丁建輝

(晉能控股集團(tuán) 馬脊梁礦,山西 大同 037000)

無煤柱沿空留巷技術(shù)是目前煤礦中較為常用的技術(shù)之一。沿空留巷技術(shù)不僅可以降低巷道掘進(jìn)率,提高煤炭資源回收率,增加經(jīng)濟(jì)效益,而且能夠縮短準(zhǔn)備工期,緩解采掘交替緊張局面,減輕煤炭企業(yè)經(jīng)濟(jì)壓力。因此,沿空留巷技術(shù)的使用是煤礦實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的途徑之一[1-3]。

預(yù)裂爆破是實(shí)現(xiàn)沿空留巷的關(guān)鍵技術(shù),預(yù)裂爆破的效果決定著沿空留巷成型效果[4]。李延春等[5]理論研究了孔徑與孔深、裝藥量、封堵長(zhǎng)度及鉆孔布置等深孔預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)計(jì),并利用ANSYS數(shù)值模擬軟件得到了爆破應(yīng)力曲線,驗(yàn)證了方案的可行性;賈騰等[6]設(shè)計(jì)了5種工況研究不同孔間距下抽采孔對(duì)深孔預(yù)裂爆破效果,得到了爆破預(yù)裂孔裂隙區(qū)的半徑為5 m左右;張盛等[7]對(duì)裝藥量、封孔長(zhǎng)度、裝藥結(jié)構(gòu)以及爆破孔間距等進(jìn)行了井下爆破試驗(yàn),提出采用隔孔爆破的方式,確定了切頂卸壓最佳方案為孔深9 m,孔徑48 mm,爆破孔傾斜角度為 15°,單孔裝藥量不低于450 g/m,封孔長(zhǎng)度不低于2 m,采用隔孔爆破方式,兩爆破孔間距不大于800 mm;李新平等[8]研究了不同裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)裂爆破效果的影響,對(duì)比中心單藥卷和偏心雙藥卷發(fā)現(xiàn),偏心單藥卷裝藥結(jié)構(gòu)下的預(yù)裂縫成型效最佳;陳俊樺等[9]提出了考慮爆破損傷效應(yīng)的預(yù)裂爆破參數(shù)計(jì)算式,并和經(jīng)驗(yàn)類公式比較,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明預(yù)裂效果良好;胡超文等[10]利用數(shù)值模擬研究了杜兒坪煤礦62711工作面不同爆破高度和切頂角度時(shí)巷道圍巖應(yīng)力分布及頂板位移情況,確定了切頂高度為6 m,切頂角度為15°時(shí)效果最佳。

本文以同忻礦8201工作面為工程背景,研究了預(yù)裂爆破初始沖擊力、鉆孔間距的關(guān)系,利用COMSOL數(shù)值模擬軟件分析了裝藥直徑、鉆孔間距等主要參數(shù)在不同裝藥結(jié)構(gòu)下圍巖的損傷情況,得到了不同爆破方案預(yù)裂效果?，F(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)表明,鉆孔深度為18 m,炸藥直徑為27 mm,爆破間距為1 200 mm時(shí),孔內(nèi)裂隙發(fā)育較好,研究成果可為類似條件下煤礦切頂卸壓技術(shù)提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支撐。

1 工程概況

8201工作面位于二盤區(qū),工作面布置如圖1所示。工作面對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高為+1 189.6 m,工作面標(biāo)高為786～809 m。工作面走向長(zhǎng)2 118～2 159 m,傾斜長(zhǎng)217.5 m,總面積46.51萬m2。工作面采用后退式走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法,采用垮落法管理頂板。

圖1 8201工作面布置圖Fig.1 Layout of 8201 working face

8201工作面煤層平均厚度21.43 m；直接頂為炭質(zhì)泥巖,平均厚度3.84 m;基本頂為粗砂巖,平均厚度13.28 m;直接底為泥巖,平均厚度4.67 m。工作面柱狀圖如圖2所示。

