馬蘭礦初采期深孔預(yù)裂爆破法強(qiáng)制放頂?shù)姆桨秆芯?/h1>
2022-08-18 02:28:48許海瑞
山西焦煤科技 2022年7期
許海瑞
(霍州煤電集團(tuán) 辛置煤礦， 山西 太原 031412)
大采高綜采工作面因采高大導(dǎo)致頂板來壓劇烈，容易導(dǎo)致一系列礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，如：工作面煤壁片幫、液壓支架壓架、底板鼓起，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生沖擊礦壓[1].尤其當(dāng)煤層上方為堅(jiān)硬頂板時(shí)，頂板垮落步距大，還容易產(chǎn)生上隅角瓦斯積聚等其他新問題。因此，大采高綜采面頂板為堅(jiān)硬頂板時(shí)，應(yīng)該采用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄈ趸敯?，使頂板提前垮落，避免上述問題，確保安全高效生產(chǎn)。
目前，預(yù)裂堅(jiān)硬煤層頂板主要有爆破弱化頂板和注水弱化頂板兩種方法。爆破弱化頂板是采用在頂板中鉆孔并裝炸藥爆破的方法將基本頂進(jìn)行致裂，迫使頂板提前垮落，并使得垮落的巖體在采空區(qū)形成矸石墊層，矸石墊層可有效減輕頂板垮落造成的沖擊波[2].注水弱化頂板是將水注入頂板后，將頂板進(jìn)行壓裂或?qū)㈨敯鍙?qiáng)度降低，前者稱為高壓注水預(yù)裂法，后者稱為靜壓注水軟化法[3].某些致密、堅(jiān)硬的頂板吸水性差，只能采用爆破弱化的方法進(jìn)行處理。對(duì)馬蘭礦18506綜采工作面上方堅(jiān)硬頂板進(jìn)行浸水試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，其巖石力學(xué)強(qiáng)度下降幅度極其有限，故對(duì)18506綜采工作面開切眼上方堅(jiān)硬頂板進(jìn)行爆破弱化，本文結(jié)合爆炸力學(xué)理論與數(shù)值模擬對(duì)爆破各參數(shù)進(jìn)行選擇優(yōu)化。
1 工作面概況
馬蘭礦18506工作面處于8號(hào)煤層，工作面長度為250 m，采高為4.35 m左右，屬于厚煤層，煤層傾角約為4°，采用大采高綜采開采方法一次采全高。8號(hào)煤層上方頂板是厚硬的整層粉砂巖與中粒砂巖，若自行垮落，基本頂?shù)某醮慰迓洳骄喔哌_(dá)65～75 m.同時(shí)，在18506工作面切眼后上方有一條膠帶運(yùn)輸大巷，具體位置為水平錯(cuò)距96 m、垂高約70 m處，巷道位置平面圖見圖1，工作面推進(jìn)方向從右向左推進(jìn)。經(jīng)過理論分析得出，基本頂?shù)某醮慰迓洳骄嗫赡芨哌_(dá)80 m，此時(shí)開切眼上覆巖層影響強(qiáng)烈，甚至影響此條膠帶運(yùn)輸大巷。因此，對(duì)18506工作面初采期上方的基本頂進(jìn)行預(yù)裂處理，以保證膠帶運(yùn)輸大巷的穩(wěn)定性。
2 預(yù)裂爆破實(shí)施方案
2.1 頂板爆破高度依據(jù)
18506工作面預(yù)裂頂板的方案中共設(shè)計(jì)A和B兩組次炮孔。其中，A組次炮目的在于致裂煤層基本頂及上覆關(guān)鍵層，B組炮的目的在于致裂煤層直接頂，使其及時(shí)垮落充填采空區(qū)。采用裂縫帶和冒落帶的經(jīng)驗(yàn)公式分別作為A組和B組炮孔高度的依據(jù)，工作面裂縫帶和冒落帶的剖面圖見圖2.兩帶的計(jì)算方法如下：
圖1 18506工作面巷道位置平面圖
圖2 工作面兩帶高度剖面圖
2.1.1 冒落帶高度計(jì)算
根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)公式，冒落帶高度計(jì)算公式[4]：
(1)
式中：
M—煤層開采厚度，m；
K—巖石松散系數(shù)，取1.3；
α—煤層傾角，(°)，取4.
