效果在開切眼兩端的順槽中各增設(shè)3個炮孔，共計51個炮孔。裝藥時每3個炮孔為一起爆組，組與組的間距為10m，共17個起爆組。炮孔內(nèi)采用直接裝藥結(jié)構(gòu)，即將藥卷直接放置于炮孔中，利用毫秒延期電雷管和導(dǎo)爆索引爆。聯(lián)線方式采用“組內(nèi)并聯(lián)、總體串聯(lián)”，從工作面回風(fēng)巷至工作面進(jìn)風(fēng)巷一次起爆。S206面預(yù)裂爆破主要參數(shù)見表1，炮孔布置方案如圖1所示。

表1 S206面預(yù)裂爆破主要參數(shù)表

圖1 S206面預(yù)裂爆破炮孔布置(m)

2 聚能預(yù)裂爆破弱化頂板技術(shù)

S206面采用直接裝藥預(yù)裂爆破后，基本頂初次來壓步距為17.6m，為進(jìn)一步縮短來壓步距，分析決定在鄰近的S208面采用聚能預(yù)裂爆破弱化頂板技術(shù)。

2.1 破碎區(qū)半徑分析

預(yù)裂爆破弱化的工作面頂板主要是基本頂砂巖，其力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 基本頂力學(xué)參數(shù)表

為使綜放面開采前頂板形成貫通裂隙，預(yù)裂爆破的炮孔間距等于破碎區(qū)直徑最為理想，根據(jù)強度準(zhǔn)則[2]，對于柱狀不耦合裝藥爆破，破碎區(qū)半徑R計算公式為：

P=0.5P0K-2ηln

(2)

P0=0.25ρV2

(3)

式中，σc、σt分別為巖體單軸抗壓和抗拉強度；α、β、λ為泊松比參數(shù)；r為炮孔半徑；P為沖擊波初始壓力； P0、n分別為炸藥爆轟壓力與壓力增大系數(shù)；η為膨脹絕熱指數(shù)；l、K為裝藥軸向系數(shù)與不耦合系數(shù)；ρ、V為炸藥密度與爆速。

將各參數(shù)代入式(1)—(3)，求得R=2.38m?？芍卷斊扑閰^(qū)直徑為4.76m，小于現(xiàn)場設(shè)置的炮孔間距，導(dǎo)致S206面頂板預(yù)裂效果不佳。

2.2 聚能預(yù)裂爆破方案

由于在該聚能預(yù)裂爆破方案實施前，S208面鉆孔布置已參照S206面形式施工完畢，并已準(zhǔn)備好相關(guān)爆破器材。在爆破主要參數(shù)、炮孔布置、起爆方式等均不變的前提下，擬提高其預(yù)裂爆破效果，研究決定采用聚能爆破。簡易的聚能裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示，將炸藥裝于聚能管中，管外徑為Φ63mm，管內(nèi)對稱設(shè)置兩根外徑Φ20mm的空管，不耦合系數(shù)為1.45；再將聚能管放置于炮孔中，施工時兩空管連線方向與開切眼方向一致。根據(jù)安全規(guī)定，聚能管加工或選購時必須具有抗靜電性與阻燃性[11]，才能入井使用。

圖2 聚能裝藥結(jié)構(gòu)示意圖(mm)

2.3 聚能爆破機理分析

聚能爆破時釋放的能量將沿著幾乎垂直于聚能穴表面的方向射出形成高速穿透力很強的聚能流[12]，聚能流在交點處將獲得最小的剖面和最大的能量密度和速度，其能量密度高于爆轟波的能量密度，最終在聚能穴上產(chǎn)生超高速、高壓、高溫的能量流，具有極強的切割和穿透能力[13]。

該聚能爆破方案的聚能管內(nèi)設(shè)兩根對稱的空管，軸對稱設(shè)置，空管可起到聚能穴作用，爆破后在兩空管中心位置的兩股聚能流作用于孔壁，在兩空管連線方向上的孔壁將形成最大的破碎區(qū)。

3 聚能預(yù)裂爆破效果模擬分析

為驗證直接裝藥和聚能裝藥兩種方式爆破的預(yù)裂效果，進(jìn)行ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬[14]，采用ALE算法模擬爆轟傳播過程，分析爆炸后裂隙發(fā)育和應(yīng)力分布情況。建模時定義巖石、炸藥、空氣及聚能管4種材料單元，其中巖石參數(shù)采用基本頂力學(xué)參數(shù)。采用準(zhǔn)二維模型，模型尺寸為長×寬×厚=14m×10m×5m；兩孔連線中點為坐標(biāo)原點，炮孔連線為X軸，聚能裝藥空管布置在X軸向上。