圖2 8201工作面柱狀圖Fig.2 Histogram of 8201 working face

2 爆破切頂理論分析

目前關(guān)于爆破破壞理論大致可歸納為三種:爆破氣體膨脹作用理論、爆破應(yīng)力波反向拉伸作用理論、爆破氣體和應(yīng)力波綜合作用理論。不論哪種形式的爆破破壞,破壞區(qū)域都可分為粉碎帶(壓縮區(qū))、裂隙帶(裂隙區(qū))和彈性震動(dòng)帶(擾動(dòng)區(qū))。切頂卸壓中預(yù)裂爆破就是利用爆破后鉆孔之間形成粉碎帶或裂隙帶,頂板在自重作用下切落下來。目前較常采用的爆破方式為聚能環(huán)爆破,炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波通過兩側(cè)開口釋放能量,當(dāng)沖擊波產(chǎn)生的應(yīng)力大于巖體的抗拉強(qiáng)度時(shí),巖體受到破壞產(chǎn)生裂隙,由此在預(yù)定方向產(chǎn)生壓縮區(qū)和破裂區(qū),鉆孔之間的壓縮區(qū)和破裂區(qū)形成的貫通裂隙將頂板巖層切落,從而達(dá)到卸壓的目的。

2.1 爆破初始沖擊力

爆破產(chǎn)生的初始沖擊力不僅與炸藥的型號(hào)威力相關(guān),而且受鉆孔大小、裝藥方式等因素影響,目前較常應(yīng)用的爆破初始沖擊力pγ的經(jīng)驗(yàn)公式為:

(1)

式中:ρε為炸藥密度,取值1 000 kg/m3;v為炸藥爆速,取值3 600 m/s;dc為裝藥直徑,取值27 mm;db為炮孔直徑,取值48 mm;n為爆破氣體碰撞巖壁時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力增大倍數(shù),一般n=12～15,取15。

2.2 炮孔間距

在爆炸沖擊壓力作用下,沿炮孔切向的最大拉應(yīng)力分布特征為:

(2)

(3)

a=2-b.

(4)

式中:b為波速比;pr為炸藥爆炸時(shí)對(duì)孔壁產(chǎn)生的初始沖擊壓力值,MPa;r為炮孔周圍任一點(diǎn)至藥包中心距離與裝藥半徑之比;μ為頂板巖石的泊松比,取0.28;a為應(yīng)力波衰減系數(shù)。

由于徑向裂隙由拉應(yīng)力引起,因此,可以用煤體的抗拉強(qiáng)度代替其切向拉應(yīng)力峰值,即

σθmax=σt.

(5)

根據(jù)彈性理論,求得炮孔周圍爆破后煤層的裂隙區(qū)半徑R為

(6)

式中:σt為頂板巖層(中粒砂巖)的抗拉強(qiáng)度, MPa;rb為炮孔半徑,24 mm。

將裝藥直徑27 mm帶入計(jì)算,可求得爆破初始沖擊力pr為770 MPa；炮孔裂隙區(qū)半徑R為418 mm。上述計(jì)算過程中忽略了爆生氣體的準(zhǔn)靜態(tài)膨脹作用,同時(shí)由爆破引起的煤體完整性下降和強(qiáng)度損失也不僅僅局限于裂隙區(qū)范圍內(nèi),裂隙區(qū)以外應(yīng)力波的損傷作用以及振動(dòng)效應(yīng)同樣可以弱化煤體的完整性和強(qiáng)度,所以實(shí)際的裂隙區(qū)半徑大于計(jì)算值,一般為計(jì)算值的1.5倍,炮孔間距為裂隙區(qū)半徑的2倍,爆破間距為1 254 mm,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中可取1 200 mm。

3 數(shù)值模擬研究

3.1 不同鉆孔間距數(shù)值模型

利用COMSOL數(shù)值模擬軟件建立模型,模型尺寸為20 m×10 m長(zhǎng)方形和2個(gè)直徑48 mm的圓,如圖3所示。取正方形和圓的差集作為計(jì)算區(qū)域,整個(gè)區(qū)域進(jìn)行自由三角形網(wǎng)格劃分。爆破采用三級(jí)煤礦許用水膠炸藥,炸藥密度為1 000 kg/m3;炸藥爆速為3 600 m/s。為研究鉆孔間距對(duì)爆破效果的影響,分別模擬了鉆孔間距1 200 mm、1 400 mm、1 600 mm下的鉆孔爆破效果,模擬定義參數(shù)如表1所示。