假設(shè)初期切眼高度較低，煤層采出厚度按3.5 m計(jì)算，則冒落帶高度為7～16 m，該結(jié)論符合冒落帶高度一般是采高2～5倍的要求。
2.1.2 裂縫帶高度評(píng)估
冒落帶上部巖層因?yàn)橄虏靠迓鋷С霈F(xiàn)裂隙，根據(jù)三下開采的導(dǎo)水裂縫帶計(jì)算公式：
(2)
經(jīng)過計(jì)算可得，采高分別為3 m、3.5 m、4.35 m時(shí)，18506工作面上方的裂縫帶高度分別為41.3 m、43.6 m、46.8 m.若按60°垮落角計(jì)算，可得到應(yīng)力傳播的垂高為35 m左右。從工程既達(dá)到效果又不浪費(fèi)的角度考慮，頂板預(yù)裂的豎直高度達(dá)到7號(hào)煤上方的泥巖即可，該層位距離8號(hào)煤的頂板豎直高度為30～35 m，其上覆巖層沒必要再預(yù)裂，豎直方向高度取35 m.綜上所述，A組炮孔長度為40 m，傾角為60°；B組炮孔長度為30 m，傾角為30°.炮孔角度和高度示意圖見圖3.
圖3 炮孔角度和高度示意圖
2.2 爆破裂隙擴(kuò)展孔間距依據(jù)
鑒于A組炮孔深度達(dá)35 m，選擇直徑為50 mm的凹槽筒爆破；B組炮孔深度為15 m，且承擔(dān)崩落直接頂任務(wù)，需采用直徑較大炮孔，故選用直徑為63 mm的凹槽筒爆破。最終確定A組炮孔直徑為85 mm，炸藥直徑為50 mm；B組炮孔直徑為94 mm，炸藥直徑為63 mm.采用數(shù)值模擬軟件LS-DYNA模擬炮孔周圍巖體經(jīng)爆炸致裂后的裂隙發(fā)育情況，模擬方案見圖4.
圖4 爆破模擬模型圖
采用HIGE_EXPLOSIVE_BURN模型作為計(jì)算模型，JWL狀態(tài)方程能夠準(zhǔn)確地表達(dá)炸藥在爆炸過程中壓力和比容之間的定量關(guān)系，因此采用該狀態(tài)方程模擬炸藥[5]：
(3)
式中：
R1、R2、ω—炸藥特性參數(shù)，無量綱；
A、B—炸藥特性參數(shù)，GPa；
V、E—爆轟產(chǎn)物的相對(duì)體積和內(nèi)能，m3、MJ.
P—壓力，MPa.
當(dāng)B組炮孔直徑為94 mm，炸藥藥卷直徑為63 mm時(shí)，經(jīng)過數(shù)值計(jì)算得到炮孔周圍的破壞情況，見圖5.
圖5 炸藥起爆后炮孔周圍破壞形態(tài)圖
通過圖5可以看出，當(dāng)炸藥起爆后100 μs時(shí)，炮孔附近巖體出現(xiàn)破裂，并產(chǎn)生多條不規(guī)則裂紋；當(dāng)炸藥起爆后330 μs時(shí)，炮孔附近巖體已經(jīng)產(chǎn)生4條徑向主裂紋和1條次裂紋；隨著起爆時(shí)間的增加，巖體中所有裂紋均持續(xù)發(fā)育，當(dāng)炸藥起爆后540 μs時(shí)，炮孔附近巖體已經(jīng)發(fā)展成5條主裂紋；經(jīng)過充分發(fā)育，5條裂紋最終的長度依次為4.1 m、3.9 m、3.8 m、4.0 m和4.5 m，平均長度為4.06 m.通過上述分析可以確定：當(dāng)B組炮孔直徑為94 mm、炸藥藥卷直徑為63 mm時(shí)，炮孔周圍的裂隙區(qū)半徑約為4.06 m，據(jù)此可以將炮孔間距定為8 m，見圖6.
