王虎偉

(潞安化工集團(tuán) 常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046102)

隨著礦井開(kāi)采強(qiáng)度及開(kāi)采深度的不斷增大，采礦地質(zhì)條件也愈加復(fù)雜，地層壓力驟增，圍巖條件愈加惡劣，鄰近工作面回采往往造成高應(yīng)力大變形巷道的產(chǎn)生[1-2]。針對(duì)采空側(cè)大變形巷道，采用頂板深孔爆破卸壓技術(shù)是解決采空側(cè)大變形巷道維護(hù)困難的有效途徑之一。

針對(duì)深孔爆破技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作，劉優(yōu)平等[3-4]通過(guò)利用LS-DYNA軟件模擬巖石在不同的裝藥結(jié)構(gòu)下的爆破過(guò)程，通過(guò)對(duì)不同情況研究分析得到了最佳的裝藥結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)；張繼春等[5-6]通過(guò)研究得出巖體在爆破時(shí)形成爆腔范圍大致在8～25倍藥卷半徑之間；李啟月等[7-8]分析了深孔爆破條件變化時(shí)礦巖爆破能量的變化規(guī)律，并將研究結(jié)果結(jié)合應(yīng)用于實(shí)踐；梁紹權(quán)等[9-10]分析了深孔控制預(yù)裂爆破機(jī)理，結(jié)合理論分析和試驗(yàn)研究確定了合理的爆破工藝參數(shù)；陳學(xué)華等[11-12]以巖石爆破機(jī)理為出發(fā)點(diǎn)，運(yùn)用有限元模擬軟件對(duì)深孔預(yù)爆破方案和爆破效果進(jìn)行爆破計(jì)算分析，分析得到應(yīng)力波傳播規(guī)律。

文章以常村煤礦S6-1工作面深孔爆破切頂卸壓確定合理炮孔間距的問(wèn)題為研究基礎(chǔ)，基于數(shù)值模擬和理論分析等研究方法，模擬分析不同裝藥直徑炸藥的爆破效果，確定出爆破損傷范圍與裝藥直徑的關(guān)系，為其他類(lèi)似工作面切頂卸壓和巷道支護(hù)方案的科學(xué)設(shè)計(jì)提供一種科學(xué)方法。

1 工程背景

S6-1工作面標(biāo)高+503.5～+560.9 m，埋藏深度為358.1～428.5 m，所采3號(hào)煤層總厚為5.6～6.5 m，平均厚度為6.05 m。S6-1工作面東南為S6-2工作面，兩個(gè)工作面之間留設(shè)了50 m保護(hù)煤柱，S6-2工作面的開(kāi)采造成了S6-1皮順的高應(yīng)力狀態(tài)和巷道大變形的發(fā)生，現(xiàn)以60°仰角在S6-1皮順取直徑75 mm、深度30 m的鉆孔進(jìn)行深孔爆破切頂卸壓。工作面具體布置如圖1所示。

圖1 S6-1工作面布置

2 數(shù)值模型及方案

2.1 計(jì)算動(dòng)力荷載

該研究中炮孔直徑為75 mm，選用50 mm、55 mm、60 mm、65 mm這4種裝藥直徑，采用不耦合裝藥爆破，計(jì)算不同裝藥直徑下作用于孔壁上的徑向應(yīng)力峰值[13]，即初始沖擊壓力為Pr：

式中：ρe、D分別為炸藥密度和爆速：ρe=1 300 kg/m3，D=3 000 m/s；dc為裝藥直徑，分別取50 mm、55 mm、60 mm、65 mm；db炮孔直徑，取75 mm；n為爆生氣體碰撞巖壁時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力增大倍數(shù)(n=12～15)，取15。裝藥直徑取50 mm、55 mm、60 mm、65 mm時(shí)，求得Pr分別為1 925.93 MPa、3 411.9 MPa、5 750.78 MPa、9 296.08 MPa。

在動(dòng)力分析過(guò)程中，COMSOL只有在已知初始條件與邊界條件下才能響應(yīng)研究對(duì)象，軟件自身無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)力荷載的自動(dòng)產(chǎn)生，故利用COMSOL進(jìn)行爆破分析時(shí)必須確定炮孔的輸入荷載。該研究選用如下脈沖函數(shù)作為動(dòng)力激勵(lì)作用于炮孔壁邊界，通過(guò)改變修正系數(shù)使脈沖函數(shù)峰值等于初始沖擊壓力Pr。