(a)研究對(duì)象物理模型

(b)模型網(wǎng)格劃分圖3 數(shù)值模型Fig.3 Numerical model

表1 模擬定義參數(shù)Table1 Simulation definition parameters

3.2 爆破荷載施加

爆炸沖擊的瞬間,其作用在炮孔壁上的作用力直接達(dá)到峰值,隨后以應(yīng)力波的形式在巖體中傳播,而在孔壁上的作用力會(huì)在極短時(shí)間急速衰減,為在COMSOL數(shù)值模擬軟件中表示作用于孔壁上的作用力,可用以下脈沖函數(shù)進(jìn)行表示:

(7)

式中:P(t)為作用在炮孔壁的動(dòng)力載荷,MPa;k為修正系數(shù),常數(shù);pr為初始沖擊壓力,MPa;γ為衰減率,取2;t為爆炸時(shí)間，s;t0為爆炸持續(xù)時(shí)間,s。

3.3 爆破結(jié)果分析

通過COMSOL數(shù)值模擬分別計(jì)算孔距為1 200 mm(方案一)、1 400 mm(方案二)和1 600 mm(方案三)時(shí)圍巖受力情況,在兩鉆孔之間布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行記錄,如圖4所示。

(a)方案一(孔距1 200 mm)

(b)方案二(孔距1 400 mm)

(c)方案三(孔距1 600 mm)圖4 不同方案下應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution under different schemes

通過對(duì)比巖石抗拉強(qiáng)度確定爆破效果,其中中粒砂巖抗拉強(qiáng)度為3 MPa(圖中綠線所示),泥巖抗拉強(qiáng)度為1.5 MPa(圖中紅線所示)。模擬得到三組方案下同一時(shí)刻炮孔應(yīng)力分布情況,并根據(jù)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制不同距離處圍巖應(yīng)力峰值曲線圖,如圖5所示。

圖5 不同方案下應(yīng)力峰值曲線圖Fig.5 Curves of peak stress under different schemes

由圖5可知,隨著鉆孔距離的增大,應(yīng)力峰值先急速下降,再緩慢下降,而當(dāng)臨近中心點(diǎn)時(shí),應(yīng)力峰值有所升高,超過了中粒砂巖抗拉強(qiáng)度,這是由于兩個(gè)炮孔的沖擊波均對(duì)此區(qū)域有影響,能夠有效破壞巖石,產(chǎn)生裂隙區(qū)。由方案一可知,應(yīng)力峰值均在中粒砂巖抗拉強(qiáng)度之上,即此距離下中粒砂巖巖層和泥巖巖層均被破壞,鉆孔間形成貫通裂隙;由方案二可知,在距炮孔0.55～0.60 m范圍內(nèi),應(yīng)力峰值小于中粒砂巖抗拉強(qiáng)度,但大于泥巖抗拉強(qiáng)度,即在中粒砂巖層中,距鉆孔0.55～0.60 m范圍內(nèi)未能形成貫通裂隙,爆破效果弱;由方案三可知,在距炮孔0.60 ～0.70 m范圍內(nèi),應(yīng)力峰值小于中粒砂巖抗拉強(qiáng)度,但大于泥巖抗拉強(qiáng)度,即在中粒砂巖層中,距鉆孔0.60 ～0.70 m范圍內(nèi)未能形成貫通裂隙,爆破效果較弱。

綜上所述,在鉆孔間距為1 200 mm即方案一時(shí),鉆孔爆破效果最好,能形成較好的貫通裂隙,有利于切頂卸壓。

4 爆破現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

4.1 現(xiàn)場(chǎng)爆破方案

8201工作面原有切縫鉆孔孔深為8.5 m,直徑48 mm,孔間距為600 mm。使用CMM-8煤礦用液壓錨桿鉆車(DCA-45型自動(dòng)成巷超前切縫鉆機(jī))自8201工作面停采線向里施工,在巷道頂板原切縫鉆孔的基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸,延伸鉆孔間隔1 200 mm。對(duì)8201下順槽676#鋼帶至203#鋼帶共378 m巷道進(jìn)行切縫鉆孔爆破,孔深18.5 m的切縫孔具體數(shù)量為300個(gè),孔深8.5 m的切縫孔具體數(shù)量為310個(gè)。