通過上述方法計(jì)算A組間距，考慮施工方便因素，將A組炮孔間距也定為8 m.
圖6 炮孔間距位置圖
2.3 初采炮孔位置的數(shù)值模擬
為預(yù)防開切眼遭到初采期預(yù)裂炮孔的破壞，在設(shè)計(jì)炮孔時(shí)要微調(diào)炮孔位置。在18506工作面設(shè)計(jì)炮孔時(shí)，將前排B組炮孔向工作面前方煤壁調(diào)整5°的擺角，炮孔長度為35.46 m，垂高距離不變。采用數(shù)值模擬軟件模擬初采期間頂板拉槽爆破效果，見圖7.
圖7 炮孔爆破后應(yīng)力狀況圖
由圖7a)可以看出，B組炮孔起爆后煤層上方基本預(yù)裂，但有些直接頂部分并未完全垮落。由圖7b)可以看出,A組炮孔起爆后的結(jié)果，即在垂高為35 m內(nèi)的頂板發(fā)生了塑性破壞，并且斷裂裂縫阻止了應(yīng)力繼續(xù)傳播，所示爆破致裂頂板效果極佳。
3 結(jié) 論
通過理論分析和數(shù)值模擬研究了馬蘭礦初采期深孔預(yù)裂頂板的必要性及炮孔布置方案，得到如下結(jié)論：
1) A組次炮目的在于致裂煤層基本頂及上覆關(guān)鍵層，炮孔長度為40 m，傾角為60°；B組炮的目的在于致裂煤層直接頂，使其及時(shí)垮落充填采空區(qū)，炮孔長度為30 m，傾角為30°.
2) 當(dāng)炮孔直徑為94 mm、炸藥藥卷直徑為63 mm時(shí)，炮孔周圍的裂隙區(qū)半徑約為4.06 m，據(jù)此可以將炮孔間距定為8 m.
3) 經(jīng)數(shù)值模擬驗(yàn)證，前排B組炮孔向工作面前方煤壁設(shè)置5°擺角，B組平行于切眼順槽方向，可防止將切眼破壞。
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目前，預(yù)裂堅(jiān)硬煤層頂板主要有爆破弱化頂板和注水弱化頂板兩種方法。爆破弱化頂板是采用在頂板中鉆孔并裝炸藥爆破的方法將基本頂進(jìn)行致裂，迫使頂板提前垮落，并使得垮落的巖體在采空區(qū)形成矸石墊層，矸石墊層可有效減輕頂板垮落造成的沖擊波[2].注水弱化頂板是將水注入頂板后，將頂板進(jìn)行壓裂或?qū)㈨敯鍙?qiáng)度降低，前者稱為高壓注水預(yù)裂法，后者稱為靜壓注水軟化法[3].某些致密、堅(jiān)硬的頂板吸水性差，只能采用爆破弱化的方法進(jìn)行處理。對(duì)馬蘭礦18506綜采工作面上方堅(jiān)硬頂板進(jìn)行浸水試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，其巖石力學(xué)強(qiáng)度下降幅度極其有限，故對(duì)18506綜采工作面開切眼上方堅(jiān)硬頂板進(jìn)行爆破弱化，本文結(jié)合爆炸力學(xué)理論與數(shù)值模擬對(duì)爆破各參數(shù)進(jìn)行選擇優(yōu)化。
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圖1 18506工作面巷道位置平面圖
圖2 工作面兩帶高度剖面圖
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(1)
式中：
M—煤層開采厚度，m；
K—巖石松散系數(shù)，取1.3；
α—煤層傾角，(°)，取4.
