劉 沖
(山西新元煤炭有限責(zé)任公司,山西 晉中 045400)
隨著淺部煤炭資源開采殆盡,以及機(jī)械化程度的不斷提高,安全、高效提高煤炭資源回采利用率是煤炭可持續(xù)發(fā)展的基本要求。巖溶陷落柱作為一種分布廣、影響范圍大的地質(zhì)構(gòu)造給礦井的開掘部署及正常的回采活動(dòng)帶來了較大的影響[1-4],目前絕大多數(shù)綜采工作面在通過部分巖性強(qiáng)度較高的非導(dǎo)水陷落柱時(shí)仍采用的是平推硬過、潛孔爆破等常規(guī)技術(shù)手段,不僅效率低、刀齒磨損嚴(yán)重而且還存在較大的安全隱患[5-7]。
深孔爆破技術(shù)通過對鉆孔參數(shù)、藥卷直徑、封孔長度的合理設(shè)計(jì)可以高效的完成對陷落柱內(nèi)厚硬巖體的一次性預(yù)裂爆破,從而提高工作面通過陷落柱構(gòu)造區(qū)的效率及安全性[8-10]。鑒于此,本文以山西新元煤礦3207綜采工作面過堅(jiān)硬陷落柱為工程背景,針對煤系地層賦存及開采技術(shù)條件,研制了PVC管組合裝配式擴(kuò)裂彈體及裝藥器,結(jié)合LS-DYNA軟件的數(shù)值模擬結(jié)果設(shè)計(jì)了針對X140陷落柱的深孔爆破方案。
新元煤礦3207工作面采用傾斜長壁后退式采煤法,工作面走向長267.4m,推進(jìn)長度為1423m,3207工作面布置如圖1所示,其中,開采煤層平均厚2.73m,偽頂為高嶺石泥巖厚0.25m,直接頂為灰黑色砂質(zhì)泥巖厚3.50m,基本頂為灰白色中粒砂巖厚2.75m。煤層及頂?shù)装鍘r層具體巖性如圖2所示。
圖2 煤系地層綜合柱狀圖
3207工作面推進(jìn)過程中遇到了巖性強(qiáng)度較高的X140陷落柱,X140陷落柱切入到工作面內(nèi)的最大寬度為40.26m,在工作面推進(jìn)方向的延展長度為99m,陷落柱內(nèi)以白砂巖發(fā)育為主,陷落柱位置如圖1所示。
在進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破之前,能否順利把所需炸藥包裝到設(shè)計(jì)的制定位置,是實(shí)現(xiàn)深孔爆破的關(guān)鍵。目前在煤礦實(shí)際爆破過程中,多采用柔性較大的乳化炸藥。以新元煤礦3207綜采工作面過堅(jiān)硬陷落柱為例,在炮眼鉆鑿過程中,一方面由于陷落柱內(nèi)白砂巖多呈塊狀分布且為泥質(zhì)膠結(jié),成孔后部分孔段孔徑變形較大;另一方面鉆孔完成后,炮孔內(nèi)的巖粉清洗困難。以上兩方面的原因使得藥包在推送過程中很容易破損或被“卡塞”在炮孔中,導(dǎo)致裝藥困難或藥包不連續(xù),從而影響預(yù)期的爆破效果,并且殘留的炸藥也會(huì)為后續(xù)生產(chǎn)帶來安全隱患。為解決上述兩個(gè)技術(shù)難題,設(shè)計(jì)研發(fā)了PVC管組合裝配式擴(kuò)裂彈體及新型裝藥器。
PVC管組合裝配式擴(kuò)裂彈體,各段彈體壁厚1.5mm,彈體外徑63mm,裝藥長度1000mm,裝藥密度1.1g/cm3,裝藥重量2.95kg,如圖3所示。整個(gè)彈體最前端為錐形結(jié)構(gòu),可以順利推過不光滑的炮孔和巖粉堆積處。各擴(kuò)裂彈體之間采用絲扣連接,不僅可以在裝藥過程中發(fā)生卡塞時(shí),藥柱能夠承受推拉作用,而且保證了藥包與藥包之間連接的緊密性,有效杜絕了藥卷間距過大而產(chǎn)生的失爆現(xiàn)象。另外,PVC材料具有良好的阻燃性和化學(xué)穩(wěn)定性,而且在爆炸環(huán)境下,不與瓦斯、煤塵發(fā)生化學(xué)反應(yīng),因此可以滿足井下深孔爆破作業(yè)的要求。
圖3 裝藥殼體及其連接