切縫鉆孔沿巷道走向傾角為82°(向較低側(cè)傾斜,用半圓測(cè)量鉆臂的角度8°),垂直巷道走向傾角為75°(向工作面?zhèn)葍A斜),角度偏差不超過0.5°,鉆孔間距1 200 mm,鉆孔直徑48 mm,鉆孔深度18.5 m。8201工作面鉆孔布置圖如圖6所示。

圖6 8201工作面深孔爆破鉆孔布置圖Fig.6 Borehole layout of deep-hole blasting of 8201 working face

根據(jù)8201回風(fēng)巷頂板巖性分析,擬采用以下爆破參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn),最終的爆破參數(shù)需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)效果確定。孔深為8.5 m的切縫鉆孔自孔底至最外面一根聚能管的裝藥數(shù)量依次為3,2,2,1根,封泥長(zhǎng)度為1 m;孔深為18.5 m切縫鉆孔自孔底至最外面一根聚能管的裝藥數(shù)量依次為3,3,3,1,0,2,2,1根,封泥長(zhǎng)度為3 m。裝藥結(jié)構(gòu)分別如圖7、圖8所示。

圖7 8.5 m鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.7 Charge Structure of 8.5 m drilling

圖8 18.5 m鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.8 Charge Structure of 18.5m borehole

4.2 爆破效果分析

采用CXK28-Z礦用本安型鉆孔成像儀對(duì)鉆孔爆破效果進(jìn)行監(jiān)測(cè),本次鉆孔窺視地點(diǎn)為工作面前方約200 m處。共觀測(cè)2個(gè)爆破后的炮孔,第一個(gè)為孔深18.5 m鉆孔,第二個(gè)為孔深8.5 m鉆孔。18.5 m鉆孔窺視圖如圖9所示,8.5 m鉆孔窺視圖圖10所示。

圖9 18.5 m鉆孔窺視圖Fig.9 Peep view of 18.5m borehole

圖10 8.5 m鉆孔窺視圖Fig.10 Peep view of 8.5 m borehole

由圖9可知,鉆孔在5 m出現(xiàn)小裂縫,裂縫寬度1～2 mm,裂隙發(fā)育不連續(xù)；7～10 m鉆孔段巖塊完整,10 m后裂縫開始發(fā)育；在12～13 m裂縫連續(xù)發(fā)育且寬度較大,約2～4 mm,局部存在爆破后殘留物,爆破效果較好。

由圖10可知,鉆孔窺視眼前段0～2 m巖塊完整無裂縫；2.0～8.5 m開始出現(xiàn)裂縫且裂縫寬度較大并保持貫通,裂縫寬度5～10 mm,局部鉆孔段巖塊破碎,形成雙向裂隙,說明爆破中雙向聚能環(huán)能夠發(fā)揮作用。

綜上所述,8.5 m鉆孔爆破和18.5 m鉆孔爆破后裂隙較為發(fā)育,爆破效果較好,能夠形成裂隙區(qū),有助于工作面切頂卸壓。

5 結(jié)論

1)根據(jù)爆破理論得到了初始爆破壓力與鉆孔間距計(jì)算公式,理論計(jì)算得到了孔深為18 m時(shí),裝藥直徑為27 mm時(shí)的最佳爆破間距為1 200 mm。

2)結(jié)合COMSOL數(shù)值模擬軟件模擬了不同鉆孔間距下爆破效果,研究了不同裝藥直徑下的鉆孔布置間距范圍,揭示了鉆孔間距對(duì)爆破效果的影響規(guī)律。

3)工程實(shí)踐表明，裝藥直徑為27 mm,鉆孔間距為1 200 mm時(shí),炮孔裂隙發(fā)育較好,裂紋深而寬,能夠有效切落頂板巖層,驗(yàn)證了理論計(jì)算與數(shù)值模擬的結(jié)果,可為類似條件下礦區(qū)的深孔預(yù)裂爆破提供指導(dǎo)。

4)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,參考不耦合裝藥設(shè)計(jì),建議爆破方案采用裝藥直徑為27 mm,鉆孔間距為1 400 mm。此方案可減少一些鉆孔數(shù)量,有效降低鉆孔工程量,提高了爆破效率,對(duì)礦井安全高效生產(chǎn)具有重要意義。