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圖3 炮孔角度和高度示意圖
2.2 爆破裂隙擴(kuò)展孔間距依據(jù)
鑒于A組炮孔深度達(dá)35 m，選擇直徑為50 mm的凹槽筒爆破；B組炮孔深度為15 m，且承擔(dān)崩落直接頂任務(wù)，需采用直徑較大炮孔，故選用直徑為63 mm的凹槽筒爆破。最終確定A組炮孔直徑為85 mm，炸藥直徑為50 mm；B組炮孔直徑為94 mm，炸藥直徑為63 mm.采用數(shù)值模擬軟件LS-DYNA模擬炮孔周圍巖體經(jīng)爆炸致裂后的裂隙發(fā)育情況，模擬方案見圖4.
圖4 爆破模擬模型圖
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(3)
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V、E—爆轟產(chǎn)物的相對(duì)體積和內(nèi)能，m3、MJ.
P—壓力，MPa.
當(dāng)B組炮孔直徑為94 mm，炸藥藥卷直徑為63 mm時(shí)，經(jīng)過數(shù)值計(jì)算得到炮孔周圍的破壞情況，見圖5.
圖5 炸藥起爆后炮孔周圍破壞形態(tài)圖
通過圖5可以看出，當(dāng)炸藥起爆后100 μs時(shí)，炮孔附近巖體出現(xiàn)破裂，并產(chǎn)生多條不規(guī)則裂紋；當(dāng)炸藥起爆后330 μs時(shí)，炮孔附近巖體已經(jīng)產(chǎn)生4條徑向主裂紋和1條次裂紋；隨著起爆時(shí)間的增加，巖體中所有裂紋均持續(xù)發(fā)育，當(dāng)炸藥起爆后540 μs時(shí)，炮孔附近巖體已經(jīng)發(fā)展成5條主裂紋；經(jīng)過充分發(fā)育，5條裂紋最終的長度依次為4.1 m、3.9 m、3.8 m、4.0 m和4.5 m，平均長度為4.06 m.通過上述分析可以確定：當(dāng)B組炮孔直徑為94 mm、炸藥藥卷直徑為63 mm時(shí)，炮孔周圍的裂隙區(qū)半徑約為4.06 m，據(jù)此可以將炮孔間距定為8 m，見圖6.
通過上述方法計(jì)算A組間距，考慮施工方便因素，將A組炮孔間距也定為8 m.
圖6 炮孔間距位置圖
2.3 初采炮孔位置的數(shù)值模擬
為預(yù)防開切眼遭到初采期預(yù)裂炮孔的破壞，在設(shè)計(jì)炮孔時(shí)要微調(diào)炮孔位置。在18506工作面設(shè)計(jì)炮孔時(shí)，將前排B組炮孔向工作面前方煤壁調(diào)整5°的擺角，炮孔長度為35.46 m，垂高距離不變。采用數(shù)值模擬軟件模擬初采期間頂板拉槽爆破效果，見圖7.
圖7 炮孔爆破后應(yīng)力狀況圖
由圖7a)可以看出，B組炮孔起爆后煤層上方基本預(yù)裂，但有些直接頂部分并未完全垮落。由圖7b)可以看出,A組炮孔起爆后的結(jié)果，即在垂高為35 m內(nèi)的頂板發(fā)生了塑性破壞，并且斷裂裂縫阻止了應(yīng)力繼續(xù)傳播，所示爆破致裂頂板效果極佳。
3 結(jié) 論
通過理論分析和數(shù)值模擬研究了馬蘭礦初采期深孔預(yù)裂頂板的必要性及炮孔布置方案，得到如下結(jié)論：
1) A組次炮目的在于致裂煤層基本頂及上覆關(guān)鍵層，炮孔長度為40 m，傾角為60°；B組炮的目的在于致裂煤層直接頂，使其及時(shí)垮落充填采空區(qū)，炮孔長度為30 m，傾角為30°.
2) 當(dāng)炮孔直徑為94 mm、炸藥藥卷直徑為63 mm時(shí)，炮孔周圍的裂隙區(qū)半徑約為4.06 m，據(jù)此可以將炮孔間距定為8 m.
3) 經(jīng)數(shù)值模擬驗(yàn)證，前排B組炮孔向工作面前方煤壁設(shè)置5°擺角，B組平行于切眼順槽方向，可防止將切眼破壞。
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