式中：P(t)為作用在炮孔壁的動(dòng)力荷載；k為修正系數(shù)、常數(shù)；Pr初始沖擊壓力；gamma為衰減率，取1.8；t0為爆炸持續(xù)時(shí)間，取2.510-4s。

2.2 幾何模型建立

如圖2所示，采用COMSOL軟件以鉆孔及鉆孔圍巖的具體情況為基礎(chǔ)建立二維幾何模型，10 m×10 m正方形為計(jì)算區(qū)域，直徑75 mm的圓模擬炮孔，圓心位于正方形的中心，取正方形和圓的差集模擬炮孔圍巖。整個(gè)區(qū)域設(shè)置為線彈性，楊氏模量為50 GPa，泊松比為2/7，密度為2 700 kg/m3。邊界載荷設(shè)置在圓的邊上，大小為P(t)，方向由圓心向外輻射。正方形的4條邊設(shè)置為低反射邊界。對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行自由三角形網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后包含12 500個(gè)域單元、6 000個(gè)邊界元和420個(gè)邊單元，如圖3所示。

圖2 研究對(duì)象物理模型

圖3 網(wǎng)格劃分

2.3 模擬方案設(shè)計(jì)

如表1所示，根據(jù)爆破炸藥的不同裝藥直徑設(shè)計(jì)了四種模擬方案。

表1 模擬方案

在模型中設(shè)置一段測(cè)線，測(cè)線范圍為(0.5,0)～(5,0)，測(cè)線上每間隔0.5 m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共10個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 測(cè)線及測(cè)點(diǎn)布置

文章通過(guò)將不同裝藥直徑下各測(cè)點(diǎn)爆炸應(yīng)力峰值進(jìn)行擬合，得到一條位移應(yīng)力峰值曲線，通過(guò)位移應(yīng)力峰值曲線與巖石抗拉強(qiáng)度確定不同裝藥直徑的損傷半徑。對(duì)得到的4組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到爆炸損傷范圍擬合曲線，分析爆破損傷范圍隨裝藥直徑的變化規(guī)律。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同裝藥直徑爆炸損傷半徑

爆炸能量的傳遞過(guò)程在一定程度上受到裝藥結(jié)構(gòu)的影響，不同裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的能量及能量折射率有所不同。在裝藥直徑(裝藥量)不同的情況下，空氣層對(duì)沖擊波起到的緩沖作用也不同。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)4種不同裝藥直徑爆破情況下測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力峰值數(shù)據(jù)，得到不同裝藥直徑爆破應(yīng)力峰值曲線如圖5～圖8所示。

圖5 裝藥直徑50 mm時(shí)應(yīng)力峰值曲線

圖6 裝藥直徑55 mm時(shí)應(yīng)力峰值曲線

圖7 裝藥直徑60 mm時(shí)應(yīng)力峰值曲線

圖8 裝藥直徑65 mm時(shí)應(yīng)力峰值曲線

不同裝藥直徑條件下應(yīng)力分布云圖大致相同，文章選取裝藥直徑60 mm(方案三)進(jìn)行分析，應(yīng)力分布云圖如圖9～圖11所示。

圖9 爆炸發(fā)生0.26 ms后應(yīng)力分布云圖

圖10 爆炸發(fā)生0.66 ms后應(yīng)力分布云圖

圖11 爆炸發(fā)生0.98 ms后應(yīng)力分布云圖

分析圖5～圖11可知：

2) 通過(guò)在圖中做出巖石抗拉強(qiáng)度線與巖體內(nèi)部應(yīng)力峰值曲線的交點(diǎn)，得到巖石爆炸損傷半徑。這是由于巖石在爆炸過(guò)程中發(fā)生的破壞主要是抗拉破壞，在應(yīng)力峰值超過(guò)巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，視為發(fā)生了破壞。由此得到裝藥直徑為50 mm、55 mm、60 mm、65 mm時(shí)巖石爆炸破壞損傷半徑分別為1.06 m、1.91 m、3.07 m、4.81 m。

3) 爆炸發(fā)生后，應(yīng)力波從爆炸源處呈輻射狀向巖體周?chē)鷤鬟f，巖體受到爆炸應(yīng)力波的拉伸作用而發(fā)生破壞，形成裂隙區(qū)。應(yīng)力波傳播距離隨時(shí)間不斷增大，同時(shí)應(yīng)力波的強(qiáng)度迅速衰減。