深孔擴(kuò)裂爆破的炮孔很長,為了保證構(gòu)件在有足夠強(qiáng)度和剛度的前提下,達(dá)到輕量化的目的,研究設(shè)計(jì)了新型管狀裝藥器,如圖4所示。該型裝藥器的單根管長為1.5m,直徑40mm,壁厚2mm。在材質(zhì)上選用6063鋁合金,其屈服極限和抗拉強(qiáng)度分別為196MPa和253MPa,因此可以保證裝藥器克服孔壁摩擦力將裝藥殼體送入指定位置,同時(shí)為了方便對深孔進(jìn)行吹孔和沖洗,連接件也采用了中空設(shè)計(jì)。
圖4 裝藥器連接件
LS-DYNA是通用的顯示動(dòng)力分析程序,它被廣泛的運(yùn)用在裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化、爆破裂紋擴(kuò)展等眾多非線性動(dòng)力沖擊問題的研究當(dāng)中[11-15]。根據(jù)3207工作面的實(shí)際地質(zhì)條件,本文利用LS-DYNA軟件對不同直徑藥卷的擴(kuò)裂半徑進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,陷落柱內(nèi)巖體的力學(xué)參數(shù)見表1。
表1 巖石材料模型力學(xué)性質(zhì)參數(shù)
爆破完成后不同藥卷直徑下的止裂形態(tài)如圖5所示,由圖5可知,爆破沖擊波在轉(zhuǎn)化為應(yīng)力波后,應(yīng)力波在孔壁呈同心圓的形狀,隨著應(yīng)力波傳播距離的增大及能量消耗破壞巖石的增加,應(yīng)力波呈逐漸衰減的態(tài)勢。通過對裂紋長度的測算可知,裂隙區(qū)的半徑約為藥卷半徑的32倍,以裂紋的分布密度來看,深孔爆破完成后對機(jī)組的通過比較有利。
圖5 不同藥卷半徑下的止裂形態(tài)
為了直觀反映巖體在爆破載荷作用下的力學(xué)性質(zhì),在模型上距離爆孔中心50cm、150cm、200cm、250cm的位置布測四個(gè)應(yīng)力測點(diǎn),記為A、B、C、D,如圖6所示。
圖6 模型測點(diǎn)
四個(gè)單元的應(yīng)力時(shí)程曲線如圖7所示。通過分析曲線可以發(fā)現(xiàn),各單元應(yīng)力峰值出現(xiàn)的時(shí)間及強(qiáng)度與炮孔的中心距離成反比,炮孔周圍巖體的受力狀態(tài)呈現(xiàn)出先壓后拉的特性,并且壓應(yīng)力峰值的絕對值遠(yuǎn)大于拉應(yīng)力峰值的絕對值。
圖7 四個(gè)測點(diǎn)的有效應(yīng)力—時(shí)間曲線
六種工況下的最大裂隙區(qū)半徑見表2。通過對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到了以裝藥半徑為因變量、以裂隙區(qū)半徑為自變量的線性回歸方程,如圖8所示,整個(gè)方程的R2達(dá)到了0.994。由回歸方程可得,當(dāng)藥卷直徑為63mm時(shí),裂隙區(qū)的直徑為2016mm。結(jié)合工作面3m的采高及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)可知直徑為63mm的藥卷可以滿足工程需要,鉆孔中位處于采高的一半的位置,波動(dòng)200mm處布孔。
表2 裝藥半徑與裂隙半徑統(tǒng)計(jì)
圖8 裝藥半徑與裂隙區(qū)半徑線性擬合
本次深孔預(yù)裂爆破在3207工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷1內(nèi)進(jìn)行,根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)的規(guī)定,深孔爆破指炮孔直徑大于50mm,并且深度大于5m的爆破作業(yè)。因此從距陷落柱左側(cè)揭露邊緣10.56m處開始,沿工作面推進(jìn)方向以2.5m為間距在85m長的區(qū)域內(nèi)布置爆破深孔,孔深控制在5~36m之間,炮眼布設(shè)如圖9所示。為了保證安全,一次爆破總藥量均控制在200kg以內(nèi),所有炮眼在裝藥方式上均為正向裝藥,各起爆雷管之間分批次串聯(lián)完成后接到發(fā)爆器上。具體爆破參數(shù)見表3。