3.1 應(yīng)力云圖和裂隙半徑分析

圖3 爆破等效應(yīng)力云圖(100MPa)

直接裝藥和聚能裝藥爆破后的等效應(yīng)力云圖(t=1209us)如圖3所示。從圖3分析，在1209us時刻，兩個炮孔炸藥起爆后的沖擊波已疊加，并在炮孔連線中點附近相互作用，壓縮巖石，釋放能量。圖3(a)中沖擊波向四周均勻傳播，裂縫向四周擴(kuò)張，在兩孔間沒形成貫通裂隙。圖3(b)中沖擊波主要朝X軸向傳播，裂縫主要朝X軸向擴(kuò)張，兩波疊加后，在兩孔間形成貫通裂隙。

通過后處理器分析爆破過程的裂隙發(fā)育，可得出直接裝藥的裂隙半徑為2.3m，聚能裝藥X軸和Y軸向上的裂隙半徑為2.8m和2.1m。再次證實了聚能裝藥在兩孔中點2.5m位置能形成貫通裂隙，而直接裝藥不能。

3.2 壓力-時間歷程分析

為分析爆炸后炮孔連線上壓力分布情況，在X軸向上0m、1m、2m位置選取A、B、C三個測點，各測點對應(yīng)單元181546、單元210184、單元236491，如圖4所示。直接裝藥和聚能裝藥爆破后的壓力-時間歷程曲線如圖5所示。

圖4 A、B、C測點位置

圖5 壓力-時間歷程曲線

從圖5(a)可知，測點壓力峰值依次為11MPa、22MPa、114MPa，其中A測點(兩孔連線中點)的壓力峰值低于巖石的抗拉強度14.5MPa，能量不足以破壞巖石產(chǎn)生裂隙[15]。從圖5(b)可知，測點壓力峰值依次為22MPa、33MPa、312MPa，均大于巖石的抗拉強度，能量可以在A測點形成貫穿裂隙。對比分析，聚能裝藥爆破后在炮孔連線上相同測點位置的壓力均大于直接裝藥爆破，說明聚能裝藥能明顯的提高預(yù)裂爆破效果，能達(dá)到預(yù)期的聚能效應(yīng)。

4 聚能預(yù)裂爆破現(xiàn)場應(yīng)用

常村煤礦井下S208綜放面成功實施聚能裝藥預(yù)裂爆破，與鄰近的S206面采用的直接裝藥爆破形成對比，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1)常村煤礦S2采區(qū)S208面實施聚能預(yù)裂爆破后，對工作面回采過程中的礦壓進(jìn)行觀測，通過記錄的頂板垮落和來壓步距情況得出：基本頂垮落進(jìn)尺為15.2m，即初次來壓步距為15.2m，相較于S206面縮短了2.4m。

2)在爆破主要參數(shù)基本一致的前提下，將裝藥結(jié)構(gòu)由原來的直接裝藥調(diào)整為聚能裝藥，只需新增聚能管，基本頂就能提前2.4m垮落，初采采出率提高16%。其經(jīng)濟(jì)效益為：工作面長度300m，放頂煤長度280m，放煤高2.6m ，提前垮落2.4m對應(yīng)的煤量為280m×2.4m×2.6m×1.4t/m3=2446t，原煤價格約600元/t，則經(jīng)濟(jì)價值為146.76萬元。

3)在爆破有害效應(yīng)方面，直接裝藥的單孔裝藥量為18.0kg，51個裝藥孔，共需炸藥量918kg；而聚能裝藥的單孔裝藥量為15.5kg，51個裝藥孔，共需炸藥量790.5kg，減少了127.5kg。既減少了炸藥成本，又減少了炸藥起爆產(chǎn)生的振動、有害氣體、煙塵等有害效應(yīng)。

5 結(jié) 論

1)聚能裝藥爆破的沖擊波主要朝兩空管方向傳播，具有聚能效應(yīng)，利于爆破裂縫的形成，預(yù)裂效果更佳。

2)聚能裝藥比直接裝藥更能弱化工作面頂板，使工作面頂板提前垮落，提高初采采出率，并保障初采期安全。

3)在爆破主要參數(shù)基本一致的情況下，采用聚能裝藥能達(dá)到直接裝藥的預(yù)裂效果，還能減少炸藥量和爆破的有害效應(yīng)。

4)目前該聚能爆破技術(shù)方案正在常村煤礦S2采區(qū)其他綜放面推廣實施，后期還可推廣至其他礦井類似條件工作面頂板預(yù)裂爆破以及采空區(qū)強制爆破放頂工藝中，具有良好的應(yīng)用價值和社會效益。