3.2 爆炸損傷范圍隨裝藥直徑的變化規(guī)律

根據(jù)應(yīng)力峰值曲線及巖石抗拉強(qiáng)度確定不同裝藥直徑的爆炸損傷半徑分別為1.06 m、1.91 m、3.07 m、4.81 m，通過(guò)擬合這4組數(shù)據(jù)，得到爆炸損傷范圍擬合曲線如圖12所示。

圖12 不同裝藥直徑爆炸損傷范圍擬合曲線

由不同裝藥直徑爆炸損傷范圍擬合曲線可知：

4 工程實(shí)踐

在S6-1皮順沿采空區(qū)煤柱與實(shí)體煤方向間隔6 m打深鉆孔，鉆孔參數(shù)為：孔深30 m，裝藥12 m，封孔深度18 m，鉆孔傾角60°，鉆孔直徑75 mm，炸藥采用煤礦許用3號(hào)乳化炸藥，藥卷直徑60 mm，每孔裝藥卷數(shù)為24個(gè)，封泥長(zhǎng)度18 m。每孔均勻布置2個(gè)同段毫秒延期電雷管，孔內(nèi)連線采用并聯(lián)連接。一次起爆1個(gè)炮孔。鉆孔布置示意如圖13所示。

圖13 頂板深孔爆破平面

如圖14所示，在巷道內(nèi)布置7個(gè)測(cè)站，初始測(cè)站距離工作面開(kāi)切眼175 m，測(cè)站間距25 m，其中，1個(gè)測(cè)站位于試驗(yàn)區(qū)域前方，1個(gè)測(cè)站位于試驗(yàn)區(qū)域后方，其余測(cè)站位于試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)。

圖14 礦壓監(jiān)測(cè)測(cè)站布置

S6-1工作面回采期間測(cè)量測(cè)站處巷道表面位移，得到回采期間巷道頂?shù)装逡平壳€如圖15所示。

圖15 巷道表面位移曲線

由巷道表面位移曲線可知：

1) 由測(cè)站1～7處頂?shù)装逡平?99 mm、677 mm、492 mm、413 mm、460 mm、573 mm、732 mm及兩幫移近量857 mm、578 mm、455 mm、421 mm、461 mm、550 mm、694 mm可知，切頂卸壓試驗(yàn)段頂?shù)装逡平颗c兩幫移近量均明顯小于未卸壓段。

2) 切頂卸壓區(qū)中心測(cè)站3～5受卸壓段外圍巖變形影響小，能夠真實(shí)反映出切頂卸壓效果，測(cè)站3～5平均頂?shù)装逡平?55 mm，與切頂卸壓區(qū)外頂?shù)装逡平?66 mm相比，減少了40.6%；測(cè)站3～5平均兩幫移近量442 mm，與切頂卸壓區(qū)外兩幫移近量775 mm相比，減少了43.0%.

3) 圍巖變形結(jié)果顯示，采用深孔爆破切頂卸壓技術(shù)能夠有效減小采空側(cè)大變形巷道的圍巖變形，基本滿足工作面生產(chǎn)要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 爆炸損傷半徑隨著裝藥直徑的增大呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，根據(jù)巖石抗拉強(qiáng)度線與巖體內(nèi)部應(yīng)力峰值曲線的交點(diǎn)，得到裝藥直徑為50 mm、55 mm、60 mm、65 mm時(shí)巖石爆炸破壞損傷半徑分別為1.06 m、1.91 m、3.07 m、4.81 m。

3) 該工作面爆破卸壓選用的藥卷為直徑60 mm的煤礦許用3級(jí)乳化炸藥，根據(jù)爆炸損傷范圍擬合曲線確定爆破方案中炮孔間距應(yīng)設(shè)為6 m。

4) 圍巖變形結(jié)果顯示，切頂卸壓段巷道頂?shù)装逡平颗c兩幫移近量均明顯小于未卸壓段。進(jìn)一步證明，深孔爆破切頂卸壓技術(shù)能改善巷道的應(yīng)力環(huán)境，實(shí)現(xiàn)采空側(cè)巷道圍巖變形的有效控制，并基本滿足工作面的安全生產(chǎn)要求。