表3 爆破參數(shù)表
深孔爆破的填塞工藝不但關(guān)系到爆破效果的好壞也關(guān)系到爆破的安全。因此,需要根據(jù)深孔爆破的不同目的,對炮孔進(jìn)行針對性的填塞。本次實(shí)驗(yàn)所采用的封孔炮泥先由黃土與砂按3∶1的比例加水混合均勻后,然后再加工成?60mm長200mm的圓柱形。由式(1)計(jì)算得出,安全封孔長度為6m。
L≥nR/(2fλ)
(1)
式中,R為現(xiàn)場試驗(yàn)爆破孔半徑,取47mm;f為側(cè)壓系數(shù),取0.3;λ為摩擦因數(shù),取0.02;n為綜合影響系數(shù),取最大值1.5。
經(jīng)計(jì)算得封孔長度L≥5.9m。
深孔爆破均是在半無限體內(nèi)進(jìn)行大藥量的爆破作業(yè),由于爆破區(qū)域沒有有效的補(bǔ)償空間,其炸藥爆炸所產(chǎn)生的大量爆炸能量和爆生氣體需要在爆破區(qū)域內(nèi)消耗,消耗速度除與爆破填塞有關(guān)外,還與爆破擴(kuò)裂巖石的裂隙擴(kuò)展速度和爆破區(qū)域內(nèi)原巖裂隙的發(fā)育程度有關(guān)。盡管X140陷落柱內(nèi)白砂巖較多,完整性好且較堅(jiān)硬,但這些白砂巖呈塊狀的較多,且膠結(jié)一般為泥質(zhì)膠結(jié)。所以在爆破過程中其能量耗散較快,為爆生氣體提供了較大的膨脹補(bǔ)償空間。
深孔預(yù)裂爆破結(jié)束后,對炮孔的爆破效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。其中,除了5號(hào)孔由于炮泥充填質(zhì)量較差,爆破后炮泥被沖出,1—17號(hào)孔均未出現(xiàn)較大的沖孔現(xiàn)象;18—19號(hào)孔在爆破時(shí)出現(xiàn)了爆破漏斗拋擲現(xiàn)象,沖出了較多的巖石,分析原因主要是該區(qū)域內(nèi)巖性較好并且裝藥量較大而導(dǎo)致的;20—35號(hào)孔均既無封孔炮泥被沖出,也未發(fā)生爆破漏斗拋擲現(xiàn)象。
1)3207工作面在通過X140陷落柱之前,先通過了一個(gè)與其巖性相近的X165陷落柱,并采取了潛孔爆破的措施。X165陷落柱累計(jì)推進(jìn)31.8m,截齒消耗396把,用時(shí)9d,截齒平均消耗12.45把/m,工作面平均推進(jìn)速度為3.53m/d。
2)3207工作面在X140陷落柱深孔爆破實(shí)施區(qū)累計(jì)推進(jìn)85m(指1#~35#炮眼布設(shè)區(qū)段),消耗截齒270把,用時(shí)21d,截齒平均消耗3.18把/m,工作面平均推進(jìn)速度4.05m/d。
3)通過對比以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)采煤機(jī)通過X140陷落柱爆破擴(kuò)裂區(qū)的截齒消耗量比X165陷落柱時(shí)降低了74.5%,工作面推進(jìn)速度提高了14.7%。
1)針對堅(jiān)硬陷落柱巖性而研制的新型PVC組合裝配式擴(kuò)裂彈體可以保證柔性乳化炸藥準(zhǔn)確送達(dá)炮眼指定位置,提高了各藥包間耦合程度。另外,鋁合金管裝藥器不僅方便安裝而且中空式的連接頭設(shè)計(jì)可以完成對深孔的吹孔和沖洗作業(yè)。
2)根據(jù)LS-DYNA模擬結(jié)果可知本次爆破選用的藥卷直徑為63mm,炮眼的間距確定為2.5m,封孔炮泥長度在1.5~6m之間,鉆孔深度控制在5~36m范圍內(nèi),一次爆破總藥量不超過200kg。
3)現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)表明深孔預(yù)裂爆破技術(shù)在新元煤礦3207綜采工作面過堅(jiān)硬陷落柱時(shí)取得較好的應(yīng)用效果。其中,爆破完成后92%的炮孔的爆害程度均在可控范圍之內(nèi),并且使截齒消耗量降低了74.5%,工作面推進(jìn)速度提高了14.7%。